книги / Сварные конструкции

ходящаяся на одну сварную точку; [о] — допускаемое условное продольное напряжение по периметру сварной точки.

В левых частях равенств (4.39) и (4.40) представлено допусти­ мое усилие, приходящееся на один срез сварной точкр. В правой части равенства (4.39) представлено допустимое усилие,- приходя­ щееся на площадь Fn, расположенную по периметру сварной точки.

Допускаемое напряжение для этого-сечения [а] в связи с неко­ торой условностью действующих в этом сечении продольных на­ пряжений окончательно устанавливается по экспериментальным данным.

В правой части равенства (4.40) представлено допустимое уси­ лие, приходящееся на площадь переходного участка F0 = bsQ.

Коэффициент k = выражающий соотношение между шириной

переходного участка и диаметром сварной точки, зависит от усло­ вий распределения напряжений в этом сечении и может быть установлен на основании экспериментальных данных.

Из условия (4.39) можно получить следующее выражение, определяющее соотношение между диаметром сварной точки и толщиной основного элемента:

где

На основании данных, полученных экспериментальным путем, можно принять для точечно-сварных соединений из стали марки Ст. 3 следующее значение этого отношения:

Действительное напряженное состояние сварного точечного соединения является значительно более сложным, чем это при­ нято при упрощенном расчете. В действительности даже при осе­ вой нагрузке сварная точка испытывает кроме среза еще и изгиб, который для соединений с двусторонним нахлестом обычно не учитывают. Для крайних элементов нахлесточного соединения изгиб является более значительным, так как рабочая площадь сварной точки, прикрепляющей крайние элементы к среднему, расположена с некоторым эксцентриситетом по отношению к их продольной оси.

Наличие изгиба приводит к тому, что при выборе соотношений между отдельными размерами соединения необходимо учитывать

Ш

также и условия работы сварной точки на отрыв, возможный в ре­ зультате появления нормальных напряжений от изгиба.

Экспериментальная проверка прочности сварной точки на от­ рыв проводится на образце, представленном на рис. 4.10, а.

По условию передачи растягивающего усилия с изогнутого элемента образца на сварную точку наиболее напряженными ока-

Рис. 4.10. Образец для испытания сварного точечного соединения на отрыв (а) и расчетная эпюра распределения в нем напряжений (б)

зываются участки, расположенные вблизи крайних точек про­ дольной оси сечения сварной точки (точки А на рис. 4.10). Участки, расположенные по поперечной оси сечения (по оси ВВ на рис. 4.10), оказываются нагруженными весьма слабо.

При применении упрощенных расчетов для учета такой не­ равномерности обычно снижают значения допускаемых напря­ жений.

Если в соответствии с эпюрой на рис. 4.10, б принять распре­ деление нормальных напряжений в сечении сварной точки по линейному закону (который соответствует не только условиям данного неравномерного распределения нормальных напряжений при отрыве, но также соответствует и изгибу), то усилие, прихо-

U2

дящеесп на элементарную единичную площадку, может быть выра­ жено следующим образом:

dPi = axdP.

В соответствии с рис. 4.10, б можно написать

dF — bxdx = -jj-dx.

После подстановки и интегрирования получим

Pi =

О

Если считать, что закон распределения касательных напряже­ ний в сечении переходной зоны по периметру сварной точки дол­ жен быть подобным закону распределения нормальных напряже­ ний в сечении сварной точки, то из равенства усилий, приходя­ щихся на соответствующие единичные площадки, следует:

Р 1 = тх

или

откуда

d = — s = 4,35,

что близко подходит к значениям-, полученным эксперименталь­ ным путем.

Из условия (4.39) можно видеть, что с увеличением диаметра сварной точки значение допустимого для нее усилия Рсв растет быстрее, чем значение усилия, допустимого для переходной зоны Яп.

Это связано с тем, что рабочая площадь сварной точки FCBпро­ порциональна квадрату диаметра точки, тогда как рабочая пло­ щадь переходной зоны Fn пропорциональна только его первой степени.

При выборе диаметра сварной точки превышать значение, установленное соотношением (4.39"), нецелесообразно, так как запас прочности сварной точки приэтом будет чрезмерно повы­ шенным, а слабым местом соединения станет ее переходная зона.

При этом также нарушается условие равнопрочности, поло­ женное в основу формулы (4.38), которая поэтому в этих условиях становится уже неприменимой.

При работе соединения на осевую силу весьма интенсивному нагружению подвергается поперечное сечение, расположенное не­ посредственно у сварной точки.

В этом сечении нормальные напряжения распределены не­ равномерно. Наибольшая концентрация напряжений имеет место в средней части сечения, тогда как крайние части этого сечения нагружены незначительно. В таких условиях увеличение ширины поперечного сечения элемента сверх некоторого определенного предела не может повысить его несущую способность. В связи с этим, как показывают результаты экспериментальных исследо­ ваний, необходимо ограничить ширину участка площади попереч­ ного сечения элемента.

Такое ограничение ширины участка, приходящегося на одну сварную точку, может быть установлено на основании экспери­

Сопоставляя это выражение с формулой (4.39'), найдем

ил [ т '1

к ~ т _ 4~[0р

k = 4,3 -J- 0,7 ~ 2,4.

Таким образом, из условия (4.40) следует, что наибольшая ширина сечения участка переходной зоны составляет

Ы 2,4А (4.40")

У точечно-сварных соединений (в отличие от соединений кле­ паных конструкций) ослабление сечения отверстиями отсутствует, в связи с чем определение минимальных размеров для шага точек в поперечном шве (а также и для расстояния их от края прикреп­ ляемой детали) не должно быть связано с условиями прочности.

Вполне очевидно, что по условиям прочности может быть до­ пустимым даже такое уменьшение шага сварных точечных швов, которое превращает их в непрерывные сплошные швы, являю­ щиеся не менее прочными, чем любые прерывистые швы.

В случае применения сложных профилей возникает необхо­ димость размещения сварных точек в продольном направлении, т. е. создание продольных рядов.

В связи с этим при увеличении числа сварных точек разру­ шающая нагрузка, приходящаяся на все соединение в'целом, не всегда растет пропорционально их числу (рис. 4.11, в). При этом существует некоторый предел, после достижения которого даль­ нейшее увеличение числа сварных точек не приводит к повыше­ нию значения разрушающей нагрузки. Этот предел определяет также и возможность применения принятого упрощенного расчета. Отклонение от расчетных значений отмечается, начиная уже от числа сварных, точек п = 3. Однако при этом еще возможно даль­ нейшее их увеличение, которое сопровождается некоторым по­ вышением значения разрушающей нагрузки. Считают, что окон­ чательный предел для дальнейшего увеличения числа сварных точек наступает при числе сварных точек в продольном шве, рав­ ном п = 5, когда дальнейший рост значений разрушающей на­ грузки совсем прекращается.

§ 18. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Пример 1. Определить величину расчетного растягивающего усилия для сварного стыкового соединения двух элементов из стали марки Ст. 3, имеющих прямоугольное поперечное сечение размерами 20 х 300 мм2.

В соответствии с формулой (4.25) расчетное усилие может быть принято равным

Ar = sU ?cpD.

При выполнении шва с применением выводных планок расчет­ ная длина шва может быть принята равной полной ширине основ­ ного элемента

/ш = 30 см.

Если при этом с помощью повышенного контроля, будет обес­ печено высокое качество сварного шва, то его расчетное сопротив­ ление может быть в соответствии с данными табл. 4.2 принято, как и для основного металла, равным

RpD= 2 1 0 0 кгс/см2 = 210 МПа.

При этом

N = 2 30 2100 = 126 тс = 1,26 МН.

Такое значение расчетного усилия при указанных условиях может быть принято в случаях применения любого способа электродуговой сварки (автоматического, полуавтоматического или ручного).

Расчетное усилие для стыковых соединений не зависит от формы подготовки свариваемых кромок и для всех их видов является одинаковым. Исключением является только случай применения односторонних швов, выполняемых без подварки корня шва илн

без обеспечения формирования шва с обратной стороны. Для таких швов расчетное сопротивление должно быть снижено на 30%. Та­ кое положение приводит к значительному понижению расчетного усилия и поэтому его необходимо избегать. Оно встречается сравни­ тельно редко и может возникнуть только в случае, когда совсем нет доступа к сварному шву с его обратной стороны.

В случае, если контроль качества сварного шва будет обычным (будет осуществляться без применения физических методов), рас­ четное сопротивление для шва, выполняемого ручным (или даже полуавтоматическим) способом, снижается и принимается равным

i?cpn = 1800 кгс/см2 = 180 МПа.

Если при этом шов будет выполняться также и без применения выводных планок, то его расчетная длина должна быть снижена на 1 см по сравнению с шириной основного элемента

/ш = 30—1 ='29 см.

Для таких случаев величина расчетного усилия будет равна

N = 2*29* 1800 = 104 тс = 1,04 МН.

При таком значении расчетного усилия нормальное напряже­ ние в сечении основного элемента будет равно

о = гу- = = 1730 кгс/см2 = 173 МПа,

что на 17,6% ниже расчетного сопротивления.

При большой длине основных элементов такое снижение рас­ четного усилия и связанное с этим их недонапряжение могут при­ вести к значительным излишним затратам металла и поэтомуследует принимать указанные выше меры для соответствующего повышения качества сварного соединения, при котором обеспе­ чивается его равнопрочность с основными элементами конструкции.

Пример 2 . Проверить условия равнопрочности угловых швов сварного соединения впритык с основным металлом и определить величину расчетного растягивающего усилия для случая применёния основных элементов таких же, как и в предыдущем примере.

По аналогии с формулой (4.26) расчетное усилие будет равно

Величина расчетного усилия по.данным предыдущего примера будет равна

N = 2.30*2100 = 126 тс = 1,26 МН.

Для обеспечения условий равнопрочности катет угловых швов соединения впритык должен быть равен

Пример 3. Определить размеры накладок и катет сварных угловых швов, необходимые для осуществления равнопрочного соединения тех же элементов, как и в двух предыдущих примерах, с применением двусторонних накладок и лобовых угловых швов.

По аналогии с формулой (4.32) величина расчетного усилия будет равна

N = l A k l luRCy*'

При условии применения выводных планок для сварки угло­ вых швов длина их может быть принята равной ширине накладок.

В случае применения в соединении только лобовых угловых швов ширина накладок принимается равной ширине основных элементов. При этом /ш = 30 см.

Толщина накладок в этом случае не может быть меньше катета угловых лобовых швов и должна быть определена по условию

sH^ k.

Расчетное усилие по данным предыдущих примеров равно N = 126 тс = 1,26 МН.

Для обеспечения равнопрочного соединения катет сварных угловых швов должен быть равным

Толщина накладок может быть принята равной sH= k = 2 см.

Длина накладок определяется с учетом обеспечения необхо­ димого нахлеста и может быть принята равной

/н = 2-3s = 2-3*2 = 12 см.

Пример 4. Определить размеры накладок и катет сварных угловых швов, необходимые для осуществления равнопрочного соединения, как и в предыдущем примере, при дополнительном условии, что накладки могут быть приварены с применением ло­ бовых и боковых швов.

U9

В этом случае по аналогии с формулой (4.31) величина расчет­ ного усилия будет равна

N = l , 4 k h l mRyB-

Для данного случая накладка может быть приварена со сто­ роны каждого элемента одним лобовым и двумя боковыми швами. При этом общая длина швов будет равна

2 /ш= ;л + 2/б,

где 1Л— длина лобового шва; /б — длина'бокового шва.

Ширина накладок должна быть несколько меньшей по сравне­ нию с шириной основных элементов для обеспечения возможности размещения двух боковых швов. Суммарная толщина двух накла­ док в этом случае определяется по толщине основных элементов с некоторым увеличением, учитывающим уменьшение их ширины. Примем толщину накладок равной sH= 12 мм.

При этом по условию равенства площади поперечного сечения накладок и основного элемента наименьшая допустимая ширина их может быть принята равной

По условиям размещения боковых швов это значение ширины накладок* может быть несколько увеличено.

Примем ширину накладок равной Ьп = 27 см.

Это значение определяет также и длину лобового шва. При этом 1Л = 27 см.

Катет угловых швов может быть принят равным толщине на­ кладок k = 12 мм.

Значение катета угловых швов может быть принято и несколько меньшим. В этом случае необходимо было бы предусмотреть не­ которое соответствующее увеличение длины накладок, связанное с увеличением длины боковых швов.

Длина боковых швов определяется из условия равнопрочности, которое в соответствии с принятыми размерами будет иметь сле­ дующий вид:

126 000 = 1,4-1,2-1500 (27 + 2/б).

Отсюда

Длина накладки может быть принята равной

La = 2/б = 23 см.

Округляя, примем Ln = 24 см.