РАБОТА И РАСЧЕТ БОЛТОВЫХ СОЕДИНЕНИИ

1. Работа и расчет на сдвиг при действии статической нагрузки

Работа на сдвиг является основным видом работы большинства соединений, причем в разных соединениях она имеет свои особенности.

В соединениях на болтах с неконтролируемой силой затяжки гайки грубой, нормальной и повышенной точности, силы стягивания пакета болтами, а следовательно, и развивающиеся силы трения между соединяемыми элементами при действии сдвигающих сил на соединение неопределенны и в большинстве случаев недостаточны для полного восприятия этих сдвигающих сил. Работу такого соединения можно разбить на четыре этапа. На 1-м этапе, пока силы трения между соединяемыми элементами не преодолены, сами болты не испытывают сдвигающих усилий и работают только на растяжение, все соединение работает упруго. Так работают сдвигоустойчивые соединения на высокопрочных болтах. При увеличении внешней сдвигающей силы силы внутреннего трения оказываются преодоленными и наступает 2-й этап - сдвиг всего соединения на величину зазора между поверхностью отверстия и стержнем болта. На 3-м этапе сдвигающее усилие в основном передается давлением поверхности отверстия на стержень болта; стержень болта и края отверстия постепенно обминаются; болт изгибается, растягивается, так как головка и гайка препятствуют свободному изгибу стержня. Постепенно плотность соединения расстраивается, силы трения уменьшаются и соединение переходит в 4-й этап работы, характеризующийся его упругопластической работой. Разрушение соединения происходит от среза болта, смятия и выкола одного из соединяемых элементов или отрыва головки болта.

Работа эта сильно осложнена неправильностью формы болта и стенки отверстия, поэтому расчет соединения носит условный характер.

Различают также работу одноболтового и многоболтового соединения. В многоболтовом соединении эти же неправильности формы болта и отверстия, а также возможные зазоры между болтом и отверстием неизбежно приводят к неравномерной работе отдельных болтов соединения, что учитывают соответствующим назначением коэффициента условий работы соединения.

Расчет ведут исходя из возможного вида разрушения соединения по срезу болта при толстых соединяемых листах или по смятию поверхности отверстия при тонких листах:

а) расчетное усилие, воспринимаемое одним болтом по срезу:

Число болтов n в соединении при действии сдвигающей силы N, приложенной к центру тяжести соединения, определяют, предполагая работу всех болтов одинаковой

Расчет самих соединяемых элементов на прочность ведут с учетом ослабления сечения отверстиями по площади нетто Лит, но с допущением упругопластической работы материала соединяемых элементов, учи тываемой коэффициентом условий работы. Он принимается: для сплошных балок, колонн и стыковых накладок 1,1, для стержневых конструкций покрытий и перекрытий 1,05 и учитывается одновременно с коэффициентом условий работы всей конструкции;

в) в соединениях на высокопрочных болтах с контролируемой силой натяжения болта (сдвигоустойчивых, фрикционных) силы стягивания соединяемых элементов болтами настолько велики, что при действии сдвигающих сил возникающие в соединении силы трения полностью воспринимают эти сдвигающие силы и все соединение работает упруго.

См. табл. 6.3

Решающее значение в работе такого соединения имеют сила натяжения болта(равная расчетному усилию болта на растяжение) и качество поверхностей трения. Расчетное сдвигающее усилие, которое может быть воспринято в соединении элементов, стянутых одним высокопрочным болтом, может быть определено по формуле:

Аналогично формуле (6.3) необходимое для передачи сдвигающей силы число болтов n в соединении находят, считая распределение силы между болтами равномерным:

Фактически участки на концах соединения испытывают несколько большие усилия из-за разной напряженности, а следовательно, и раз ных упругих удлинений участков между болтами вдоль действующего усилия смежных соединяемых элементов.

Расчет элементов в местах стыков и соединений высокопрочными болтами в отличие от соединений на обычных болтах ведут без допущения упругопластической работы, так как соединение не имеет неупругих деформаций, т. е. при у=1.

Однако ослабление сечений отверстиями учитывается частично, так как часть сдвигающего усилия воспринимается трением соединяемых поверхностей, находящихся вне места ослабления сечения отверстиями. При этом проверку ослабленных сечений следует производить при статических нагрузках -по площади сечения брутто А при А_нт < 0,85А, а при А_нт > 0,85А- по условной площади А_ус = 1,18А_нт) при динамических нагрузках - по площади сечения нетто А_нт.

2. Работа и расчет соединений на растяжение

Если внешняя сила, действующая на соединение, направлена параллельно продольной оси болтов, то они будут работать на растяжение. При статической работе такого соединения качество отверстий и поверхности болта не играет никакой роли и болты нормальной и повышенной точности работают на растяжение одинаково (их расчетные сопротиво ления равны).

Интересно отметить, что начальные натяжения болтов не сказываются на их несущей способности на растяжение. Объясняется это тем, что начальные напряжения являются напряжениями внутренними, уравновешенными силами сжатия между соединяемыми элементами. Прикладывая внешние силы N к соединяемым элементам, будем постепенно заменять ими силы сжатия между элементами, не нарушая равновесия болт - элемент. При этом плотность соединения нарушена не будет. Тогда, когда внешние силы N начнут превышать внутренние начальные усилия стягивания болта, монолитность соединения нарушится и растягивающее усилие в болте начнет увеличиваться. Таким образом, прочность соединения определяется прочностью материала болтов на растяжение независимо от сил начального натяжения болта.

См. табл. 6.4

В соединениях, работающих на растяжение, применяются болты из тех же сталей, что и для соединений, работающих на сдвиг и указанных в табл. 6.1, а для фундаментных болтов - в табл. 6.5. В этих соединениях усилия к болтам часто бывают приложены с эксцентриситетом, что заставляет снижать их расчетные сопротивления.

В фундаментных болтах снижение расчетных сопротивлений материала болтов против номинала объясняется еще и тем, что степень натяжения смежных болтов базы колонны в процессе монтажа колонны может быть различна, а потому в действительности возможна некоторая перегрузка отдельных болтов. Усилие, которое может быть воспринято одним болтом, определяют по формуле:

Аналогично формуле (6.3) необходимое количество болтов в соединении, работающем на действие центрально приложенной растягивающей силы, определяют:

При одновременном действии сил, сдвигающих и растягивающих соединение, прочность его проверяют раздельно на сдвиг по формулам (6.1) - (6.3), а на растяжение по формулам (6.6) и (6.7).

Расчет фундаментных болтов не отличается от расчета обычных болтов и производится по формулам (6.6) и (6.7), однако для должного закрепления болта в фундаменте (определение длины его заделки в бетон) необходимо дополнительно проверить его на вырывание из фундамента.

3. Работа и расчет соединений на сдвиг при повторных нагрузках

Работа соединений при нагрузке с перерывами. Работа соединений на действие повторных нагрузок имеет несколько разновидностей.

1. Если силы стягивания соединения болтами велики и внешние повторные нагружения не преодолевают сил трения,' возникающих при этом между соединяемыми элементами, то соединение сохраняет свою монолитность и работает упруго, как основной металл. Так работают соединения на высокопрочных болтах.

2. Если силы стягивания соединений на болтах нормальной, повышенной точности и несущих высокопрочных недостаточны и силы внутреннего трения F преодолеваются в соединении внешними сдвигающими силами, то соединение начинает работать как упругопластическое тело. Если такое соединение довести до развития пластических деформаций (преодолеть силы внутреннего трения), а затем разгрузить то пока не будет преодолено внутреннее трение в обратном направлении, разгрузка произойдет по упругому закону (первоначальные остаточные деформации соединения при этом сохранятся). Упругий закон будет распространяться не на разгрузку F, как при первом нагружении, а на 2F, что может быть объяснено особенностями природы сухого трения, т. е. соединение при повторных нагружениях и разгрузках сдвигающей силой N, не превышающей удвоенной силы трения 2F, претерпев первые неупругие сдвиги, в последующем будет работать упруго. Таким образом, повторные нагружения как бы увеличивают область упругой работы соединения в 2 раза. Это сильно уменьшает деформативность соединений после первых нагружении.

См. табл. 6.5

При повторных нагрузках и разгрузках соединения усилием N>ZF трение в соединении будет каждый раз преодолеваться и на диаграмме "нагрузка - деформация" образуется петля гистерезиса циклической работы соединения. Если фиксировать только начальную и конечную точки петли гистерезиса, то получается впечатление, что соединение работает упруго, но его приведенный модуль упругости Е' меньше модуля упругости материала, т. е. соединение оказывается более податливым, чем материал конструкции. Естественно, что чем больше силы внутреннего трения в соединении F, тем больше зона упругой работы соединения и меньше его податливость. Это еще раз показывает желательность увеличения сил стягивания соединения болтами. Явление это расчетом не учитывается, но может быть учтено при определении деформативности сооружения.

Работа и расчет соединений при вибрационной нагрузке. В соединениях, работающих на вибрационную нагрузку, применяют заклепки или высокопрочные болты.

При непрерывной повторной вибрационной нагрузке соединение работает упруго, так как размер изменения усилий обычно меньше значения сопротивлений трения. Упругая работа соединения не способствует выравниванию усилий между болтами соединения, и крайние болты работают сильнее средних.

Отверстия в соединении и сложнонапряженное состояние материала около отверстий способствуют концентрации напряжений и появлению пиковых напряжений. Оба эти явления понижают вибрационную прочность соединения по сравнению с вибрационной прочностью основного материала вне соединения и создают условия для проявления усталости металла.

Реже разрушаются от усталости заклепочные или болтовые стержни. Они разрушаются в местах концентрации напряжений, т. е. в местах примыкания стержня к головке или в средней, обминаемой краями листа части стержня.

Снижение вибрационной прочности соединения учитывают снижением расчетного сопротивления материала.

4. Размещение болтов

При конструировании соединения следует стремиться к наилучшей передаче усилия с одного элемента на другой кратчайшим путем при одновременном обеспечении удобства выполнения соединения. В стыках и узлах прикреплений (для экономии материала накладок) расстояние между болтами должно быть минимальным.

В слабо работающих (связующих, конструктивных) соединениях расстояние должно быть максимальным, чтобы уменьшить число болтов.

Болты располагают в соединении по прямым линиям - рискам, параллельным действующему усилию. Расстояние между двумя смежными рисками называется дорожкой, а расстояние между двумя смежными по риске болтами - шагом (рис. 6.10). Расстояние между центрами болтов и заклепок принимают по табл. 6.6 и рис. 6.10. Минимальное расстояние, указанное в табл. 6.6, определяют условиями прочности основного материала. Максимальное расстояние определяют устойчивостью сжатых частей элементов в промежутках между болтами или условием плотности соединения растянутых элементов во избежание попадания в щели влаги и пыли, способствующих коррозии элемента.

В профильных элементах (уголках, двутаврах, швеллерах) положение рисок и возможные диаметры отверстий должны отвечать требуемой прочности элемента и практической возможности постановки болтов в соединениях. Риски на профильных элементах приведены в справочниках металлических конструкций (МК).

Для облегчения пользования кондукторами для сверления отверстий желательно иметь шаг и дорожку, кратную 40 мм.

[ К следующей главе | Вверх по странице | К оглавлению | К предыдущей главе ]