Сварные конструкции. Расчет и проектирование

РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ПРЕДЕЛОВ ВЫНОСЛИВОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИИ

При определении допускаемых напряжений в кон­струкциях, работающих под действием переменных на­грузок, в настоящее время имеет место два подхода.

Первый подход отражен в нормативах Госу­дарственного комитета по делам строительства (Госстрой СССР). СНиП (Строительные нормы и правила) ч. II. Нормы проектирования. Гл. 23 «Сварные конструкции» (Стройиздат, 1982 г.).

Строительные нормы используются при проектиро­вании сварных металлоконструкций, входящих в сферу строительства. Иногда нх используют при проектировании других объектов, например подъемно-транспортных машин и т. д.

ft Схем» элемента н распо* п/п ложеиме расчетного

сечения

о) _____ [6 |а

-ей-

ді°

Основной металл в соединениях с флан­говыми швами (в ме­стах перехода от эле­мента к концам флан­говых швов):

а) с двойными фланговыми швами

б) с фланговыми и лобовыми швами

в) при передаче усилия через основ­ной металл

Основной металл трубы растянутого раскоса при отноше­нии толщины к на­ружному диаметру трубы пояса:

1/20

1/14

Соединение встык прокатных профилей

Обрыв поясного листа без механиче­ской обработки по­перечного (лобового)

шва

Основной металл растянутых поясов балок и элементов ферм вблизи диафрагм и ребер, приваренных угловыми швами

Элемент со вспомо­гательным элементом, приваренным про­дольными швами при а:

До 45е 90"

В основу указанных нормативов патожено разделение видов сварных соединений на 8 групп (табл. 5.7) в значи­тельной степени в зависимости от эффективных коэффици­ентов концентрации напряжений (в таблице первое зна­чение Кш для низколегированных сталей; второе —для низкоуглеродистых). Напомним, что у строителен исполь­зуются расчетные сопротивления (вместо допускаемых на­пряжений): по пределу текучести — делением от на коэф­фициент надежности; по пределу прочности — делением ов на коэффициент надежности.

Основное внимание уделяется расчету предела проч­ности основного металла в зоне сварных швов.

Максимальное допускаемое напряжение в соединении определяется из условия

«т.* = «ЯгТ. (54)

где RТ — расчетное сопротивление по пределу текучести, принимаемое по табл. 5.8 в зависимости от расчетного сопротивления по текучести стали и группы соединений; а — коэффициент, учитывающий ожидаемое количество нагружений и вычисляемый по формулам для групп 1 и 2:

a = 0,64(^T)!-0,51^+l,75; для групп 3. . .8

“ = 0.°7(tf)!—0-64w + 2-2-

Коэффициент у, определяемый по табл. 5.9, зависит от вида напряженного состояния и коэффициента асим - метрик цикла:

При oin|„ и ага„ разных знаков коэффициент г имеет знак минус.

Ни в одном случае от„ не должна превышать стт/1,3. Ниже приведена табл. 5.10 сопротивления по пределу текучести и пределу прочности.

Таблица 5.10

Расчет прочности самих швов производится с учетом следующего.

При применении сварочных материалов высокого ка­чества, при полном проваре стыковых соединений и при проверке качества швов физическими методами контроля расчета их прочности вовсе не требуется.

Особенностью изложенного подхода к расчету сварных соединений под переменными нагрузками является то, что

допускаемые напряжения для групп 3. . .8 остаются по­стоянными вне зависимости от пределов прочности и теку­чести сталей. Это объясняется весьма сильным влиянием концентрации напряжений, которая растет о ростом о „

И От.

Концентрация напряжений определяется геометрией соединений и технологическими, иногда мелкими дефек­тами, оказывающими в то же время сильное влияние на усталостную прочность. Их влияние настолько велико, что и расчет на усталостную прочность соединений осуще­ствляется, как было указано выше, прочностью околошов - ной зоны, но разумеется с учетом группы.

Второй подход осуществляется преимуществен­но в тех случаях, когда швы тщательно обрабатываются, при устранении отдельных мелких дефектов. Эго выполняется в сварных пролетных строениях железнодорожных мостов, в деталях машин. При этом расчет проводится на допускае­мые напряжения при статической нагрузке [o]Pi, равные ІоІрП, где 1о1р —допускаемое напряжение при статической нагрузке, л — коэффициент понижения допускаемых на­пряжений при переменных нагружениях по сравнению со статическими:

л = 4>(р*.± Д)—(р/С. =F Д)г • (5б)

здесь ф зависит от длины линии влияния. При ее длине больше 24 м ф=1; рдаО.6; Д»0,2.

Верхние знаки в формуле (5.5) применяются, если наи­большие напряжения при растяжении, нижние — если при сжатии:

К» принимаются по таблице для соединений мостовых объек­тов и других спецобъектов.

В машиностроении единые нормы допускаемых напря­жений при расчете под переменными нагрузками не уста­новлены. Это объясняется многообразием форм конструк­ций и условиями их работы.

Коэффициент у определяют отношением допускаемых напряжений при переменных нагрузках к допускаемым напряжениям при статических.

Вычисление производят с учетом следующих факторов: предела выносливости металла <т_і на образце при сим­метричных циклах; т——1 при числе нагружений N— -10*. .Л0’|

амплитуды напряжений цикла а„; среднего значения напряжений в процессе циклического нагружения ат, равного (от„+ат1в)/2 (о*.* и отХп — максимальное и минимальное значения величины напря­жений цикла по абсолютной величине, взятые со своим знаком);

напряжения о,, определяемого по диаграмме Смита (см. рис. 5.3) в зависимости от материала (предел выносливости при симметричном цикле) и характеристики цикла г.

Допускаемое напряжение при этом определяется по фор­муле

(5.6)

где п — коэффициент запаса, принимаемый в пределах 1,4. . .1,6; Ка — эффективный коэффициент концентрации напряжений для рассматриваемого типа соединений.

По приведенной формуле устанавливается допускаемое напряжение растяжения (изгиба).

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА

Пример I. Определить несущую способность прикрепления по­лок шириной 200 мм, толщиной 10 мм к косынке лобовыми швами длиной /, = 20 мм и фланговыми швами длиной /,= 15 см; г=0,2 (растяжение), материал — сталь ВСтЗсп5-2 (см. табл. 5.10). Рас­четное сопротивление по пределу прочпости //„=370 МПа, расчет­ное сопротивление по пределу текучести /?т= 270 МПа, коэффици­ент условий работы т=0,8, коэффициент надежности *=1,1, число нагружений л=10'.

При статическом нагружении допускаемое напряжение для металла полосы

[о]Р= Rx у=270|96 МПа;

в угловых швах

[Т'1 = 0,55R„ ~ =0,55-370144 МПа.

При переменных усилиях максимальное (допускаемое) напря­жение в полосе

<W=«K»Y..

здесь а определяется числом нагружений.

Соединение относится к группе 8, поэтому

Пр„ ,-ОД „_т|1_=т^ет_1.91.

Таким образом, нормальное допускаемое напряжение при пере* менных нагрузках в полосе

[о)р = аЯ„уо=1.43-27-1,91^73,7 МПа.

Допускаемое усилие на полосу

Pi= [olp -4пол = 73,7.20-1 • 10-* = 0,147 МН.

Допускаемые напряжения о угловом шве (т')=49,2 МПа.

Расчет угловых швов при переменных нагружениях произво­дится по тем же формулам, что и при статических.

Таким образом, несущая способность швов, приваривающих полосу при ручной сварке (Р=0,7),

Р| = (20+2-15-1)-0,7 • 1 • 10“*-49,2= 171 МН.

Следовательно, прочность прикрепления швами обеспечивается.

Пример 2.

Определить несущую способность полосы (см. пример 1) по эффективным коэффициентам концентрации напряжений от=* = 315 МПа.

В прикреплении лобовыми и фланговыми швами стальной поло­сы принимаем К8= 3; коэффициент запаса прочности А= 1,2.

По диаграмме Смита о,=от, поэтому

м>-йг=тт-а7-5МП‘-

Допускаемое усилие на полосу

/>і = (olp А = 87,5-20 10-« = 0,175 .МН.

Допускаемое усилие по способу эффективных коэффициентов концентрации оказалось больше, чем по расчету примера 1,