СПРАВОЧНИК

ПРОЕКТИРОВЩИКА

Металлические

конструкции

Том 1 Общая часть

1998

ПРЕДИСЛОВИЕ

Справочник содержит необходимые проектировщикам, конструкторам и науч­ ным работникам сведения, рекомендации и исчерпывающие данные для расчета, разработки проектов, изготовления и монтажа металлических конструкций прак­ тически любой конструктивной формы. Приведенные в справочнике материалы базируются на обобщении многолетнего передового опыта работы ведущих в Рос­ сии и странах СНГ коллективов ЦНИИпроектстальконструкции им. Мельникова, Укрниипроектстальконструкции, Днепрпроектстальконструкции, Ленпроектстальконструкции, ВНИКТИстальконструкции, ЦНИИпроектлегконструкции, ВНИПИпромстальконструкции, ЦНИИСК им. Кучеренко, кафедр металлических конст­ рукций МГСУ (б. МИСИ), НГСА (б. НИСИ), ДИСИ и многих других проектных, научно-исследовательских и учебных институтов и организаций, занимающихся разработкой проектов, анализом и исследованием металлических конструкций. В справочнике рассмотрены основные критерии выбора рациональной конструктив­ ной формы зданий и сооружений и даны наиболее совершенные методы их расче­ та. Кроме того, перед авторами справочника ставилась задача дать материал, по­ зволяющий учитывать перспективу поступательного развития конструктивных форм и способов изготовления и монтажа металлических конструкций зданий и сооружений. В связи с этим обобщены основные тенденции развития конструк­ тивных форм, особенности применения новых сталей, сплавов, профилей проката, типов соединений.

Внастоящем издании впервые представлены материалы по специфике работ, связанных с реконструкцией, обследованием, усилением и определением остаточ­ ного ресурса, испытанием металлических конструкций зданий и сооружений. В справочнике также впервые обобщен опыт проектирования, изготовления и мон­ тажа таких классов сооружений, как дымовые трубы, башенные градирни, галереи, копры, крановые эстакады и др.

Вцелях компактности расположения и удобства поиска необходимых материа­ лов справочник выполнен в трех томах. В нем принята следующая рубрикация: раздел, глава, пункты. Названия всех пунктов указаны в оглавлении. Двойная ну­ мерация рисунков, формул и таблиц ведется в пределах одной главы.

Впервом томе, состоящем из шести разделов, сосредоточены общие сведения по рациональному выбору и применению сталей, профилей и соединений, стати­ ческому и динамическому расчету конструктивных элементов и систем, использо­ ванию эффекта предварительного напряжения, приведены рекомендации по выбо­ ру эффективных методов защиты от коррозии. Изложены требования к конструк­ циям, вытекающие из учета особенностей современной технологии изготовления, транспортирования, монтажа и требований экономики. Завершают том основные правила оформления рабочей документации, вспомогательные материалы для под­ бора сечений элементов конструкций, наиболее распространенные нормали конст­ рукции, развертки сложных поверхностей и другие материалы и таблицы, облег­ чающие труд проектировщика и конструктора.

Второй том включает в себя два раздела, соответствующие двум основным классам сооружений: первый - конструкциям каркасов производственных зданий и второй - стальным сооружениям с преимущественным использованием листового проката. В первом разделе содержатся рекомендации по первичному упорядоче­ нию объемно-планировочных параметров зданий, приведены исчерпывающие све­

3

дения, необходимые при разработке проектов одноэтажных и многоэтажных зда­ ний, в том числе с применением различных систем традиционных и крупнопро­ летных покрытий, а так же зданий из легких металлических конструкций ком­ плектной поставки. Даны рекомендации по компоновке и выбору оптимальных схем каркаса, их расчету, а также методология и примеры решения отдельных эле­ ментов каркасов, площадок, фахверков и узловых соединений.

Во втором разделе листовых конструкций изложены рекомендации и необходи­ мые справочные данные по выбору параметров, схем, компоновке сечений, вы­ полнению расчетов конструкции кожухов доменных печей, воздухонагревателей, резервуаров, газгольдеров, бункеров, силосов, дымовых труб и надземных трубо­ проводов.

Третий том включает в себя три разнородных, но весьма актуальных раздела. Первый раздел содержит общие сведения о специфических нагрузках и воздейст­ виях, особенностях выбора конструктивных и расчетных схем, компоновке сече­ ний, используемых материалах, методах монтажа и их влияния на проектные ре­ шения решетчатых пространственных сооружений таких, как мачты и башни и системы из них, радиотелескопы, башенные градирни, открытые крановые эстака­ ды, транспортерные галереи и надшахтные копры. Во втором разделе изложены основные положения и рекомендации по проектированию алюминиевых конст­ рукций, рассмотрены области рационального их применения в строительстве, даны основания для выбора марок сплавов, типов профилей и методов соединений, из­ ложены особенности расчета конструкций из этого материала. В третьем разделе приведены практические соображения, рекомендации и положения, регламенти­ рующие надлежащее проведение реконструктивных и обследовательских работ, проектирование необходимого усиления существующих объектов, а также органи­ зацию и оснащение натурных и модельных экспериментальных испытаний и ис­ следований металлических конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений.

4

ВВЕДЕНИЕ

Впредлагаемом справочнике рассмотрены основополагающие принципы выбо­ ра рациональной конструктивной формы зданий и сооружений из металла, приве­ дены рекомендации и основные указания, необходимые для профессионально гра­ мотного выполнения расчетов, разработки проектной документации и реализации проекта на заводе и строительной площадке. Материалы справочника в сжатом и систематизированном виде знакомят с передовым отечественным и зарубежным опытом проектирования металлических конструкций различного назначения, со­ держат последние сведения об особенностях применяемых материалов, профилей проката, видов соединений, дают представление о современных идеях, технических приемах и методах повышения эффективности использования металлических кон­ струкций зданий и сооружений.

Вразвитии конструктивных форм металлических конструкций в нашей стране обычно отмечают три характерных этапа. Первый этап - дореволюционный, когда создание конструктивной формы было подчинено требованию экономии металла и основывалось на успехах практических достижений строительной механики конца XIX - начала XX веков, обеспечивающих возможность получения теоретически оптимальных схем.

На втором послереволюционном этапе конструктивная форма, принимаемая на основе минимума веса, стала испытывать постепенно усиливающееся влияние пе­ рехода от кустарных способов изготовления и монтажа к механизированным инду­ стриальным методам выполнения этих видов работ. Одновременно с этим несоиз­ меримые по сравнению с предыдущим этапом масштабы строительства делали все более острой проблему существенного увеличения производства металлоконструк­ ций и снижения трудоемкости их изготовления. Под влиянием изложенных объек­ тивных факторов к конструктивной форме стали предъявляться наряду с экономи­ ей металла требования снижения трудозатрат при производстве и возведении, а также обеспечение необходимой долговечности при существенно ужесточающихся условиях и режимах эксплуатации.

Заметным событием этого периода, оказавшим большое влияние на последую­ щее развитие металлических конструкций, было внедрение электродуговой сварки. Переход на сварку вместо клепки привел к необходимости пересмотра не только принципов формообразования конструкции, но и способов их изготовления и монтажа.

На третьем послевоенном этапе, вплоть до начала 90-х годов, конструктивная форма металлических конструкций испытывала возрастающее влияние трех глав­ ных воздействий:

•постоянного неутоленного спроса народного хозяйства на строительные метал­ лические конструкции;

•конкурирующего с металлом бурного развития индустрии сборных железобе­ тонных конструкций;

•ужесточения требований к металлическим конструкциям как естественного следствия развития науки и техники, сопровождающегося значительных ростом мощности единичных технологических агрегатов и форсированием режимов их работы, а также возникновением многих новых производств и технологий, соз­ данием ранее неизвестных и совершенствованием традиционных эффективных материалов.

5

За истекшие пять десятилетий отечественная наука о металлических конструк­ циях прошла огромный путь и заняла достойное место в мировой строительной технике. Крупнейшим достижением ученых, строителей и исследователей является переход от расчета по допускаемым напряжениям на расчет строительных конст­ рукций по предельным состояниям. Метод расчета по предельным состояниям поставил обеспечение прочности и надежности конструкции на научную основу и впоследствии получил распространение в зарубежной практике.

Фундаментальные теоретические и экспериментальные исследования были вы­ полнены по уточнению расчета традиционных стержневых и оболочечных конст­ рукций. Разработаны и внедрены в практику методы расчета конструкций на со­ противление хрупкому и усталостному разрушению. Проведены многочисленные исследования, обосновывающие возможность учета нелинейной работы материала в упругопластической стадии. Изучен механизм пространственного перераспреде­ ления усилий, использование работы некоторых элементов в закригической стадии.

Исследована рациональность применения стержней с весьма гибкими стенками при работе на поперечный изгиб, подтверждена рациональность использования вантовых, висячих и мембранных систем, разработана теория их расчета и прин­ ципы формообразования с учетом изменчивости всех параметров, их физической и геометрической нелинейности. Заметный эффект был достигнут благодаря повы­ шению расчетных сопротивлений стали в результате разработки теоретической модели связи между количеством отказов конструкции и уровнем расчетного со­ противления материала.

На основании анализа зданий и сооружений по степени экономической и со­ циальной ответственности ЦНИИСКом были разработаны предложения по диф­ ференциации коэффициента надежности по назначению; включение в нормы этих коэффициентов, равных 0,95 и менее, для большинства рядовых зданий и соору­ жений позволило снизить расход стали не менее чем на 3 %.

Послевоенный период также ознаменовался широкой модернизацией техноло­ гии заводского изготовления металлических конструкций и интенсивным строи­ тельством новых предприятий по производству стальных и алюминиевых конст­ рукций с использованием современного оборудования, поточных и автоматизиро­ ванных технологических линий.

С позиций существенной экономии металла и расширения целесообразной об­ ласти применения металлических конструкций особого акцента заслуживает ши­ рокомасштабная совместная работа строителей и металлургов страны по созданию, всестороннему исследований и промышленному внедрению сталей и сплавов с высокими прочностными характеристиками, а также по совершенствованию и раз­ работке новых эффективных горячекатаных и холодноформованных профилей. Эта работа вооружила проектировщиков богатейшим арсеналом средств для решения насущных задач капитального строительства.

Разработаны и широко используются низколегированные стали повышенной и высокой прочности, термоупрочненные с прокатного нагрева углеродистые стали, атмосферостойкие стали, хладостойкие стали для северного исполнения, стали по­ вышенной пластичности с гарантированным относительным сужением в направ­ лении толщины проката, специальные стали для изотермических резервуаров и др. Для нужд строительства налажено производство широкополочных двутавров и тав­ ров, а также швеллеров и двутавров с тонкими стенками, поставляются тонкостен­ ные открытые и замкнутые гнутосварные профили, обладающие рациональным распределением материала по сечению. Среди видов прокатных изделий особого внимания заслуживает сортамент стальных оцинкованных профилированных лис­ тов для ограждающих конструкций стен и кровель.

6

Благодаря применению легких ограждающих конструкций снизился расход ста­ ли на несущие конструкции, и одновременно были созданы условия для организа­ ции принципиально нового конвейерного способа сборки и монтажа крупными блоками покрытий зданий. При такой организации работ на монтаже отпадает необходимость в трудоемких и опасных операциях на высоте, появляется возмож­ ность совмещенного во времени производства работ по прокладке надземных ком­ муникаций, устройству полов, фундаментов под оборудование и т.п., существенно растет эффективность использования монтажных кранов, благодаря специализации рабочих на конвейере возрастает производительность и качество труда, представля­ ется возможность непрерывного, вне зависимости от погодных условий, ведения отделочных работ.

Кровли на основе оцинкованного стального профилированного листа и эффек­ тивного утеплителя положили начало целой серии новых складывающихся мо­ бильных каркасов покрытий зданий. И, наконец, на базе этого нового типа ограж­ дающих конструкций стен и кровель возникла целая отрасль так называемых лег­ ких металлических конструкций одноэтажных зданий, комплектно поставляемых на стройки со множеством специализированных заводов-изготовителей.

Целям повышения степени индустриальное™, сокращению сроков проектиро­ вания и строительства, снижению их стоимости и повышению качества возводи­ мых зданий и сооружений способствовала проведенная в послевоенный период масштабная работа по типизации проектных решений на базе унификации объем­ нопланировочных, конструктивных и технологических решений конструкций и изделий.

Теоретические положения и методология типизации в строительстве получили развитие благодаря трудам ученых Е.И. Белени, Н.С. Стрелецкого, К.К. Муханова, В.В. Захарова и многих других. Изыскание способов наиболее целесообразного с точки зрения всего народного хозяйства уменьшения количества различающихся элементов сопровождалось созданием методики технико-экономических исследо­ ваний эффективности унификации схем и размеров, а также принципов типиза­ ции конструкций и содействовало успешному развитию типового проектирования и, в том числе, в металлостроигельстве. На описанной выше основе была осущест­ влена разработка типовых стальных конструкций одноэтажных промышленных зданий, градирен, транспортерных галерей, кранов-перегружателей, мачт и башен объектов связи, опор ЛЭП и др. Массовое использование типовых конструкций и типовых проектов продемонстрировало большое значение этих работ для сокраще­ ния времени проектирования объектов, а также на подготовку к строительству и размещению заказов на изготовление.

В соответствии с традициями отечественной школы проектирования металличе­ ских конструкций, берущей свое начало от таких корифеев как В.Г.Шухов и Н .С. Стрелецкий, в проектах стальных конструкций последних перед перестройкой лет начинают широко применяться новые инженерные решения, существенно повы­ шающие эффективность капитальных вложений, сберегающие металл и труд. Рас­ пространенным приемом является использование развитых пространственных сис­ тем в виде жесткого связевого диска в уровне покрытия или перекрытия, опертого на неподатливые связевые системы торцов здания, вертикальные диафрагмы, под­ косы или встроенные жесткие этажерки.

Оптимальным сочетанием жестких и шарнирных узлов соединений ригелей с колоннами, а также некоторым усовершенствованием расчетных схем нередко уда­ ется исключить или сократить количество продольных и поперечных температур­ ных швов в многопролетных протяженных зданиях и благодаря этому снизить рас­ ход металлопроката.

7

Наиболее трудоемкой частью реконструктивных работ является детальное об­ следование действительного состояния каждой конструкции, элемента и узлов со­ единения с фиксацией всех дефектов, повреждений и отклонений в геометрии пу­ тем внешнего осмотра, инструментальных измерений и геодезической съемки. Об­ следование проводится на действующем предприятии в труднодоступных местах, на высоте, в условиях повышенной опасности для жизни и поэтому требует специ­ ально подготовленного персонала, допущенного к верхолазным работам.

Химический состав и механические свойства металла основных несущих конст­ рукций устанавливаются на основании лабораторных анализов образцов. Тщатель­ ному исследованию подвергается достоверность принятых в проекте нагрузок, пра­ вильность расчетных схем, усилий и сечений элементов с учетом фактических не­ совершенств, дефектов и повреждений. В материалах обследования фиксируются данные, характеризующие историю эксплуатации объекта, ранее выполненные реконструкции, усиления и ремонты, сроки службы крановых рельсов, колес и от­ дельных конструктивных элементов, возникающие затруднения при эксплуатации (недостаточная жесткость, колебания, вибрации, остаточные деформации и т.п.).

Ответственной частью технического освидетельствования является общий ана­ лиз состояния реконструируемого объекта, его конструктивных частей, элементов

иузлов, имеющихся и вскрытых анализом запасов и резервов. На основании этого составляется заключение о пригодности объекта к дальнейшей эксплуатации, раз­ рабатываются необходимые наименее металлоемкие проектные решения по усиле­ нию и замене вышедших из строя конструкций, выбираются оптимальные методы производства работ. Поскольку эффективность реконструкции того или иного объ­ екта во многом определяется величиной затрат на переделку существующих зданий

исооружений, не дающих непосредственного прироста мощности, искусство про- ектировщиков-металлистов состоит в изыскании путей продления жизни стальных конструкций с минимальным расходом материальных и трудовых ресурсов и в кратчайшие сроки. В этой связи особую важность приобретает тщательный анализ расчетных предпосылок, использование пластической и закритической стадии ра­ боты материала, учет возможностей пространственного перераспределения усилий

идр.

Материалы по обобщению практики обследования стальных конструкций зда­ ний и сооружений, положения разработанных нормативных и инструктивных до­ кументов и рекомендации по реконструкции, созданные ЦНИИПСК им. Мельни­ кова совместно о другими проектными, научно-исследовательскими и учебными институтами и изложенные в этом справочнике, дают возможность выбора совре­ менного надежного решения металлических конструкций как для нового строи­ тельства, так и в случае реконструируемых сооружений, имеющих признаки физи­ ческого или морального износа. Благодаря тесной связи научных исследований с актуальными потребностями проектирования и строительства, а также созданию теоретической и материальной базы научно-технического прогресса отечественное металлостроительство обогатилось многими зданиями и сооружениями, превосхо­ дящими уровень мировых достижений строительной техники по оригинальности решений, величине строительных параметров и экономичности, часть из которых нашла отражение в справочнике.

Как свидетельствует история, накопление достаточного задела новизны в тео­ рии и практике металлостроительства, и соответственно этому, потребность в оче­ редном издании справочника проектировщика «Металлические конструкции» по­ является с периодичностью 15-20 лет. За столь длительный период существования справочника в нормативные документы (СНиП, ГОСТ, ОСТ, СН, ВСН и др.) вно­ сятся разной степени значимости усовершенствования и изменения, что приводит

9

к устареванию ссылок на них в справочнике, но не освобождает владельца спра­ вочника от необходимости отслеживать официально опубликованные изменения норм и стандартов и руководствоваться ими.

В настоящей редакции справочника полностью исключена перепечатка поло­ жений СНиП, ГОСТов, а также предельно сокращено количество ссылок на нор­ мативные документы. Однако, следует иметь в виду, что болезненный для страны переход к рыночной экономике, потребовал новых подходов к формированию сис­ темы нормативных документов в строительстве. Особенно существенные нововве­ дения в ближайшие годы связаны с выходом СНиП 10.01-94 «Система норматив­ ных документов в строительстве. Основные положения», введенных в действие с 1 января 1995 года.

Этим документом определены основные цели, организационные и методиче­ ские принципы и общая структура системы нормативных документов в строитель­ стве. Основными задачами нормативных документов системы должны быть: защи­ та прав и охраняемых законом интересов потребителей строительной продукции, общества и государства в вопросах безопасности жизни и здоровья людей, защиты природы, обеспечения соответствия строительной продукции своему назначению. Предусматривается повышение самостоятельности и развитие инициативы пред­ приятий, организаций, а также отдельных специалистов при сокращении числа обязательных требований и увеличении доли норм рекомендательного характера. Структура включает в себя строительные нормы и правила (СНиП), государствен­ ные стандарты (ГОСТ), а также своды правил по проектированию и строительству (СП). Кроме того, оговорена возможность разработки территориальных строитель­ ных норм (ТСН), разработка технические условий (ТУ) и стандартов предприятий (СТП).

При пересмотре норм по расчету строительных конструкций и испытанию ма­ териалов предусмотрены сближение и гармонизация отечественных нормативных документов с международными стандартами (и в первую очередь с Еврокодом) и строительным Законодательством развитых стран мира.

Повышение ответственности и самостоятельности всех участников проектиро­ вания и строительства, предписываемые новой системой документов, обязывают каждого пользователя справочником проектировщика «Металлические конструк­ ции» своевременно знакомиться, анализировать и учитывать в своей повседневной деятельности особенности каждого из вводимых в действие новых нормативных документов.

10

РАЗДЕЛ I

СТАЛИ, ПРОФИЛИ, СОЕДИНЕНИЯ

ГЛАВА 1

СТАЛИ ДЛЯ СВАРНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ

Строительство - одна из самых металлоемких отраслей народного хозяйства, значительная часть стали расходуется на изготовление металлоконструкций, из которых монтируются автодорожные и железнодорожные мосты, каркасы про­ мышленных и гражданских зданий, мачты и башни антенных устройств, опоры линий электропередачи, резервуары и газгольдеры для хранения нефти, нефтепро­ дуктов и газов, трубопроводы и многое другое. Все эти конструкции изготовляются на заводах металлоконструкций индустриальным методом из стального проката массового применения с использованием для соединений наиболее производи­ тельных способов сварки.

Успех в создании конструкций - возможность их индустриального изготовле­ ния, надежность и долговечность в эксплуатации, технико-экономическая эффек­ тивность во многом зависят от правильного выбора материала. В последние годы, благодаря совместным усилиям металлургов, металловедов и специалистовсварщиков, улучшены существующие и разработаны новые эффективные марки стали и виды проката, значительно расширившие возможности проектирования. При этом были сформулированы определенные требования к стальному прокату для металлоконструкций.

Размеры поперечных сечений многих элементов металлоконструкций а следо­ вательно, и их масса, определяются расчетом, непосредственно учитывающим прочностные свойства материала - предел текучести и временное сопротивление разрыву [1]. Поэтому повышение прочности стали - наиболее действенное средст­ во снижения металлоемкости и стоимости таких конструкций. Кроме того, при существующем сортаменте металлопроката повышение прочности стали позволяет увеличить максимальный пролет и высоту сооружений, повысить расчетные на­ грузки, что создает благоприятные предпосылки для дальнейшего развития новых прогрессивных конструктивных и архитектурных форм.

Вместе с тем при изготовлении конструкций и на монтаже сталь подвергается действию технологических операций: сварке, резке огневым и механическим спо­ собами, механической обработке, правке, гибке, вальцовке. При этом она не должна разрушаться, сохраняя, по-возможности, стабильность микроструктуры и механических свойств. В сварных конструкциях, изобилующих концентраторами напряжений, сталь при эксплуатации длительное время должна выдерживать большие нагрузки статические, динамические и переменные, часто при низких климатических температурах. Наконец, сталь не должна иметь чрезмерную стои­ мость или значительную стоимость изготовления из нее конструкций, т.е. в усло­ виях конкурентной возможности применения в конструкциях разных материалов сталь должна быть экономически эффективной.

11

1.1. Требования к свойствам строительных сталей

Анализ этих положений и накопительный опыт позволяют выделить пять ос­ новных служебных свойств, которыми в той или иной мере должна обладать строительная сталь: прочность, свариваемость, сопротивление хрупкому разруше­ нию, сопротивление вязкому разрушению, технико-экономическая эффективность.

1.1.1. Прочность. Эффективность повышения прочности стали в части сниже­ ния массы конструкции может быть иллюстрирована примерами элементов тяже­

большой деформативностью, рассчитываемых по второй группе предельных со­ стояний, а также в сжато-изогнутых элементах с большой гибкостью. Не достига­ ется оно и в элементах сварных конструкций, испытывающих интенсивные пере­ менные силовые воздействия с большим числом циклов нагружения и малой асимметрией циклов.

Из этого следует, что наиболее эффективными в части снижения массы (и стоимости) могут оказаться комбинированные конструкции, включающие элемен­ ты из сталей разных уровней прочности, которые выбираются, исходя из условий нагружения и конструктивных особенностей элементов.

На основании приведенных представлений в государствах бывш. СССР для проката строительных сталей с учетом возможности упрочнения (при удовлетворе­ нии требований к другим служебным свойствам) были выбраны семь основных унифицированных уровней прочности, которым соответствует предел текучести не менее 225, 285, 325, 390, 440, 590 и 735 МПа и временное сопротивление разрыву не менее 375, 430, 450, 510, 590, 685 и 830 МПа соответственно.

1.1.2. Свариваемость. Традиционный способ повышения прочности стали со­ стоит в увеличении содержания углерода и легирующих элементов. Установлено, однако, что при этом возрастает опасность появления в околошовной зоне зака­ лочных микроструктур, хрупких холодных трещин и трещин задержанного хруп­ кого разрушения. Действие углерода в этом отношении особенно отрицательно. Влияние легирующих элементов и примеси выражают количественно сравнением с

12

влиянием углерода. Предложено несколько десятков формул углеродного эквива­ лента Сэ. Наиболее признанными из них являются следующие четыре, в которых Сэ выражают содержанием углерода и соответствующих легирующих элементов, % по массе:

1) формула Международного института сварки (МИС) [3]

2) формула стандарта WES 135 японского общества сварщиков [4]

3) формула Ито и Бессио [5]

ее авторы полагают, что формула справедлива в диапазоне содержаний0,07-0,22 % С, 0-0,6 % Si, 0,4-1,4 % Mn, 0-0,5 % Си, 0-1,2 % Ni, 0-1,2 % Cr, 0-0,7 % Mo, 0- 0,12 % V, 0-0,005 % В;

4) формула Юриоки, Оситы и Тамехиро [6]

где сомножитель А(С), отражающий влияние повышения содержания углерода на усиление совместного действия легирующих элементов, имеет величину А(С) = = 0,75 + 0,25 th[20(C- 0,12)].

Полагают, что при расчете по формулам (1.1), (1.2) и (1.4) при Сэ<0,35 сварка стали не вызывает затруднений, при 0,35 < С <0,6 требуются возрастающие техно­ логические меры предосторожности, при Сэ > 0,6 вероятность появления трещин без осуществления специальных мер опасно увеличивается. При расчете по фор­ муле (1.3) этим ситуациям соответствуют меньшие значения Сэ.

Кроме того, образование закалочных микроструктур и связанных с ними тре­ щин зависит от скорости охлаждения металла шва и околошовной зоны, на кото­ рую влияют тепловые параметры сварки (тепловложение, начальная температура) и конструктивные особенности соединения (форма, толщина). При сварке стали с одним и тем же углеродным эквивалентом с возрастанием скорости охлаждения вероятность образования закалочных микроструктур увеличивается, что находит отражение в монотонном росте максимальной твердости в околошовной зоне. По­ этому ограничение максимальной твердости некоторой критической величиной может служить хорошим критерием для выбора стали и условий ее применения. Так в японских стандартах на сталь для сварных конструкций, помимо ограниче­ ний по углеродному эквиваленту, с 70-х годов введено ограничение по максималь­ ной твердости в околошовной зоне: не свыше 350 HV.

Следует также иметь в виду, что в прокате каждой промышленной марки стали содержание элементов может изменяться в определенном (часто весьма широком) интервале марочных составов. В соответствии с этим и углеродный эквивалент стали каждой марки также может варьироваться в весьма широких пределах. Это наглядно иллюстрирует табл. 1.1, содержащая подсчеты Сэ для марочных составов сталей, применяемых в сварных конструкциях. В ней приведены средние значения и пределы изменения Сэ для ряда отечественных строительных сталей. Они рас­ считаны по четырем формулам с учетом вариации содержания элементов в преде­ лах марочных составов (включая допускаемые отклонения в готовом прокате).

13

Формулы (1.1) и (1.2) дают близкие значения Сэ; по формуле (1.3) значения Сэ существенно ниже; по формуле (1.4) значения Сэ в большинстве случаев занимают промежуточное положение.

Таблица 1.1. Значения углеродного эквивалента, рассчитанные для разных строительных сталей по формулам (1.1)—(1.4)

* Над чертой— минимальное и максимальное значение, под чертой— среднее.

Для большинства сталей минимальные и средние значения Сэ по табл. 1.1 соот­ ветствуют удовлетворительной свариваемости. Однако для верхних пределов ма­ рочных составов значения Сэ опасно увеличены. Это обусловлено существующими в металлургической практике весьма широкими допусками на марочный состав. Между тем за рубежом часто предлагаются стали такого же уровня прочности с жестко ограниченным углеродным эквивалентом, например, не более 0,40 %. Важ­ но также знать фактическое распределение Сэ для каждой марки стали. Однако данные об этом, как правило, отсутствуют.

Помимо вероятности образования в околошовной зоне холодных трещин и трещин задержанного хрупкого разрушения от качества строительной стали зави­ сят также вероятность образования при сварке горячих (кристаллизационных) трещин в металле шва и ламелярных (слоистых) трещин в окружающем шов ме­ талле. На образование кристаллизационных трещин во многом влияет состав ос­ новного металла и его количество, переходящее в металл шва. Считают, что кри­ сталлизационные трещины в угловых швах при сварке под флюсом могут образо­ вываться, если содержание элементов в металле шва превосходит следующие пре­ делы: углерода - 0,14 %, кремния - 0,25 %, серы - 0,045 %, фосфора 0,05 %. Для проката с ликвационной неоднородностью как, например, из кипящей стали, по­ явление кристаллизационных трещин наиболее вероятно.

В образовании слоистых трещин главную роль играет загрязненность основного металла вытянутыми и строчечными неметаллическими включениями. Наиболь­

14

шее значение имеют сернистые включения. Оказывают влияние также химический состав стали и содержание в металле шва водорода. Более подробно о слоистых трещинах см. в п. 1.8.

Проблема свариваемости включает в себя также склонность стали к локальному ухудшению под влиянием сварки основных эксплуатационных характеристик. Это, в первую очередь, снижение хладостойкости, обусловленное образованием грубой неоднородной микроструктуры, динамическим деформационным старением, твер­ дением вследствие выделения дисперсных карбонитридных частиц. Оно выражает­ ся в смещении температуры хрупкости в сторону положительных температур.

При сварке термически или термомеханически упрочненной стали возможно локальное разупрочнение [7-9]. Оно обусловлено совместно протекающими отпус­ ком и фазовой перекристаллизацией. Локальное разупрочнение выявляется изме­ рением твердости и обычно находится в пределах 10-30 % твердости исходного основного металла.

Предложено много способов экспериментальной оценки свариваемости, вклю­ чая механизированные способы испытаний в условиях имитированных термоде­ формационных циклов сварки [10, 11]. Однако их применение необходимо только при разработке новых сталей или при использовании существующей стали в той области, в которой она ранее не применялась. Для проката традиционных свари­ ваемых сталей при их обычном использовании достаточной гарантией свариваемо­ сти является соответствие химического состава и механических свойств нормам технических условий и стандартов.

1.1.3. Сопротивление хрупкому разрушению. Другим фактором, ограничивающим выбор стали для сварных металлоконструкций и, в частности, препятствующим дальнейшему повышению ее прочности обычным легированием (например, крем­ нием), является требование хладостойкости. Для строительной стали с ним ассо­ циируется сопротивление хрупкому разрушению микросколом. При этом виде раз­ рушения зерна металла раскалываются по определенным кристаллографическим плоскостям с образованием в изломе характерных «кристаллических» фасеток и «ручьистого узора». Размер фасеток близок к размеру зерен в плоском сечении шлифа.

Разрушения этого вида особенно опасны, так как происходят внезапно, распро­ страняясь с высокой скоростью без заметной макропластической деформации, час­ то даже при весьма низких напряжениях от рабочей нагрузки. Сварные конструк­ ции подвержены хрупкому разрушению микросколом более других. Этому способ­ ствует концентрация напряжений, структурная и механическая неоднородность, неразъемность и наличие высоких сварочных напряжений.

Хладостойкость элемента конструкции определяется температурой хрупкости, при которой возможен переход от предполагаемого вязкого разрушения к хрупко­ му разрушению микросколом. На эту температуру влияют как физические свойст­ ва стали (предел текучести, микроструктура), так и «внешние» условия нагружения (напряжение, жесткость напряженно-деформированного состояния, величина и скорость деформации). Чтобы разобраться в их взаимодействии целесообразно принять во внимание сильную зависимость предела текучести железа и его сплавов от температуры и скорости деформации. При постоянной скорости деформации температурную зависимость продела текучести можно выразить приближенным соотношением

где d - средний диаметр зерна микроструктуры; кт, \3 - коэффициенты не завися­ щие от температуры; о0 - предел текучести стали с бесконечно большим диамет­ ром зерна при абсолютной температуре Т, равной 0 °К.

15

Прогнозировать хладостойкость конструкции можно с помощью представлений

осиловом критерии, развитом JI.A. Копельманом [12] на базе работ А.Ф. Иоффе,

Н.Н.Давиденкова, Я.Б. Фридмана и Г.В. Ужика, предполагающем, что разрушение возникает при одновременном наступлении текучести в некоторой локальной об­

ласти материала и достижении растягивающим напряжением Oi некоторой крити­ ческой величины »УМС:

где о,- - интенсивность напряжений; SMC - напряжение микроскола - важная ха­ рактеристика сопротивления стали хрупкому разрушению, в отличие от предела текучести она мало зависит от температуры и других условий нагружения, но чув­ ствительна к микроструктуре и может быть выражена простой функцией величины зерна [13].

где ks - коэффициент.

Используя уравнения (1.5), (1.6), (1.7), можно получить уравнение температуры хрупкости - перехода в данной локальной области нагружаемого элемента от вяз­ кого разрушения к разрушению микросколом [14]

где q = Cj / Oj - фактор жесткости напряженно-деформированного состояния.

Уравнение в этом виде, хотя и не отражает прямо всех влияющих факторов (например величины и скорости пластической деформации), однако наглядно вскрывает взаимосвязь влияния как внешних условий нагружения, так и физиче­ ских свойств стали, ее прочности и микроструктуры. В этом уравнении для

о0 = 981 Н/мм2; фактор q при одноосном растяжении равен 1, при наличии пре­ дельно острого концентратора напряжений - 1/3, при испытании на изгиб образ­ цов с треугольным надрезом типа Шарпи ~ 0,6.

Весьма велика роль особенностей внешнего нагружения. Согласно уравнению (1.8) переход от условий растяжения гладкого образца (<7 = 1) к растяжению эле­ мента с острым концентратором напряжений (q= 1/3) повышает Тк строительной стали на 170-200 °С.

Из уравнения (1.8) также следует, что любой из факторов, упрочняющих сталь и вызывающих увеличение о0 (возрастание содержания элементов в твердом рас­ творе, наклеп, старение, радиационное упрочнение и др.) повышает Тк , т.е. охрупчивает материал, а измельчение зерна микроструктуры d, напротив, снижает Тк т.е. повышает хладостойкость. Следовательно, непременным условием сохранения хладостойкости при повышении прочности является измельчение микроструктуры.

На основании исследований особенностей хрупкого разрушения микросколом предложено много способов экспериментальной оценки хладостойкости стали и металла сварных соединений. Почти все они предусматривают многократные (сериальные) испытания одинаковых (для данного способа) по размерам и форме образцов, но при разных температурах. Показателем качества служит температура, при которой контролируемый признак (поглощенная работа, доля волокна в изло­ ме, сужение под надрезом, разрушающее напряжение и т.п.) по мере проявления хрупкости с понижением температуры достигает некоторой нормируемой величи­ ны.

16

Приведем некоторые основные методы, получившие наибольшее распростране­ ние:

•испытание на динамический изгиб стандартных (призматических) образцов по ГОСТ 9454-78* с полукруглым (r= 1 мм) или треугольным (г= 0,25 мм) надре­ зами, а также с концентратором в виде трещины усталости;

•испытание на растяжение или изгиб крупных плоских (листовых) образцов на­ турной толщины с глубокими надрезами или трещинами усталости на кромках;

•испытание падающим грузом на изгиб (в плоскости наименьшей жесткости) листовых образцов натурной толщины по Пеллини (DWT);

•испытание падающим грузом на изгиб (в плоскости наибольшей жесткости) листовых образцов натурной толщины по методике института Баттеля (DWTT);

•определение температуры остановки инициированной трещины (ТОТ) на круп­ ных составных листовых образцах натурной толщины по Робертсону или испы­ таниями «на двойное растяжение».

Наряду с концепцией переходной (критической) температуры, широко исполь­ зуемой в механике хрупкого разрушения, разработаны и получили значительное развитие аналитические методы, основанные на рассмотрении поля упругих на­ пряжений в вершине трещины. При этом для оценки сопротивления строительных сталей хрупкому разрушению применяются энергетические, силовые и деформа­ ционные критерии механики разрушения. С использованием указанных критериев представляется возможным установить связь между разрушающим (или допусти­ мым) напряжением и размером трещины, которая гипотетически может присут­ ствовать в конструкции. Вместе с тем механика разрушения призвана дать обосно­ ванную методику лабораторных испытаний, результаты которых можно было бы переносить на элементы конструкции.

Основным критерием механики разрушения служит коэффициент интенсивно­ сти напряжений К, предложенный Ирвином (США), как параметр, определяющий поле упругих напряжений перед фронтом трещины, и является функцией прило­ женного напряжения и формы трещины. В упругой области для трещины в беско­ нечно широкой пластине, нагруженной нормальными напряжениями, направ­ ленными перпендикулярно трещине, выражение для коэффициента К имеет вид

где о - номинальное напряжение; / - половина длины центральной сквозной тре­ щины.

При других формах тел и расположении трещин, а также при переходе к телам ограниченных размеров и изменении характера распределения номинальных на­ пряжений в формулу (1.9) вводится соответствующая поправочная функция

к = Ол/й7f k,

Функция f k может быть определена либо аналитически, либо из таблиц, состав­ ленных для наиболее распространенных типов образцов (по стандарту Е-399-81 ASTM и ГОСТ 25.506-85 на методы испытания сталей на трещиностойкость). При достижении напряжениями критических значений о^, (момент нестабильного раз­ рушения) коэффициент интенсивности напряжений также достигает критического

для данного материала значения: кс = окрл/й7 . При наиболее жестком напряжен­

ном состоянии, известном как «плоская деформация», критическое значение ко­ эффициента интенсивности напряжений обозначается кХс; кс, кХс являются, таким образом, характеристиками материала, которые определяются его способностью

17

сопротивляться распространению трещины. Ниже представлены значения к\с, МПа - М1/2 для некоторых применяемых в строительстве марок сталей:

Зная значение £1с для выбранной марки стали, проектировщик может рассчи­ тать значение напряжения, вызывающее нестабильное разрушение при наличии дефекта определенного размера и формы при наиболее жестком напряженном со­ стоянии.

По Ирвину распространение хрупкой трещины происходит, когда расход энергии на ее распространение G (при плоском напряженном состоянии) достига­ ет критического значения Gc , называемого вязкостью разрушения и характери­ зующего скорость освобождения энергии упругой деформации пластины при обра­

где А = Ра!/ 2 - работа внешних сил; д/ - удлинение пластины под действием силы Р.

Установлено, что достижение критического состояния по энергии продвижения трещины Gc эквивалентно достижению критического состояния по коэффициенту

Вобласти температур ниже второй критической (fa), где предельные нагрузки

идеформации зависят слабо от температуры, но в значительной степени от уровня концентрации напряжений, размеров дефектов и характера нагружения при усло­

вии окр« о т , значение критического раскрытия трещины связано с энергетиче­ ским и силовым критерием разрушения соотношением

о^Е

При разрушающих напряжениях, близких к пределу текучести, выражение для критического раскрытия трещины получается из решения соответствующей упру­ гопластической задачи. Так, для пластины с клиновидной узкой пластической зо­ ной на продолжении трещины (модель, предложенная Дагдейлом) выражение для 8Симеет вид

В условиях, близких к плоской деформации, когда Окр<< от формулы (1.12) и (1.14) дают одинаковое значение 8,,.

18

Для определения условий разрушения на участке, претерпевающем одновре­ менно упругую и пластическую деформацию, в качестве критерия разрушения мо­ жет быть использован энергетический интеграл Райса 1С. Для линейного и нели­ нейного упругих состояний /-интеграл представляет собой энергию в области вер­ шины трещины, приходящуюся на единичное смещение трещины. Это означает, что /-интеграл эквивалентен движущей силе трещины

В случае тонкой пластической зоны перед фронтом трещины предельное зна­ чение /-интеграла связано со значением критического раскрытия трещины соот­ ношением

где о0 - напряжение на границе пластической зоны.

При плоской деформации критерии разрушения имеют наименьшее значение, поскольку, благодаря механической стесненности, макроскопические деформации в вершине трещины практически отсутствуют. В металлоконструкциях указанное напряженное состояние реализуется в зонах с конструктивной концентрацией на­ пряжений в элементах достаточно большой толщины при минимальных темпера­ турах эксплуатации.

При плоском напряженном состоянии нестабильности трещины предшествует заметная локальная пластическая деформация, которая учитывается введением поправки на пластичность в выражении для к0.

Рассмотренные выше критерии механики разрушения £lc, Glo 8С, / 1с находятся для данного материала экспериментально при соответствующих условиях нагруже­ ния и служат характеристиками сопротивления этого материала разрушению при наличии трещины. Поскольку значения каждого из рассмотренных силовых и де­ формационных критериев существенно зависят от геометрии образцов и условий нагружения, важное значение имеет определение их в условиях, максимально при­ ближенных к эксплуатации.

В последнее время в связи с развитием механики разрушения предложены ме­ тоды и образцы с концентраторами напряжений в виде усталостных трещин для определения характеристик сопротивления разрушению (трещиностойкости) стали в терминах механики разрушения: критического коэффициента интенсивности на­ пряжений в вершине трещины при плосконапряженном и плоскодеформированном напряженном состояниях кс и £1с , критического раскрытия трещины 8С, / 1с - интеграла и др. Эти образцы по ГОСТ 25506-85 при оценке хладостойкости стали также испытываются сериями при разных температурах, причем вычисляют темпе­ ратурные зависимости типа кс, к1с(Т), 8С(Т), 1\С(Т) и др. Считают, что эти данные надежнее других позволяют прогнозировать поведение материала в конкретной конструкции, содержащей предполагаемый дефект в виде трещины.

Естественно, возникает вопрос о соотношении оценок, полученных разными методами. Кроме того, при испытании образцов в большинстве методов возможна оценка хладостойкости не по одной, а по нескольким характеристикам. Так, при стандартных испытаниях на динамический изгиб измеряемыми характеристиками могут служить поглощенная работа (ударная вязкость) КС, доля волокна в изломе В, относительное сужение под надрезом \|/.

В некоторых работах установлено, что между температурами хрупкости, полу­ ченными в стандартных и других испытаниях, имеется устойчивая корреляционная

19

связь. Не менее устойчивая связь наблюдается между температурами хрупкости, полученными с помощью разных критериев в одних и тех же стандартных испыта­ ниях. Это наглядно иллюстрирует табл. 1.2, в которой приведены данные француз­ ских исследователей (по результатам испытаний свариваемых углеродистых и низ­ колегированных сталей 62 вариантов химического состава) [15]. Во всех случаях имеет место хорошее линейное соотношение между температурами хрупкости с высокими значениями коэффициента корреляции.

Таблица 1.2. Соотношение между температурами хрупкости, определенными на основании разных методов испытаний и критериев

Не являются исключением в этом отношении и методы испытаний для опреде­ ления характеристик механики разрушения. Многими работами показано, что температурные зависимости критических значений коэффициента интенсивности напряжений кс, £1с(7), кривые которых для сталей с разной хладостойкостью рас­ полагаются в разных участках температурной шкалы, закономерно сливаются в одну узкую полосу рассеяния, если в качестве абсциссы используют так называе­ мую «избыточную температуру», т.е. разность между температурой испытания и температурой хрупкости, определенной с помощью стандартных испытаний на динамический изгиб [16, 17].

Таким образом стандартные испытания позволяют достаточно надежно распо­ ложить строительные стали в некоторый ряд по хладостойкости, не уступая в этом отношении другим методам. Значительно труднее решить вопрос о пригодности материала для конкретной конструкции. Одно только положение материала в вы­ шеупомянутом ряду для этого недостаточно. Особенности воздействия на материал при испытании образцов отличаются от условий его работы в конструкциях. Хла­ достойкость конструкции зависит от совместного действия многих конструктив­ ных, эксплуатационных, металлургических и технологических факторов.

На практике требования к материалу конструкции по хладостойкости обычно устанавливаются на базе накопленного опыта, а также сравнением результатов стандартных испытаний с результатами испытаний натурных образцов, не­ возможности полно имитирующих поведение конструкции. Так, к требованиям, обусловленным опытом, можно отнести действующие нормы ударной вязкости углеродистой стали для строительных металлоконструкций, эксплуатируемых в обычных условиях при расчетной температуре не ниже минус 40 °С KCU'20° > 29 Дж/см2 и низколегированной стали KCU'40° > 29-49 Дж/см2 соответственно, а также низколегированной стали для конструкций «северного исполнения»

20

KCU'70° > 29 Дж/см2. Нормы ударной вязкости KCV?> 78 Дж/см2 и доли волокна в изломе В*> 80 % (где t - температура эксплуатации) низколегированной стали для труб магистральных газопроводов, напротив, установлены сравнением результатов стандартных испытаний и испытаний натурных образцов труб.

1.1.4. Сопротивление вязкому разрушению. Выражается такими характеристика­ ми, как предельная пластичность (гь \|/, 8к) ударная вязкость при вязком разруше­ нии КСтах, анизотропия вязкости и пластичности, истинное сопротивление раз­ рыву (Sk). Оно очень важно для обеспечения надежной эксплуатации ответственных сооружений типа оболочек, нагруженных пневматическим давлени­ ем (газопроводы большого диаметра и высокого давления, газгольдеры и резервуары большого объема, крупногабаритные сосуды давления в виде кожухов доменных печей, оболочек аэродинамических труб, корпусов воздухонагревателей), особенно при изготовлении их из сталей повышенной и высокой прочности. Кроме того, сопротивление вязкому разрушению во многом определяет возможность выполне­ ния технологических операций холодной гибки, штамповки, вальцовки, правки и сварки.

Установлено, что вязкое разрушение зарождается и распространяется путем об­ разования, роста и объединения микроскопических пустот (пор). В чистых метал­ лах и сплавах поры образуются в заключительной стадии деформирования на «критических» дефектах решетки, подготовленных деформированием. В тех­ нических сплавах значительную роль в образовании пор играют также неметалли­ ческие включения и выделения избыточных фаз. Неметаллические включения изза их слабого сцепления с матрицей или хрупкости приводят к возникновению несплошностей уже на ранних этапах деформирования. Они являются источника­ ми наиболее крупных пор. Другие более мелкие поры, как и в чистых металлах, развиваются на заключительных стадиях деформирования, по-видимому, непо­ средственно перед вершиной формирующейся вязкой магистральной трещины. Считают, что заключительный акт роста и слияния пор аналогичен развитию внут­ ренних шеек, причем окончательный разрыв фибр происходит после уменьшения их поперечного сечения до нуля.

В результате возникает характерная микроструктура поверхности вязкого раз­ рушения, состоящая из округлых ямок или «чашек», разделенных острыми греб­ нями. Внутри наиболее крупных чашек наблюдаются неметаллические включения. Полагают, что размеры чашек, их однородность и, главное, глубина отражают энергоемкость вязкого разрушения: чем больше размеры чашек, однороднее их распределение и значительнее глубина, тем выше величина локальной пластиче­ ской деформации и энергоемкость.

Как и при хрупком разрушении, измельчение зерна микроструктуры повышает сопротивление вязкому разрушению строительной стали. Однако определяющая роль принадлежит неметаллическим включениям. При этом разрозненные вклю­ чения компактной или глобулярной формы, даже при высоком их содержании (до 0,5-1% по объему) слабо изменяют механические свойства стали. Значительно сильнее отрицательное влияние вытянутых и строчечных включений [18].

Наибольшее значение для качества металлопроката строительной стали имеют образующиеся при раскислении и затвердевании сульфидные и кислородные не­ металлические включения (эндогенные сульфиды и оксиды). В хорошо раскислен­ ной стали они представлены в основном включениями сульфида марганца (II и III типов по классификации Симса) и глинозема. Горячая прокатка придает пластич­ ным при высокой температуре включениям сульфида марганца сильно вытянутую в плоскости и направлении деформирования форму. Сегрегации мелких включе­ ний глинозема, представляющих, как полагают, обломки первичных выделений

21

развитой дендритной формы, преобразуются прокаткой в плоские или вытянутые скопления, часто весьма большой протяженности.

Эти вытянутые и строчечные включения являются главной причиной анизо­ тропии вязкости и пластичности металлопроката, которая выражается в заметном снижении показателей этих свойств при переходе от испытаний в продольном на­ правлении к испытанию в поперечном и в резком их падении при переходе к ис­

для упомянутых конструкций типа оболочек, нагруженных пневматическим давлением, от которых требуется высокое сопротивление распространению протяженных «быстрых» вязких разру­ шений.

Как уже отмечалось, анизотропия пластичности сильно ограничивает пригод­ ность стали к операциям холодной гибки, штамповки, глубокой вытяжки, завальцовки, способствуя преждевременному образованию трещин. Но наиболее губи­ тельно она сказывается на образовании ламелярных (пластинчатых) или слоистых трещин при сварке. Они возникают в

22