СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

ДЕФОРМАЦИИ БАЛОЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ОТ ПРОДОЛЬНЫХ И ПОПЕРЕЧНЫХ ШВОВ

Наиболее значительные деформации в балочных конструк­циях — это деформации изгиба. Изгиб возникает от продольной усадки швов, расположенных вдоль балки, а также от поперечной усадки поперечных сварных соединений. Менее существенны де­формации укорочения балок по длине. Однако в некоторых кон­струкциях с большим количеством поперечных сварных соедине­ний укорочение может составить несколько миллиметров.

В балочных конструкциях нередко возникают деформации грибовидности (п. 30). В листовых элементах балок под влиянием сжимающих остаточных напряжений может происходить потеря устойчивости листов с образованием разнообразных по форме видов коробления (п. 40).

Наиболее сложным и трудно поддающимся исправлению ви­дом сварочных деформаций в балочных конструкциях является скручивание балок (п. 33). В данном параграфе рассматриваются деформации изгиба и укорочения балок, которые можно опреде­лять методом фиктивных сил (п. 25). Действие продольной усадки заменяют некоторой фиктивной силой Рус, прикладываемой в конце сварного соединения (рис. 86). Величина усадочной силы выра­жается в зависимости от режима сварки и свойств металла. Для низкоуглеродистых и низколегированных сталей формула для определения усадочной силы в килограммах следующая:

Формула (120) дает несколько завышенные результаты. Ею можно также пользоваться при сварке в тавр одним швом. При 112

сварке в тавр двумя угловыми швами, зоны пластических деформа­ций которых перекрываются, принимают 1,15-1,7—. Если шов

Vc

прерывистый, то усадочную силу определяют по формуле

Р р ‘Ш

ус - пР ~ ГУС tap

Погонную энергию при сварке углового шва можно определять приближенно в зависимости от катета шва [86]:

= Dk

где D = 30 ООО при автоматической сварке, D = 40 ООО при руч­ной сварке; к — катет углового шва в см.

а)

в) ч>

Рис. 86. Деформации двутавровой балки от про­дольных и поперечных швов

Если балку сваривают последовательно: вначале тавр

(рис. 86, б), а затем двутавр, то деформации находят от каждого сварного соединения в отдельности. После сварки шва 1 (рис. 86, б) в тавре возникнет прогиб /,

TOC o "1-5" h z / = W* <123>

угловой поворот концов

/цім

Ф =17- (124)

и продольное укорочение

= М = Ру<е 1, (125)

где L — длина балки;

J — момент инерции сечения тавра относительно оси г/,;

F — площадь поперечного сечения тавра Ft.

После сборки тавра с поясом II и сварки шва 2 возникает изгиб в противоположном направлении, величину которого определяют также по формуле (123) с подстановкой в нее момента инерции J всего сечения балки относительно оси у, проходящей через центр тяжести, и эксцентриситета е2.

Дополнительное укорочение балки определяют по формуле (125). Величина F равна площади всего поперечного сечения балки.

Если балку сначала собирают на прихватках, а затем свари­вают швы / и 2, то изгиб от швов находят при эксцентрисите­тах е3 и е2 (рис. 86, а), и моменте инерции всего сечения. Так как швы / и 2 на собранной балке обычно свариваются не одновременно, а по очереди, то при сварке шва 2 обнаружи­вается некоторое влияние напряженного состояния, вызываемого сваркой шва 1 |86, 101, 107].

Продольное укорочение балки от поясных швов в случае ее сварки после сборки на прихватках определяют по формуле (125). Усадочная сила равна сумме Рус, + РуСг.

Поперечные швы, приваривающие ребра, если они смещены относительно центра тяжести сечения балки, вызывают значи­тельные деформации. Общая схема расчета состоит в определения углов поворота балки от отдельных поперечных швов и суммар­ного прогиба.

Угол поворота, вызываемый сваркой отдельного поперечного шва, определяют по формуле

<р = (Д„0)1-Дя) А, (126)

где Д„да — поперечная усадка соединения, выполняемого в неза­крепленном состоянии; определяют по формуле (96);

Д„ — пластическая деформация, вызываемая сопротивле­нием поперечного сечения балки;

S —статический момент части сечения, где расположено сварное соединение;

J — момент инерции всего сечения.

Максимально возможный угол поворота можно определить при Д, = 0. Рассмотрим применение формулы (126) на примере (см. рис. 86). Допустим, два шва 3, приваривающие ребро к поясу,( вызывают поперечную усадку пояса Д„ОТп. Статический момент верхнего пояса относительно центра тяжести всего сечения равен

sn = я А (в2 + .

Четыре шва 4, приваривающие два ребра к стенке, дадут попе­речную усадку Ап<мс ■ Статический момент части сечения стенки, где расположены швы ребер, равен

Scp=lp8c(et--’-)-

Суммарный угол поворота от приварки двух ребер, располо­женных напротив друг друга, равен

TOC o "1-5" h z 4V = - J - [ Алол„Я-2^2 (е, + +

+ Konjp&c (е.2 |-) j •

Прогиб балки от всех поперечных швов, приваривающих ребра, равен (рис. 86, в)

fj. = ф„4/ + ф^Зt - f ф„2/ 4-<ppl. (127)

Продольное укорочение балки от поперечных швов 4, привари­вающих два ребра к поясу, равно

Кп = Копп yh - Копп. (128)

Швы, приваривающие два ребра к стенке, вызовут продоль­ное сокращение

ЬпРс = Ьпопс ■ (129)

Суммарное укорочение длины балки от всех поперечных швов на основании формул (128) и (129) составит

= 8 “Ь ^nonjp&c) у • (130)

Пример. Требуется определить остаточный прогиб балки из Ст. З, пред­ставленной па рис. 86, если L = 9 м; I — 1 м; Bt = 150 мм; = 10 мм; В2 ■— = 250 мм; 62 — 10 мм; высота стенки hc = 480 мм; Ьс = 8 мм. Высота ребра 1р = = 200 мм; толщина ребер йр = 8 мм; катеты всех швов к = 6 мм. Ребра при­варены вручную, поясные швы — автоматической сваркой. Вначале сваривают тавр (рис. 86, б), затем двутавр, ребра приваривают в последнюю очередь.

Находим положение центра тяжести тавра (ех = 17 см) и момент инерции Uу = 15 730 смі). Определяем по формуле (122) погонную энергию сварки поясного углового шва

-5- = 30 000 0,62 = 10 800 дж/см.

vc

При двух близко расположенных угловых швах, приваривающих пояс к стенке, усадочную силу находим по формуле (120) с коэффициентом 1,15:

РУсг = 1.15-1.7-10 800 = 21 000 кГ 210 кн).

Находим прогиб от силы Я по формуле (123):

РУЧе 21 ООО 17-9002

h 8EJUl ~ 8-2 - 10е -16 730 ~1Л5см>

Я — РуСіз так как катеты швов и режимы сварки одинаковы.

Определим центр тяжести двутавра, эксцентриситет е2 = 20,8 см и момент инерции Jy = 32 540 см4.

Находим прогиб от силы Я

' _русге4ї _ 21 000-20,8-9002 п ао

'2~ 8EJy ~~ 8-2-10е-32540 — СМ

Прогиб /2 направлен противоположно прогибу fv

Вычисляем деформации, вызываемые поперечным сокращением пояса и стенки от швов, приваривающих ребра. Определим вначале погонную энергию сварки по формуле (122) с учетом того, что швы сварены вручную:

—— = 40000-0,62 = 14 400 дж/см.

Ос

Определим по графику на рис. 83, какое количество тепла поступает в пояс, если 6р = 0,8 см, Ьп = 1 см, кп — 0,66:

(— ) = кп-~ = 0,66-14 400 — 9500 дж/см.

ос )п ос

Определим поперечное сокращение пояса от одного углового шва в пред­положении свободного сокращения по формуле (96):

Так как ребро приварено двумя угловыми швами, то сокращение

= 2-0,0274 = 0,0548 см.

Определяя поперечное сокращение стенки от приварки двух симметричных ребер, необходимо учесть, что на стенку от этих ребер накладывают четыре угло­вых шва. При сварке первого ребра (см. рис. 83) в стенку поступает доля тепла при кСі = 0,62

( — = к • — = 0,62-14 400 = 8900 дж/см.

ос /с, с‘ ос

Поперечное сокращение стенки от приварки первого ребра одним швом

. .12- 10_в 8900

&поп— 1,2 g • q g — 0,032 см.

Так как ребро приварено двумя швами, то

Ьпопс = 2-0,032 = 0,064 см.

Симметричное ребро приваривают, когда уже первое ребро соединено со стен­кой. В первое ребро будет уходить часть тепла. Принимая приближенно, что тепло распределяется в этом случае пропорционально толщинам, каждая из которых

116

равна 8 мм, находим, что при сварке второго ребра в стенку поступает только

— 0,5• 14 400 = 7200 дж/см.

Поперечное сокращение стенки от приварки второго ребра одним швом

12-10-в 7200

0,8

от двух угловых швов

^попс = 0,052 см.

Суммарное сокращение стенки от приварки двух симметричных ребер со­ставит

Anonj, = 0,064 + 0,052 = 0,116 см.

Определим максимальный угловой поворот, вызванный сокращением пояса, по формуле (126). Статический момент сечения пояса S„ = 25-1 -21,3 = 532 см3,

539

Фи = W J - = 0,0548-= 0,0009 рад.

Определим максимальный угловой поворот, вызванный сокращением стенки от приварки двух ребер. Статический момент участка стенки, где происходила поперечная усадка,

Sc = 20-0,8-10,8 = 173 см3,

о lye)

Фс= Лпоиз -7^-= 0,116.д^ = 0,000615/*нЭ.

Суммарный угловой поворот балки от приварки двух симметричных ребер равен

Ф2 = фп + фс = 0,0009 + 0,000615 = 0,001515 рад.

Прогиб балки от всех поперечных швов определим по формуле (127), выве­денной к данному на рис. 86 числу ребер:

/2р = Ф2(4/+ 3/+ 2/+ /) = 0,0015-10-100 = 1,51 см.

Полный прогиб балки от продольных и поперечных швов с учетом направле­ния прогиба

/= /і — /2 — fSp = 1.15 —0,68 — 1,51 = —1,04 см = —10,4 мм.