Введение к работе
Актуальность. Объемы изготовления и мошіїжа стальных строи-ісльнмх конструкций, начиная с середины 70-х тодов шиють до 1990 г., оставались практически неизменными — около 4,2-4,6 млн. і они в і од, причем доля Российской Федерации составляла 3,2-3,5 млп.топп. Несмотря на резкое сокращение капитального строи ісльстпа начиная с 1991 тда, объемы изготовления и монтажа стальных строительных конструкций в России оставались весьма внушительными и сопоставимыми с аналогичными объемами ведущих зарубежных стран, включая США. Стальные конструкции каркасов одно- и многоэтажных зданий и сооружений являются наиболее массовыми — их металлоемкость составляет не менее 60% от общей массы строительных металлоконструкций. Поэтому очевидно, что создание н совершенствование конструктивных форм стальных каркасов одно- и многоэтажных зданий и сооружений с целью повышения их монтажной и заводской технологичности, под которой понимается совокупность качеств и свойств конструкции, обеспечивающих: снижение металлоемкости при сохранении высокой эксплуатационной надежности; минимальную стоимость и трудоемкость изготовления и монгажа; сокращение сроков строительства - является важной народнохозяйственной задачей.
Одно из направлений решения этой задачи совершенствование и внедрение монтажных соединений минимальной трудоемкости и стоимости. Известно, что начиная с 50-х годов сварные соединения в силу своей универсальности стали доминирующим видом соединений сталь-пых конструкций, полностью вытеснив соединения на заклейках, успешно применявшихся в металлостронтельстве более ста лег. Однако в середине 70-х годов в связи с резким увеличением объемов стальных конструкций одно- и многоэтажных зданий стало очевидным, что сварные монтажные соединения перестали отвечать современным критериям технологичности этих конструкций. Действительно, вследствие особенностей конструкций стальных каркасов одно- н многоэтажных зданий н технологии выполнения сварных соединений в условиях монтажа рабочее время сварщиков используется крайне нерационально и производственные организации вынуждены держать значительный штат высококвалифицированных сварщиков — до 20% от общей численности монтажников. Например, в бывшей Главстальконструкцня Минмонтаж-спенетроя СССР, производственные организации которой осуществляли монтаж 20-25% всего объема стальных конструкций страны, численность сварщиков достигала до 4,5 тыс. человек. При этом трудоемкость выполнения сварных монтажных соединении составляла, в зависимости от вида конструктивных элементов, от 55 до 70 % от всей трудоемкости монтажа этих элементов. Поэтому максимальное исключение сварных соединений в стальных конструкциях одно- и многоэтажных зданий с заменой их на
более эффективные, как по трудоемкости, так и по стоимости при сохранении высокой эксплуатационной надежное!и являегся одной in наиболее важных и актуальных проблем металлосгроительсгва как и нашей стране, так и за рубежом.
Как показали мноїсчисленные технико-экономические исследования, на современном лане развития металлосгроительсгва к таким соединениям, как наиболее полно отвечающим критериям технологичности стальных конструкций одно- п многоэтажных здании, относятся болтовые и, в первую очередь, фланцевые, срезные и фрикционно-срезные. О і и типы болговых соединений опшчаются от сварных существенно меньшей трудоемкостью и простотой іехнолоіии, не требующей монтажников высокой квалификации, делают возможным превращение монтажной площадки в своеобразный сборочный цех, в котором сборка осуществляйся в один этан при инициированном высоком качестве монтажных рабо і, основу которой создают стационарные заводские условия изготовления конструкцій').
Впервые проблема замены сварных соединений элеменюв стальных конструкций одно- и мноюлажных зданий на более эффективные болтовые была поставлена академиком Мельниковым И.П. в конце 70-х годов. Постановка проблемы имела вполне определенные предпосылки для ее практического решения: создание и освоение отечественного производства метизов повышенной п высокой прочности для металлострои-тельства; наличие существенною положительного опыта применения фрикционных соединений на основе создания надежных методов расчет н постоянно совершенствующейся технологии натяжения высокопрочных болтов; оснащение заводов изготовителей стальных конструкций современными станками, в і.ч. с ЧПУ, обеспечивающими высокую точность и качество ни отопления коисірукциґі с болтовыми соединениями.
Одним из основных сдерживающих факторов решения этой проблемы явилось отсутствие необходимой и достаточной информации о дейсшителыюм поведении наиболее эффективных болтовых монтажных соединений: фланцевых, срезных и фрикционно-срезных и, как следствие этого, отсутствие современных методов их расчета, адекватно отражающих реальное поведение соединений, рекомендаций по проектированию и областям рациональною применения, соответствующих проектных разработок, а также нормапшно-техпической документации но изготовлению и мошажу конструкций с этими типами болтовых соединений.
Ошм и обуславливается актуальность и необходимость проведенных автором исследовании и решения научной проблемы создания расчет но-1 еорегичеекой базы нроекщрования, изготовления и мопіажной сборки болюных соединений, обеспечивающей максимальную реализацию эффективности при высокой степени эксплуатационной надежности и необходимые условия для их массового применения в стальных каркасах одно- и мноюлажных зданий и сооружений.
Целью диссертации является комплексное экспериментально-теоретическое исследование малотрудоемких болтовых соединений элементов стальных каркасов одно- и многоэтажных зданий и создание научных основ их массового применения, включающие:
исследование действительного поведения моделей и натурных фланцевых соединений элементов открытою и замкнутою профилей при растяжении, изгибе и совместном действии изгиба и растяжения в статическом и циклическом режимах нагружения п выявление взаимосвязи между основными геометрическими параметрами и напряженно-деформированным состоянием фланцев, болтов и присоединяемых элементов. Обоснование предельного состояния и необходимых условий изготовления и монтажа, обеспечивающих максимальную эффективность и эксплуатационную надежность соединений. Разработка численных с применением персональных ЭВМ и инженерных методов расчета прочности и деформативности фланцевых соединений, в том числе для изгибаемых элементов — с учетом реальной изгибной жесткости соединений;
исследование действительного поведения срезных и фрикцион-но-среэных соединений в статическом и циклическом режимах нагружения, обоснование целесообразности и эффективности применения деформационного критерия прочности метода предельных состояний при расчете соединений. Выявление взаимосвязи между усилиями сдвига и перемещениями смятия соединяемых элементов и сдвига болтов, а также между перемещениями смятия и изменением усилий предварительного натяжения болтов с учетом основных геометрических и прочностных характеристик соединяемых элементов и метизов. Разработка инженерного и численного методов расчета прочности и деформативности многоболтовых срезных и фрикционно-срезных соединений. Выявление влияния технологических приемов и точности изготовления на поведение, эксплуатационную надежность и эффективность соединений;
разработка пакета нормативно-технической документации по расчету, проектированию, изготовлению и монтажу, в том числе проектной документации, обеспечивающих условия массового применения исследуемых типов болтовых соединений элементов стальных строительных конструкций.
Научная новизна диссертации заключается в выполнении комплекса экспериментально-теоретических исследований и решении проблемы расчета п проектирования малотрудоемких болтовых монтажных соединений элементов стальных каркасов одно- и многоэтажных зданий, обеспечивающих максимальную реализацию резервов их эффективности и эксплуатационной надежности. При этом получены следующие результаты, защищаемые автором:
- на основании экспериментальных исследований фланцевых сое
динений уточнена формула для определения коэффициента основной на
грузки, определены рациональные геометрические параметры соедине-
ний и выявлены особенности поведения высокопрочных болтов, работающих в составе соединений. Обосновано и сформулировано предельное состояние фланцевых соединений. Разработана инженерная методика расчета прочности Т-образных фланцевых соединений, являющихся элементарной составляющей фланцевых соединений элементов открытого профиля. Разработан численный метод исследования и расчета на прочность и деформатшшость фланцевых соединений элеменюв открытою профиля любой конструктивной формы, находящихся под воздействием растяжения, изгиба или совместного действия изгиба и продольных усилии, в том числе программа "Флора" для реализации метода на персональных ЭВМ типа IBM PC;
выполнены 'экспериментальные исследования натурных фланцевых соединений растянутых элементов открытого и замкнутою профилей (уголков, тавров и двутавров, круглых труб) и установлены закономерности напряженно-деформированного состояния элементов соединений, количественный характер распределения усилий но болтам соединения в зависимости от жесткости фланца, а также наиболее эффективные формы соединений. Разработана инженерная методика расчета прочности соединений элементов открытого профиля, основу которой со-, ставляег методика расчета элементарных Т-образных соединений и установленная закономерность распределения внешних усилий между болтами соединения. Разработана методика расчета минимально необходимой толщины фланца в стадии ею предельного равновесия;
установлены экспериментальные зависимости между амплшудой номинальных напряжений и циклической долговечностью болтов, я также эквивалентной амплшудой номинальных напряжений растянутых элементов и циклической долговечностью сварных соединений фланцев с этими элементами. Получены уравнения регрессии и расчетные кривые усталости болтов н сварных соединений в зависимости от типа исполнения и дефектов швов;
выполнен комплекс экспериментальных исследований натурных фланцевых соединений изгибаемых элементов наиболее известных конструктивных форм. Выявлены особенности напряженно-деформированного состояния соединений, количественный характер распределения усилий между болтами и получены зависимости "М-а", характеризующие изгибную жесткость соединений. Разработана инженерная методика расчета прочности рамных фланцевых соединений. Разработана меюдп-ка расчета балок в сисіеме "балка + колонна" с учетом реальной изгнб-ной жесткости соединений, позволяющая определять действшельный момент, передаваемый соединением и соответствующий этому моменту угол поворота, а іакже выявлять резервы максимального использования несущей снособносш балок и определять условия ее реализации за счет конструирования соединений с требуемой изгибной жесткостью;
- проведены экспериментальные исследования элементарных срез
ных соединений на болтах MI6, М20, М24 классов прочности 5.8. 8.8,
10.9 и 11.9 и докатана целесообразность выполнения расчеюв соединяе
мых элементов на смятие по деформационному крпіерпю. когда усилие,
которое может воспринять соединение, опрсдслясіся п зависимости от
заданных предельных деформаций смятия. Получена эмпирическая зави
симость с обеспеченностью 0,997 между усилиями едшиа и нерсмешення-
мп смятия соединяемых элементов с учетом диаметра болтов, толщин и
прочности стали элементов и расстояния от центра отверстия до края со
единяемого элемента вдоль действия усилий;
выполнены экспериментальные исследования одноболтовых фрикционно-срезных соединений, работоспособность которых определяется смятием соединяемых элементов и получена эмпирическая зависимость с обеспеченностью 0,997 между изменением усилий предварительного натяжения болта и перемещениями смятия соединяемого элемента. Разработана методика расчета одноболтовых фрикционно-срезных соединений с учетом сопротивления соединяемых элементов смятию в зависимости от величины перемещений смятия этих элементов;
выполнены исследования циклической долговечности срезных и фрикционно-срезных соединений в зависимости от перемещений смятия, прочности стали и ширины по сечению нетто соединяемых элементов и получены уравнения регрессии и расчетные кривые циклической долговечности соединений при коэффициенте асимметрии нагружения в пределах: 0 < р < 0,8;
разработаны и обоснованы основные положения метода расчета многоболтовых срезных и фрикционно-срезных соединений с использованием двух предельных состояний: [Л — потеря несущей способности, вызванная полным срезом болтов и IR — по смещениям соединяемых элементов, определяющих эксплуатационную пригодность соединения. Методами теории вероятностей решена задача с последующей экспериментальной проверкой о последовательности включения в работу болтов многоболтового соединения, заключающаяся в определении численных значений перемещений сдвига болтов или смятия соединяемых элементов, необходимых для включения в работу каждого из болтов в зависимости от технологических приемов разметки и образования отверстий. Теоретически определены численные значения коэффициентов условий работы многоболтовых соединений, учитывающие неодновременность включения болтов в работу в зависимости от точности изготовления соединений, числа рядов, диаметра и класса прочности болтов, количества, толщины и прочности соединяемых элементов;
усовершенствована разработанная в ЦПИИПСК им.Мельникова методика статистического моделирования поведения многоболтовых срезных и фрикционно-срезных соединений путем введения в нее результатов исследований, полученных автором, и разработана программа
"Болт" для персональных ЭВМ типа IBM PC. Выполнены численные экспериментальные исследования многоболтовых фрикционно-срезных соединений и получены значения коэффициента условия работы, учитывающего влияние разности деформаций соединяемых элементов между рядами болтов по длине соединения на распределение усилий но рядам болтов.
Практическая ценность работы заключается в том, что ее результаты позволили:
-разработать пакет нормативно-технической документации, и том числе: разделы в пособии п отдельные положения для главы СІІиІІ 11-23-81 * "Нормы проектирования. Стальные конструкции", М., Стройнздат, 1990; разделы в главе СНнП 3.03.01-87 "Несущие и ограждающие конструкции", М., Стройнздат, 1988; ОСТ 36-128-86 "Устройства и приспособления монтажные. Методы расчета и проектирования", ЦБНТИ ММСС СССР, 1987; "Рекомендации по расчегу, проектированию, изготовлению и монтажу фланцевых соединений стальных строи іельньїх конструкций", М., ЦБНТИ ММСС СССР, 1989; "Рекомендации по проектированию работающих на сдвиг болтовых соединений стальных строительных конструкций", М., ЦБНТИ ММСС СССР, 1990; "Руководство и нормативы по технологии постановки высокопрочных болтов в монтажных соединениях металлоконструкций", М., Стройнздат, 1982; "Рекомендации по сборке фланцевых монтажных соединений стальных строительных конструкций", М., ЦБНТИ ММСС СССР, 1986; Нормы расхода крепежных изделий постоянных для монтажных болтовых соединений стальных строительных конструкций, ВСН 428-81/ММСС СССР, 1982;
разработать типовые проектные решения стальных строительных конструкций с применением малотрудоемких болтовых соединений, включая: стропильные фермы из одиночных и парных уголков, широко-полочных тавров и двутавров, круглых труб; колонны и вертикальные связи но ним; горизошальные связи покрытий; рамные фланцевые и срезные соединения; рамные конструкции зданий-модулей типа "Канск", "Орск", а также различных типов ФОКов и т.д., — которые способствовали широкому внедрению болтовых монтажных соединений;
получить значительный технико-экономический эффект за счет повышения качества монтажа стальных конструкций, высвобождения высококвалифицированных сварщиков, снижения трудоемкости и стоимости монтажа стальных конструкций с применением болтовых соединений.
Внедрение результатов работы. Выполненные исследования позволили создать научную базу, обеспечивающую, в числе других практических мероприятий, массовое внедрение малотрудоемких болтовых соединений: фланцевых, срезных, фрикционно-срезных. Так, начиная с 1987 по 1990 і л. включительно, в стране было изготовлено и смонтировано око-
ло 4,7 млн. тонн стальных конструкций с применением болтовых соединений, причем только производственными организациями Минмонтаж-спецстроя изготовлено и смонтировано за тюг период 2,96 млн. гони, из них более половины об'ема выполнены по проектам институтов объединения "Союзметаллостройниипроект". В качестве сравнения — в начале 80-х годов в стране изготавливалось н монтировалось ежегодно не более 70-80 тыс. тонн стальных конструкций с применением болтовых, главным образом, фрикционных соединений. В результате широкого применения малотрудоемких болтовых монтажных соединений в производственных организациях Минмонтажспецсзроя высвобождено около 1,9 тыс. сварщиков высокой квалификации и получен экономический эффект в размере (в ценах 1989 г.) 2,5 руб. на тонну изготовленных н смонтированных стальных конструкций с болтовыми соединениями. Несмотря на снижение строительного производства с 1990 г. относительный объем применения стальных конструкций с болтовыми монтажными соединениями имеет тенденцию к увеличению.
Апробация работы и публикации. Результаты работы в течение 1981-1994 г.г. неоднократно докладывались и обсуждались на секциях и семинарах ЦНИИПроектстальконструкция им.Мельникова, Московского инженерно-строительного института, НТО "Стройиндустрия", научно-технических советах Минмонтажспецстроя СССР, концерна "Сталь-конструкция" и ВНИПИПромстальконструкция, на научно-технических конференциях, в том числе на международном коллоквиуме по болтовым и специальным соединениям в Москве 1989 г., на международных совещаниях по болтовым соединениям в городах Питтсбурге (США, 1991 г.) и Иннсбруке (Австрия, 1994 г.). Основное научное содержание работы опубликовано в 45 статьях. По отдельным вопросам темы диссертационной работы автором подготовлено шесть кандидатов технических наук.
Объем диссертации. Диссертация состоит из раздела, посвященного анализу состояния проблемы и двух последующих частей. Первая часть посвящена исследованию и совершенствованию методов расчета фланцевых соединений центрально растянутых и изгибаемых элементов и содержит шесть разделов. Вторая — исследованию и совершенствованию методов расчета болтовых соединений, работающих на сдвиг и содержит четыре раздела. В диссертации 300 страниц машинописного текста, 238 рисунков, 76 таблиц и список литературы из 437 наименований.