Внутренние напряжения, вызванные сваркой, неравномерным остыванием после прокатки и другими причинами, оказывают разное влияние на металл: если внутренние напряжения вызывают дополнительное растяжение, то это вредно сказывается на пределе выносливости, если дополнительное сжатие, то это оказывает положительное действие на предел выносливости.

Повысить сопротивление усталостному разрушению конструкции мо.жно рядом основных мероприятий:

в конструкциях, где нет концентрации напряжений или она мала, переходом от малоуглеродистой стали к стали повышенной прочности (см. рис. 2.26, кривые 1 и 4);

в конструкциях со значительной концентрацией напряжений:

сглаживанием силового потока, переходя от конструкций с резкой концентрацией напряжений к конструкциям с более мягкой концентрацией;

снижением концентрации напряжений обработкой, например зачисткой поверхности сварного шва в стыковом соединении абразивным кругом или фрезой (сравните кривые 5 и 1, 6 и 4 н& рис. 2.26);

отводом силового потока от места острой концентрации;

предварительной вытяжкой конструкций, например обкаткой подкрановых балок краном с допустимой перегрузкой;

созданием благоприятных внутренних напряжений, например нагре- вом около мест концентрации напряжений с целью создания напряжений сжатия в местах концентрации;

созданием напряжений сжатия и уплотнения металла на поверхности, например дробеструйной обработкой.

5. Хрупкое разрушение. Несущая способность элементов металлических конструкций, изготавливаемых из малоуглеродистых сталей, зависит от условий нагружения и температуры эксплуатации. На рис. 2.27 приведены 3 области возможных видов разрушения - вязкое, квазихрупкое и хрупкое. Вязкое разрушение, как было сказано, определяется развитием пластических деформаций по части или всему сечению, а несущая способность элементов металлических конструкций - развитием больших перемещений (прогибов). Квазихрупкое (кажущееся хрупкое) разрушение находится как бы в промежутке между вязким и хрупким. Хрупкое разрушение определяется разрушением при малых деформациях, без ярко выраженного развития пластичности. На хрупкость стали оказывают существенное влияние в основном качество стали, старение, концентрация напряжений, температура эксплуатации, характер силового воздействия.

Загрязнение стали, включение серы и фосфора, избыточное содержание углерода способствуют увеличению ее хрупкости. Легирование и термическая обработка повышают сопротивление хрупкому разрушению. При возможности хрупкого разрушения конструкций следует применять углеродистую сталь полуспокойных и спокойных плавок.

Резкое изменение формы элемента конструкции - выточки, перегибы и т. п., резко изменяющие направление силового потока, надрезы, трещины, внутренние напряжения (остающиеся после проката и сварки), резкие перепады температуры - приводят к существенному сни-х<ению прочности и сопротивления хрупкому разрушению вследствие повышения напряжений около этих мест (см. рис. 2.21), стеснения местных деформаций и скоплений дислокаций.

Как видно из рис. 2.19, гладкие образцы с понижением температуры показывают повышающееся временное сопротивление и предел текучести (кривые / и 2), а также понижение относительного удлинения (кривая б). При надрезе временное сопротивление и предел текучести при температуре до минус 60 °С имеют повышенное значение, которое затем резко снижается (кривые 3 и 4). Около мест резкой концентрации напряжений развиваются повышенные деформации в виде «бабоч-

Рис. 2.27. Область возможных видов разрушений

- площадь сечения с изломом вязкого вида (в основном сдвигом); А - часть сечения с изломом хрупкого вида (в основном отрывом)

Рис. 2.28. Развитие повышенных деформаций («бабочкой») в месте острой концентрации напряжений

Рис. 2.29. Разрушение трубчатых образцов слева -при температуре +20 °С; справа - при температуре -196°С

- 49 -

ки» (рис. 2.28), а трещина, проходя по зернам и между ними в виде отрыва в средней части толщины образца, продвигается «ноготком».

Характерный вид разрущения показан на рис. 2.29: при положительной температуре 20 °С трубчатый образец при двухосном разнозначном напряжении не разрушился (образовался только пластический венчик, см. рис. 2.29 слева), а при температуре минус 196°С разлетелся, как стекло (рис. 2.29 справа). Это обстоятельство должно учитываться при проектировании конструкций,предназначенных для эксплуатации при низких температурах. Ударные, многократно повторяющиеся воздействия, а также объемные напряжения способствуют увеличению хрупкости стали и снижению несущей способности элементов металлических конструкций.

Факторы, способствующие хрупкому разрущению, учитываются при расчете конструкций. Сопротивление хрупкому разрущению оценивается положениями линейной механики разрушения и на основе обширных экспериментальных исследований*.

Глава 3. ОСНОВЫ РАСЧЕТА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИИ

§ 1. основные положения расчета металлических конструкции

1. Метод расчета по предельным состояниям

Цель расчета строительных конструкций - обеспечить заданные условия эксплуатации и необходимую прочность при минимальном расходе материалов и минимальной затрате труда на изготовление и монтаж.

Строительные конструкции рассчитывают на силовые и другие воздействия, определяющие их напряженное состояние и деформации, по предельным состояниям.

Метод расчета по предельным состояниям впервые был разработан в Советском Союзе в 50-е годы. Целью метода является не допускать с определенной обеспеченностью наступления предельных состояний при эксплуатации в течение всего заданного срока службы конструкции здания или сооружения, а также при производстве работ.

Под предельными состояниями подразумевают такие состояния, при которых конструкции перестают удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям или требованиям при производстве работ.

В расчетах конструкций на действие статических и динамических нагрузок и воздействий, которым они могут подвергаться в течение строительства и заданного срока службы, учитываются следующие предельные состояния:

первой группы - по потере несущей способности и (или) полной непригодности к эксплуатации конструкций;

второй группы - по затруднению нормальной эксплуатации сооружений.

К предельным состояниям первой группы относятся: общая потеря устойчивости формы; потеря устойчивости положения; разрушение любого характера; переход конструкции в изменяемую систему; качественное изменение конфигурации; состояния, при которых возникает необходимость прекращения эксплуатации в результате текучести материала, сдвигов в соединениях, ползучести, недопустимых остаточных или полных перемещений или чрезмерного раскрытия трещин.

Первая группа по характеру предельных состояний разделяется на две подгруппы: по потере несущей способности (первые пять состояний) и по непригодности к эксплуатации (шестое состояние) вследст-

* Махутов Н. А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкции на прочность. - М.: Машиностроение, 1981. -271 с.