Таблица 6.2. Механические свойства высокопрочных болтов

повышенной точности привела к тому, что соединения на таких болтах применяются редко.

Высокопрочные болты (ГОСТ 22353-77 и ГОСТ 22.356-77) (сдвиго-устойчивые) изготовляют из легированной стали, готовые болты термически обрабатывают (табл. 6.2). Высокопрочные болты являются болтами нормальной точности, их ставят в отверстия большего, чем болт, диаметра, но их гайки затягивают тарировочным ключом, позволяющим создавать и контролировать силу натяжения болтов. Большая сила натяжения болта плотно стягивает соединяемые элементы и обеспечивает монолитность соединения. При действии на такое соединение сдвигающих сил между соединяемыми элементами возникают силы трения, препятствующие сдвигу этих элементов относительно друг друга. Такп.м образом, высокопрочный болт, работая на осевое растяжение, обеспечивает передачу сил сдвига трением между соединяемыми элементами, именно поэтому подобное соединение часто называют фрикционным. Для увеличения сил трения поверхности элементов в месте стыка очищают от грязи, масла, ржавчины и окалины металлическими щетками, пескоструйным или дробеструйньУм аппаратом, огневой очисткой и не окрашивают.

Чтобы соединение с накладками с двух сторон работало надежно, необходима строго одинаковая толщина соединяемых элементов, так как даже при небольшой разности их толщин плотного прилегания элементов добиться не удается и силы трения, а следовательно, и несущая способность болта резко уменьшаются.

Иногда между соединяемыми поверхностями, очищенными металлическими щетками, вставляют тонкую стальную прокладку, имеющую с двух сторон покрытие полимерным клеем с корундовым порошком. Такое решение позволяет выравнивать перепад плоскостей стыкуемых деталей и одновременно дает высокий коэффициент трения.

Помимо сдвигоустойчивых, фрикционных соединений на высокопрочных болтах существуют соединения с «несущими» высокопрочными болтами, отличающиеся передачей сдвигающих усилий совместной работой сил трения, смятия и среза болта. Эти соединения будут иметь остаточные перемещения, появляющиеся при преодолении начального трения и зависящие от плотности посадки болтов в отверстия, но зато их несущая способность существенно в 1,5-2 раза увеличивается и упрощается подготовка контактных поверхностей. Однако такие соединения не могут быть рекомендованы в конструкциях, где остаточные перемещения нежелательны, и при вибрационных нагрузках.

Для улучшения работы соединения иногда также применяют комбинированное клееболтовое соединение, в котором соединяемые поверхности склеивают специальными клеями, а затем стягивают высокопрочными болтами. Соединения на высокопрочных болтах обладают преимуществами обычных болтовых соединений по простоте устройства соединения; по качеству работы они не уступают сварным соединени-ям, но уступают им по расходу металла. Применяются они в монтажных соединениях, имеющих большие сдвигающие силы, и при действии динамических и вибрационных нагрузок.

Самонарезающие болты (ТУ 34-5815-70) отличаются от обычных наличием резьбы полного специального профиля на всей длине стержня для нарезания резьбы и завинчивания в ранее образованные отверстия соединяемых деталей (рис. 6.1,6). Материалом для них служит сталь СтЮкп термоупрочненная. Применяются они в основном d-6 мм для прикрепления профилированного настила к прогонам и элементам фахверка, и их большим преимушеством является необходимость доступа к конструкции только с одной стороны.

фундаментные (анкерные) болты (ГОСТ 24379.1-SO) служат для передачи растягивающих усилий с колонн на фундамент. Их конструкция показана на рис. 6.1, е, а материалом служат стали марок ВСтЗкп2, 09Г2С и 10Г2С1.

2. Заклепочные соединения

Заклепочные соединения, являющиеся в прошлом основным видом соединений ме таллических конструкций, из-за неудобств технологического процесса клепкн (необхо димость нагрева заклепок до температуры 800 °С) и перерасхода металла на соеди нение в настоящее время почти полностью вытеснены сваркой и высокопрочными бол тами при монтаже. Они сохранили весьма ограниченное применение только в тяжелых конструкциях, подвержениых воздействию динамических и вибрационных нагрузок, а также при использовании трудносвариваемых материалов - некоторые термообра ботаиные стали и алюминиевые сплавы. Заклепки изготовляют из специальной угле родистой или низколегированной стали, обладающей повыщенными пластическими свой ствами (рис. 6.2, а). Отверстия в соединяемых элементах образуют так же, как в бол товых соединениях. В образованные отверстия вставляют стержень j заклепки ударами пневматического молотка или давлением клепальной скобы его осаживают, увеличивая в диаметре, плотно заполняя отверстие с одновременным образованием за мыкающей головки (рис. 6.2,6).

Клепку ведут горячим и холодным способами. При горячей клепке разогретую до ярко-красного каления (/«800°) заклепку вставляют в отверстие и клепкой образуют замыкающую головку. Поставленная заклепка, остывая, стягивает соединяемые элементы, что существенно улучшает работу соединения на сдвигающие силы благодаря возникающим при этом силам треиия.

При холодной клепке, выполняемой только на заводе, металл заклепки пластически деформируется клепальной скобой, образуя замыкающую головку. Сила стягнванпя заклепкой соединяемых элементов при этом получается значительно меньшей, однако сам процесс клепки более прост.

Работа заклепочных соединений на сдвиг носит промежуточный характер мду работой обычных и высокопрочных (сдвигоустойчивых) болтов, так как силы стлгн-вания пакета значительны, но недостаточны для восприятия сил сдвига только трением. Поэтому расчет их аналогичен расчету обычных болтов, а наличие сил трения учитывается повышением расчетных сопротивлений. Однако действующий СНнП П-23-8! не даст расчетных указаний о заклепочных соединениях, и при усилении существующих клепаных конструкций надо пользоваться нормативными указаниями прошлых лет.

L--0,Sd

§ 2. работа и расчет болтовых соединении

1. Работа и расчет на сдвиг при действии статической нагрузки

Работа на сдвиг является основным видом работы большинства соединений, причем в разных соединениях она и.меет свои особенности.

В соединениях на болтах с неконтролируемой силой затяжки гайки грубой, нормальной и повышенной точности, силы стягивания пакета болтами, а следовательно, и развивающиеся силы трения между соединяемыми элементами при действии сдвигающих сил на соединение неопределенны

Замыкающая гомВка

1,6 d

акладная головка

Рис. 6.2. Заклепочные соеднкення

а - заклепка с полу.<руглой головкой; б - постановка заклепки в соединение

и в большинстве случаев недостаточны для полного восприятия этих сдвигающих сил. Работу такого соединения можно разбить на четыре этапа (рис. 6.3). На 1-м этапе, пока силы трения между соединяемыми элементами не преодолены, сами болты не испытывают сдвигающих усилий и работают только на растяжение, все соединение работает упруго. Так работают сдвигоустойчивые соединения на высокопрочных болтах. При увеличении внешней сдвигающей силы силы внутреннего трения оказываются преодоленными и наступает 2-й этап - сдвиг всего соединения на величину зазора между поверхностью отверстия и стерлнем болта. На 3-м этапе сдвигающее усилие в основном передается давлением поверхности отверстия на стержень болта; стержень болта и края отверстия постепенно обминаются; болт изгибается, растягивается, так как головка и гайка препятствуют свободному изгибу стержня. Постепенно плотность соединения расстраивается, силы трения уменьшаются и соединение переходит в 4-й этап работы, характеризующийся его упругопластической работой. Разрушение соединения происходит от среза болта, смятия и выкола одного из соединяемых элементов или отрыва головки болта.

Работа эта сильно осложнена неправильностью формы болта и стенки отверстия, поэтому расчет соединения носит условный характер.

Различают также работу одноболтового и многоболтового соединения. В многоболтовом соединении эги же неправильности формы болта и отверстия, а также возможные зазоры между болтом и отверстием неизбежно приводят к неравномерной работе отдельных болтов соединения, что учитывают соответствующим назначением коэффициента условий работы соединения.

Расчет ведут исходя из возможного вида разрушения соединения по срезу болта при толстых соединяемых листах или по смятию поверхности отверстия при тонких листах:

а) расчетное усилие, воспринимаемое одним болтом по срезу:

где У?р-расчетное сопротивление болтов срезу (табл. 6.1); уб - коэффициент услопий работы соединения. Для болтов грубой и нормальной точности в многоболтовом соединении уб=0,9, для болтов повышенной точности уб=1; Лб=пй/4 - площадь сечения болта по ненарезной части, d - диаметр стержня болта; Пср - число расчетных срезов одного болта (рис. 6.4, а);

б) расчет болта на смятие носит условный характер, так как в местах передачи усилия с болта на соединяемые листы отмечается сложно-напряженное состояние (рис. 6.4,6).

На этом же рисунке видно, что в точке а резко возрастают сминающие напряжения аи растягивающие напряжения Оу. Сминающие напряжения al могут вызвать преждевременную текучесть материала, а растягивающие напряжения Оу - разрыв (раскол) соединяемого элемента, тогда болт «прорежет» его. В то же время в точке б болт практически не передает усилий на лист, и в этом .месте возрастание напряжений Ох объясняется только обычной концентрацией напряжений по краям отверстия. Неравномерность работы материала вблизи отверстия увеличивается в соединениях типа С. Трудность учета действительного сложнонапряженного состояния привела к тому, что в расчете принимается равномерное давление болта на стенку отверстия по всему диаметру болта. Это несоответствие расчета действительной работе учитывается условным характером расчетных сопротивлений. Расчетное усилие, которое может быть воспринято одним болтом по смятию элементов, рассчитывается по формуле

Rtuy,d:Zt, (6.2)

где *- расчетное сопротивление смятию элементов, соединяемых болтами (прил, 4); Уб и d - см. примечание к формуле (6.1); 2 - иаименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении.