ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ СВАРНЫХ

РЕШЕТЧАТЫХ КОНСТРУКЦИЙ

 

Белов В.А. (МГСУ, г.Москва, РФ)

 

Is regarded an issue about a decrease of a volume of a weld metal in metallic structures.

 

Одним из перспективных направлений создания конкурентно способных сварных решетчатых конструкций является повышение их долговечности за счет сокращение объема наплавленного металла. Перенасыщенность наплавленным металлом отечественных конструкций в сравнений с зарубежными аналогиями ставит эту проблему в ряд актуальных. Проведенные многочисленные экспериментальные исследования на образцах и моделях работающих на статические нагрузки выявили значительные резервы несущей способности при использовании разнокатетных швов, швов переменного сечения и шпоночных швов.

Показано, что снижение объема наплавленного металла в сварных соединениях с угловыми швами ведет к уменьшению остаточных сварочных напряжений, деформаций и уровня концентрации напряжений.

Последнее обстоятельство в пользу улучшения работы сварных соединений с угловыми швами и на циклические нагрузки. Ряд сварных решетчатых строительных конструкций воспринимает как статические, так и циклические нагрузки. В элементах таких конструкций в зонах конструктивных и технологических концентраторов напряжений имеет место циклическое упругопластическое деформирование, что приводит к возникновению в этих зонах усталостных трещин.

Существующие нормы по расчету сварных строительных конструкций на выносливость и прочность с учетом хрупкого разрушения не учитывают возможности зарождения и развития усталостной трещины до критических размеров. Тем самым не учитывается снижение несущее способности расчетного сечения в период эксплуатации за счет развития трещины, что не позволяет рассчитать остаточный ресурс конструкции и продолжительность ее безопасной эксплуатации.

Настоящая работа посвящена оценке усталостной долговечности элементов решетчатых металлических конструкций из парных уголков (рис. 1) выполненных швами в соответствии нормами и уменьшенного сечения (равнокатетными и разнокатетными) с учетом зарождения и развития усталостных трещин.

Проведено исследование кинетики напряженно-деформированного состояния элементов решетчатых конструкций в зоне концентрации напряжений в процессе однократного и циклического нагружения. Определены характеристики статической и циклической трещиностойкости основных зон сварного соединения. Получены расчетные зависимости для определения коэффициента интенсивности напряжений в исследуемых конструктивных элементах. Проведена оценка ресурса решетчатых металлических конструкций из парных уголков выполненных равнокатетными и разнокатетными швами.

Усталостная долговечность (ресурс) оценивалась числом циклов N, которое может воспринять конструкция до достижения предельного состояния. При циклическом нагружении конструкции предельный ресурс Nз.т. может определяться условием зарождения макротрещины размером 1-3мм. Обычно трещина таких размеров не вызывает разрушения сечения и наступает вторая стадия работы конструкции, при которой ее несущая способность, или ресурс Nр.т. определяется подрастанием трещины до некоторого критического размера. Таким образом, суммарная циклическая долговечность конструкции будет равна:

N=(Nз.т.+Nр.т.);

При циклическом упругопластическом нагружении элементов конструкции выполненных из циклически стабильных строительных сталей, в зонах концентрации напряжений зависимость между числом циклов до зарождения трещины Nз.т. и амплитудой деформации ε_а хорошо описывается уравнением

ε_a=

где  Е – модуль упругости материала; y - относительное сужение поперечного сечения образца при статическом разрушении; s-1 – предел выносливости гладкого образца при симметричном цикле растяжения сжатия; sв – предел прочности материала; r* - коэффициент асимметрии цикла по деформации; r - коэффициент асимметрии цикла по напряжению.

Для описания кинетики роста трещины использовано уравнение Пэриса и Эрдогана:

Nр.т.=

При выполнении сварных соединений применялась механизированная сварка в СО2 проволокой Св.08Г2С. Образцы выполнялись с равнокатетными швами по обушку (Кfоб=7´7) и перу (Кfпер=5´5) и разнокатетными швами с уменьшением катетов швов на один калибр (Кfоб=7´6, Кfпер=5´4) и два калибра (Кfоб=7´5, Кfпер=5´3).

Нагружение циклической нагрузкой осуществлялось на испытательной машине ЦДМ-100. Частота нагружения составляла 5 Гц, коэффициент асимметрии  r = Pmin/Pmax =0,2. Уровни нагружения для сварных соединений из стали 10Г2С1 составляли: 0,16; 0,228; 0,34.

Результаты испытанных сварных нахлесточных соединений из парных уголков до зарождения усталостной трещины приведены на рисунке 2.

Из приведенных данных видно что в диапазоне до 500тыс. циклов применение разнокатетных швов с уменьшенным объемом наплавленного металла повышает число циклов на стадии зарождения трещины до 1,7 раза. На стадии развития трещины число циклов до ее критической длины не зависело от характера шва.