Изготовление арочного двутаврового стержня с тонкой поперечно-гофрированной стенкой

Современный уровень развития техники и технологий позволяет изготавливать эффективные прогрессивные конструкции, к которым можно отнести конструкции из тонколистового проката пространственной формы, за счет которой обеспечивается местная и общая устойчивость элементов и при этом повышается изгибно-крутильная жесткость. Эффективность использования гофрированных тонколистовых конструкций подтверждена проведенными теоретическими и экспериментальными исследованиями [1-4]. Одним из видов таких конструкций являются арочные двутавровые стержни с тонкой поперечно-гофрированной стенкой. Профиль гофра треугольный непрерывный (рис. 1).

Изготовление арочных двутавровых стержней с тонкой поперечно-гофрированной стенкой имеет некоторые технологические сложности. В изготовлении появляются дополнительные операции:

• 1.    Формование арочной поперечно-гофрированной стенки назначенных размеров из прямоугольной листовой заготовки.

• 2.    Сварка криволинейного сопряжения стенки с полками и увеличение протяженности сварных швов, выполнять которые автоматизированной сваркой без специального оборудования невозможно.

С другой стороны, при изготовлении гофрированных конструкций имеются и технологические плюсы:

• - при производстве сварных работ снижаются местные и общие температурные деформации арочного стержня за счет повышенной жесткости гофрированной стенки;

  - понижаются перекос и «грибовидность» поясов, а также скручивание арочного стержня.

Рисунок 1 – Фрагмент арки двутаврового сечения с тонкой поперечно-гофрированной стенкой и ее поперечное сечение

Способы изготовления

Уровень обработки тонколистовых металлических заготовок давлением и профилированием позволяют изготавливать арочные гофрированные стенки из прямоугольной заготовки следующими способами:

• 1.    Ручная установка [5].

• 2.    Механизированная установка [6].

• 3.    Изгиб тавровой заготовки с тонкой поперечно-гофрированной стенкой.

Изгиб тавровой заготовки с тонкой поперечно-гофрированной стенкой

Последовательность изготовления при данном методе следующая [7]:

• 1.    Стенка отформовывается как для прямолинейного гофрированного стержня с размерами гофров s , f (как у нижнего пояса для арочного стержня) и прихватывается к нижнему поясному листу точечными сварными швами по оси гофрированной стенки и на вершинах гофров (рис. 2).

• 2.    Осуществляется изгиб тавра по шаблону с заданным радиусом кривизны R (по нижнему поясу) с контролем размеров гофров у верхнего пояса s_v , f_v (рис. 3).

• 3.    Прихватка точечными сварными швами верхнего поясного листа по оси гофрированной стенки и на вершинах гофров (рис. 4).

• 4.    Полуавтоматическая, автоматизированная или автоматическая сварка односторонним швом поясных листов и арочной поперечно-гофрированной стенки по всей ее длине.

Рисунок 2 – Этап 1 (изгиб и прихватка)

Рисунок 3 – Этап 2 (изгиб тавровой заготовки)

Рисунок 4 – Этап 3 (прихватка верхнего поясного листа)

Изгиб тавровой заготовки для формирования арочной гофрированной стенки заданных размеров осуществляется от центра к краям поэтапно (рис. 5). На первом этапе стержень нагружают силами F 1 для прижатия к опорам, затем осуществляют фиксацию нижнего пояса к опоре и далее по аналогичному алгоритму загружают и фиксируют на последующих промежуточных опорах.

Рисунок 5 – Схема изгиба тавровой заготовки

Гофрированная стенка как мех гармошки претерпевает при этом некоторые растяжения по всей срединной поверхности и пластический изгиб в сечениях, расположенных у вершин гофров.

Эти усилия можно найти из условия равновесия вертикальной полоски высотой A h (A h = 1 - единичная высота), вырезанной по границам гофра (рис. 6).

Рисунок 6 – Схема нагружения стенки, вырезанной по границам гофра

M = N- f = a -t -Nh- f ; ср      x w           ср ;

M г =-------,

x

w         ср

где г - растягивающее напряжение в поперечном сечении стенки арки.

Допуская в сечениях близких к вершинам гофров развитие пластических деформаций материала по всей толщине стенки (и по всей ее высоте, для определения наибольшего возможного усилия изгиба тавра), эпюру нормальных напряжений можно представить двумя прямоугольниками (рис. 7 а) и разложить их для упрощения определения предельных усилий в стенке на две эпюры г _;/ и г (рис. 7 б).

Эпб                   Эпб„         Эпб^

а                                 б

Рисунок 7 – Распределение усилий и напряжений в поперечном сечении стенки по вершинам гофров при образовании пластического шарнира

Узловой момент в сечениях у вершин гофров при удлинении стенки («раскрытии» гофра), от изгиба тавра, вызывает пластический момент

М =М = W ст пл      пл г т ,

где W_nn = 2 • a • A h • у - пластический момент сопротивления части стенки, воспринимающей

t момент M; a = —

мент; у = — — a 2  2

—

^ = — ( t_w — c ) - части сечения стенки, воспринимающие изгибающий мо- t t c 1 ,        .

—---w + — = — ( t_w + c ) - расстояния от середины толщины стенки до

центров тяжести частей сечения стенки, воспринимающих момент; < г_ш — предел текучести

материала стенки арки; c – часть толщины стенки, воспринимающая усилие продольного рас- тяжения.

Часть толщины стенки, воспринимающей продольное усилие, определяем из условия с • tw = ст • c . С учетом (2),  (3), получим

тw    w

4 • t • f -^h w   ср

= с т • с , откуда

t W — c ² = ⁴ • ^fep • с или c = ² • fcp •

1 +

tw

- 1

.

ср 7

Полный изгибающий момент в сечении стенки по вершинам гофров, позволяющий изгибать тавр

. h                    с • h /            „

M, = M_N + M_M = c •с • h ---+ W„ • C • h = ---- (2 • c • h + 1² — c ²).

• u     N     M       т          пл   т                        w

M

Изгибающий момент можно создать силой F при плече l i - F = —- l 1

Например, для изгиба тавровой заготовки с параметрами стенки h =54 см; f ср =6 см; t=0,2 см и пределом текучести стали a m =24 кН/см² необходимо создать момент величиной 71,06 кН*см, при этом сила F при плече, равном 80 см, будет всего равна 0,89 кН.

Выводы

Предлагаемые способы изготовления позволяют сформовать гофрированную стенку арки из тонколистовой прямоугольной полосы с минимальными отклонениями размеров треугольных гофров от заданных, при этом наиболее простым, точным и универсальным является способ изгиба тавровой заготовки (форма профиля гофра для данного метода может быть различной). Для изгиба тавровой заготовки не требуется сложного специализированного оборудования, при этом усилия для гибки тавровой заготовки незначительны, поэтому данный метод может применяться как в промышленном производстве, так и в частном.