Сварные соединения .типы сварных швов.

варные соединения классифицируют по различным признакам. Наиболее распро страненными из этих признаков являются следующие: геометрия примыкания соединяемых элементов, тип используемых сварных швов, способ сварки, условия работы, толщины сва риваемых элементов, свариваемые материалы.

При производстве строительных конструкций применяется преимущественно электродуговая сварка. Основные типы, конструктивные элементы и размеры сварных швов и со единений регламентированы следующими нормативными документами:
ГОСТ 8713-79 и ГОСТ.11533-75 - для швов выполняемых автоматической и полуавто матической сваркой под флюсом;
ГОСТ 14771-76 - для швов, выполняемых сваркой в защитных газах;
ГОСТ 5264-80 и ГОСТ 11534-75 - для швов, выполняемых ручной дуговой сваркой.
В отдельных случаях применяются электрошлаковая сварка ГОСТ 15164-78, контактная сварка ГОСТ 15878-79 и дуговая точечная сварка ГОСТ 14776-79.
В зависимости от вида и геометрии примыкания соединяемых элементов указанными стандартами для дуговой сварки предусмотрены четыре характерных случая:
- стыковое соединение, когда свариваемые элементы лежат в одной плоскости;
- угловое соединение, когда две детали своими торцевыми поверхностями соединяются под определенным углом по отношению друг к другу;
- тавровое соединение, когда одна деталь примыкает к другой своей торцевой поверхностью;
- нахлесточное соединение, когда свариваемые элементы перекрывают друг друга.
Рассмотрим некоторые главные особенности проектирования и изготовления сварных соединений строительных металлоконструкций.

Стыковые соединения

Сварные стыковые соединения листовых деталей следует выполнять прямыми с полным проваром и с применением выводных планок.
В монтажных условиях допускается односторонняя сварка с подваркой корня шва и сварка на остающихся стальных подкладках. При применении остающихся подкладок необходимо выполнять требования. Крепление подкладки необходимо производить со стороны свариваемых кромок. При ручной сварке зазор в собранном стыке должен быть 7±1 мм. Выполнение этих требований исключит появление трещин типа "усов". Толщина остающейся подкладки выбирается такой, которая на установленных режимах сварки исключает ее прожог. При изготовлении и монтаже сварку стыковых соединений ведут, как правило, с применением механизированных способов сварки наилучшие результаты имеют место при применении автоматической сварки под флюсом (Аф).
В табл. 1 представлены наиболее типичные стыковые соединения используемые в сварных строительных конструкциях.
Стыки без разделки кромок выполняют при толщине элементов до 16 мм. Если стыкуемые листы имеют толщину более 16 мм рекомендуется производить разделку кромок двухстороннюю [2] или одностороннюю. Параметры стыка и режимы выбирают такими, что бы обеспечить полный провар. Стыки 1 и 2 осуществляют при разнице толщин листов не более 4 мм.
При значительной разнице толщин рекомендуются стыки по типу 3 (с односторонним уклоном) или по типу 4 (с двухсторонним уклоном). В мостостроении принято для растянутых элементов применять уклон 1:8, а для сжатых 1:5. Уклоны выполняют фрезеровкой или строжкой с соблюдением требований по шероховатости поверхности.

Таблица 1

В последнее время в практике мостостроения начали применять элементы конструкций в виде пакета листов. В частности при строительстве автотранспортной эстакады в Одесском морском порту. В ряде пролетов нижние пояса были изготовлены из пакетов 40+40 мм; 40+32 мм; 40+24 мм. В отечественных нормативных документах отсутствуют рекомендации по конструированию монтажных стыков. Немецкие нормы DIN 18800 рекомендуют решение 5 и 6 (таблица). В зоне стыка при изготовлении производится небольшая разделка по плоскости соприкосновения листов с последующей заваркой и зачисткой этих участков. Толщина наплавленного металла составляет 7-8 мм. При автоматической сварке на монтаже на этом участке нельзя допускать полного проплавления омоноличенной зоны.

Угловые соединенияПри производстве строительных стальных конструкций основной объем сварочных ра бот приходится на выполнение угловых швов. Эти швы в конструкциях заводского изготовления составляют по массе наплавляемого металла более 90%, из них около 40% - расчетные швы, размеры которых устанавливаются при проектировании в соответствии с расчетами на прочность, и около 60% - конструктивные швы. Поэтому рациональное проектирование соединений с угловыми швами служит большим резервом повышения качества и эффективности сварочного производства. При проектировании сварных узлов, один из элементов которых испытывает растягивающие напряжения по толщине листа, следует принимать конструктивные решения угловых и тавровых соединений с уменьшенным риском возникновения слоистых трещин. Для этого необходимо (Рис.1).
- отказаться от применения одностороннего углового шва и перейти к двустороннему со сведением к минимуму концентрации деформаций в вершине сварного шва (Рис. 1, а);

Рисунок 1

- в тех случаях, когда это невозможно, применять соединения без разделки кромок с минимально возможным объемом наплавленного металла взамен соединений с полным проплавлением (Рис. 1, б);
- применять при статических нагрузках соединения с разделкой кромок (h ^ t/З) неполным проплавлением (Рис. 1, в)
- по возможности избегать применения V -образной разделки, применяя К-образную разделку (Рис. 1, г);
- во всех случаях, когда это возможно, применять тавровые соединения вместо угловых (Рис. 1, а);
Важным фактором при сварке ответственных конструкций является правильный подбор режимов сварки, что приводит к равномерному заполнению шва и уменьшает остаточные напряжения. Влияние режимов сварки на форму шва показаны на (рис.2).

Рисунок 2
В процессе сварки необходимо контролировать скорость сварки, чтобы она была умеренной при ручной сварке в приделах 20 м/ч.

СВАРНЫЕ УЗЛЫ

Сварные узлы строительных конструкций образуются стыковыми и угловыми соединениями. При проектировании необходимо стремиться к созданию наиболее благоприятных условий для выполнения сварных соединений в узлах (доступность, нижнее положение и т.д.), для применения автоматизированных или механизированных способов сварки - как гарантии качества.

БалкиПри изготовлении балочных конструкций следует обращать внимание на взаимное расположение швов (Рис. 2). В соответствии с требованиями нормативных документов минимальное расстояние между двумя параллельными швами должно быть не менее 10 б, где б = толщина более толстого материала.

Рисунок 3

Монтажные соединения балочных или коробчатых конструкций решаются исходя из технических

возможностей монтажной организации и проекта производства работ.
В России повсеместно приняты сварные монтажные стыки. Конструкция такого стыка разработана в ИЭС им. Е.О. Патона и впервые применена в 1953 г. в пролетных строениях автодорожного моста через р. Днепр в г. Киеве - мост им. Е.О. Патона. Стык имеет один шов по нижнему поясу, вставку по стенкам балки и вставку по верхнему поясу. Такая конструкция стыка позволяет успешно применить автоматическую сварку под флюсом для выполнения в нижнем положении стыковых швов по нижнему и верхнему поясах и автоматическую сварку вертикальных швов стенки порошковой проволокой с принудительным формированием.
В главных балках коробчатого сечения применяют конструкцию совмещенного стыка. Для пропуска специальных удлинителей мундштуков в стенке выполняют вырезы. По верхнему поясу если возможно применяют вставки.

Ортотропная плита проезжей части автодорожных мостовСтальная ортотропная плита является основным элементом современных металлических мостов. Широкое внедрение автоматической и механизированной сварки позволило создать современные конструктивные решения, индустриальные в изготовлении и на монтаже и экономичные по расходу стали. Выработанная в результате более чем 40-летнего развития современная конструкция ортотропной плиты состоит из стальных листов, подкрепленных продольными ребрами и поперечными балками или диафрагмами. Стальная ортотропная плита используется для проезжей части, являющейся одновременно верхним поясом главных балок, и для нижних поясов коробчатых пролетных строений. Аналогичные листовые конструкции подкрепленные набором продольных и поперечных ребер широко используются в судостроении.
Продольные ребра в течение многолетней отработки конструкции ортотропной плиты применялись самых различных форм: с открытыми и коробчатыми поперечными сечениями, сварные, прокатные, образованные роспуском сложных прокатных профилей и т.п.
Открытые полосовые ребра имеют толщину 12-16 мм. Ребра коробчатого сечения изготавливают толщиной 5... 10 мм.
Специалисты отдают предпочтение ортотропным плитам с продольными ребрами коробчатого сечения как имеющим конструктивные и технологические преимущества и более экономичным, чем плиты с полосовыми ребрами.
Основное преимущество продольных ребер коробчатого сечения - большая жесткость на кручение, предопределяющая пространственную работу конструкции и повышенный эффект распределения колесной нагрузки в поперечном направлении.
Технологическое преимущество трапециедальных коробчатых ребер - меньший объем сварочных работ. Стенки коробчатых ребер приваривают к листу плиты (t = 12... 14 мм) только с внешней стороны швами с малыми катетами поэтому длина сварных швов при приварке таких ребер в 2 раза, а масса наплавленного металла - в 4 раза меньше, чем у плит с открытыми ребрами. Благодаря уменьшению тепловложений при сварке и повышенной пространственной жесткости снижаются сварочные деформации. Перечисленные преимущества оказывают решающее влияние на выбор коробчатых ребер.

Конструкция сварных балок.

В сварных балках поясной и вертикальный лист могут быть присоединены непосредственно один к другому двухсторонними угловыми сварными швами (Рис. 9.1). Поэтому сварные балки имеют простую конструктивную форму как правило, симметричный двутавр. Сварные балки рекомендуется составлять из одного вертикального и двух горизонтальных листов.

 

В автодорожных и городских мостах наименьшая толщина вертикальной стенки принимается минимум 10 мм. Однако в зависимости от длины пролёта толщина вертикальной стенки может составлять 12, 14, 16 мм и более.

Размеры поясов назначают с учётом требований сокращённого сортамента на листовой прокат. Наибольшая толщина поясного листа для конструкций обычного исполнения не должна превышать 60 мм. Для конструкций северного исполнения типа А и Б соответственно 50 и 40 мм. Изменение сечения пояса рекомендуется осуществлять в зоне расположения его стыков. В противном случае предусматривают устройство скосов по ширине или толщине, а иногда то и другое одновременно (последнего варианта желательно избегать)(Рис.9.2).

Определение мест перехода от одних размеров пояса к другим осуществляют на основе построения эпюры материалов (Рис. 9.3). Если по расчёту требуются размеры листа более предельных, ограниченных нормами проектирования мостов, то допускается применение в поясах пакета из двух-трёх листов. При этом дополнительный (наружный) лист должен иметь ширину на 100 мм меньше основного. Наружный лист следует продолжить за точку теоретического обрыва на длину, обеспечивающую прикрепление 50% площади сечения листа. В конструкциях больших пролётов индивидуальной проектировки при соответствующем обосновании возможно применение большего числа листов в поясном пакете.

Как отмечалось в глава 3, современные достижения мировой металлургии позволяют получать листовой прокат переменной толщины, что намного упрощает технологию изготовления сварных балок. Кроме того, применение такого проката существенно повышает надёжность работы нижнего пояса, а следовательно, и всей конструкции.

В местах передачи сосредоточенных усилий (опорные сечения, расположение поперечных связей) устанавливают поперечные рёбра жёсткости (Рис. 9.4). Согласно расчёту на местную устойчивость стенок устанавливают дополнительные поперечные рёбра жёсткости. Рёбра выполняют из полосового металла и приваривают двухсторонними угловыми швами к вертикальной стенке. Поперечные рёбра жёсткости могут устанавливатя с двух сторон стенки (парные симметричные рёбра) или с одной (внутренней по отношению расположения балки в пролётном строении) односторонние рёбра.

Обычно поперечные рёбра жёсткости устанавливают на всю высоту стенки h_w. В местах примыкания поперечных рёбер к поясам устраивают скруглённые вырезы высотой 120 мм и шириной 50 мм. В опорных рёбрах жёсткости допускается устройство вырезов шириной до 30 мм и высотой до 50 мм.

В опорных сечениях торцы поперечных рёбер плотно пригоняют к поясам балки. В автодорожных и городских мостах концы промежуточных поперечных рёбер жёсткости приваривают непосредственно к сжатому поясу и дополнительной прокладке между нижним поясом и нижним торцом поперечного ребра (Рис. 9.4). Если прокладку устанавливают на тугой посадке, то сварные швы не накладывают, что характерно для конструкций северного исполнения. Прокладки применяют толщиной 16…20 мм и шириной 30…40 мм. Современные нормы, мало обоснованно, допускают приварку поперечных ребер к растянутому поясу сварным швом с катетом 1:2.

Если применяют только поперечные ребра жесткости, то ширина полосы парного симметричного ребра должна быть не менее, а одностороннего ребра – не менее. Толщина полосы должна удовлетворять условию.

В балках значительной высоты ширина полосы поперечного ребра жёсткости может оказаться излишне большой. Если по какой-то причине требуется уменьшение ширины поперечного ребра, то его окантовывают металлической полосой, добиваясь при этом требуемого момента инерции. В наружных поперечных рёбрах жёсткости иногда металлическую полосу не доводят до нижнего растянутого пояса. При этом ширину концевой части поперечной полосы вырезанием по кривой с двумя разнонаправленными радиусами сводят к нулю.

Когда обеспечение местной устойчивости стенки поперечными рёбрами жёсткости требует их размещения с шагом 0,75 и менее, необходима установка продольных рёбер жёсткости. В этом случае размеры продольных рёбер жёсткости определяют в зависимости от высоты и толщины вертикальной стенки, а также расстояния между осями поперечных рёбер жёсткости.

При необходимости установки на стенку продольных рёбер жёсткости и отсутствии местного давления на её рёбра, как и в клёпанных балках, располагают на следующих расстояниях от сжатого пояса:

при одном ребре (0,20…0,25);

при двух рёбрах: первое (0,15…0,20), а второе (0,40…0,50).

Если при двух продольных рёбрах местная устойчивость стенки не обеспечивается, то устанавливают третье ребро, как правило, в растянутой зоне.

Размеры продольного ребра должны обеспечивать необходимый момент инерции, регламентированный нормами проектирования мостов. Как и поперечные рёбра жёсткости, продольные рёбра могут располагатя с двух сторон стенки или с одной. В последнем случае допускается расположение поперечных и продольных рёбер с разных сторон стенки. Продольные рёбра прикрепляют к стенке двухсторонними угловыми сварными швами.

В конструкциях прошлой проектировки продольные рёбра жёсткости располагались между поперечными рёбрами и своими торцами приваривались к последним (Рис. 9.6). Поэтому в каждом отсеке между поперечными рёбрами размещалось самостоятельное продольное ребро. Во избежание пересечения сварных швов на концах продольных рёбер жёсткости устраивались вырезы.

В настоящее время приоритет в размещении рёбер жёсткости отдаётся продольным рёбрам, которые устанавливают непрерывными на всю требуемую длину. Для пропуска продольных рёбер через поперечные последние прерывают и прикрепляют к продольным поперечными швами (Рис. 9.7 а) либо создают специальные вырезы в поперечных рёбрах (Рис. 9.7 б).

Концевую часть продольного ребра жёсткости продолжают за крайние поперечные рёбра отсека для обеспечения возможности уменьшения ширины полосы ребра и устройства выкружки (радиусом не менее 60 мм) с целью плавного сопряжения со стенкой.

Сплошностенчатая балка таврового сечения плохо сопротивляется кручению. Этот недостаток создаёт сложности при перевозке и монтаже заводского блока, но особенно он проявляется в работе балки в составе пролётного строения при воздействии на него временной подвижной нагрузки. Более выигрышными в этом отношении являются двухстенчатые блоки, которые способствуют увеличению крутильной жёсткости пролётного строения. Для таких блоков нет проблемы потери устойчивости плоской формы изгиба балки (изгибно-крутильной устойчивости). В целях предотвращения изменения заданной геометрической формы блока при перевозке и монтаже внутри блока устанавливают дополнительную диагональную связь. Эти временные монтажные связи по окончании монтажа пролётного строения демонтируют.

Часто балочные сплошностенчатые пролётные строения монтируют методом продольной надвижки. При таком способе монтажа несколько пролётных строений на насыпи подходов к мосту временно объединяют в единую неразрезную систему. Для этого на торцевых участках концевых блоков устраивают отверстия, используемые в дальнейшем для установки соединительных накладок. После монтажа эти накладки удаляют.