Оборудование и электроды для ручной дуговой сварки

  Типы балок

У металлических балок  основным типом является двутавровое  симметричное сечение. Двутавровое сечение выгоднее прямоугольного в 2 и круглого в 3 раза, так как в этом сечении распределение материала наилучшим образом соответствует распределению нормальных напряжений от изгиба балки. Поэтому металлические балки конструируют главным образом двутаврового сечения, чему способствует хорошая работа металла на касательные напряжения, позволяющая делать стенку балки достаточно тонкой.

В зависимости от нагрузки и пролета применяют балки  двутаврового и швеллерного сечения, прокатные или составные — сварные, болтовые или клепаные. Предпочтение отдается прокатным балкам как менее трудоемким, но ограниченность сортамента делает невозможным их применение при больших изгибающих моментах.

В строительстве нашли  применение тонкостенные балки, балки из гнутых профилей, прессованные, составные из алюминиевых сплавов, а также бистальные балки, т. е. балки, сваренные из двух марок стали, и балки предварительно напряженные.

Чаще применяются балки  однопролетные, разрезные, которые  наиболее просты в изготовлении и удобны для монтажа. Однако по расходу металла они менее выгодны, чем неразрезные и консольные. Неразрезные балки благодаря наличию опорного момента, разгружающего основные моменты в пролетах, более экономичны по материалу. Они обладают большой чувствительностью к изменениям температуры и осадкам опор, а поскольку в практике строительства рекомендуют делать крайние пролеты меньше средних для сохранения постоянства сечения, то их конструкции являются немассовыми (индивидуальными), а применение их — сравнительно редким.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЕ ИЗГОТОВЛЕНИЕ СВАРНЫХ БАЛОК

Подлинная революция  в производстве произошла после  создания сварных балок.

Сварка позволяет создавать  балки всевозможных размеров — высотой до 3. . .4 м. и более, а также любой длины. Она позволяет наиболее рациональным образом сочетать размеры горизонтальных листов, часто называемых поясами, с вертикальной стенкой.

Применяются балки с  толстыми широкими поясами в сочетании  с высокими тонкими стенками.

Пояса нередко выполняются не только из листового проката, но и из других профилей, например прокатных швеллеров, а также при необходимости из гнутых профилей. Пояса могут состоять из двух листов и более, при необходимости обладать разными свойствами.

Показателем экономичности сечения балки служит параметр

где W — момент сопротивления профиля, см;

А — площадь сечения профиля, см².

Чем выше это отношение, тем при меньшей массе металла достигается увеличение сопротивления профиля на изгиб.

Однако принимать чрезмерно тонкие вертикальные станки оказывается невозможным из-за недостатка местной устойчивости. Необходимо разумное сочетание размеров. Сварочный процесс допускает в этом отношении разные вариации.

Производство двутавров  прокаткой при приблизительно одинаковых размерах со сварными — производительнее. Но огромные преимущества сварной конструкции, допу скающие ее оформление в желаемых соотношениях размеров, делают их более экономичными с позиций расхода металла, а во многих случаях и более рентабельными по стоимости. Большое значение имеет характер производства. При крупносерийном производстве нередко оказывается рентабельнее прокатка, а при мелкосерийном и особенно в индивидуальном производстве — сварка.

Расширение строительства  автоматизированных линий выдвигает сварные конструкции на первую линию перед другими способами их выполнения.

Выбор производства балки  — прокаткой или сваркой —  должен решаться при непременном использовании ЭВМ с учетом широкого комплекса факторов, определяющих рентабельность всего производственного цикла.

При расчете  балок встречаются три вида задач.

Заданы размеры балки, известны расчетные усилия — изгибающие моменты и поперечные силы. Требуется проверить прочность балки. В этом случае определяют нормальные и касательные напряжения.

Задана балка и допускаемые напряжения. Требуется определить допускаемую нагрузку на балку. Эта задача также легко  решается  с использованием  общеизвестных формул из курса «Сопротивление материалов».

Требуется  спроектировать  балку,   обеспечивающую требуемую   грузоподъемность.    Эта задача решается следующим образом:   от заданной нагрузки определяют опорные реакции, строят эпюры поперечных сил Q, изгибающих моментов М по длине и крутящих моментов, если последние 
имеют место.

При наличии подвижных  нагрузок строят линии влияния опорных реакций, затем линии влияния Q и М для сечений х=0, х=0,1l, х=0,2l, . . . х=0,5l, где l — длина балки. В указанных сечениях вычисляют максимальные значения усилий при самом опасном для них положении подвижных нагрузок. После этого подбирают размеры поперечных сечений балки, обеспечивающие прочность. Из условия прочности расчетные напряжения не должны превышать 1,05 [s]_р. При экономном подходе к расходу металла расчетное напряжение должно быть больше 0,95 [s]_р, где [s]_р — допускаемое растягивающее напряжение для основного металла.

Поперечные сечения  балок, в особенности двутаврового профиля, иногда изменяются по длинне. В некоторых случаях  изменяют толщину  или  ширину горизонтальных листов. Это более целесообразно, нежели изменять толщину вертикальных листов. Иногда горизонтальные пояса делают составными по толщине, если толщина пояса s≥25. . .30 мм, при этом в менее нагруженных листах число листов уменьшают.

Балки переменного сечения  позволяют лучше использовать несущую способность металла по всей их длине. Они дают экономию металла в сравнении с балками постоянного профиля, значительная часть которых работает при   напряжениях,   значительно   меньших   допускаемых.

В технологическом отношении балки переменного профиля несколько сложнее. Вопрос выбора конструкций решается с экономических позиций, а иногда и с учетом общей компоновки и эстетики. Большинство типовых балок имеет профиль, постоянный по длине.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Горизонтальные листы  соединяются с вертикальными  поясными швами. Они, как правило, угловые и в редких случаях при наличии сосредоточенных перемещающихся грузов большого веса или при действии переменных нагрузок — с подготовкой кромок.

Если  балка   работает на поперечный  изгиб, то в поясных швах вследствие совместной деформации шва и основного металла возникают связующие нормальные напряжения , которые в учет не принимают, и рабочие касательные напряжения. Поясные швы обеспечивают работу на изгиб всего сечения как единого целого. Срезывающие усилия на уровне крайних кромок вертикального листа на единицу длины определяются по формуле

где  s — статический момент площади пояса относительно центра тяжести сечения;

Q — поперечная сила в сечении.

Роль касательных напряжений т существенна, несмотря на то, что  они часто невелики по значению. В двусторонних швах с катетом К касательные напряжения

где  β — коэффициент, равный для ручной сварки 0,7;

J — момент инерции сечения.

 

 

 

 

 

 

 

При наличии в вертикальном листе подготовки кромок касательные  напряжения определяются по формуле

При сварке конструкций, у которых толщина листов s_B≥4 мм,  принимаем  К≥4 мм.

Прерывистые швы не целесообразны, так как при этом затрудняется применение автоматической сварки и возникает дополнительная  концентрация   напряжений.

При наличии в балке  сосредоточенных перемещающихся грузов поясные швы принимают некоторое участие в передаче нагрузки с горизонтального листа на вертикальный. Это имеет место вследствие неплотного их взаимного соприкосновения. Если груз перемещается по рельсу, прикрепленному к поясу балки, то напряжение τ_р в поясных швах определяется по формуле

где  р — вес сосредоточенного груза;

п — коэффициент, зависящий от характера обработки кромок вертикального листа (обычно β=0,4);

z — расчетная длина шва, по которой происходит передача давления с пояса на вертикальный лист.

В ряде случаев, например в подкрановых или крановых балках, поясные швы в верхней зоне в результате локального действия сосредоточенных сил Р испытывают значительные усилия. При этом их целесообразно оформлять с катетами в отношении 1,5 : 1 или 2:1 с обеспечением глубокого проплавления.

При расчете целесообразно  принять β=0,7, несмотря на автоматический метод сварки.

После вычисления τ_р определяют условное результирующее напряжение:

Швы, приваривающие ребра  жесткости, как правило, на прочность расчетом не проверяются. Они выполняются угловыми с катетом, составляющим (0,3. . .0,6) от толщины вертикального листа s_B. Эти швы в опорных сечениях, а также в местах приложения сосредоточенных сил непременно выполняют непрерывными. Ребра жесткости вне опорных сечений в наиболее напряженных волокнах растянутой зоны иногда не приваривают . В балках, работающих под статической нагрузкой, рекомендуется укладка односторонних угловых поясных швов при автоматической сварке и соответственно с глубоким проплавлением. Также возможна укладка односторонних швов при приварке ребер жесткости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. СТЫКИ

Расчет прочности стыков балок производится обычно на изгиб. Напряжение в стыке определяется как

Если допускаемое напряжение в соединении (в шве или прилегающей к шву зоне) [s']_p<[s]_p, то такой стык оказывается неравнопрочным целому сечению. В этом случае стыки целесообразно помещать в сечениях, удаленных от зон максимальных моментов, чтобы выполнялось условие s<[s']_p. Если s≥[s´]_р, а стык должен находиться в зоне, где М имеет максимальное значение, то допускается произвести местное усиление балки привариванием к ее поясу дополнительных горизонтальных листов, увеличивающих момент инерции и момент сопротивления в расчетном сечении. При этом

где W´ — момент сопротивления сечения усиленной балки.

К накладкам прибегают  редко, так как они являются источником образования концентрации напряжений и их применение ухудшает работу балок под переменными нагрузками.

В некоторых случаях  стыки проектируют косыми. Это  неудобно в технологическом отношении. Более рационально применение обычных стыков, выполненных технологическими процессами высокого качества.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. ПРИМЕНЕНИЕ ШТАМПОВАННЫХ И ГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ

Типы поперечных сечений  балок из штампованных и гнутых профилей. Как правило, эти конструкции тонкостенные (s=l. . .5 мм). Рационально применение в балках тонкостенных штампованных и гнутых элементов,    соединенных    контактной   точечной   сваркой

Дуговая сварка гнутых профилей осложняется, если укладку шва производят по зоне пластической деформации, вызванной в процессе изготовления элемента. В этих зонах возможно старение металла, т. е. ухудшение пластических свойств и образование трещин. Сварные точки и швы располагают в местах, удаленных от зон пластического деформирования.

В поперечных сечениях балок, изображенных на рис. 2, а, б, точки являются связующими. Они не несут рабочих усилий и расчету на прочность не подлежат. В сечениях балок, изображенных на рис. 9.10, в, точки являются рабочими. Срезывающее усилие на единицу длины балки определяется по формуле. Касательное усилие на участке балки длиной, равной расстоянию между точками, определяют по формуле

 

Рис. 1 Облегченные   конструкции   балок   из   гнутых   и штампованных    профилей

Рис. 2 Примеры поперечных сечений  балок, сваренных точечной   сваркой:

а, б — в связующие соединения; в, г, д, е, ж, з рабочие соединения

Шаг t, который является расстоянием между точками, должен быть не более 30 s_min в сжатой зоне и не более 40 s_min в растянутой, где s_min — минимальная толщина стенки.

Срезывающие напряжения в точке находятся по формуле

где d — диаметр точки (в сечении находятся две точки). Обычно   рабочие   напряжения   точек   в   конструкциях указанного типа незначительны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. ПРИМЕРЫ КОНСТРУКЦИИ БАЛОК

Рассмотрим подкрановую балку пролетом l=12 м под краны грузоподъемностью 5. . .75 т (проект ЦНИИПСК). С изменением нагрузки меняется высота Н и размеры поперечных сечений балок, а разбивка ребер жесткости остается прежней. Сварка поясных швов автоматическая. При тяжелом режиме работы катет поясных швов K=0,85s_B — в сжатой зоне; К=0,65s_в — в растянутой зоне. Сварка выполняется с полным проваром стенки.