Архив экспертного контента: В статье сохранены исторические примеры и заявления о сварных стальных балках, мостах и фермах, но она не является проектом, расчетом, спецификацией соединений, планом сварки, аттестацией процедур, оценкой усталости или руководством по ремонту. Материал, свариваемость, вязкость, толщина, подготовка шва, присадочный материал, предварительный нагрев, последовательность, остаточные напряжения, допуски, коррозия, пожар, усталость и контроль должны определяться в соответствии с конкретным проектом и применимыми стандартами. Несущие соединения проектируются, изготавливаются и контролируются лицами, имеющими соответствующую квалификацию.
Саво Кусич сегодня специализируется на деревянных окнах, дерево-алюминиевых окнах, окнах на заказ, дверях и запросах цен. Эта статья остается историческим архивом и не представляет собой предложения по проектированию, сварке, испытаниям или усилению стальных конструкций.
Цельносварные кронштейны
Секции опор
Обзор представлен на рис. 1 и 2. Сл. 1a изображена опора, усиленная приваренными ленточными планками. Секции произвольной несущей способности могут быть собраны из широкой стали и листов (рис. 1b–e). Открытого стыка между угловыми швами следует избегать путем заточки вертикального листа (рис. 1c). Поперечное сечение опоры можно адаптировать к требуемому моменту сопротивления с помощью дополнительных ременных планок. Разрезы на рис. Преимущество 2d–f состоит в том, что шов на лицевой стороне приходится на область меньшей толщины ребра. Здесь швы особенно легко исследовать с помощью рентгеновских лучей.
Картина1— секции сварных опор.
Изображение 2 — секции опор из специальных профилей.
Контроль сварных швов: радиографическое исследование использует ионизирующее излучение и проводится только в контролируемых условиях уполномоченными специалистами. Выбор метода контроля, объем приемки и критерии качества определяются проектом и стандартом; осмотр фотографии или внешней поверхности не является доказательством внутреннего качества сварного шва.
Продолжение вертикального листа
Разработка проходила вполне соответствующим образом. Выполнялось наращивание с подвязками. Крестообразная пристройка не получила большого значения в мостостроении, но все же хорошо зарекомендовала себя в строительстве зданий. Поскольку вертикальные расширения до границы раздела были нерентабельны из-за малых допустимых напряжений, были найдены расширения с увеличенной длиной шва.
Универсальные биты
Сл.3показано продолжение главной балки автодорожного моста с усиленным ребром. Сл.4дает продолжение одного моста на шоссе. В лучшем случае эта надстройка по внешнему виду и способу действия не отличается от нерастянутой опоры, только усталостная прочность несколько ниже. Решение по расширению зависит от того, является ли это расширением мастерской или расширением сборки. Поскольку в мастерской доступны более качественные инструменты, сварка на месте по возможности ограничивается. Сл.5показывает разделение одного длинного луча63m. Балки были доставлены на строительную площадку частями38mи25mдлины, где были приварены только удлинители, отмеченные буквой «В». Монтажные удлинители выполнены в виде U-образных удлинителей, чтобы избежать сварки сверху.
Картина3— продолжение балки моста на шоссе возле Хаттенхайма.
Картина4— историческая деталь продолжения балки моста.
Картина5— график расширения цехов и сборок.
Непрерывные цельные балки привариваются во время сборки через проемы без строительных лесов, например, возле автомобильного моста с проемами 42m. Детали опоры были установлены плавучим краном и после установки всех элементов сварены. При этом основные опоры крепились саморезами с помощью подвязок с отверстиями (рис. 6). Через отверстия в подвязках можно было проварить большую часть шва вертикального листа, прежде чем подвязки приходилось снимать. Сл. 6 содержит дополнительную информацию по подготовке U-образных швов для специальных профилей в верхнем и нижнем поясе.
Изображение 6 — временные подвязки с отверстиями для сварки.
Сборка и работы на месте: исторические примеры с плавучим краном, временными креплениями, люками и сваркой на месте не входят в план сборки. Требуется расчет временных условий, план подъема и крепления, контроль геометрии, защита от падения, пожара и дыма, а также прослеживаемый контроль каждого соединения перед снятием временных опор.
Ребра жесткости
Необходимо хорошо придать жесткость цельным сварным опорам от выступа вертикального листа и бокового коробления поясов, кроме того, изгиб при сварке следует держать на низком уровне. Усадочные напряжения на вертикальных ребрах жесткости были исследованы О. Граф-а. При рассмотренной последовательности работ (сначала приваривались ребра жесткости, затем основные швы) в ребрах жесткости и близлежащих полосах вертикального листового металла возникали значительные усадочные напряжения. Если ребра жесткости уже находятся на ремнях до растяжки основных швов, то усадка ребер ремня предотвращается. В ламелях пояса появились волнистые изгибы в продольном направлении.2mm, в поперечном направлении ок.0,25mm(инжир.7). Следовательно, в планках ремня должны были присутствовать значительные напряжения изгиба в обоих направлениях. Несущая способность ограничивалась возникновением больших деформаций, а не разрывной прочностью нижнего пояса. По результатам испытания на усталость в мостах требуется установка между ребрами жесткости и поясом хорошо пригнанных пластин, которые крепятся к ребрам жесткости стыковым сварным швом. Ребра жесткости и соединения нарезаются таким образом, чтобы основной шов оставался свободным (рис.8). В строительной отрасли в большинстве случаев не подлежит сомнению, что ребра жесткости привариваются непосредственно к балкам. Лучше избегать обрезки швов и слишком большого их нагромождения.
Картина7— деформация ремней при сварке.
Картина8— усиление при помощи хорошо подогнанных плиток.
Усадка, деформации и усталость: исторические результаты испытаний невозможно перенести на другую деталь без расчета. Ребра жесткости, сварные соединения, пересечения швов, допуски и последовательность работ влияют на остаточные напряжения, коробление и усталостную прочность; недопустимые трещины и деформации не устраняются дополнительной сваркой без утвержденной процедуры ремонта.
Полные кронштейны и рамки
Арочные опоры и тонкие арки
Арочные крепления предлагают нечто особенное по сравнению с настоящими полноценными креплениями. Однако соединения двустенных консольных арок с одностенными балками жесткости, выполненные на двух крупнейших сварных автодорожных мостах, относятся к числу наиболее интересных сварных конструкций. На автодорожном мосту через Лех возле Дуйсбурга в конечном узле использовался массивный обработанный кусок кованой стали для облегчения сварочных работ. Он (рис. 9) принимает силы от арки и передает их на балку жесткости. Снабжен прочным выпускным патрубком 50 mm, который проходит через единственную прорезь к верхнему поясу балки жесткости и приварен к вертикальной пластине, армированной на толщину 50 mm.
Рисунок 9 — конечный узел арочного моста.
Каркасные конструкции
На углах рамы лучше всего видны преимущества техники сварки, позволяющей без особых затруднений изготавливать сложные формы. Один угол рамы с большой нагрузкой показан на рис. 10. Сооружение имеет сварные пристройки цеха. Монтажные удлинители крепятся саморезами. При приварке ребер жесткости между стойками соединяемых опор возникают высокие усадочные напряжения, которые иногда приводят к образованию трещин. Усадочные напряжения значительно уменьшаются, когда вместо цельных нервюр (рис. 11a) привариваются только листы крыла (рис. 11b).
Image 10 — опора угла рамы.
Рисунок 11 — детальное сравнение жесткости сварного соединения.
Image 12 — Бельгийский мостовой узел с рамными балками.
Жесткие на изгиб соединения продольных опор
В решётке дорожного покрытия мостов значительного упрощения можно добиться за счёт применения сварных соединений. Усталостная прочность соединений продольных опор и т.п. при изгибающей нагрузке подтверждается испытаниями О. Граф-а (рис. 13). Поэтому соединение стыковым швом на растянутой стороне имеет более высокую усталостную прочность при равномерном напряжении изгиба σUb, чем соединение, в котором растянутая полоса соединена угловыми швами.
Изображение 13 — исторические варианты соединений продольных опор.
Опоры сетки
Сварные ферменные конструкции
Формы и соединения старых решеток представляли собой копии клепаных конструкций (рис. 14). Это нецелесообразно, при выборе сечений необходимо учитывать особые свойства сварных соединений. Важна и большая жесткость всех соединений по сравнению с клепаными узлами. Соединения диагональных стержней в узлах решетки сложно выполнить более высокими силами, особенно на строительной площадке. Поскольку здесь в первую очередь речь идет о соединениях с угловыми швами, усталостная прочность сравнительно невелика. Полностью сварной, т.е. и в узлах сварной сетки, поэтому только на некоторых специальных участках металлоконструкций. Например, со стяжками, с малодинамически нагруженными кранами и т. д.
Изображение 14 — сварной узел решетчатой опоры.
В первую очередь при формировании поперечного сечения учитываются плоская сталь и листовой металл. В случае сварных конструкций без особого труда изготавливаются полые профили, которые имеют преимущество перед прессованными стержнями за счет жесткости на кручение. Отдельного упоминания заслуживает особый случай круглой трубки. Широкое применение нашли сварные трубчатые конструкции, напр. при строительстве кранов или легких конструкций в строительной отрасли. В случае продолжения и соединения полых секций действительно приходится учитывать определенные конструктивные трудности и дополнительные затраты. Сварные секции часто собирают на концах, чтобы облегчить соединение (рис. 15). Специальные меры, необходимые в цехе и на строительной площадке для сварных решетчатых конструкций, затрудняют их применение, за исключением случаев, когда речь идет об опорах с незначительной или преимущественно статической нагрузкой. Для динамически нагруженных решеток и для решеток с большими усилиями правилом было то, что сваривались только отдельные элементы, а их взаимное соединение осуществлялось с помощью винтов. В первую очередь были устранены трудности с установкой; а решетки из сварных элементов можно монтировать по той же схеме, что и из клепаных стержней.
Рисунок 15 — формовка торца полого профиля для соединения.
Связанные листы, получающие одновременно диагонали, приклепываются обычным способом к ребрам поясов или свариваются с ними встык (рис.16а). Последний имеет недостаток «начинающихся угловых швов», отрицательно влияющих на усталостную прочность балки. Решающий шаг к правильному формированию ферменных мостов сваркой был сделан на железнодорожном мосту через Рейн близ Майнца (мост Кайзера). Они там50 mmусиленные узловые листы посредством швов на стыке, вставленных в вертикальные листы поясов30 mmтолщина. Переходы постепенные, формирование видно на рис.16б. Удлинители тяг ремня расположены рядом с узлами.
Картина16— узловатые листы сцепки против ветра и железнодорожный мост через Рейн близ Майнца (мост Кайзера,1954).
Армирование сваркой
Последующее усиление стальных конструкций считается одной из самых сложных работ, особенно когда его приходится выполнять на нагруженной конструкции. При заклепочных соединениях вставка усиления, сверление и соединение с уже имеющимися деталями трудоемки и затратны. Поскольку сварка возможна без длительной предварительной подготовки, а также без нарушения существующих средств соединения, то было близко попробовать сварить усиление сечений и соединений решеток. Совместное действие заклепок и сварных швов при восприятии усилий в стержнях подробно исследовано теоретически и экспериментально. Тем не менее, при практической реализации появлялись трещины и усталостные разрушения, отчасти только после длительной эксплуатации. Причинами этих трудностей стали последствия сварочных надрезов и резкие изменения сечения, а часть появившихся трещин была вызвана высокими напряжениями от усадки.
Усиление существующей конструкции: сварка напряженной или состаренной стали может привести к появлению трещин, хрупкому разрушению, локальной потере устойчивости и новому пути силы. Перед началом работ необходимо определить материал, имеющиеся повреждения и усталость, фактическую нагрузку, свариваемость, последовательность снятия нагрузки и временное страхование. Армирование выполняется только по утвержденному проекту и методике, под надзором и контролем.
Сочетание сварки, клепки и завинчивания
Запрещалось одновременно применять сварку и клепку. Особое внимание уделялось «цельносварным конструкциям», в которых полностью отсутствовали заклепки и винты. Сегодня сварка и клепка снова применяются параллельно на одном и том же объекте. Во многих случаях целесообразно приваривать только цеховые приставки, а сборные, наоборот, клепать. Следует избегать применения обоих типов соединения в одном и том же продолжении, поскольку четкое распределение усилий не может быть достигнуто из-за усадки, связанной со сваркой и скольжением заклепок/болтов.
Заключительное замечание: совместное действие сварных швов, заклепок и винтов нельзя предполагать без расчетной модели, определенной последовательности выполнения, допусков и контроля скольжения. Для каждой несущей детали должны быть известны путь действия силы, категория усталости, доступность для сварки и контроля, допустимые дефекты и план технического обслуживания на протяжении всего срока службы конструкции.