Анализ подходов к оценке выносливости и циклической трещиностойкости элементов металлических конструкций

Современное развитие строительства предусматривает использование передовых технологий, рациональных технологических решений и усовершенствованных методов расчета как при возведении новых, так и в процессе реконструкции уже существующих сооружений. В этом смысле во многом прогрессивным стало внедрение новых конструктивных решений металлических элементов, которые позволяют обеспечить нужную форму, размеры и несущую способность.

В настоящее время металлические конструкции нашли свое широкое распространение для возведения общественных и промышленных зданий, инженерных сооружений или отдельных конструктивных элементов (покрытий, перекрытий и т.д.). Их активное применение обусловлено тем, что они обладают повышенной надежностью при местном разрушении. Это позволяет наиболее рационально использовать физико-механические характеристики материала при его работе на растяжение или сжатие [1]. В тоже время, обосновывая назначение ресурса металлических конструкций и последствий усталости металла, целесообразно еще на этапе проектирования выполнять расчеты элементов таких конструкций на устойчивость к циклическим нагрузкам - расчеты на квазистатиче-скую, малоцикловую, многоцикловую усталость, на циклическую трещиностой-кость и на сопротивление хрупкому разрушению. При этом следует отметить, что в национальных и международных нормативных документах по проектированию стальных конструкций и по оценке технического состояния стальных элементов производственных зданий и сооружений, которые эксплуатируются, отсутствует соответствующая методика расчета. В некоторых строительных нормах и правилах фрагментарно отражены подходы к предварительной оценке выносливости с количеством циклов нагрузки более 105 (многоцикловая усталость), но без учета в отдельных случаях качественного изменения характера накопления повреждений.

Таким образом, вопросы повышения технического уровня объектов из металлических конструкций требуют разработки более точной методики определения их выносливости и трещиностойкости, что и обуславливает выбор темы данной статьи.

Определению действительного состояния металлических конструкций с учетом дефектов посвящены работы Никулина С.А., Рогачева С.О., Белова В.А., Шплиса Н.В., Задорожного М.Ю., Ман-жулы К.П., Сундера Р.

Над разработкой физической и расчетной модели определения несущей способности металлической конструкции трудятся такие авторы как: Матлин М.М., Казанкин В.А., Кусков К.В., Сызранцева К.В., Приймак Е.Ю. В тоже время, несмотря на имеющиеся публикации, в данной предметной плоскости остается ряд нерешенных вопросов. Так, отдельного внимания заслуживает проблематика обеспечения безаварийной эксплуатации сварных ферм при циклических нагрузках. В более глубокой проработке нуждается формализация зависимости между отдельными частичными коэффициентами надежности металлических конструкций.

Таким образом, цель статьи заключается в проведении анализа подходов к оценке выносливости и циклической трещино-стойкости элементов металлических конструкций.

Рассмотрим металлическую пластину, ослабленную криволинейной трещиной длиной L 0 , которая находится под действием высокой температуры T 0 (температура, при которой происходит высокотемпературная ползучесть), длительной статической нагрузки P и водорода H 2 , создающего у вершины трещины концентрацию C 0 (рис. 1).

Рис. 1. Схема нагрузки пластины с трещиной

Трещина макроскопическая, нагрузки растяжения приложены произвольно. После образования макротрещины происходит ее циклический рост от начальной ( L 0 ) до критической длины ( L k ). Когда трещина достигнет критической длины может произойти хрупкое разрушение конструкции.

Рассмотрим более подробно методики расчета различной усталости металлических конструкций.

Квазистатическая усталость . Для ква-зистатических циклических нагрузок характерным является накопление необратимых пластических деформаций, остающихся после нагрузки и разгрузки стальных конструкций [2]. Квазистатические повреждения определяются следующей зависимостью:

^а Т1 =

Уя • 22ДЕ1 ln (т-т?

< т

где ys1 — коэффициент запаса прочности основного материала или материала зоны сварного соединения в расчетах на долговечность или расчетах, связанных с обоснованием ресурса конструкции для определения квазистатических повреждений; ДЕ1 - размах пластических деформаций i-го цикла нагрузки; Zc - наименьшее гарантированное значение Z (Z - относительное сужение образца после разрыва, в долях единицы).

Малоцикловая усталость (малоцикловая выносливость) . Для малоцикловой усталости характерно накопление необратимых пластических деформаций, разрушающих структуру стали. Повреждения, вызванные малоцикловой усталостью, можно вычислить по следующей формуле:

_ ys2 • 225Д£12 аТ1 =       i     — 1

ln (T-Z ; )

где y _s2 — коэффициент запаса прочности основного материала или материала зоны сварного соединения в расчетах на долговечность или обоснование ресурса конструкции для определения малоцикловых повреждений.

В расчетах на долговечность y si = y s2 = 1 , а в расчетах на обоснование ресурса y_si = 1,1; y s2 = 1,2.

Если проверка ресурса или долговечности стальной конструкции заключается в определении критического количества циклов нагрузки до ее отказа, целесообразно использовать зависимость Коффина [3]:

N*

yS2[0,5(^nT=Tz;)]2 (кде-2^)2

\ £       Es )

где К£ - коэффициент концентрации деформаций; Де - размах пластических деформаций на одном цикле нагрузки; Es - модуль упругости стали.

Для растягивающих напряжений в интервале К уп < max ,t < К_ип размах деформаций на i -м цикле нагрузки равен:

^Де 1   ⁽ ®'max,i    ^K un ) ^ct 3^

где o_max, i - амплитуда напряжений для i -го цикла нагрузки, МПа; ctga = (^^{k £} ° ² ; г_к = 1^п~Г - действительная остаточная информация; е₀₂ - деформация, равная 0,2.

Циклическая трещиностойкость. Под живучестью стальных конструкций с трещиной понимают долговечность от момента зарождения первой макроскопической трещины усталости в зоне сплавле- ния металла размером от 0,2-0,5 мм и возможный дальнейший ее рост до критической длины (Lk), при которой происходит окончательное разрушение сварного соединения (хрупкое разрушение). В расчетах на долговечность или по второй группе критических состояний условие хрупкого неразрушения элемента конструкции с трещиной определяется зависимостями:

К1 — КС1, К11 — КС11, К111 — Кс111 ((К1/КС1)2 + (Кц1/КС111)2)0,5 — 1 ((Кц/Кс11)2 + (Кц1/КС111)2)0,5 — 1

((К 1 /К_п)² + (К_и/К._и)²у⁰⁵ < 1

((К1/КС1)2 + (К11/Кс11)2 + (К111/Кс111)2)0’5 < 1

где К₁, К₁₁, К₁₁₁ - коэффициенты интенсивности напряжений соответственно для трещин нормального отрыва, поперечного и продольного сдвига; К_с1, К_с11, К_с111 -характеристические значения предельных коэффициентов интенсивности напряжений соответственно для трещин нормального отрыва, поперечного и продольного смещения.

Таким образом, в статье изложены различные подходы к расчету выносливости и циклической трещиностойкости элементов металлических конструкций. Рассмотренные методики могут использоваться для определения начальных технологических несовершенств при проектировании новых конструкций, а также в ходе выполнения работ по обследованию уже существующих.