книги / Сварные конструкции

Конструирование и расчет узлов. Узлы ферм представляют собой место сопряжения отдельных стержневых элементов и по­ этому являются весьма ответственной частью всей конструкции

вцелом.

Вбольшинстве случаев узловые сопряжения осуществляются

сприменением фасонок, габариты которых определяются усло­ виями соответствующего размещения концевых участков стержне­ вых элементов, сходящихся в узле. Длина концевых участков должна быть достаточна для размещения сварных швов, принятых

для их крепления по расчету.

Рис. 8.5. Узел сварной фермы (а) и его расчетные сечения (б)

Размещение концевых участков сходящихся на фасонке эле­ ментов следует производить так, чтобы их осевые линии совпадали с линиями, образующими геометрическую схему фермы, и схо­ дились бы в точке их пересечения без эксцентриситета. При этом необходимо также обеспечивать требование о том, чтобы избегать скученности швов, что достигается соответствующим ограниче­ нием расстояния между концами сходящихся в узле элементов.

Определенный по указанным выше условиям прямолинейный контур фасонки может быть в случае необходимости увеличен для создания плавных сопряжений в местах перевода от стержневых элементов к фасонке. Получающееся при этом некоторое увели­ чение габаритов фасонки в расчетный прямолинейный контур фасонки (указанный на рис. 8.5, а штрихпунктирной линией) не включается.

При проверке прочности узлов ферм обычно определяют на­ пряжения в сечениях фасонок* по которым разрушение считается более вероятным. К числу таких сечений относятся сечение по основанию фасонки, расположенное в месте крепления ее к поясу (сеч. 1—1 на рис. 8.5, о) или параллельное ему сечение по самой фасонке, расположенное у концов прикрепляемых элементов (сеч. 2—2).

При определении напряжений в сечении по основанию фасонки (или в сечении, параллельном ему) за основное расчетное усилие принимается разность усилий в смежных панелях пояса. Нормаль­ ное напряжение определяется при этом по формуле

Суммарные напряжения в сечении по основанию фасонки опре­

Проверкой условий прочности в сечении по основанию фасонки устанавливается необходимая ее длина. Ширина фасонки уста­ навливается при проверке условий прочности в ее срединном сечении (сеч. 3—3 на рис. 8.5, б).

Напряжение в срединном сечении фасонки определяется по формуле

где S Nx — N x + S 1 cosot1; N x— наименьшее из усилий, дей­ ствующих в смежных панелях пояса; S x— усилие в раскосе той же панели; а х— угол наклона раскоса.

КасательныеЛнапряжения в срединном сечении фасонки опре­ деляются по формуле

Суммарные напряжения в срединном сечении определяются по формуле (8.3).

Прочность фасонки должна быть проверена также и в месте возможного ее вырыва в сечении у конца прикрепляемого элемента (сеч. 4—4 на рис. 8.5, б).

Условие прочности для этого сечения выражается следующей

(сеч. 4'—4')\ FK= slK— площадь сечения косого участка фасонки (сеч. 4—4').

В этой формуле особенности расположения отдельных участков •проверяемого сечения' учитываются соответствующим различием в значениях расчетных сопротивлений R и Rcp.

Фасонка является местом передачи сосредоточенных усилий и поэтому в ней могут быть отдельные участки с концентрацией напряжений. В связи с этим рекомендуется толщину фасонки принимать такой, чтобы она по возможности была несколько больше толщины прикрепляемых к ней элементов.

Выносливость сварных элементов. Различные вспомогательные детали, которые применяются для общего конструктивного оформ­ ления отдельных элементов и узлов конструкций (соединитель­ ные планки, надставки для крепления связей, диафрагмы и ребра жесткости), создают в местах прикрепления значительные изме­ нения формы, характеризующиеся высокой концентрацией напря­ жений, и при вибрационной нагрузке могут являться очагами появления преждевременных разрушений.

Соединительные планки и диафрагмы, которые применяются для связи отдельных веток сквозных составных стержней, весьма удобны для конструктивного оформления элементов из готовых прокатных профилей. Трудоемкость изготовления таких сквозных стержней значительно ниже, чем стержней сплошного сечения. Однако применение их возможно только в конструкциях, воспри­ нимающих статическую нагрузку, так как создаваемая в местах приварки соединительных элементов концентрация напряжений сильно снижает выносливость таких сквозных составных стерж­ ней при вибрационной нагрузке.

О выносливости стержней с соединительными планками можно судить по данным, приведенным в табл. 8.3. На рис.8 .6 представ­ лены узлы крепления соединительных планок к образцам. Номера отдельных узлов, указанные на рис. 8 .6 , соответствуют порядко­ вому номеру образца в табл. 8.3.

Образцы состояли из двух ветвей, каждая из которых пред­

равнобоких уголков 120x16. Отдельные ветви были связаны между собой соединительными планками, расположенными по полкам таких составных швеллеров. Длина образцов 6 м. Испы­ тание их производилось вибрационной нагрузкой при изгибе.

Результаты испытания показали, что выносливость образцов с соединительными планками очень низкая. Причем, для сварных образцов с соединительными планками, приваренными внахлестку,

5

J 100

Рис. 8.6. Различные конструк­ ции крепления соединительных решеток и планок

выносливость является даже более низкой, чем для клепаных образцов. Приварка соединительных планок встык дала несколько более высокие результаты, хотя и их нельзя считать удовлетво­ рительными. Можно полагать, что тщательная обработка концов соединительных планок после их приварки, обеспечивающая плавные переходы в местах изменения формы поперечного сече­ ния образцов, могла бы обеспечить удовлетворительные резуль­ таты по выносливости. Однако большой объем такой дополнитель­ ной механической обработки значительно усложнял бы процесс изготовления сквозных составных стержней и сильно понижал бы эффективность их применения по сравнению со стержнями сплош­ ного сечения, не имеющими такого большого количества мест с переменой сечения. О пониженной выносливости составных

сквозных элементов с соединительными решетками или планками свидетельствует также и опыт эксплуатации реальных конструк­ ций, воспринимающих переменные нагрузки и имеющие в своем составе подобные элементы. Много трещин в местах прикреп­ ления соединительных решеток или планок было обнаружено при обследовании пролетных строений железнодорожных мостов. В связи с этим по Техническим условиям на проектирование и изготовление сварных мостовых конструкций устанавливается, что в сварных элементах составного сечения в качестве соедини­ тельных элементов должны применяться сплошные или перфори­ рованные листы. Соединительные планки могут быть допущены только в слабо работающих элементах связей и только в тех слу­ чаях, когда по условиям работы элемента крепление планок может быть осуществлено простейшим образом (без выкружек и специаль­ ной обработки зон концентрации напряжений). Сварные швы составных элементов со сплошной стенкой во всех случаях должны назначаться непрерывными по всей их длине.

Выносливость узлов сварных ферм. Узлы ферм, являющиеся местом сопряжения пересекающихся стержневых элементов ре­ шетки и поясов, нагружаемых осевыми усилиями различных знаков, по условиям работы являются наиболее ответственным местом всей конструкции и характеризуются достаточно сложным напряженным состоянием.

Условия прочности в районах продольного и поперечного сече­ ний узловой фасонки могут быть обеспечены сравнительно просто соответствующим выбором размеров фасонки и размеров сварных швов, необходимых для ее крепления. Условие прочности в сече­ нии на фасонке в местах окончания креплений стержневых эле­ ментов также может быть удовлетворено за счет выбора размеров фасонки (главным образом за счет ее толщины) и соответствующей формы переходов от концевых участков деталей стержневых эле­ ментов к фасонке. Наиболее сложно обеспечить условия прочности по сечению основного элемента в месте его примыкания к внешнему контуру узловой фасонки. Для снижения в этих сечениях кон­ центрации напряжений необходимо обеспечивать постепенное изменение формы в местах перехода, которое должно соответство­ вать условиям передачи силового потока с основного элемента на узловую фасонку.

В табл. 8.4 приводятся данные о выносливости узловых уширений различной конструкции, представленных на рис. 8.7.

Узловые переходы с крестовыми соединениями полок характе­ ризуются высоким значением предела выносливости. Это значит, что для данной конструкции концентрация напряжений в районе стыкового шва фасонки незначительна, а принятое увеличение площади сечения в опасном месте за счет продления фасонки за начало узлового уширения является вцолне достаточным для ком­ пенсации имеющейся в нем концентрации напряжений.

Узловой переход с отгибом полок стержневого элемента и окан­ товкой ими контура фасонки при увеличенной толщине фасонки и при условии применения узких полок также имеет высокое зна­ чение предела выносливости и обеспечивает условия равнопрочности. Результаты испытания показывают, что при узких полках условия равнопрочности для узловых переходов этого типа обес­ печиваются даже при относительно большом значении площади сечения полок. Увеличение ширины полок снижает предел вы­ носливости узлового перехода.

Применение тонких и широких полок приводит к тому, что кромки их в районе закруглений выходят из работы. Это сопро­ вождается соответствующей перегрузкой стенки сечения в районе начального участка узлового уширеиия. И хотя прочность самой стенки при соответствующей форме ее стыкового шва может быть достаточно высокой, среднее расчетное значение напряжений для всего сечения в целом, по которому производится расчет прочности, оказывается сравнительно низким.

Повышение прочности узловых .переходов с отогнутыми пол­ ками может быть достигнуто удалением стыка стенки и переносом его в район более равномерного распределения напряже­ ний.

Узлы с двустенчатьтми фасонками по своей конструкции и по условиям изготовления являются более простыми, чем узлы с одностенчатыми фасонками. Однако применение узлов с одностенчатыми фасонками, несмотря на их более сложную форму, в ряде случаев может оказаться более целесообразным. Так, например, при одностенчатых фасонках допускается такая ориентировка сечений сжатых стержневых элементов, при которой возможно более рационально использовать в них материал (при наличии промежуточных поперечных связей, уменьшающих в другой пло­ скости свободную длину).

Узловые переходы клепаных соединений по прочности при дей­ ствии вибрационной нагрузки значительно уступают всем при­ веденным здесь сварным узловым переходам.

§ 39. П РИ М ЕРЫ РАСЧЕТА

Пример 1. Рассмотрим расчет фермы, воспринимающей действие подвижной нагрузки. В качестве примера возьмем главную ферму однопутного пролетного строения железнодорожного моста с ез­ дой понизу. Эквивалентную нагрузку примем по табл. 8.5.

Т а б л и ц а 8.5. Эквивалентная нагрузка k в тс/м ( 102 МН/м)

Динамический коэффициент Кл и коэффициент перегрузки п примем: /Сд = 1,3; п = 1,1.

Геометрическая схема фермы и линии влияния для ее отдель­ ных элементов представлены на рис. 8 .8 .

Построение линий влияния произведено в соответствии с ра­ нее изложенной методикой расчета (см. § 37).

Наибольшие ординаты линий влияния для панелей в поясах определяются по значениям моментов Mit взятых относительно соответствующих моментных точек, и значению высоты фермы Я :

Для панелей нижнего пояса Я 0— Я 3 и Я 2— Я4 значения изги­ бающих моментов будут соответственно равны:

M1 = i?eld = -|-d; Ma = Ra33d = -^-3d.

Здесь Rai и Ra's представляют собой значения ординат линии влияния опорной реакции Ra, определенные для соответствующего

.положения подвижного груза. Для данного случая, как это сле­ дует из треугольника, представляющего собой линию влияния опорной реакции Ra, эти значения равны:

5_

8 ’

^П СП

Bi

B3-B+

Ho-B, 'Ч Щ ЩJ M Ш Ш П Ш П Ш

т

Bftiz I «шщи>Г^Д1^11111||||1ГТТ1ТГГПтттггтт»^0,15

tt-Hf

Рис. 8.8. К примеру расчета фермы

Таким образом, наибольшие ординаты линий влияния усилий в нижнем поясе для данного случая составят:

для панели Н 2— #4

Подобным же образом для панелей верхнего пояса В±— В2 и В3 — Въ значения изгибающих моментов будут соответственно равны:

M2 = Ra22d = -^2d- Mi = Rai4d = -^-4d.

Наибольшие ординаты линий влияния усилий в верхнем поясе

Наибольшие ординаты линий влияния для усилий в раскосах Si определяются по значению перерезывающей силы, в зависимо­ сти от угла наклона раскоса, по выражению

1 cos а7

где Qi — значение ординат линии влияния перерезывающей силы для узловых точек, ограничивающих соответствующую панель.

Эти ординаты для отдельных узлов имеют по абсолютной вели­