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 εа хорошо описывается уравнением

εa=

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.


 

Сайт управляется системой uCoz