автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Работа сдвигоустойчивых болтовых соединений строительных металлоконструкций в условиях малоциклового нагружения и низких температур

Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский и проектный институт строительных металлокон-сп струкций им. Н.П.Мельникова

СП

о_ с=

1 На правах рукописи

ТРИФОНОВ Николай Васильевич

УДК 624.078.4.624.078.427

РАБОТА СДВИГОУСТОЙЧИВЫХ БОЛТОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ В УСЛОВИЯХ МАЛОЦИКЛОВОГО НАГРУЖЕНИЯ И НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

Специальность 05.23.01 -Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1998

Работа выполнена в Центральном научно-исследовательском и проектном институте строительных металлоконструкций им. Н.П.Мельникова (ЩШИ1I р ое ктстал ь ко н струкц ия) и Якутском государственном университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Ларионов Владимир Васильевич

Научный консультант- доктор технических наук,профессор

Филиппов Василий Васильевич

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, с.н.с Павлов Андрей Борисович

- кандидат технических наук,с.н.с Ханухов Ханух Михашганич

Ведущая организация - Институт физико-технических проблем

Севера ЯНЦ СО РАН

Защита состоится мая 1998 года в 10 часов на заседании

диссертационного совета Д 033.12.01 по специальности 05.23.01 "Строительные конструкции, здания и сооружения" при ЦНИИЦроекг-стальконструкции им.Н.П. Мельникова по адресу: 117393, Москва, ул. Архитектора Власова, 49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "_ "марта 1998 года

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук: ^ .Волкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность.Снижение трудоемкости монтажных работ при повышении надежности узлов и соединений стальных конструкций остается до сих пор актуальной задачей в специфических условиях строительства Крайнего Севера. Одним из путей решения этой проблемы является применение вместо сварных в стальных конструкциях зданий и сооружений срезных и фрикционно-срезных соединений на высокопрочных болтах.

Проблема замены сварных соединений строительных металлоконструкций на болтовые впервые была поставлена и обоснована в конце 70- х годов академиком Н.П.Мелышковым. Но одним из основных сдерживающих факторов решения этой проблемы явилось отсутствие сведений о действительном поведении болтовых монтажных соединений, современных методов их расчета, рекомендаций по проектированию, нормативно-технической документации по изготовлению и монтажу конструкций с болтовыми соединениями. В связи с этим, исследованиям действительного поведения монтажных соединений строительных металлоконструкций уделяется повышенное внимание. В настоящее время в результате комплексных экспериментально-теоретических исследований, проведенных в I ЩИИпро-ектстальконструкции им. Мельникова и НИПИПромсталъконструк-ции, решена научная проблема создания расчетно-теоретической базы проектирования, изготовления и монтажной сборки болтовых соединений. В частности, изучено действительное поведение фланцевых, фрикционных, фрикционно-срезных, срезных соединений в статическом и многоцикловом режимах нагружения, обоснована целесообразность и эффективность применения деформационного критерия прочности метода предельных состояний при их расчете.

При проведении натурных обследований металлоконструкций горнодобывающих предприятий Якутии было обращено внимание на то, что из-за ослабления натяжения или недотяжения болтов во фрикционных соединениях некоторые из них работают как фрикционно-срезные. Во многих ослабленных соединениях восстановление проектного натяжения связано с большими затратами, т.к. болты в них проворачиваются и расположены в труднодоступных местах.

При изучении спектра нагрузок выявлено, что отдельные узлы воспринимают воздействие повторных нагрузок небольшой частоты, но высокого уровня. Работа болтовых соединений под такими нагрузками остается до сих пор малоизученной в силу выраженных эффектов концентрации напряжений, перераспределения усилий, напряжений и деформаций в наиболее нагруженных зонах, возможности хрупких разрушений на ранних стадиях нагружения при низких температурах. В результате натурных обследований выявлено, что существенная неопределенность в работу соединений под этими нагрузками вносится уменьшенным расстоянием от центра отверстия до края соединяемого элемента (1.3 (1), наличием резьбы болта в плоскости среза, низких климатических температур, применением болтов климатического исполнения У вместо ХЛ, коррозией и термоциклированием материалов.

Вышеизложенное предопределяет актуальность данного исследования.

Целью диссертации является исследование работы фрикционных, фрикционно-срезных и срезных болтовых соединений строительных металлоконструкций в условиях малоциклового нагружения и низких климатических температур.

Для реализации поставленной цели решены следующие задачи:

- изучены фактическое состояние соединений в условиях эксплуатации и факторы, влияющие на их малоцикловую долговечность ;

- разработана экспериментальная установка для малоцикловых испытаний;

- экспериментально изучена малоцикловая прочность фрикционных, фрикционно-срезных и срезных соединений;

- произведена вероятностная оценка ослабления усилий высокопрочных болтов в зависимости от их количества , характера нагружения и др. факторов;

- разработана методика оценки малоцикловой прочности соединений, эксплуатирующихся при температурах ниже минус 40°С.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- впервые получены данные натурных испытаний малоциклопой прочности фрикционных, фрикционно-срезных и срезных соединений в температурном диапазоне от + 20°С до минус 60 °С;

- впервые малоцикловые испытания болтовых соединений проводились в реальных климатических условиях эксплуатации, для охлаждения использовались естественные низкие температуры Севера России;

- изготовлено экспериментальное оборудование, отличающееся от аналогичных наличием привода для проведения малоцикловых испытаний в любых агрессивных средах, температурных условиях;

- получены экспериментальные данные по кинетике форм и размеров усталостных трещин;

- предложена методика расчета сдвигоустойчивых соединений на высокопрочных болтах на малоцикловую прочность при низких температурах.

Достоверность результатов проведенных исследований определяется:

- использованием общепринятых расчегных предпосылок и методов обработки экспериментальных данных;

- хорошим совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в диссертационной работе, их соответствием данным натурных наблюдений, а также других авторов.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

- результаты проведенных исследований позволяют оценить эксплуатационную пригодность фрикционных соединений с ослабленным уровнем натяжения в болтах при малоцикловом нагружснии конструкций;

- даны рекомендации для исследователей малоцикловой прочности конструкций и их соединений, использующих стенды для испытаний крупногабаритных образцов;

- предложенная методика расчета позволяет прогнозировать долговечность и оценить эксплуатационную надежность работающих на сдвиг соединений на высокопрочных болтах в условиях высокого уровня повторно-статических нагружений и при температурах эксплуатации ниже минус 40 °С.

Внедрение результатов работы осуществлено при разработке рекомендаций по эксплуатации соединений на высокопрочных болтах каркасов производственных зданий, транспортёрных галерей и эстакад обогатительных фабрик разреза "Нерюнгринский", Депутатского ГОК и рудника "Депутатский". Полученные результаты использовались в учебном процессе для студентов строительных специальностей Якутского госуниверситета.

Апробация работы и публикации. Основные положения и материалы диссертации докладывались на Международной научной конференции "Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности металлоконструкций и методы их решения"

(Санкт-Петербург, 1995), на Всероссийской научно-практической конференции "Проблемы надежности строительных конструкций" (Якутск, 1996), на Всесоюзной школе-семинаре "Прогрессивные методы ведения проектных и исследовательских работ при реконструкции зданий и сооружений" (Киев, 1991), на научно-практической конференции "Повышение качества и надежности строительных металлоконструкций" (Сумы, 1991), республиканских конференциях молодых ученых и специалистов 1984-1997 гг., научных конференциях Якутского госуниверситета 1989-1997 гг.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 7 работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 123 наименований.

Работа изложена на 128 машинописных страницах, включающих 94 страницы основного текста, 32 страницы рисунков и таблиц, 2 приложений.

Работа выполнена на кафедре строительных конструкций и проектирования Якутского государственного университета и в ЦНИИ-Проектстальконструкция им. Мельникова.

На защиту выносятся:

- результаты анализа фактического состояния фрикционных соединений металлоконструкций горнодобывающих предприятий Севера;

- результаты вероятностной оценки ослабления усилий высокопрочных болтов;

- результаты экспериментальных исследований малоцикловой прочности фрикционных, фрикционно-срезных и срезных соединений;

- уточненная методика расчета болтовых соединений, работающих на сдвиг, на малоцикловую прочность;

- рекомендации но конструированию экспериментального оборудования;

- рекомендации по эксплуатации соединений на высокопрочных болтах, подверженных малоцикловому нагружению.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы иссле-дованиидаяа общая характеристика работы.

Первая глава посвящена анализу состояния проблемы.Выполнен краткий обзор работ по изучению малоцикловой усталости строительных металлоконструкций и болтовых соединений, воспринимающих сдвиговые нагрузки.

Применительно к строительным конструкциям вопросы малоцикловой усталости получили рассмотрение и ^решение в последние 25 лет на основе работ, проводимых в ЦНИИпроектстальконструкции. Трудами отечественных ученых: Серенсена C.B., Шнейдеровича P.M., Махутова H.A., Болотииа В.В., Москвитина В.В., Гусснкова C.B., Марьина Н.П., Гохберга М.М., Мельникова Н.П., Ларионова В.В., Евдокимова В.В.Дапухова Х.М., Пидгурского Н.И., Кузьмина В.Р. и зарубежных -Мэнсона С.С., Коффина Л.Ф., Бэнхема П.П., Вуда В.А. были решены основные вопросы малоциюювой усталости, связанные с установлением закономерностей деформирования и разрушения.

Изучением циклической прочности болтовых соединений, работающих на сдвиг, занимались и занимаются в ряде научных организаций такие ученые, как В.В.Каленов, В. В. Карм алии, В.О.Осипов, Т.М.Богданов, В.Н.Савельев, В.М.Горшпгчснко, Н.И.Новожилова, Б.М.Вейнблат, А.Б.Павлов, Л.М.Рабер, И.И.Вишневский, В.А.Зубков,

о

А.А.Кирста и др., за рубежом - Д.Фишер, К.Клеппель, О.Стейихардт, К.Мохлер, Н.Хансен, Р.Биркемое, В.Мюнзе и др.

Большой вклад в изучение действительного поведения болтовых соединений, передающих сдвиговые нагрузки, в статическом и циклическом режимах нагружения внесли работы Каленова В.В.

Большинство исследователей изучали долговечность сдвиговых болтовых соединений при циклировании нагрузки невысокого уровня на базе N < 2 • 10б , что не отражает действительную работу этих соединений в условиях эксплуатации.

Практически не изучалось влияние пониженных климатических температур и других факторов на малоцикловую прочность этих соединений. Между тем, имеется обширный материал натурных обследований, показывающий, что разрушение большинства конструкций в условиях Севера России происходит в зонах конструктивной и технологической концентрации напряжений и имеет либо хрупкий характер, обусловленный развитием трещин при малоцикловом нагружении , либо малоцикловый, вызванный накоплением усталостных повреждений.

Низкие температуры, большие амплитуды суточных и годовых колебаний температуры наружного воздуха, солнечная радиация, значительный скоростной напор ветра, сейсмичность до 7 баллов, сезонные изменения в многолетнемерзлых грунтах обуславливают сложный характер нагружения строительных конструкций и их соединений в условиях Северо-Востока России. Предприятия горнодобывающей промышленности этого региона оснащены машинами с большими динамическими характеристиками. Резонансные и близкие к ним колебания при их остановках и пусках, нагрузках от ударной волны близко проводимых взрывных работ, при заполнении технологических бункеров дополняют этот широкий спектр на1рузок. Установлено, что

большинство этих нагрузок имеет малоцикловый характер и представляет в условиях низких климатических температур наибольшую опасность для строительных конструкций и их соединений, наиболее ответственные из которых выполнены фрикционными на высокопрочных болтах.

Многолетние натурные обследования фрикционных соединений, проведенные лабораторией надежности стальных конструкций Якутского госуниверситета показали, что самым распространенным видом дефектов является ослабление натяжения высокопрочных болтов. В ослабленных соединениях 45% высокопрочных болтов имеют натяжение менее проектного, из них 34% полностью проворачиваются. Обращено внимание на значительное ослабление натяжения болтов в зонах малоциклового нагружения и вибрации.

В обследованных конструкциях соединения работают как фрик-ционно-срезные, хотя в соответствии с проектом они должны быть фрикционными.

Непредсказуемость поведения этого ослабленного соединения обуславливается наличием резкого концентратора напряжения (резьбы болта) в плоскости среза, применением болтов из нехладостойкой стали типа 110 вместо 110ХЛ, повторно-статическим характером нагружения, термоциклированием, коррозией материалов болта и соединяемых деталей.

Другими несовершенствами, приводящими к усложнению эксплуатации соединений, являются: отсутствие шпаклевки и покраски соединения, шайб,неправильный выбор стали болтов (нехладостойкие материалы для открытых конструкций), коррозия.

По нормам расчет на малоцикловую прочность распространяется на металлические конструкции, эксплуатирующиеся при температурах до минус 40°С, хотя в большинстве районов Севера-Востока России

температура воздуха в течение двух месяцев находится ниже минус 40°С.

На основании проведенного анализа работ по исследованию малоцикловой усталости конструкций и их соединений и с учетом данных о техническом состоянии эксплуатирующихся фрикционных соединений сформулированы цель и задачи настоящей диссертационной работы.

Во второй главе представлены результаты исследования факторов, влияющих на малоцикловую усталость соединений на высокопрочных болтах.Даны описание и конструктивные решения разработанной автором установки для малоцикловых испытаний.

Выявлено,что основными факторами, влияющими на малоцикловую усталость соединений на высокопрочных болтах являются: концентрация напряжений, масштабный, металлургический и технологический факторы, качество обработки поверхности, коррозия, температура, радиация, форма цикла, частота , вид нагружения и мало-изученые фреттинг-процессы.

Резкое снижение пределов выносливости исследуемых соединений имеет место в местах перекрытия накладок и у границы обжатия пакета шайбой под высокопрочный болт. Причинами этого явления являются, с одной стороны, концентрация напряжений у края контакта, и с другой стороны, сложные механические и физико-химические процессы (фреттинг-процессы), протекающие на стыке двух сопрягаемых деталей при малых взаимных циклических смещениях. Во фрикционных соединениях при переменных деформациях соединяемых деталей неизбежно возникает весьма малое (от 0,01 до 0,25 мм) циклическое скольжение, которое является необходимым условием протекания фреттинг-процессов. Применительно к сдвигоустойчивым болтовым соединениям необходимо провести дополнительные иссле-

дования, учитывая агрессивную химическую среду работы, температуру, материал болта и соединяемых деталей, вид обработки их поверхностей.

Учитывая особенности влияния изученных факторов, выбрана силовая схема установки, преимущество которой перед традиционными схемами, применяемыми в испытательной технике,- в меньшей массе элементов, в возможности получения больших усилий и высоких частот нагружения, в небольшом количестве внутренних неупругих сопротивлений (3 вместо 5-6 в обычных машинах). Для обеспечения достаточных усилий и частоты нагружения расчетом выбраны соответствующие типы гидроцилиндра, насоса, гидролиний, распределителя гидропривода. Нагружение образца, находящегося на открытом воздухе, осуществляется при помощи балки-рычага, что позволяет без специальной охлаждающей системы проводить испытания в реальных температурных условиях работы строительных металлоконструкций на Севере ( для г. Якутска от + 34°С до минус 60°С).Предусмотрена возможность подсоединения к балке приводов, создающих циклическое нагружение с характеристиками цикла близкими к натурным в транспортерных галереях - эстакадах, технологических этажерках промзданий горнорудных предприятий и т.п. Частоты колебаний для пролетных строений большинства обследованных галерей-эстакад лежат в пределах 4.2 - 7.0 сек-1. , коэффициент асимметрии нагрузок составляет-0.1 <р< 0.5. Для имитации этих нагрузок в нервом приводе вращающийся от электродвигателя регулируемый эксцентрик создает колебания балки с частотой, близкой к указанной . При этом изучаются закономерности падения усилий предварительного натяжения высокопрочных болтов в зависимости от вида нагружения.

Установка отличается простотой изготовления и эксплуатации,надежностью в работе,возможностью проведения испытаний в любых средах и асимметрии,широким диапазоном вида иагружений.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований срезных , фртсциотю-срсзпьтх , фрикционных соединений и материала высокопрочных болтов,проведенных по методике НИ-ПИПромстальконструхция.

Образцы для испытаний вырезались из листовой стали поперек направления прокатки , болты высокопрочные М24 из стали марки 40Х "Селект" исполнения У и XJI. Накладки выполнены с целью исключения деформаций смятия в отверстиях из высокопрочной термо-упрочненной стали. Измерение деформативности образцов проводили индикаторами часового типа с ценой деления 0.01 мм .

Контролируемые геометрические размеры исследуемого элемента были приняты следующие: расстояние от оси болта до края элемента вдоль усилия - 1.3d (d - диаметр отверстия), поперек действия усилия таким, чтобы максимально уменьшить продольные деформации по сечению нетто.

Малоцикловое нагружение образцов осуществлялось при осевом растяжении с частотой 1-100 цикл/мин и асимметрией р = 0.1; база испытаний от однократного разрушения до 104 ... 105 циклов нагруже-ния.

Испытания срезных, фрикционно-срезных и фрикционных соединений проводились в трех температурных режимах: + 20°С, минус 20°С, ниже минус 50°С.

На малоцикловое нагружение при р= 0.1 испытано 10 образцов из стали С245 и 43 образца из стали С345 3-х типов: резьба в плоскости среза,"чернота" 2,0 и 4,0 мм.

Разрушение срезных соединений происходило за счет появления сквозной усталостной трещины или выкола пластины. При комнатной температуре циклические нагрузки вызвали деформации смятия по этому сечению до 5.5 - 6.0 мм.

По моменту зарождения трещины в образцах построены кривые малоцикловой усталости в логарифмических координатах (рис.1). При обработке результатов испытаний и построения графиков был использован линейный регрессионный анализ.

В диапазоне числа циклов от 1/4 до 103 наблюдались квазистатические разрушения, при числе свыше 103 происходил постепенный переход от квазистатических к усталостным разрушениям.

Ни в одном из экспериментов не произошло разрушения высокопрочного болта.

Анализируя данные по разрушению типов срезных соединений с различной "чернотой" можно отметить, что они находятся в общей полосе разброса (рис.2). На основании этого можно сделать вывод, что увеличение разности диаметров отверстия и болта до 4 мм не оказывает существенного влияния на малоцикловую усталостную прочность данных соединений.

Сопоставление результатов малоцикловых испытаний срезных соединений сталей различной категории статической прочности показало,что преимущество стали С345 существенно лишь в диапазоне чисел циклов от 1/4 до 5103 и определяется соотношением пределов прочности (рис.2). При числах циклов N > 5-Ю3 происходит резкое снижение малоцикловой прочности низколегированной стали и при долговечности 104 и выше усталостная прочность низколегированной и обычной сталей почти одинакова. Этот факт можно объяснить известными данными о большей чувствительности к концентрации напряжений низколегированных сталей.

.РЧОО > Ри

5*10" 8 105 10г 2 103 6 8 104 2 ^

Рис. 1 Кривые малоцикловой усталости срезных

соединений: Д- +20°С; С --20 °С; О - <-50 °С.

Ра

90 80

70

СО

» яг. а £ // «А- » ац

1 1 О ^ 8 ТА:' ПГГ^1

; О1 ч

(/ ид * о V с к

\ ( ] Лг

о ПО" 8 10° 10г 2 103 6 8 104 2 ^М

Рис. 2 Кривые малоцикловой усталости срезных соединений: ▲ - С345, 5 =2,0 мм; Д-С345, 3 =4,0 мм; О -С345,резьба в плос-ти среза; □ -С245.

Исследования показали, что рост деформаций зависит в существенной степени от уровня циклирующих нагрузок. При многоцикловом нагружении обнаружено, что деформации смятия на начальном этапе стабилизируются (10-20 циклов) и в дальнейшем практически не изменяются. Только перед разрушением образцов за счет появления усталостной трещины в отверстии по сечению нетто, деформации несколько увеличиваются.

Снижение температуры испытаний с +20°С до минус 60°С существенно уменьшает малоцикловую прочность срезных соединений, т.е. низкие температуры повышают чувствительность соединения к повреждениям, которые при комнатной температуре еще не приводят к разрушению. При минус 50°С измеренные деформации смятия составили 4.8 - 5.1 мм т.е. на 10 - 15 % меньше, чем при комнатной температуре.

Установлено, что попадание резьбы в плоскость среза существенно (до 30 %) снижает малоцикловую прочность соединений.

В ходе испытаний построены графики деформативности испытанных срезных соединений в зависимости от уровня нагружения и температур.

Испытано 30 фрикционно-срезных и 26 фрикционных соединений из стали С345.Установлено, что в условиях циклирования нагрузки высокого уровня при числе циклов от 102 до 5103 малоцикловая прочность фрикционно-срезных соединений незначительно выше, чем у срезных (рис. 3). До 103 циклов малоцикловые прочности этих соединений практически одинаковы. Происходит быстрое изнашивание контактирующих поверхностей и падение предварительного натяжения высокопрочных болтов до 25%. Обнаружено, что характер разру-

8_ 10° 102 2 _____6 8 ю4 2

Рис.3. Кривые малоцикловой усталости фрикционно-срезных соединений: Л —+20° С; 0----20° С; О----< -50° С.

90

80

70

60

540"' 8 10° 102 2 1 03 6 8 1 0 4 2 ^ Рис. Н. Кривые малоцикловой усталости фрикционных соединений: Д--+20° С; □----20° С; О----< -50° С.

шения фрикционно-срезных соединений при снижении температуры такой же, как и у срезных.

Малоцикловая прочность фрикционных соединений в несколько раз превышает такую характеристику срезных соединений и близка к малоцикловой прочности стали, из которой изготовлены образцы (рис. 4).

Предельное состояние фрикционных соединений при температуре +20°С наступало вследствие сдвига до соприкосновения болта с краем отверстия. Затем образцы доводили до разрушения от продольной сквозной трещины по сечению нетто. Это позволило, используя одни и те же образцы, изучить работу и фрикционно-срезных соединений. В отличие от срезных на разрушенных образцах заметно сужение поперечного сечения.

Обнаружено повышение малоцикловой прочности фрикционных соединений при снижении температуры ниже минус 50°С, за исключение первых 30-40 циклов. При снижении температуры изменяется и характер разрушения образцов. Разрушение в некоторых образцах происходило образованием трещины, доходящей до зоны обжатия образца шайбой болтового соединения. Сдвиг соединяемых элементов при этом не наблюдался. В трех образцах при минус 50°С разрушение происходило по площади брутто на участке между концом накладки и краем шайбы под болт.

В четвертой главе предложены рекомендации по расчету и технической эксплуатации исследованных соединений в условиях малоциклового нагружения и низких температур.

На основании вероятностной оценки ослабления условий высокопрочных болтов в условиях эксплуатации выведен наиболее согла-

сующийся экспоненциальный закон его распределения, указывающий на многофакторность причин ослабления.

По результатам экспериментальных исследований построены поверхности разрушения срезных, фрикционно-срезных, фракционных соединений в зависимости от температуры и числа циклов нагружения, а также графики показателя т для испытанных образцов.

На основании статистической обработки результатов малоцикловых испытаний были вычислены соответствующие параметры расчетной кривой усталости и ш для чисел циклов нагружения N < 5 - 105. Получены значения коэффициента В, учитывающего изменение прочности соединений при снижении температуры, падение уровня предварительного натяжения болтов во время эксплуатации и другие факторы в формуле

^«-/^(^У". (1)

По нормам расчет на выносливость соединений на высокопрочных болтах с контролируемым .натяжением выполняется, относя фрикциошше соединения к 1-й, фрикциопно-срезные соединения на высокопрочных болтах из низколегированной стали - ко 2-й, из углеродистой стали - к 3-й группе элементов. Но результаты экспериментальных исследований пока-зывают^ что малоцикловая усталость соединений при снижении температуры ниже минус 40°С.мало зависит от маржи стали, при этом фрикционно-срезная стадия работы незначительна. Поэтому предлагается рассчитывать фрикционно-срезные соединения на .малоцикловую прочность, относя лх к 4-й группе элементов, независимо от .марки стали.

В результате длительных натурных наблюдений установлена периодичность оценки состояния соедшгений через определенное число

циклов нагружения , разработан комплект инструмен тов для натяжения проворачивающихся болтов, когда нет доступа к их головкам.

Предложены конструктивные решения разгрузочных устройств и мероприятия по повышению фрикционного эффекта.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведены натурные обследования фрикционных соединений на высокопрочных болтах строительных металлоконструкций каркасов ряда горнодобывающих предприятий Северо-Востока России. Установлены основные несовершенства, выявлены факторы, влияющие на изменение усилий предварительного натяжения болтов. Изучены закономерности паде-Ш1я усилия предварительного натяжения в зависимости от количества болтов расположения соединений, вида нагружения. Установлено, что наибольшее число незатянутых на проектное усилие высокопрочных болтов встречается в конструкциях, подверженных малоцикловому или динамическому нагружению. Исследования материала болтов показали, что при малоцикловом нагружении отмечается снижение усилия натяжения у болтов с более низким значением временного сопротивления стали.

2. Впервые разработана и сконструирована оригинальная экспериментальная установка для сравнительных малоцикловых испытаний крупногабаритных образцов при естественно низких температурах Северо -Востока России. Установка имеет три привода и отличается простотой конструкции, надежностью в работе и возможностью проведения испытаний при любых асимметриях цикла и а1рессивных средах. Произведены расчеты силовой схемы, гидропривода, частот нагружения, установлены внутренние неупругие сопротивления установки.

3. Выполнен комплекс экспериментальных исследований срезных, фрикционно-срезных, фрикционных соединений на высокопрочных болтах в условиях малоциклового нагружения и низких температур. По их результатам вычислены соответствующие параметры кривой усталости для чисел нагружения N4 5 • Ю3. Обнаружено, что в срезных соединениях увеличение разности диаметров отверстия и болта до 4 мм не оказывает сущест-ветшого влияния на их малоцикловую прочность. Рост деформаций в срез-галх соединениях в существенной степени зависит от уровня циклирующих нагрузок и температуры испытаний. При снижении температуры до минус 50° С измеренные деформации составили 4,5 - 5,1 мм или на 10 - 15% меньше, чем при комнатной температуре. Попадание резьбы в плоскость среза снижает малоцикловую прочность срезных соединешгй до 30 %.

4. В результате испытаний установлено, что при повторио-статических нагрузках прочность фрикционно-срезных соединений незначительно выше, чем у срезных. Происходит быстрый износ контактирующих поверхностей и падение усилия предварительного натяжения высокопрочных болтов до 25%. Малоцикловая прочность фрикционных соединений в десятки раз превышает такую характеристику срезных соединений и близка к малоцикловой прочности стали, из которой изготовлены образцы. Обнаружено повышение малоцикловой прочности фрикционных соединений при снижении температуры пиже минус 50° С, за исключением первых 30 - 40 циклов. Экспериментально установлено, что малоцикловая прочность исследованных соединений практически не зависит от марки применяемой стали.

5. Изучены основные факторы, влияющие на малоцикловую прочность исследуемых соединений. Произведена вероятностная оценка ослабления усилий высокопрочных болтов, которая позволяет предсказать - с

какой вероятностью произойдет ослабление натяжения болтов в различных группах соединений, в зависимости от количества болтов, отметки высоты, характера и направления нагрузок.

Установлен наиболее согласующийся теоретический закон распределения ослабления усилий, указывающий на многофакторность причин ослабления.

6. Разработана методика оценки несущей способности исследованных соединений в условиях малоциклового нагружения и температуры эксплуатации ниже минус 40° С. Предложено учитывать изменение прочности соединений при снижении температуры, падение.уровня предварительного натяжения болтов во время эксплуатации. Учитывая особенности работы фрикционно-срезных соединений, рекомендовано рассчитывать указанные соединения на малоцикловую прочность, относя их к 4-й группе элементов, независимо от марки стали.

7. В результате .длительных натурных наблюдший установлены числа циклов малоциклового нахружения определешюй номенклатуры конструкций, по истечении которых следует производить повторное натяжение высокопрочных болтов на проектное усилие . Разработан и внедрен в производс тво комплект инструментов для натяжения проворачивающихся болтов, расположенных в труднодоступных местах. Предложены конструктивные разгрузочные устройства и мероприятия для повышения фрикционного эффекта в исследуемых соединениях.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Трифонов H.B. Определение физического износа зданий и со-оружешш:Тез. докл. У-я респ. конф. молодых ученых и специалистов. -Якутск:РИО Госкомиздата, 1984. - С. 16 -17.

2. Трифонов Н.В. Исследование болтовых соединений, работающих на сдвипТез. докл. У-я Всссоюзн. конф. "Экспериментальные исследования инженерных сооружений".- Сумы, 1991. - С. 11 - 12.

3. Трифонов IIB. Методика проведения малоцикловых испыта-ний:Тез. докл. Респ. конф. научной молодежи ЯкутшгЛОП Якутского ун.-та, 1992.-С-45.

4. Трифонов II.B. Малоцикловая прочность болтовых соединс-1шй:Тез. докл. Научно-практ. конф. молодых ученых и специалистов.-Якутск:ЛОГ1 Якутского ун.-та, 1993. - С. 24.

5. Трифонов II.B. Малоцикловая прочность фрикционных соединений на высокопрочных болтах: Тез. докл. Республ. конф. молодых ученых и специалистов,-Якутск, 1994.

6. Трифонов II.B. Малоцикловая прочность фрикционных и срезных соединений па высокопрочных болтах: Сб. научн. тр. /Проблемы строительства в Республике Саха (Якугия)/Отв.ред. М.А.Викулов,- Якутск: Изд-во Якутского ун-та, 1994. - С. 25 -20.

7. Ларионов В.В., Трифонов Н.В.Малоцикловая усталость болтовых срезных соед1шений:Сб.науч.тр./Вопросы надежности и совершенствования строителыплх консгрукций/Om.ред.В.В.Филиппов- Якутск:Изд-во Якутского ун-та,1996.-С.103-110.