автореферат диссертации по строительству, 05.23.15, диссертация на тему:Разработка и использование метода термомеханической обработки сварных мостовых конструкций

6 од

г - .-• '."-1 Министерство путей сообщения

1 и - >, -

Российской Федерации. Московский ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени институт . инженеров железнодорожного транспорта.

На правах рукописи.

ежшов' андрей константшовэт.

разработка и использование: метода тер:.ю!.ешшвск0.1 обработки сваиш

МОСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

Специальность: 05.23.15 - Шсти и транспортные

тоннели.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Мосяв1 1?93

Работа выполнена в Московском Ордена Ленина и Ордена Трудового Красного Знамени институте инженеров железнодорожного транспорта.

«

Научный руководитель: доктор технических наук,профессор Осипов В.О.

Официальные оппоненты ' доктор технических наук,профессор Лещепиков Борис Яковлевич, кандидат технических наук ' Орлов Владимир Григорьевич.

Ведущая организация : Проектный институт "ГИПРОТРЛНСПУТЬ"

Защита состоится 25 июня 15£б.г. в 14 часов на

заседании специализированного совета Д.114.05.02 при Московском Ордена Ленина и Ордена Трудового Красного Знамени институте инженеров железнодорожного транспорта по вдреоу:103055,Москва,ул.Образцова 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан ¿У^^С^^л . 199^г. Отзывы просим предоставлять в деух экземплярах с иод-пиоыо,заверенной печать-*. Ученый секретарь

специализированного сог.етп_^ ^

д.т.и.,п,м,'ессср-. / З.П.ГАГЫЮ

Об:'ля хчрзктеристикч работа. Актуальность работа.В к? стоящее время аз сет:: .-»слезных дорог эксплуатируется 'csücí ЗССССО тонн свпрнк: постовых конструкций с спдосноогек'; .туул бплк'к::т.К"к погм-зг-ли псс~едовчн::я,зцг;однен:1н<? Г Г. Г Т?ом, BHI ü !ST ом, "ИГГГол, ШПЗ!Сом л друг;:.'.':* гссдедсзитедьс:1:;:!!;: орглн::з1Ц7я).:л ,з больсикстве ка к.:х '¡срез 5—3 лет Г'кспгмтnp¡! срэвнптелхао невысок:;/: рабочих агпрягекгах о? нагрузка возник-" т устплоспше треглки.Сдло^' из ocücbhiix причин. обр^зрвин::.-: :i рпзвус:ллостнюс трес::н является васокке рас7лгавз:-ьпе ост нлпгяу.еа.:я,воз-н:!;;*} ve лри «готовлен;:.! конетр;- <::vTi.Известно, ч?э зг.■ мч'.е о::? ,то«ннх H">np.t?.e>¡'::J! • про ::го-г?ь вкноглявоегь ког.струкц.'^ í/o-.pt (v'.'t-■ с:р:':г-':елъч::;.,,т~;'. 7. г:оло>::»-тельик?.1.Научные г-*следо:->н;!я,проведение в разные годы рчзл1'чнш!л коллектив'-ми, гокзззл:: высокую г>4<;ект;гвность использован.'л с г-^'х оптлточда:: н'прт'.ен:::'1. для повышения ресурс устглостко.'! долговечности св-рннх конструкция. В июгемтее время позы^енге прочности z выносливости евт-гнкх ыо^топнх :<онстр;кт.:2 опзводатся, глгвны/. образом, путем г: од боря -"оотвстствугзгх 'цртериллов, технологии cao-рх;;,-нехчнгческеЗ обработке зон с конпентрпторлпп !•.;'fl ü усо?ерсекс7Роз?.н7я кокстру:-- гпвннх {орм. Тлкой резерв грочкост;:, к,!к сстпточные напряжения, практически не используется. Это связано главным обрззом с отсутствием простых и надежных способов создания выгодного напряженного состояния п методов его контроля. Т!еобходга*ы способы создания благоприятного напряженного состояния для повышения -ус.т-мостной долговечности езчрннх элементов келезнодорох-

них костов.как эксплуатирующихся,так а при йх заводском изготовлении. Особое значение имеет разработка простых я наде-кных методов повшенкя усталостной долговечности узлов многочисленных эксплуатируемых цельносварных сплокностенчатых балок,где по целоиу ряду причин имеется большое количество опасных концентраторов напряжений,полное или даже частичное устранение влияния которых известными способами трудно выполнимо. При этом наиболее опасные места могут быть определены зараиее и обработка может иметь сугубо местный характер.

Настояния работа выполнена в рамках задания 00.01.52 па-учво-технической программы ГКНТ СССР и ШС СССР "Создать конструкции сварных-мостоз,стойких против усталостных и хрупких разрушений". .

Целью диссертационной работы является разработка достаточно простой и надежной методики создания в узлах сварнн/. постовых балок со сплошной стенкой сжимающих остаточ-

ных напряжений,благоприятно влияющих на прочность и выносливость конструкции,а также.разработка методов контроля результатов проведенной обработки.

СИ^екто^ исследования являются сварные мостовые балки со сплошной стенкой железнодорожных мостов.

Научную новизну работы составляют:

- разработанный метод обработки узлов балок с целью создания • в сварных швах и околошовных зонах' полей сжимающих внутренних напряжений;

- методика /вклзочая сконструированное и изготовленное необходимое оборудование и специальные колибровочные образцы/ измерения внутреннего напряженного состояния с помощью тен-вшетраческих розеток методом сверления с использованием отечественной тенгометрпческоЗ аппаратуры;

- уточненная теоретическая модель,опкскваэдая распределение температура при.нагреве металла пламенен газовой горелка • до температуры 600°с;

- математическая модель распределения внутренних напряжений при неравномерном нагреве металла племенем газовой горелка, позволяющая вводить температурные данные в любой виде и легко поддающаяся алгоритмизаций.

Методика исследований включали проведение экспериментов . но полномасптабных моделях я реальных конструкциях с применением серийного и специального оборудования,метода теорап упругости и пластичности,уравнения ыптемзтаческоЗ физики.

Достоверность результатов определялась проведением экспериментальных исследований,сопоставлением полученных экспериментальных и теоретических данных о результатами других авторов.'

Практическая ценность пя'ботн. Разработана методика достаточно простого л надежного создания в эонпх концентрами напряжений уэлоз сварных сплоено— стенчатых балок сжнм-г.т.нх остаточных напряжения,благоприятно вдия-гаах на прочность я выносливость конструкции,рэзрзбо-т?ны способы прогнознрозчнил и контроля результатов обработки.

■ Реализация г^богы.Научные и практические результаты работы использованы з чроекте Т.нсг^укц:::: по применения метода терно.чвхрннчеоко:! обработки г.'осгозкх сплоглоотенчатых балок г.ролетккх строен;:;! железнодорожных ¡.гостов",в опытных пролетных стгоенплх.

1уб.::т:-:а-1н::.'!То м -то^-т ал у бл:: коз я но четыре '

печатные работы ,'т> учено дз~ авторских. свидетельства и одно

положитечькое решение Государственного Хоштета по делам .

- е -

изобретений а открой,материалы диссертации использованы в пяти научио-нсспедоЕьтелъских отчетах.

Структур» и объем диосергац:к;. Диссертация состоит ;:з ведения,четырех глав,выводов п спио-ка литературы.

Работа содеркит П6 страниц ыэеенописного текста и ■ рисунков,в также список литературы из 133 наименований.

Работа выполнена на кафедре "Мосты" ГЮТа.Автор приносит своа глубокую благодарность и признательность всему коллективу отой кафедры к научно-исследовательской лаборатории "Мостовые конструкции",а также сотрудникам ВЯИКЕТа во главе с к.т.н. В.Г. Орловым,оказавшем вольту.? попо'ць в проведении экспериментальных исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ-

Во введении изложено обоснование актуальности темы и-общая характеристика работы.

Б первой гд-^ве рассмотрены наиболее пригодные для мостовых ■ конструкций методы снижения и перераспределения остаточных нбпр.г2е:;иД. '• ■ ■

Отрицательное влияние растягивающих остаточных напряжений на образование трещин в сварных сплоашостончатых балках не-лезнодорокнш: мостов доказано многочисленными исследованиями выполненными ^^ГГо.м,ЦШШСом,.НТ-Е1 мостов Л1И2?а ■,''Институтом электросворки им. Е.О.Патонп и друга ми научно-исследовательскими организациями.

Т&доэдкЗся в нзетатцее время опыт эксплуатации сварных конструкций пок^зцвг.ет.что наиболее сильное вли/лгле остпточ-

ных напряжении на тре'линнообрпэовэнве проявляется при наличии острых концентраторов наполнений,под действием на конструкцию переменных и знакопеременных усилят.При этом растягивающие остаточные нппрягения оказывают вредное влияние,п снимающие,наоборот - положительное.Зоны зпсокнх растягивавших напряжений располагается,как правило,в сварных пвах и околосовных зонах,т.е. он:* совлада-от с нааболее вероятными местами расположения концентраторов напряжения /подрезы,ае-прозары,концы рвов и т.п. /.Кроме того на этих участках металл »лозе? геють пониженное качество.

В настоящее лремя повышение прочности сз-рннх конструкций предлагается осуществлять зиподценаем целого ряда мероприятий. Чрсть керолрпятпй наппаялэча на созергенстзо??гние коя-структивних ^орм ^зарных конструкция /нчпр'дмер,устранение пересечений вертлх-'-льгпсс гол:»зоаг',чьных ребер жесткости /, работы з ото:: тпрчвлен:!:: эедутзд в мостов Л1Е21з

л !!ЭС та. ¡3*0. 1Г>-:ока.Однако, предст?эляется,что как бы ни была совершенна конструкция,эадд ля удается устранить все зоз-::спаые конструктивные причин, сяп.чагхне усталостную долговечность,кроле того.этог путчвгр/емлеы при ремонте и усилении эхзплузтнруг-.т.пхся проле?;г.к ¿троений.

Повышение усталостной долговечности сварных конструкций! можно осуществлять таете путем устранения ала "смягчения" концентраторов яалр.тзен'!Л.Эгс1 достигается :ах разработкой слетпльнчу .чонатгукцлЛ узлов и соединений,так и механической обработкой сварных езоз л элеыентоз конструкции. Последнее меролочель Ja.*.о,особ»кко яре производстве работ з полевых условиях,что т место при рекон— струкз'Я s ycr;:ciirr. гге^лу^тпруехах ïmctoe.

- б-

Другпе мероприятия направленны на устрвнеш:е ::лн значительное снижение остаточных нЕпряжеег^.Известно шоро сг.осо-бсв снижения остаточных на прядений: высок!:!: огп.уок,приложение вне^е* нагрузки,ультразвуковая обргботкч,кглпульсн'л обработка взрывом,прокатка зоны сЕзриого соединена, проковга. Из перечисленных методов для мостовых конструкций- наиболее пргег/лга.ш ультразвуковая п импульсная обработка взрывом, но укезаннга методы требуют строгоГ: дозировки силовых воздействий,т.к. при несоблюдении необходимых требований «окно получить обратный результат.

Специально для обработки сварных постовых конструкций в ШИГе была разработан? и опробована технология термомеха-еической обработки сварных соединений .позволявшая доступными средствами получать выгодное перераспределение напрядении, полу чивсая впоследствии название - метод ыестио-г-у. подогрева мостовых конструкций. Да иная обработка, нпс.:: сугубо местный характер и использует стяндартвое газосварочное оборудование. -

Нижеследующие главы диссертации посвящены кзу:еи-ю процессов,происходящих в металле при его нагреве пламенем . газовой горелки,и разработке новей методики термической обработки,являющейся развитием метода местного подогрева.

Во второй главе рассмотрены методы и результаты тео-■ ретического расчета полей температур и внутренних напряжений при нагреве металлической пластины мощным концентрированным источником тепла.

Имеющий место при термической обработки нагрев металла достаточно мощным и концентрированным пламенем газовой горелки СЬзкзок к режиму автогенной сварки.Дри изучении распределения температуры .. .« нагреве участка металла пламенем га-

зовой горелкй был рассмотрен случай нагрева участка металлической пластины в области,удаленной от ее краев.

Вывод формулы распределения температуры базировался на классическом уравнении теплопроводности,опзсызавдм нестационарный процесс распространения тепла э з:ааса:госта от зре-меа:: "L и координаты if :

IL-a^L П)

д-L ~ ду2

где з = coñS¿- хоэ^ицкерт темяературоарозодноота.

Общее решение линейной задачи (I) .toposo известно пз курся ютеыг.тпческоа :

jl-vBpT) • Tío;?)dr. f2)

te

З-'кон. распространения тепла,оппеивчегед фэр.чулоЗ Я.Н.Ры-

каланп для точечного легочника теалз:

Ло

Tfo;rJ=Q0e~ т

где К0- ыекчя коасгглтз,-

- .мощность тепловой нагрузки , которая

обеспечивает э&ехтпэн,;» лок~л::ззцл:с тепла в £ - режлые.

После рлдя вкчпсленаД паучий -орц/лу ддл распределения

те:.перлтуры о учетом Ve:-;?- "инерции" тепла: /?-/ ко

(1а

X г'

У ^ ...... , я««-«.-'

Д.1я выполнения прглтпческих расчетов была составлена на алгоритмическом языке СОРТРАН йреадизовзна на ЗВМ-ЕС-Ю50 программа вычислений.Результаты расчетов температурных полез,проведенные по данной, программе,приведены в диссертации.

Цри расчете распределения остаточных напряжений после нагрева металла пламенем газовой горелки теоретическим путем были найдены величины составляющих внутреннего напряженного состояния в зависимости от толщины пластины и мощности пламени газовой горелки.

Достаточная концентрация температурного поля,вызываемого плзменем газовой горелки,дает возможность применить к пластинам конечной длины известное в теории упругости решение проф. П.С. Папковича о тепловых напряжениях в бесконечно длинной полосе,неравномерно нагретой в области,вдали от ее концов.

За общий интеграл тепловых напряжений в теле,!, .ход-¡дался в условиях-плоской деформации,при отсутствии объемных сил, можно пркнять':

где ^ - общий ентеграл'уравнения,

.5? - л-.,бое частное решения уравнен Е~ - Г.О/1" 1Ь улругостп.

'т

Профессор З.С.1!пг.тьевп регллп подоЗв^;; задачу,не решение системы (5) основывалось нь ручной счете п бню получено для одного конкретного зпкопн• гмсаредо лешм тепла .описываемого ^орыуЛоИ II.Н. ?чк:1Л |'Н'"| для мгновенного плоского источника Аатор диссертации решил эту задачу в более общем случае,так что закон распределения тепла модно задавать как любой необходимой формулой,тек и численно,например в виде массива эмпирических данных,и привести решение системы (5) к удобному для машинного счета.виду:

>£ =/гб, ск/2 / С (2бЬрг 7 )

- с*>

^ ' . £ 22 г/С£2 +С,/32 - — ^ ^

— О* '

г*-П

2 оо

С,* -ё- ^ — ¿А.

с/ 27г-и /

Для компьютерного расчета полей упругих напряжений составление программа,написанная на алгоритмическом языке ФОРТРАН и реализованная на ЭЕ'Л ЕС - 1030.Пользуясь составленной про1>-раммой на ЭВМ решен ряд примеровраспределения тепловых напряжений при различных режимах нагрева.В тех случаях,когда аол.,-по .упругому .решении величины напряженна превышают предал тек,;гсе г-виекае следует рассматривать как ве^-

вое приближение.характеризующее величину внутренних деформаций.Величину,возникающих собственных напряжений с учетом плестических деформаций,можно приближенно определить с помощью метода упругих решений,разработанного проф.В.М. Панферовым.

В диссертации приведены результаты расчетов полей внутренних напряжении с учетом пльстических деформаций в металле.

На. рис.1 приведены эп^рц составляющей напряженного состояния Уу по оси У с учетом и без учета пластических деформаций.

В третьей главе приведены результаты работы автора диссертации по совершенствованию методик измерения остаточных напряжений.Автор счел целесообразным использовать для 1 измерения внутренних напряжений широко использушисся в СЕА и других зарубежных странах,доработанные применительно к отечественному' оборудованию,методы сверления и измерения . шумов Баркхаузенп.

Для измерения деформаций в зоне отверстия использовг.ны серийно выпускаемые тензометрическне фольговые розетки КФ5РЗ.

Для регистрации результатов измерений использована тензо-ыетричео;.::я система СШГГ - З.Ддя образования отверстия в центре тензометрической розетки на заданную глубину без кернения место под отверстие разработано специальное оборудование, . чертеж которого приведен на рис.2.Существенными отличиями разработанного устройства являются:

I.Крепление устройства к исследуемой поверхности при помощи регулируемых,по высоте,щарнирно-закрепледных электромагнитов,позволяющее устанавливать кондуктор на криволинейных поверхностях.

Распределение составляющей' напряжения Уу по оси У <Тез учета и с учетом пластических деформаций

х*

МПал

900 800 700

О

'100 ■гоо -зоо

-- упругие

¡рикяидные напряжения

напряжения, подсчитанные с учетом пластических деформаций

>'■ Ю5А*/*; 2с ; 6 -1.2 см;

г =0

V, см

14 12 Ю & 6

(О 12 /4

Рас. 1.

2.Выдвижная консоль,позволяющая проводить сверления вблизи ребер жесткости и поясов конструкции,ня расстоянии до 16 мм от

ребра,а также проводить несколько сверлений с одной стоянки

прибора.

3.Две системы наведения кондуктора на центр тензорозетки:тради-ционипя с использованием оптического микроскопа,а также лазвр-но-оптическая система наведения,менее точная,но более надежная и удобная в полевых условиях.

При проведении измерений произвольно ориентированная тен-зорозетка приклеивается в предварительно подготовленном мосте измерения.Вывода розетки электрически соединены с входами блока коммутации тензометрической системы,производится опрос тен-

г*.

зорезпсторов и регистрируются результаты.измерений ,где С ; - номер-тензорезистора.С помощью кондуктора в центре тензометрической розетки образуется, отверстие диаметром 3,3 и глубиной 4,0 мм.Производится повторный опрос тензорезисторов и регистрируются результаты измерений.

Изменении*деформации рассчитываются по формуле:

= 11{Ус2~ А>1<)-К__

' " (1+2 <) (1-2 ¿/¿г ■ 10 - <) ' /

гдз - К - чувствительность тензорезисторэ. Внутренний напряжения определяются по формулам:

Для определения констант А а & проводится калибровочный эксперимент.

В четвертой главе изложены результаты разработки методики термомеханической обработки сварных сплошн'остенчатых балок и проведенных экспериментальных работ.

Для проверки эффективности обработки зон вероятного появления трещин по методу местного подогрева были проведены экспериментальные работы на опытной эстакаде экспериментального Колыр ВНЗШТп на ст.Щербинка Моск.к.д.Шли обработаны узлы, пересечения вертикальных ребер жесткости с верхним и нижним поясами балки,где появление усталостных трещин наиболее вероятно,участки вертикальных ребер жесткости в которых появление усталостных трещин возможно,а так$е,в исследовательских целях,зон пересечения вертикальных а горизонтальных ребер жесткости.Проводилось измерение полей виу-' тре'нких напряжений во всех обработанных и соответствующих контрольных участках бплок.На р^с.З представлена одна из полученных эп:ф внутренних напряжений.

После проведения анализ:» результатов обработки,для устранения отмеченных-недостатков,было предложено проводить обработку по усовершенствованной методпко путем изменения схемы расположения зон нагрева таким образом,чтобы подогревшие:. у \т?-п металла, в виде узких полос,расположенных вдоль сварного оа прикрепления вертикального ребра жесткости и ориентированных под углом 4Г>° к иду. Кг грев металла стенка . балки осуществляется открытые газовым пдгменем через вырезы в облоне-кондукторе с полощьп гпзоеой горелка.Для практической проверки и отрпботк;: технологии обработка автором совместно со специалистами ЫППСТа был:: проведены экспериментальные работы по обработке двух цельносварных сплосно-

-í?-

Элмри напряжении Ô сюенке 5a4x¿c

{

стеичатых аелезиодорожных пролетных строений,установленных нп Опытной Эстакаде Экспериментального Колыг .Перераспределение остаточных напряжений контролировалось путег: измерения внутренних напряжений в обработанных :; ¡хчт^оль-ных балках.На рис.4 приведена одно ::з получвнннх опгр внутренних нппояз:еш;£.

основ!ше вывода.

1.01шт эксплуатпции большого количества пролетных строений мостов со евгрними спло^ностенчгтып; с^лит:: свидетельствует о низком уровне их усталостной долговечности.Р:'стя-I гнвкшие остаточные напряжения сред:: причин,впзьшпг.пх го-явление трешин,играют значительнур.а иногда и рещргпуз.1 по-ь. 2-Проведенные експепамент.^льнко ссследопния по с1]ч.,.-чч:;:г • внутреннего напряженного состояния в узлах б мок I онгз'ми, что в районе сварного ила прикрепления вертикального ребра жесткости и околоилэвноЯ зонб,где возникают устмостнчс трещины,действует высокие растягивание напряжения по своей величине приблихапц.псся.й в отдельных случае,х и прева,:тг,ив нормативную.величину пред ел г. текучести металла. 3.Разработана усоБергенствовяннал методика терме^ех !»:«теской обработки,призн^ирл изобретением. Проведенные экспериментальные работы пок-'З .'.;:,что оьо обладает кпзхоП чуствп-тельност.ью к нпрусешма: технологи;: обработке .прост", нетрудоемка..н не требует специального и дорогостоящего оборудования и специально подготовленного персон".-".

Эпюры остаточных, напряжении б зоне пересеченая бертикального ребра жесткости л/2 с нижним поясом Кльоебского пролетного строения

Необработанная балке

___4 S 'А -А---* ' . У.см

1 3 5 7 '9 It 15 15 17 19 ; 21 2Ь

—в-(3V. j f >

-А-&у

клюебакос пр. стр., ребро Ы2 '

Обработанная бйлка •

4.Рпзрпботанная методика измерения остоточных напряжений является в настоящее время одним из немногих доступных способов прецизионного измерения внутренних напряжений

в эксплуатируемых сварных конструкциях.Разработанное оборудование признано изобретением.

5.Разработана математическая модель распределения полей температур и внутренних напряжений в металле при его нагреве племенем газовой горелки,что позволяет в определенных границах прогнозировать результаты термической обработки.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

» 1.Бнккулов А.К. Краткое описание технологии и результатов термомеханической обработки узлов сварных сплошностенча-тых балок железнодорожных.мостов //Моск. ин-т инженеров ж.д. транспорта.-М. ,1991.-14с.-Б!бл. 3 Нпзв.-Рус.-Доп. в Калужском ф-ле "ВППГГРАНССТРОЯ". 2.Биккулов А.К. Некоторые результаты перераспределения остоточных напряжений методом .местного подогрева в опытных тлостовнх пролетных строениях //Моск.ин-т инженеров я.д. трлнспортп.-м.,19Р9.-1бс.-Библ. б нвзв.-Рус.-Деп.в Калужском <1-ле "В1ГГОТРАНССТР0П" З.Осипов В.О..Бнккулов А.К. Перераспределение остаточных, напряжений методом местного подогрева в мостовых конст-рукциях//Моск. ин-т инженеров ж.д., транспорт».-М. ,1987. С17с.-Библ. Р назв.-Рус.-Деп;в Кплуяском ф-ле "ВПТУ5-ТРАНССТРОП"■

4.Осипов В.О..Баккулов Л.К. Измерение остаточных напряжений в мостовых конструкциях методом сверления с помощью тен-зометрпческих розеток.//Моск.ин-т инженеров ж.д.. транспорта.-!,!. ,19Г(-.-Г?с.-Б1С!л.. 5 наэв.-Рус.-Деп.в Калужском <Т-ле "ВПТИТРАНССТРОП".

ческо;! обработки сварных постовых конструкций. 05.23.15 Мосты и транспортные тоннели

Сдано в !<гС';р 30.05,93,

Формат бумаги 60/50 1/16 Ооьом/^л Заказ 555. Тирв>: 100 Типография ЖТ, Москва, ул.Сбрнзцова, 15.

Е1ЖШВ АНДРЕЙ КОНСТАНТИНОВИЧ

Разработка и использование метода териоызхани-