автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Работа фрикционных и фрикционно-срезных соединений в металлических конструкциях, эксплуатирующихся при низких температурах

Центральный научно-исследовательский и проектный институт строительных металлоконструкций имени Н.П.Мельникова

ЩШПСК им.Ыельникова

На правах рукописи

. АЫЕЛИН Андрей Алексеевич

РАБОТА ШШЩОНШХ И 5РИКЦИ0НШ-СРЕЗНЫХ СОВДШШИЙ 3 ФАЛЛИЧЕСКИХ КОНОРЩИЯХ, ЭКОПЕУАТИРУЩИХСЯ ПРИ НИЗКИХ ТЕШЗЕРАТУРАХ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и соорухения •

.Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук ■

Москва - 1994

Работа выполнена в Центральном научно-исследовательском и проектном институте строительных металлоконструкций имени Н.П.Мельникова и Якутском государственном университете им.Ы.К.Аммосова,

Научный руководитель - доктор технических наук,

Грудез Иван Дмитриевич

профессор

Научный консультант

Официальные оппоненты

Ведущая организация

- доктор технических наук, профессор Филиппов Василий Васильевич

- доктор технических наук, профессор Стрелецкий H.H.; - -

- кандидат технических наук Павлов A.B.

- Институт физико-технических проблем Севера ЯНЦ СО РАН

Защита диссертации состоится ¿'/¡^/¿^/¿Л*1. в

■/¿¿к. ^асов на заседании диссертационного.Совета Д 033.12.01 по зазите докторских диссертаций по специальности "Строительные конструкции, здания и сооружения" при ВДИИПСК им.Ыелькикова.по адресу: 117393,' Москва, ул.Архитектора Власопа, 49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЦНЙИПСК им.Мельннкова.

Просим Вас принять участие в защите и направить Ваш отзыв е 2-х экземплярах по адресу: 117333, Москва, ул.Архитектора Власова, 49, ЦНИИПСК км.Мельникова, диссертационный Совет.

Авторефарат разослан

Ученый секретарь диссертационного Совета J ОЗЗГК.О!, кандидат технических наук

Т.С.Волкова

■ ОБЗАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тега. Наибольшее распространение б настоящее вреыя среди болтовых соединений металлоконструкций в практике щхпоаленнсго строительства (нзогозтатяые производственные здания типа зтаггрок специального технологического назначения, транспортёры© галзреи, транспортные эстакады к г. п.) получили фрикционные соединения на высокопрочных болтах. Работа посвящена исследованию дополнительных резервов несупей способности данного типа болтовых соединений. Конкретно исследуется работа фрикционных и фрикшонно-срезных соединений на высокопрочных болтах в различных температурных условиях эксплуатация.

Важная роль в настоящее Бремя отводится реконструкции, перепрофилировании и расширению существутогшх предприятий. Существенным препятствием является отсутствие методик расчёта по уточнённым расчетным схема},1, учитывающим все особенности работы элементов и соединений. В настоящее времл опыт эксплуатации болтовых фрикционных соединений з экстремальных условиях низких температур только начинает обобщаться. Материалы натурных обследований показывает, что с наличием сейсмики, низких текогератур, малоциклового и динамического характера иагругэния конструкций, при сценке эксплуатационной пригодности фрикционных соединений возникли серьёзные проблемы. Во-первых, в открытых металлоконструкциях (транспортёрные галереи, автомобильные эстакады) установлены болты климатического исполнения, не соответствующего температурным условиям эксплуатации данного региона. Во-вторых, обращено внимание на значительное ослабление болтов узловых фрикционных соединений в наиболее нагруженных элементах каркасов промышленных зданий. Из-за ослабления катяиэния или недонатягения болтов во фрикционных соединениях, данные соединения работают как фрикционно-срез-ные, однако при этом обладает значительным запасом прочности. Ни одно соединение с незатянутыми высокопрочными болтами не было разрушено ни по накладкам, ни по болтам. Не было обнаружено ни одного случая разрушения болта климатического "исполнения "У-

Сущесгвухкие методики расчёта не позволяет оценить эксплуатационную надёжность фрикцтонно-срезных соединений данного типа (уменьсенное расстояние от центра ближайшего

отверстия до ¡срак элемента, наличие концентратора напряжения в плоскости среза соединений, низких климатических температур эксплуатации). Поэтому применение уточнённой методики расчёта данных соединений способствует уменьшению затрат при проведении ремонтно-восстановительных работ.

Пелью работы является уточнение действительного поведения фрикционно-среэных соединений в различном интервале температур в режиме статического нагружения.

Для реализации поставленной цели решены следующие задачи:

- изучен процесс падения предварительного натяжения б болтах в процессе работы соединения на смятие соединяемых элементов и болта на срез в диапазоне температур +20° С ... -50'С;

- обоснована возможность дополнительного нагрухения фрикционных соединений на высокопрочных болтах используя работу болтового соединения на смятие соединяемых элементов и срез болтов;

- исследовано поведение шарниров в стендах для испытания при большх нагрузках и даны рекомендации по улучшении работы стендов.

На защиту выносятся:

- результаты анализа фактического состояния различных

- фрикционных соединений на высокопрочных болтах эксплуатируемых металлоконструкций горнодобывающих предприятий Севера;

- результаты исследований химико-механических свойств высокопрочных болтов различного климатического исполнения Магнитогорского метизного завода;

. - теоретическое и экспериментальное обоснование наличия дополнительных резервов несущей способности фрикционных соединений (допуская работу на срез болта и соединяемых элементов на смятие при статическом нагружении конструкций);

- утверждения, построенные по результатам экспериментальных исследований, о том, что: попадание резьбы в плоскость среза фрикционного соединения не является определяющим условием, влияющим на несущую способность соединения при статическом режиме нагружения конструкций во время работы соединяемых элементов на смятие и высокопрочных болтов-на срез; определяющим фактором, влияющим на несущую способность соединения, является сравнительно небольшое значение соотношения е/с1 - 1,3 (где е -

расстояние от центра блихайсего отверстия до кра". соединения, с! - диамзтр отверстия); разрушение Есех образцов при испытаниях а условиях низких температур происходит по соединяемым элементам; материал высокопрочных болтов имеет, супнственно больший запас прочности, чем используемые в строительстве стали;

- уточненная методика расчёта болтовых £рикционтго-срезных соединений, работаю®« в широком диапазоне климатических температур;

- частные рекомендации по повторному накикению ослабленных болтов з эксплуатируемых метаълоконстру1ашях;

- рекомендации по конструировании экспериментального оборудования.

Научная новизна работы заключается в тем, что:

- впервые получены данные натурных обследований болтовых фрикционных соединений, эксплуатирующихся в условиях сложого характера нагружкия при низких климатически! температурах;

- получены экспериментальные данные по уровню деформатив-ности и хараотеру разрушения одноболтовых фрикционных соединений с различным уровнем натякеняя высокопрочных болтов при работе на срез болтов и соединяемых злементоз различной толшны на смятие в диапазоне экспериментальных температур от +20°до -50°С;

- впервые испытания 6оятоеых соединенна проводились- в реальных климатических условиях эксплуатация, для охлаждения использовались естественно низкие температура Севера России;

- изготовлено экспериментальное оборудование отличающееся от аналогичных разрывных стендов улучшенным характеристиками точности измерения деформации;

- предложна уточнённая методика расчёта, позволяющая оценить эксплуатационную пригодность фрикционных соединений при переходе их ео фргесциоино-срезные в статическом режию нагруже-кия, в диапазоне положительных и отрицательных температур.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

- разработанная методика расчёта болтовых соединений позволяет использовать запас несущей способности, заложнный в природе фрикционных соединений, при проектировании усилений металлокаркасов (реконструкция зданий, установка дополнительного оборудования, увелкчивэлщего суммарную нагрузку на соединения), а такде для оценки эксплуатационной пригодности соеди-

о

нений с ослабленным уровнем усилия натяжения в болтах при статическом рекиые нагрузкения конструкций;

- предложен метод восстановления фршшионного э!Йекта соединений с ослабленным натялением болтоь для эксплуатируема конструкций;

- даны рекомендации для исследователей, использующих разрывные стенды с иарнирными соединениями.

Внедрение результатов работы осуществлено при разработке рекомендаций по эксплуатации соединений на выоогапрочньк болтах каркасов производственных зданий, транспортёрных галерей и эстакад обогатительных фабрик разреза "Нершгринский", Депутатского ГОКа и рудника "Депутатский". Полученные результаты использовались в учебном процессе строительного отделения Якутского госуниверситета.

Апробация работа Основные положения к материалы диссертаций докладывались на Международном коллоквиуме "Болтовые соединения в стальных строительных констругдиях" (Москва, 1989 г.), на Всесоюзном семинаре "Повышение качества и надёжности строительных металлоконструкций" (Челябинск,1983 г.), Всесоюзной школе-семинаре "Прогрессивные методы ведения проектных и исследовательских работ при реконструкции зданий и сооружений" (Киев, 1989 г".), на Всесоюзном семинаре "Вопросы оптимального проектирования конструкций и расчёт их "рационального-усиления" (Пенза, 1989 г. ),• Республиканских конференциях молодых учёных и специалистов (1988-1990 гг.) в г. Якутске, на заседании секции НТО АОЗТ ШЮШроектсталь-конструкции им. Ьйльникова "Теоретические исследования", на научных конференциях Якутского госуниверситета (1988 -1992 гг.).

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы из 139 наименований и приложений. Работа изложена на 159 страницах, включающих 93 машинописных страниц основного текста, 53 страниц рисунков и таблиц.

По разделам работы научные консультации давал доктор технических наук, профессор ЕЕйшшпов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе произведён обзор литературы, посвященной

вопросам становления и развития применения бо.стсвыу соединений штадлоконс'/рукций в практике строительства на территории бывшего Советского Союза и в мировой практике строительства.

Отмечается значительный вклад в изучение действительной работы г! разработке конструктивных решений болтовых соединений • Стрелецкого Е С., Вэйвблата К 11, Княяжва А. ф., Стрелецкого а Е, Галенова Е Е , Павлога А. Б., Бирюлёва К а , Мурздян А. А., Глаубермана В. Б., Бабускина Е 11, Кармалина Е В., Рабера Л. }1 , Волкова В. В., Молчанова А. А., Троицкого П. Е, Яолозйп КХ С., Латизова Ф. Е , Олькова Я. Л , Трубникова Е Е , Василекко Е К., Гришина Е-Б., Велихова В. Е , Ояищенко Д. А. , Чеснокова А. С., Ханукоза X К , Селезнёвой О. Е Пеиковекого О. II, Беляева Б. И. , Дэтлина Е С., Вишневского И. И., Шевченко Е А., Сижнна А. Ю., Узкина А. М. , Березанцевой Е Е , Ездокимова Е Е , Ечеер ЕЛ., Мещерекова V- М. , Осипова Е О., Кирста А. А., Катюшика Е Е , Баранова Л. Е , Вунеева Г. И., Сотскова Е К , Чекалова Е А. и др.

Работе болтовых соединений при низких температурах посвящены работы Сшшвестрова А. Е , Бирклёва Е Е , Репина А. Е , Старикова Е Л , Горлинченко ЕЕ, Антонова С. М., Лжккна Е Е , Дубининой А. М. , Баранова А. Е , Ерохина К. А., Бухарина Е. Е и других авторов.

■ "зтодика расчета болтовых-соединений по деформационным критериям прочности разработана зо ШИШПСК и АОЗТДННИПСК Стрелецким Е Е , Калёковым Е В.. Павловым А. Б. Отмечено, что болтовые соединения, подверженные влиянию сдвига, изучены достаточно ао'лпо. Разработана методика расчёта фрикционных, срезных и фрикционно-срезных соединений и их сортаменты для балочных конструкций. Однако в связи с довольно небольшим опытом эксплуатации фрикционных соединений на высокопрочных болтах в литературе практически отсутствует материал натурных наблюдений за данным видом соединений, особенно в-условиях низких температур эксплуатации и сложном характере вагруяения конструкций. Отдельные публикации по 'этому вопросу не дают обобщений материалов натурных обследований. Фрикционные (сдвигоустойчивке) соединения на высокопрочных болтах в настоящее время расчитывает по силовому критерию предельного состояния общего сдвига при преодолении сил трения, лотя'сдвиг во фрикционном соединении не имеет ничего общего с лотерей

о

несущей способности в современном понимании этого термина. Силовой [фитерий фрикционного соединения изучен достаточно полно. Деформационный критерий прочности такого рода соединений при различных видах нагружения конструкций в различном интервале эксплуатационных температур не изучался.

Существующую методику расчёта по деформационным критериям прочности невозможно применить для расчета деформационных критериев прочности фрикционных соединений ,, т.к. не учтено влияние уменьшенного по сравнению с другими болтовыми соединениями расстояния от центра ближайшего отверстия до края соединения, наличия резьбы в плоскости среза соединения, и неучтённого в данной методике влияния низких климатических температур на деформативность болтовых соедикэн::й.

По результатам проведённого обзора и анализа состояния вопроса сформулированы цель и задачи исследований.

Вторая глава посвящена обоснованна направления исследований. Показано какие факторы влияют на состояние болтовых соединений в Северной климатической зоне. Среди нес наиболее существенные являются низкие температуры, сейсшка, динамический и малоцикловый характер нагруженьд конструкций. Показано, что из-за недонатяжения болтов в металлоконструкциях узлы и стыки каркасов потеряли заложенную в проекте жесткость, однако не были подвержены разрушению;-Сложость в оценке • ■ эксплуатационной пригодности соединений обуславливается есз тем, что во многих соединениях установлены болты климатического исполнения "У", хотя расчётные температуры значительно ниже

О

- 40 С. Показано, что основой настоящих исследований является определение в лабораторных и натурных условиях надёжности соединений на высокопрочных болтах, теоретические расчёты по определению несущей способности соединений при работе на срез болтов и на смятие соединяемых элементов.

Третья глава посвящена натурным обследованиям соединений на высокопрочных болтах. В главе представлены характеристики металлоконструкций объектов натурных обследований (Нерюнгринской обогатительной фабрики, Депутатского горнообогатительного комбината и административно-бытового корпуса рудника "Депутатский"). Представлена методика

б

проведения натурных обследований. Всего обследовано 120 соединений на Нерюнгринской обогатительной фабрике, 59 соединений на Депутатском горнообогатительном комбинате. Это составляет более 4000 высокопрочных болтов. Отмечается, что наиболее значимыми несовершенствами, приводящими к усложнению эксплуатации соединений конструкций, являются: ослабленное натяжение болтов; отсуствие шпаклёвки и покраски соединений; неправильный выбор стали болтов (нехладостойкие материалы для открытых конструкций ); отсуствие шайб; коррозия болтов. Обобщение материалов обследований показало, что самым распространённы).: видом дефектов является ослабленное натяжение болтов. Обращено внимание на значительное ослабление натяжения в зонах зданий, где установлено основное технологическое оборудование (зоны расположения бункеров большой ёмкости, технологических вибростолов). Металлоконструкции в этих осях подвержены малоцикловому и динамическому нагружению. Обнаружены закономерности в изменении натяжения с учётом не только вида размещения болтов, но и типа узлов конструкций, характера их нагружения. При статической нагрузке в рассмотренных видах соединений в зависимости от величины нагрузки, формы сечения в характерных узлах с числом болтов 6, 7, 16, 10, 12, 18 штук диаметром 24 мм-из высокопрочной стали.40 X "Селект" расчётная величина уменьшения начального натяжения соответственно составляет 3,17., 1,551, 1,12. 1%, 0,71, 0,42. Установлено значительно большее ослабление усилия натяжения болтов фрикционных соединений наиболее нагруженных конструкций. При расчёте их по величине фактического натяжения (СНиП Ц-23-81 ) снижение несушей способности составило: для укрупнительных стыков колонн - 2-17% (в среднем на 10%, имеется соединения с ослаблением до 312), для элементов стыков анкерных опор транспортёрных галерей до 402, для укрупнительных стыков балок галерей - 9-172. В ослабленных соединениях 452 высокопрочных болтов имеют натяжение менее проектного, из них 342 - полностью проворачивающиеся болты (отсуствие упругово защемления). Обнаружено большое количество соединений с полным отсутствием натяжения болтов (АЕК рудника. "Депутатский). Данные соединения были или замоноличены или скрыты штукатуркой. Соединения действительно нормально эксплуатировались в статическом режиме

нагружениа (не было ни одного случая разрушения соединений). Однако ври появлении динамической нагрузки (проведении взрывных работ) появились трещины в перекрытиях и перегородках здания. В рассмотренных конструкциях соединения работают не как фрикционные, а как фрикционно-срезные.

Представлена статистическая обработка результатов натурных обследований (ослабление усилия натяжения высокопрочных болтов в различных видах соединений с различным характером нагружения конструкций). Показано, что снижение несущей способности фрикционных соединений из-за недонатяжения болтов в различных соединениях с различным числом болтов может быть апроксимирова-но нормальным законом распределения.

Представлены результаты повторного натяжения бортов после года эксплуатации конструкций (малоцикловое нагружеше - 1700 циклов нагружения в год). Повторному ослаблению натяжения подверглись те болты, натяжение которых при первой проверке было снижено на 10-50% (в среднем 16,31). Общее состояние ослабленных соединений намного лучше, чем до повторного натяжения. Снижение несущей способности фрикционных соединений из за потери усилия натяжения высокопрочных болтов уменьшилось в среднем с 92 до 1,812, в худшем из вариантов с 162 до 0,32. Представлены результаты механических испытаний, химического и спектрального анализа стали болтов, эксплуатирующихся в металлоконструкциях. Исследовался материал болтов, 'находившихся на складе монтажной организации, нормально эксплуатирующиеся болты и болты, эксплуатирующиеся с заниженным уровнем натяжения в зонах с малоцикловым нагружением конструкций зданий. Представлена статистическая обработка результатов механических испытаний стали болтов. Отмечено, что материал болтов разнороден. Обращено внимание на повышение пластических свойств стали в болтах с пониженным усилием натяжения, а также более низкий процент содержания углерода в стали ослабленных болтов.

Четвёртая глава посвящена экспериментальным исследованиям болтовых фрикционных, фрикционно-срезных и срезных соединений на высокопрочных 'болтах. Представлены общие сведения и характеристики предмета исследований, методика испытаний прочностных и пластических характеристик материала испытуемых высокопрочных болтов. Исследовалась сталь двух партий болтов

типа 110 климатического исполнения "У" и климатического исполнения "ХЛ". Для испытания на растяжение применялись стандартные образцы круглого сечения. В качестве испытательной машины применили разрывную испытательную машину Instron (Англия). Установлено, что по прочностным и деформационным критериям (<эв, н" » S< ) болты М24 типа 110 и 110 "ХЛ" Магнитогорского метизного завода соответствуют требованиям ГОСТ 22356-77* для болтов климатического исполнения "ХЛ", эксплуатирующихся при расчётной температуре ниже - 40 С.

Представлена методика испытаний одноболтовых односрезных соединений в различном диапазоне климатических.температур в режиме статического нагрузкения. По условию слабейшего элемента многоболтового соединения исследовалось односрезное, одноболтовое соединение с расстоянием от центра отверстия до края элемента равным 1,3 d , - где d -диаметр отверстия под болты ( e/d - 1,3 - для фрикционных соединений по СНиП П-23-81*) и резьбой бол^а,^ находящегося в плоскости среза соединения. Разность диаметров болтов и отверстий во всех образцах составляла 2 мм. Образцы представляют нарезанные прямоугольные пластины 340 * 86 мм из стали 09Г2С. При испытании варьировали следующими испытуемыми факторами: болты высокопрочные М24 из стали 40 X "Селект" климатического исполнения "У" и "ХЛ"; толщинами соединяемых элементов (12, 16, 18 мм); усилием натяжения болтов; температурой испытания (от +20°С до - 45°С). Всего испытано 108 образцов. Данные эксперименты проводились в реальных условиях (образцы перед испытаниями сутки выдерживались при низкой температуре). В качестве нагружающего устройства использовался специально изготовленных стенд. »

Приведены результаты экспериментальных исследований одноболтовых соединений. Получены зависимости деформативности соединений от толщин соединяемых элементов, от температуры эксплуатации, от усилия нагяяения в болте, графики падения предварительного натяжения в болте во время работы соединения на срез болтов и на смятие соединяемых элементов.

Усгшязвлено, что соединения с соотношением e/d - 1,3 (резьба в плоскости среза -соединения) намного дефорыатнвнее обычных фрикционно-срезных соединений ( e/d >- 1,5 , в плоскости среза гладкая часть болта) (рис. 1). Деформативность соединений.умень-

шается в образцах с большей толщиной накладок. Усилие натяжения имеет больше влияние на деформативноеть соединения. Разрушавшая нагрузка и предельное перемещение в меньшей мере зависят от натяжения болта (рис. 2). При понижении температуры испытаний происходит уменьшение деформативности соединений, однако при довольно небольшом перемещении ( Д >- 2,2 мм) происходит хрупкое разрушение образца (рис. 3).

Анализ работы предварительного напряжённого болта в соединении выявил результаты аналогичные полученным ранее другими исследователями, изучавшими поведение усилия натяжения зысокопрочных болтов для обычных фрикционно-срезных соединений во время работы болта на срез и соединяемых элементов на смятие.

Произведён анализ характера разрушения образцов (табл.1). Ни в одном температурном интервале и ни в одном эксперименте с различными толщинами соединяемых элементов не произошло разрушение болта (резьба находилась в плоскости среза соединений). Разрушению подвергались только соединяемые элементы. Разрушение всех образцов с минимальным усилием натяжения в болтах при низких температурах испытаний происходят хрупко (образуется сквозная трещина). Разрушение образцов с толщинами более 16 мм с болтами с преднапряжением происходит хрупко только до зоны обжатия пакета соединения болтом.

Представлено теоретическое и экспериментальное • обоснование наличия момента в шарнире при больших нагрузках. 1&>мент появляется из-за задержки точки страгивания в шарнире и зависит от точности изготовления шарнира (разница диаметра отверстия и шарнира) и от силы трения в шарнире. Момент можно вычислить по формуле:

М - N * Из * sin .у (Ü

где N - продольное усилие в шарнире; й> - радиус шарнира;

S - Rb - R ; R - радиус отверстия; ^сколж. -5 тр. - 0,1 - 0,2 для сухой стали без специальной обработки.

Предложены мероприятия по уменьшению влияния возникновения момента в. шарнире на' результаты экспериментов (точность изготовления и специальная обработка шарниров).

22В 272 гб< 255 242 24В 232 224 21б 202 200 132 124 175 1Б2 163 152 144 13 б 122 12а 112 1в4 9б

Рис. 1. Диаграммы ■'нагрузка-Зефорпация" работы оЗноболтоЙ" оОносрезных соединений при положительной температуре испытания с толщиной нок/шдок Смн): 12,1БД2-теоретические С е/с! = 1,5) 123,163,123--экспериментальные ( е/й =1.3)

1 2 3 . < 5 б ?

Рис. 2. Диаграммы 'нагрузка-^ефорлация" работы о^нобо/итюЬн* оОносрезных фрикционных соеОиненип при положительной температуре испытания с толщиной наклаЗок Сии)". 12,1В Д2- теоретические С е/й - 1,5л* 123.153,123- экспериментальное ( е/й = 1.3).

\г

N.

кНа

2 " л, пи

0 ' " 11' "•' i1 " '1111 'i ""i ""'i '" ч "" i "'"i " "i"1 'i " "i " " i" " i 1-2 3 • < ' 5 б 7

Рис. 3. Диаграммы "нагрузка-бефориация" работы болтового фрикционного обносрезнозо соебинения -( толщина наклабок 1Б мм ):

1- при положительной теиперзтире;

2- при температуре - 28 С;

3- при температуре < - 43 С.

Таблица 1

ХАРАКТЕР РАЗРУШЕНИЯ РЩМБДЛТОВЫХ СОЕДИНЕНИЯ

Ч.ТОЯВН-

уН5

тцра

12

. 1Б

12

>В°.С

О

О

> о

.Г

4°, с

и

б

о

\ч

примечания:

Болт без натяжения Болт натянут

О

-оВразованиэ нескладной треаины

О

- хрупкое сквозное резрцлвниа Со зоны ойгатия пакета болтом

5

- хрупкое сквозное разрушение

ч

хрупкое рвзрдогнив & Ова этапа

В аятой главе приводится уточнённая методика расчёта несущей способности фрикционного соединения, основанная на использовании деформационных критериев прочности. На основании обработки экспериментальных материалов был предложен коэффициент учитывающий перемещение смятия соединяемых

элементов для Фрикционных соединений при работе на срез болта и соединяемых элементов на смятие С е/й - 1,3 , резьба в плоскости 'среза соединений), позволяющий использовать разработанную ранее методику (Стрелецкий Е К , Каленов В. К , Павлов А. Б.) расчёта обычных фрикционно-срезных соединений для расчёта фрикционных соединений по деформационным критериям прочности. Дня температур эксплуатации до -40°С коэффициент 5 ф определяется:

р _г0,074 *и - при 0 0,8 мм; (2)

¿0,334 + 0,393 а- и - 0,317 * и1 - при 0,8<и<3,5 мм.

Для температур эксплуатации ниже -40 С (открытые конструкции, эстакады, галереи) коэффициент определяется:

„ _ г0,81 * и - при 0 < и 4 0,8 мм; (5)

*ЛЛо,242 + 0,56 а и - 0,0691 * и2" - при 0,8<и«1 мм.

Ограничивать деформативность соединений до 1 мм при температурах ниже -40"с заставляет опасность хрупкого разрушения.

Расчёт усилия сдвига Н(кН) фрикционно-срезного соединения, возникшего в результате работы на срез высокопрочных болтов и на смятие соединяемых элементов фрикционных соединений, в зависимости от перемещений смятия каждого соединяемого элемента производится по эмпирическим формулам:

N - «р-)Гвч-йй-1и-с1ь.& + М^-Лм-Ук-Л-у* з N

где 5^,- коэффициент, учитывающий перемещение смятия • соединяемых элементов ( для .соотношения е/с1 - 1,3 , где е -расстояние от центра отверстия до края элемента, <1 - диаметр отверстия, в плоскости среза резьба болта); ¡^ ХЪ2 - козффициен-

ты условия работы; Run - временное сопротивление стали соединяемого элемента, МПа; db - номинальный диаметр стержня болта, -см; Vt - коэффициент, учитывающий толщину соединяемых элементов; В - коэффициент, учитывающий изменение предварительного натяжения болта по мере роста перемещений смятия; Нэп - расчётное сопротивление болта растяжению, Ша; Abn - площадь сечения болта нетто, см2; - коэффициент условий работы соединения; >>• - коэффициент трения; ns - количество плоскостей трения; коэффициент надёжности.

Анализ выражения (4 ) показывает, что если использовать дополнительный резерв несушей способности фрикционного соединения , т.е. работу на срез бока и соединяемых элементов на смятие при статическом нагружении конструкций, возможно увеличение значений расчётных нагрузок на соединения в 1,8 раз.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Результаты комплексных натурных обследований металлоконструкций каркасов зданий Севера показали, что наиболее значимыми несовершенствами, приводящими к осложнению эксплуатации фрикционных соединений на высокопрочных болтах, является .ослабленное натяжение болтов-и применение болтов- • климатического исполнения "У" при температуре значительно шик -40°С. Наибольшее число незатянутых на проектное усилие высокопрочных болтов встречаются в конструкциях, подверженных малоцикловому или динамическому режиму нагружэния. Ни одно соединение с незатянутыми высокопрочными болтами не было разрувено ни по накладкам, ни по болтам. Проведённые исследования материала эксплуатируемых в конструкциях высокопрочных болтов показали, что материал болтов разнороден. При малошжлозом характере нагружения отмечено снижение усилия натяжения у болтов с более низким значением временного сопротивления стали. Обращено внимание на повышение пластических свойств стали в болтах с пониженным значением усилия натяжения, а также более низкий процент содержания углерода в стали ослабленных болтов'.

2. Экспериментально подтверждена целесообразность проведения повторного натяжения высокопрочных болтов на проектное уси-

тае через определенное расчётное число циклов нагружения для восстановления заданного проектировщиком фрикционного эффекта соединений.

3. При статическом режиме нагружения конструкций южно допустить работу на срез болтов и на смятие соединяемых элементов. Попадание резьбы высокопрочных болтов в плоскость среза соединений не является определяющим условием, влияющим на несущую способность соединения. Определяющим фактором, влияющим яа несущую способность соединения, является сравнительно небольшое значение расстояния от центра крайнего отверстия до края соединяемого элемента и равное 1,3с) (с1 - диаметр отверстия под болт). Разрушение соединений при испытании в диапазоне температур от +20°до -50°С происходит по материалу соединяемых элементов. Ери температурах ниже -40°С происходит хрупкое разрушение материала накладок соединений. При проведении экспериментальных исследований не было ни одного случая разрушения болта Анализ экспериментальных данных об изменении усилия предварительного натяжения болтов во фрикционных ■ соединениях с момента вступления их в работу на срез, а coeдиняe^!ЬE элементов на смятие, выявил результаты аналогичные полученным рагее другими исследователям для обычных фрккционно-срезных соединений.

4. Расчёт прочности фрикционных соединений эксплуатируемых металлоконструкций при статическом режиме нагружения с учётом допущения работы на срез болтов и соединяемых элементов на смятие можно производить по методике расчёта обычных фрикционно-срезных соединений, разработанной Стрелецким Н. а , Калёновым Е а , Павловым А. Б., если вместо коэффициента 5 , учитывающего перемещение смятия соединяемых элементов, использовать экспериментально полученный коэффициент £<?(?<*<«). При расчёте соединений, эксплуатирующихся при низких температурах в режиме статического нагружения конструкций по деформационным критериям прочности для исключения возможности хрупкого разрушения соединений необходимо ограничить деформативность данных соединений до 1 мм.

5. фи использовании стендов или разрывных машин с шарнирным закреплением захватов для уменьшения изгибающих усилий, действующих на испытываемые соединения в результате возникновения изгибающего момента в шарнире стендов при

больших нагрузках, необходима специальная обработка шарниров для уменьшения трения соприкасающихся поверхностей в шарнире стенда.

На основании проведённых исследований предложена методика расчёта фрикционно-срезных соединений при применении которой может быть достигнута существенная технико-экономическая эффективность за счет уменьшения материальных и трудовых затрат при проведении ремонтно-восстаноЕительных работ.

Основное содержание диссертации опубликованно з следующих работах:

1. Филиппов В. Е , Амелин А. к. Состояние фрикционных соединений на высокопрочных болтах в условиях эксплуатации // Международный коллоквиум "Болтовые соединения в стальных конструкциях." - М.: Минмонтажепецстрой СССР, 1983,- т. 1.- 41с.

2. Филиппов К В., Амелин А. А. Анализ действительного состояния соединений на высокопрочных болтах стальных каркасов производственных зданий Севера // Повышение качества и надёжности строительных металлоконструкций. Тезисы докладов. -Челябинск 1988. - 38 с.

3. Филиппов Е Е , Амелин А. А. - Влияние экстремальных условий эксплуатации на несущую способность фрикционных соединений на высокопрочных болтах // Изготовление металлических

. и монтах строительных конструкций: Экспресс-информация. - М. -.ЦБНТИ Минмонтажспецстроя СССР, 1990. - N 1. - с. 43 - 49.

4. Амелин А. А. Эксплуатационная пригодность соединений на высокопрочных болтах // Вопросы оптимального проектирования к расчёт их рационального усиления. Тезисы докладов. - Пенза-1989. - 39 с. ^

5. Амелин А. А. К вопросу о технической эксплуатации соединений на высокопрочных болтах // Прогрессивные методы ведения проектных и исследовательских работ при реконструкции зданий и сооружений. Тезисы докладов. - Киев: 1989. -39 с.

5. Амелин А. А. Экспериментальные исследования резервов несущей способности фрикционных соединений // Изготовление металлических и монтаж строительных конструкций: Экспресс-информация. - М.: ЦБНТИ Ыинмонтажслецстроя СССР, 1991.-N 10. - с. 1 - 8.