Начальные деформации болтовых соединений металлоконструкций

Для увеличения степени собираемости металлических конструкций и упрощения монтажа, как правило, отверстия под болты должны выполняться на 2…3 мм больше номинальных диаметров болтов [1, 2]. Под собственным весом конструкции стык может получить начальные деформации, за- висящие от величины допусков и высоты сечения. При этом, в настоящее время в расчетах эти деформации обычно игнорируются.

Воспользовавшись общеизвестными уравнениями строительной механики [3, 4], нетрудно вывести формулу для угла поворота фш опорного сечения балки на двух шарнирных опорах при максимальной нагрузке. Например, для случая равномерно распределенной нагрузки и симмет- ричного сечения:

qL3   8ML WRL 2 R L фш = 24EI ~ 24EI ~ 1ET “ 3 Eh ’

где q – равномерно распределенная нагрузка; L – расстояние между опорами (пролет); E , R – соответственно модуль упругости и расчетное сопротивление материала балки; h , W , I , – соответственно высота, момент сопротивления и момент инерции сечения балки.

Аналогично находятся формулы для других типов нагружения. Можно заметить, что угол поворота сечений зависит только от материала и отношения высоты нейтральной линии балки к пролету.

Максимальный поворот ф о опорного сечения балки до включения болтов по полкам в работу на срез для соединения на накладках, с учетом гипотезы о малости деформаций [3], будет найден как:

s

Ф о = tg Ф о =т, h

где s – максимальное относительное смещение по горизонтали болтов разных полок по разные стороны стыка.

Приравняв углы поворота сечения по формулам (1) и (2), возможно найти длины балок Lmin, меньше которых болты ни при какой нагрузке не включатся в работу на срез. Так, например, для балки из стали С245 с вынесенным стыком двутавра на накладках с разностью диаметров отверстия и болта 2 мм, выполненных без отклонений от проекта:

L   _ 15 s - E _ 1 5 0,008^206000

min = ’⁵ R " ’       240

_ 10,3 м.

Как видим, проблема начальных деформаций болтовых соединений актуальна для большинства использующихся в строительстве пролетов металлических балок.

Отклонения диаметров отверстий увеличивают начальные деформации стыка, и при максимальных значениях допусков по [2] могут достигать s = 2,4 мм для отверстий с номинальным диаметром до 17 мм включительно и s = 4 мм для отверстий с номинальным диаметром свыше 17 мм (для болтов классов точности B и C). Смещение

Характеристики соединений на разных стадиях работы

Класс прочности ГОСТ Р 52627 Тип соединения 5.8 не фрикционное 10.9 фрикционное Диаметр болта М16 М20 М24 М16 М20 М24 Максимальное усилие натяжения обычным ключом, кН 58,5 62,4 71,5 58,5 62,4 71,5 Усилие сдвига деталей при временном соединении, кН 14,6 15,6 17,9 33,9 36,2 41,5 Проектная прочность соединения, кН 42,2 65,9 94,9 68,8 107,3 154,6 Отношение временной прочности на сдвиг к проектной, % 34,6 23,6 18,9 49,3 33,7 26,8 отверстий относительно проектного положения может как увеличивать, так и снижать возможный поворот сечения. В соответствии с [5], смещение осей влияющих на собираемость отверстий при изготовлении допускается в пределах ±1 мм.

Кроме того, допуски по диаметрам отверстий могут быть скомпенсированы несоответствием длины балки (±3 мм при длине балки до 6 м, и ±5 мм – от 6 м) и отклонениями колонн. Из-за этого включение в работу болтов по одной полке происходит позже другой, изменяя напряженно-деформированное состояние приопорной части, но не влияя на жесткость узла в целом.

Подытоживая вышесказанное, можно сделать вывод о том, что проектная жесткость временного соединения при длине балки меньше L _min не может быть обеспечена работой болтов на срез. Для соединений на накладках на болтах класса прочности не более 8.8 включительно это означает, что часть изгибающего момента (а возможно и весь) не будет восприниматься болтовым соединением, а следовательно, соответствующую часть нагрузки следует считать по шарнирной схеме.

Во фрикционных соединениях предполагается, что все усилие должно быть воспринято силами трения между стянутыми высокопрочными болтами деталями. Во время монтажа это условие может не обеспечиваться из-за недостаточного натяжения болтов и уменьшенного их количества, разрешенного [6]. При этом в настоящее время отсутствуют какие-либо дополнительные указания по расчету временных соединений, учитывающие отсутствие к ним части требований, предъявляемых к проектным соединениям.

Максимальное усилие, на которое монтажник может затянуть болт без использования динамометрического ключа, в разы меньше проектного натяжения болта для фрикционного соединения. Из этого следует, что при расчете необходимо учитывать снижение несущей способности соединения. При использовании болтов без контролируемого натяжения, сила трения предполагается недостаточной для восприятия собственного веса конструкций (см. таблицу), поэтому в расчете ей пренебрегаем.

Усилие натяжения находим по формуле:

P = ^{M з} ,

Kзd где М – момент закручивания с усилием 343 Н гаечными ключами, удовлетворяющими требованиям [6]; Kз = 0,11 – минимально допустимый коэффициент закручивания по действующим нормам на высокопрочные болты [7–9]; d – номинальный диаметр болта.

Несущую способность соединения в пересчете на один болт определяем в соответствии с требованиями [1]. Коэффициент трения окрашенных деталей принимаем не более 0,25. Толщину деталей считаем достаточной, чтобы не было смятия.

Как видно из таблицы, начальные деформации соединений возникают при усилиях, более чем в два раза ниже проектных. С учетом того, что [6] допускает временное закрепление конструкций 1/3 от проектного количества болтов, более приближенным к реальной работе временного соединения на болтах класса прочности до 8.8 включительно является шарнирное соединение.

Поскольку во фрикционных соединениях работа болтов на срез не допускается, на стадии временного закрепления их количество должно быть достаточным с учетом пониженной несущей способности. В случае, если это выполнить невозможно, проектное закрепление следует выполнять до расстроповки конструкций, что негативно сказывается на эффективности использования машинного времени. Подобная проблема может возникнуть при излишнем укрупнении балок в монтажные блоки.

Таким образом, из-за позднего включения в работу болтов срезных соединений, узлы на накладках на болтах без контролируемого натяжения желательно считать шарнирными при подборе сечений относительно коротких балок. Во фрикционных соединениях расчет временного количества болтов следует производить с учетом сниженной несущей способности.