Соединения металлических конструкций (статьи)

Сварные соединения

Металлические конструкции соединяют сваркой или на болтах. Наиболее распространены сварные соединения, их выполняют ручной электродуговой сваркой. Ручная сварка выполняется на постоянном или переменном токе. Постоянный ток обеспечивает большую стабильность дуги, а следовательно, и устойчивость сварочного процесса. Его используют для сварки ответственных конструкций, преимущественно из низколегированных сталей, а также для сварки листовых конструкций, работающих под давлением или имеющих малую толщину. При малой толщине конструкций сварку производят на токе обратной полярности: изделие – катод, электрод – анод. Температура катода всегда меньше температуры анода, что предохраняет изделие от прожога. Во всех остальных случаях для сварки используют переменный ток, использование которого требует более простой аппаратуры.

Подготовка стыков к сварке заключается в их очистке, проверке точности обработки кромок стыкуемых элементов и зазоров согласно нормативам. Кромки стальных конструкций зачищают на участке, превышающем ширину шва на 20-30 мм в каждую сторону и по всей его длине. Собирают монтажные соединения при помощи прихваток или сборочных приспособлений. Число, размер и длина прихваток в сварных соединениях, воспринимающих монтажные нагрузки, определяют расчетом, как правило, они указываются в рабочих чертежах. В прочих соединениях общая длина прихваток должна составлять  не менее 10% длины монтажного шва или не менее 50 мм. Наложение шва поверх прихваток допускается только после зачистки последних, а каждого слоя при многослойной сварке – после очистки предыдущего слоя от шлака, брызг металла и вырубки из него участков с порами, раковинами и трещинами. В соединениях листовых конструкций при двухсторонних швах корень основного шва вырубают до чистого металла и очищают перед наложением шва подварочного.

По ходу подготовки стыков и сварки важно соблюдать условия, способствующие снижению остаточных напряжений и вероятности появления деформаций и трещин в сварочных соединениях. К таким условиям относят обеспечение проектных зазоров при сборке; соблюдение последовательности наложения швов, способствующей максимальной свободе температурных деформаций; соблюдение режима остывания шва и др. Для снижения влияний сварочных напряжений на прочность конструкции монтажные соединения сваривают в строго определенной последовательности. В стыке двутавровой колонны с опорной плитой вначале сваривают стенку с плитой с одной стороны, а затем – с другой. Полки с внутренних сторон сваривают с плитой на диагонально противоположных частях соединения в одном и другом направлениях, а затем последовательно сваривают каждую из полок с наружной стороны. Швы в узлах примыкания ригелей к колоннам накладывают поочередно в диагонально противоположных секторах соединения. При длине шва до 1000 мм – от середины к краям в двух направлениях. Сварку каждого стыка производят до полного окончания без перерывов.

Необходимое количество сварного соединения достигается строгим соблюдением технологического процесса, режимов сварки, применением материалов, указанных в проекте. Качество соединений проверяют наружным осмотром (обнаруживают трещины, подрезы, маломерность, поры), гаммарентгенографированием (обнаруживают трещины, непровары, поры), ультразвуком (обнаруживают трещины, непровары, поры). Число мест и протяженность контролируемых швов устанавливаются проектом.

Плотность сварных соединений контролируют различными способами. Можно проверить так. Шов промазывают с одной стороны керосином, а с другой – мелом, и по появлению на стороне, обмазанной мелом, влажных пятен мела судят о наличии дефектов шва. Плотность швов можно определить также вакуумной камерой, создав внутри нее разрежение. Шов с дефектом, смазанный пенообразующим составом (мыльным раствором), под действием вакуума пропускает воздух, и по наличию пузырей судят о месте и величине дефектов. В некоторых случаях плотность швов контролируют  химическим методом. Для этого с одной стороны сварного соединения под небольшим избыточным давлением создают среду из смеси аммиака с воздухом, а с другой соединение промазывают индикатором (водно-спиртовым раствором фенолфталеина) или наклеивают матерчатые ленты, пропитанные 5%-ным раствором азотнокислой ртути. Аммиак, пройдя через неплотности сварного соединения, окрашивает раствор фенолфталеина в ярко –рыжий цвет или вызывает потемнение азотнокислой ртути, что свидетельствует о неплотности сварного соединения.

Краткая история развития металлических конструкции 

Понятие "металлические конструкции" объединяет в себе их конструктивную форму, технологию изготовления и способы монтажа. Уровень развития металлических конструкций определяется, с одной стороны, потребностями в них народного хозяйства, а с другой - возможностями технической базы: развитием металлургии, металлообработки, строительной науки и техники. Исходя из этих положений история развития металлических конструкций может быть разделена на пять периодов.

Первый период (от XII в. до начала XVII в.) характеризуется применением металла в уникальных по тому времени сооружениях (дворцах, церквах и т.п.) в виде затяжек и скреп для каменной кладки. Затяжки выковывали из кричного железа и скрепляли через проушины на штырях. Одной из первых таких конструкций являются затяжки Успенского собора во Владимире (1158 г.). По зрелости конструктивного решения выделяется металлическая конструкция, поддерживающая каменный потолок над коридором между притворами Покровского собора - храма Василия Блаженного (1560 г.). Это первая известная нам конструкция, состоящая из стержней, работающих на растяжение, изгиб и сжатие. Затяжки, поддерживающие потолок в этой конструкции, укреплены для облегчения работы на изгиб подкосами. Поражает, что уже в те времена конструктор знал, что для затяжек, работающих на изгиб, надо применять полосу, поставленную на ребро, а подкосы, работающие нa сжатие, лучше делать квадратного сечения.

Второй период (от начала XVII в. до конца XVIII в.) связан с применением наклонных металлических стропил и пространственных купольных конструкций ("корзинок") глав церквей. Стержни конструкций выполнены из кованых брусков и соединены на замках и скрепах горновой сваркой. Конструкции такого типа сохранились до наших дней. Примерами служат перекрытия пролетом 18 м над трапезной Троицко-Сергиевского монастыря в Загорске (1696-1698 гг.), перекрытие Большого Кремлевского дворца в Москве (1640 г.), каркас купола колокольни Ивана Великого (1603 г.), каркас купола Казанского собора в Ленинграде пролетом 15 м (1805 г.) и др.

Третий период (от начала XVIII в. до середины XIX в.) связан с освоением процесса литья чугунных стержней и деталей. Строятся чугунные мосты и конструкции перекрытий гражданских и промышленных зданий. Соединения чугунных элементов осуществляются на замках или болтах. Первой чугунной конструкцией в России считается перекрытие крыльца Невьянской башни на Урале (1725 г.). В 1784 г. в Туле был построен первый чугунный мост. Совершенства чугунные конструкции в России достигли в середине XIX столетия. Уникальной чугунной конструкцией 40-х годов XIX в. является купол Исаакиевского собора, собранный из отдельных косяков в виде сплошной оболочки. Конструкция купола состоит из верхней конической части, поддерживающей каменный барабан, венчающий собор, и нижней, более пологой части. Наружная оболочка купола с помощью легкого железного каркаса опирается на чугунную конструкцию.

Чугунная арка пролетом 30 м применена в перекрытии Александринского театра в Туле (1827 - 1832 гг.). В 50 - х годах XIX в. в Туле был построен Николаевский мост с восемью арочными пролётами от 33 до 47 м, являющийся самым крупным чугунным мостом мира. В этот же период наслонные стропила постепенно трансформируются в смешанные железочугунные треугольные фермы . В фермах сначала не было раскосов , они появились в конце рассматриваемого периода . Сжатые стержни ферм часто выполняли из чугуна, а растянутые - из железа. В узлах элементы соединялись через проушины на болтах. Отсутствие в этот период прокатного и профильного металла ограничивало конструктивную форму железных стержней прямоугольным или круглым сечением. Однако преимущества фасонного профиля уже были поняты и стержни уголкового или швеллерного сечения изготовляли гнутьем или ковкой нагретых полос. 

Четвертый период (с 30-х годов XIX в. до 20-х годов XX в.) связан с быстрым техническим прогрессом во всех областях техники того времени и, в частности, в металлургии и металлообработке. В начале XIX в. кричный процесс получения железа был заменен более совершенным - пудлингованием, а в конце 80-х годов - выплавкой железа из чугуна в мартеновских и конверторных цехах. Наряду с уральской базой была создана в России южная база металлургической промышленности. В 30-х годах XIX в. появились заклепочные соединения, чему способствовало изобретение дыропробивного пресса; в 40-х годах был освоен процесс получения профильного металла и прокатного листа. В течение ста последующих лет все стальные конструкции изготовлялись клепаными. Сталь почти полностью вытеснила из строительных конструкций чугун, будучи материалом более совершенным по своим свойствам (в особенности при работе на растяжение) и лучше поддающимся контролю и механической обработке.

Чугунные конструкции во второй половине XIX в. применялись лишь в колоннах многоэтажных зданий, перекрытиях вокзальных дебаркадеров и т. п., где могла быть полностью использована хорошая сопротивляемость чугуна сжатию. В России до конца XIX в. промышленные и гражданские здания строились в основном с кирпичными стенами и небольшими пролетами, для перекрытия которых использовались треугольные металлические фермы. Конструктивная форма этих ферм постепенно совершенствовалась: решетка получила завершение с появлением раскосов; узловые соединения вместо болтовых на проушинах стали выполнять заклепочными с помощью фасонок.

В конце прошлого столетия применялись решетчатые каркасы рамно-арочной конструкции для перекрытия зданий значительных пролетов. Примерами являются покрытия Сенного рынка в Туле (1884 г.) пролетом 25 м, Варшавского рынка пролетом 16 м (1891 г.), покрытие Гатчинского вокзала (1890 г.) и др. Наибольшего совершенства рамно-арочная конструкция достигла в покрытии дебаркадеров Киевского вокзала в Москве, построенного по проекту В. Г. Шухова (1913-1914 гг). В конструкциях этих сооружений хорошо проработаны компоновочная схема, опорные закрепления и узловые заклепочные соединения.

Во второй половине XIX в. значительное развитие получило металлическое мостостроение в связи с ростом сети железных дорог. На строительстве мостов развивалась конструктивная форма металлических конструкций, совершенствовалась теория компоновки и расчета, технология изготовления и монтажа. Принципы проектирования, разработанные в мостостроении, были перенесены затем на промышленные и гражданские объекты. Основателями русской школы мостостроения являются известные инженеры и профессора С. В. Кербедз, Н. А. Белелюбский, Л. Д. Проскуряков. Пятый период (послереволюционный) начинается с конца 20-х годов, с первой пятилетки, когда молодое социалистическое государство приступило к осуществлению широкой программы индустриализации страны. К концу 40-х годов клепаные конструкции были почти полностью заменены сварными, более легкими, технологичными и экономичными"

Развитие металлургии уже в 30-х годах позволило применять в металлических конструкциях вместо обычной малоуглеродистой стали более прочную низколегированную сталь [сталь кремнистую для железно - дорожного моста через р.Ципу (Закавказье) и сталь ДС для Дворца Советов о московорецких мостов