Способы соединения элементов металлоконструкций

Наиболее широкое применение в мостостроении получили монтаж­ные соединения на сварке, на высокопрочных болтах и комбиниро­ванные болтосварные. Заклепочные соединения теперь на монтаже пременяют исключительно редко¹.

Область применения сварных соединений—это стыки сплошностепчатых главных балок и элементов ортотропных плит. Стык главной балки двутаврового поперечного сечения (рис. 26.5), разработанной Институтом электросварки (ИЭС) им. Е. О. Пато- на с учетом наложения всех стыковых швов автоматами под слоем флюса, выполняют в следующем порядке. Выверяют с применением геодезического контроля положение монтажных элементов балок в плане и профиле, добиваясь совмещения кромок нижних поясов в стыке и заданного (по кривой строительного подъема) угла пе­релома осей элементов в профиле, а также прямолинейности их в плане. Затем по месту уточняют размеры вставок, изготовляемых иа заводе с припуском на последующую обрезку при подгонке. Привэривают выводные планки и с помощью сварочного автомата ТС- 17МУ (см. п. 25.1) накладывают горизонтальный шов в стыке ниж­него пояса; поперечные размеры автомата диктуют ширину проема в стенке, т. е. ширину d\ вставки 1 (около 400 мм). После этого устанавливают и закрепляют вставку и заваривают два вертикаль­ных стыковых шва стенки. Сварку вертикальных стыков ведут по разработанному ИЭС методу принудительного формирования шва, его сущность состоит в том (рис. 26.6), что сварочная ванна, обра­зуемая в 10—12 мм зазоре между соединяемыми листами, ограж­дается медными накладками, с одной стороны шва неподвижной, а с другой — подвижной; причем для ускорения процесса сварки во внутренних полостях накладок циркулирует охлаждающая вода. Сваривают под слоем флюса автоматом типа А-820М, перемещаю­щимся вертикально вместе с ползуном с помощью зубчатой рейки. После наложения вертикальных швов подгоняют по месту вставку 2 и автоматом ТС-17 МУ заваривают два стыковых шва верхнего пояса. Угловые швы накладывают по верхнему и нижнему поясам в местах вставок / и 2 посредством полуавтоматической сварки в среде углекислого газа.

При монтаже пролетных строений отличительная особенность устройства сварного стыка балки — необходимость выверки мон­тажных элементов, т. е. приведения их в проектное положение. Для

этой операции применяют домкраты, ус­танавливаемые по концам элементов на вспомогательные опоры или подмости. Поскольку устройство вспомогательных опор в пролетах моста связано с повы­шенными материальными затратам^, пролетные строения со сварными соеди­нениями монтируют чаще на насыпях подходов, где вспомогательными опора­ми могут быть деревянные клетки или бе­тонные тумбы, а затем устанавливают в пролет продольной передвижкой.

Сложная и наименее освоенная нз перечисленных операций — это сварка вертикальных стыков; возникновение дефектов в швах при этом наиболее ве­роятно. Для обеспечения качества сварки нужны тщательный подбор сварочных ма­териалов и режимов сварки, а также обес­печение контроля соединений.

Технологический процесс устройства фрикционных соединений на вы­сокопрочных болтах включает операции обработки контактных поверхностей, сборки соединений, постановки и натяже­ния высокопрочных болтов на норматив­ные усилия.

Цель обработки контактных поверхностей состоит в обеспечении нормативных коэффициентов трения f. Значения / тем выше, чем больше степень удаления прокатной окалины. Полное ее удаление достигается при пескоструйной (дробеструйной, дробеметной) об­работке, чему соответствует /"=0,58, а частичное — при газопла­менной(f=0.42). При необработанных поверхностях с прокатной окалиной коэффициент трения имеет наиболее низкое значение (/= = 0,35), причем для его обеспечения необходимо очистить поверх­ность от возможных загрязнений стальными проволочными щетка­ми с электроприводом, растворителями и пр. Значения f и способ подготовки поверхностей указывают в проекте сооружения.

При пескоструйной обработке на поверхность металла воздействуют струей песчано-воздушной смеси, подаваемой под дав­лением. В качестве абразивного материала используют кварцевый или металлический песок, а при дробеструйной обработке — сталь­ную дробь. Необходимое условие нормальной работы пескоструй- пых установок — применение сухого песка, для просушки которого наиболее удобны печи с вращающимся барабаном (рис.26.7). Пе­сок, подаваемый в барабан по лотку, перемешивается благодаря наличию уголков, приваренных изнутри барабана, и перемещается вдоль печи. Скорость продольного перемещения регулируют путем изменения наклона печи в зависимости от влажности песка. Про­сушивается песок под действием пламени форсунки, работающей на жидком топливе. Выходной конец барабана выполнен в виде ци­линдрического сита для отсеивания фракции крупнее 2,5 мм. Квар­цевый песок используют для очистки однократно, а металлический песок и стальную дробь многократно. Пескоструйную очистку ве­дут при давлении сжатого воздуха 0,35—0,5 МПа.

Установка для пескоструйных работ (рис. 26.8) имеет фильтр (масловодоотделитель) для очистки поступающего от компрессора сжатого воздуха, пескоструйный аппарат, пистолет-распылитель с соплом, а также систему стальных трубопроводов и шлангов. Пе­скоструйный аппарат (рис. 26.9) представляет собой резервуар для песка, оснащенный сверху загрузочным бункером и клапаном, а снизу — патрубком для соединения резервуара с трубопроводом. Подача сжатого воздуха в верхнюю часть резервуара обеспечивает более интенсивное поступление песка из резервуара в трубопровод. Конусный клапан на время работы аппарата закрывают, а иа вре­мя его загрузки песком открывают.

Наиболее ответственная часть пистолета-распылителя (рис. 26.9)—его сменное насадка-сопло. Сопло должно иметь повышен­ную износостойкость при абразивном воздействии песчано-воздуш- нон смеси. Этому условию удовлетворяют минералокерамическне сопла; срок их службы 70—100 ч. При малых объемах работ приме­няют металлические сопла со сроком службы 1 —1,5 ч. Увеличение проходного диаметра сопла приводит к резкому увеличению расхо­да сжатого воздуха.

Расход песка составляет 0,05—0,10 м³ па 1 м² очищаемой по­верхности.

При пескоструйной очистке кварцевым песком необходимо за­щищать органы дыхания работающих от кварцевой пыли. Для этой цели служат скафандры со шлангами для подачи под скафандр из­быточного количества очищенного сжатого воздуха. Пескоструйная

очистка в закрытых помещениях недопустима.

Огневую очистку кон­тактных поверхностей выполня­ют пламенем кислородно-ацети­леновой горелки с последующим удалением продуктов сгорания мягкими проволочными щетками. В результате обработки с поверх­ности металла удаляются загряз­нения и ржавчина, а также (ча­стично) прокатная окалина, при­водящая к некоторому повыше­нию шероховатости поверхности.

Наиболее полная очистка до­стигается при восстановительном характере пламени, поэтому для работы горелки кислород подают наибольшем возможном количестве, пока пламя еще не гасиет. Необходимое давление кислорода составляет 0,5—0,6 МПа, ацети­лена — 0,04—0,05 МПа. Скорость перемещения горелки поддержи­вают на уровне 1 м/мин, а ее наклон к поверхности металла — в пределах 40—45°. Для очистки применяют широкопламенпые горел­ки — «огневые щетки» (рис. 26.10). Расход материалов на 1 м² очи­щаемой поверхности составляет в среднем кислорода 1 м³ и ацети­лена 0,6 м³.

Очищенные поверхности нужно тщательно предохранить от за­грязнений во избежание снижения коэффициентов трения. Поэтому срок хранения элементов от очистки контактных поверхностей до сборки соединений не должен превышать 3 сут. В случае загряз­нения контактные поверхности должны быть очищены повторно. Это требование не распространяется на налет ржавчины, который может образоваться на поверхностях после их очистки. Не требует­ся также удалять с поверхностей влагу при попадании атмосфер­ных осадков или конденсации водяных паров. Все эти правила осно­ваны на результатах исследований, которые показали, что корроди­рование металла по контактным поверхностям происходит и в собранных соединениях при затянутых болтах вследствие проник­новения водяных паров через остающиеся зазоры. Однако процесс корродирования здесь носит затухающий характер ввиду постепен­ного уплотнения зазоров продуктами коррозии, объем которых пре­вышает объем исходного металла. Коррозия металла приводит к переработке прокатной окалины в ржавчину и повышению шерохо­ватости; коэффициенты трения при этом становятся такими же,каки после пескоструйной обработки.

Поэтому развитие коррозии приводит к повышению коэффициен­тов трения, если поверхности были подвергнуты огневой обработ­ке или очистке щетками; в случае же пескоструйной обработки ко­эффициенты трения остаются на том же уровне.

При наличии на контактных поверхностях влаги коэффициент трения будет несколько ниже (в среднем на 15 %). что должно быть принято во внимание в расчете соединений на действие мон­тажных нагрузок. Поскольку в дальнейшем влага химически свя­зывается, образуя продукты коррозии, коэффициенты трения при расчете на эксплуатационные нагрузки не снижаются.

Перед сборкой соединений иа высокопрочных болтах удаляют с помощью пневматических наждачных машин заусенцы у монтаж­ных отверстий и другие дефекты, препятствующие плотному приле­ганию деталей. Сборку начинают с совмещения монтажных отверстий с помощью конических отправок (см. рис. 25.15, о). Затем положение соединяемых элементов фиксируют путем заполнения отверстий цилиндрическими пробками (см. рис. 25.15, б), номиналь­ный диаметр которых равен диаметру отверстий, а число должно составлять не менее 10 % от числа отверстий в соединении. Далее свободные отверстия заполняют высокопрочными болтами, натяги­вают болты на нормативные усилия, после чего заменяют болтами ранее поставленные пробки. В связи с тем, что положение элементов определяется по сов­мещению отверстий, и, следовательно, геометрическая схема про­летного строения создается не на стадии монтажа конструкций, а на стадии их изготовления — в процессе образования монтажных отверстий. Этим исключается необходимость в инструментальных наблюдениях за положением монтируемых элементов, а такими наблюдениями контролируют только положение смонтированных конструкций с целью выявления возможных неточностей заводско­го изготовления. Наряду с возможностью быстрого закрепления элементов в проектном положениии это позволяет собрать без устройства вспомогательных опор в местах стыков, т. е. применять более экономичные навесные методы монтажа.

В элементах собираемых конструкций возникают усилия от мон­тажных нагрузок. После проектного натяжения всех болтов эти усилия воспринимаются болтовыми соединениями, а на предшест­вующих стадиях — комбинированными соединениями из высоко­прочных болтов и пробок. При этом, расчетное сопротивление пробки принимают таким же, как и у монтажной заклепки, а со­противление болта—уменьшенным на 15 % в сравнении с сопро­тивлением в период эксплуатации пролетного строения. Такое сни­жение отражает понижающее влияние на значения коэффициента трения, возможного в период монтажа увлажнения контактных поверхностей.

Высокопрочные болты могут быть натянуты на проектные уси­лия двумя способами, отличающимися методом регулирова­ния усилий натяжения и технологией работ.

Первый способ основан на известной линейной зависимости между моментом закручивания и усилием натяжения болта.

Момент закручивания (в килоньютои-метрах):

Л1 = Л'Ас,

где N — усилие натяжения болта, кН; d — диаметр болта, мм,

к — коэффициент закручивания, принимаемый равным 0,17.

Таким образом, задача натяжения болта на заданное усилие решается натяжением его на заданный момент закручивания. Для натяжения применяют ручные динамометрические ключи, снабжен­ные устройствами регистрации моментов закручивания (рис. 26.11, а). Приложенное к рукоятке усилие передается через рычаг на поршень гидроцилиндра; создаваемое при этом давление жидко­сти фиксируется гидравлическим манометром. Для определения соотношения между моментами закручивания и показаниями мано­метра ключ тарируют, устанавливая его в горизонтальном положе­нии с подвешенным к рукоятке грузом Р, создающим заданный мо­мент закручивания М — Pl. Такие же показания должны быть обес­печены и для натяжения болтов в процессе устройства соединений. Для уменьшения затрат труда болты натягивают в две стадии. На первой стадии применяют механизированный инструмент (пневма­тические гайковерты), и усилия натяжения при этом составляют50—90 % от проектных. На второй стадии болты дотягивают до проектных усилий динамометрическими ключами.

Второй способ регулирования усилий натяжения основан па за­висимости между усилиями натяжения N и углами поворота гай­ки а. Установлены углы поворота, соответствующие проектным усилиям натяжения. Значения угла (в градусах) зависят от чис­ла тел (листов), образующих соединяемый пакет:

Число тел в пакете от 2 до 7........................ а= 180

То же, 8 и больше..................................... а = 240

Допускаемое отклонение.......... ±30

Натягивают болт пневматическим гайковертом. Технологиче­ский процесс включает операции тарирования гайковертов и соб­ственно натяжения болтов на монтаже. Первую операцию выпол­няют на тарировочном пакете из двух листов, плотно стянутых высокопрочными болтами. Пять свободных отверстий пакета запол­няют тарировочными высокопрочными болтами, которые плотно на­тягивают ручным монтажным ключом с короткой рукояткой, обес­печивая тем самым плотный контакт между листами в зоне каждо­го болта. Затем, применяя пневматический гайковерт достаточной мощности (рис. 26.11, б) поворачивают гайки тарировочных болтов, регулируя давление воздуха в сети так, чтобы углы поворота гаек при прекращении их вращения составляли 180+30°. Углы поворота отсчитывают по рискам на сменной головке гайковерта. Протари- рованным гайковертом натягивают болты на монтаже, поворачивая гайки до прекращения их вращения при том же давлении сжатого воздуха.

Натяжение болтов пневмати­ческими гайковертами обеспечи­вает механизацию процесса и снижение трудоемкости работ.

Контролируют усилия в болтах в первом случае дина­мометрическими ключами, уста­навливая соответствие между расчетными значениями момента закручивания и их фактическими в момент трогания гайки с места, а во втором — протарированны- ми пневматическими гайковерта­ми; признак достаточного натя­жения —■ отсутствие вращения гаек.

Сравнивая монтажные соеди­нения на сварке и высокопрочных болтах, можно отметить преиму­щество первых, состоящее в эко­номии металла, ввиду отсутствия стыковых накладок и ослабле­ния сечений болтовыми отвер­стиями Вместе с тем технология и контроль качества сварных сое­динений более сложны и ограни­чивают применение эффектив­ных навесных методов монтажа пролетных строений.

Компромиссное решение представляют комбинированные бол- тосварные соединения, когда стыки поясов балок выполняют на сварке, а стыки стенок — на высокопрочных болтах (рис. 26.12). Выкружки в местах перехода от стенки к полкам исключают кон­центрацию напряжений; образуемые выкружками проемы запол­няют прокладками.

Устраивают болтосварной стык в следующем порядке. Монти­руемый элемент заводят медсду стыковыми накладками I стенки, закрепленными к ранее смонтированному элементу при его укруп­нительной сборке. Совмещают монтажные отверстия и фиксируют положение элемента путем постановки пробок. В свободные от­верстия устанавливают высокопрочные болты. С помощью авто­мата ТС-17 МУ, оборудованного специальной удлиненной пристав­кой, сваривают стык нижнего пояса; при этом приставка проходит в проем стенки, сам же аппарат находится по одну сторону от стенки. Заваривают стык верхнего пояса, устанавливают проклад­ки и накладки 2, устанавливают и натягивают высокопрочные болты.

В связи е тем, что пояса стыкуются на сварке и ослаблений не имеют, расход металла на конструкции с болтосварнымп соеди­нениями лишь ненамного больше, чем при сварных соединениях. В то же время по технологии монтажа болтосварные соединения обладают преимуществами болтовых, в частности, они применимы при навесных методах монтажа. Благодаря сочетанию преиму­ществ сварных и болтовых соединений, болтосварные стыки пред­ставляют весьма рациональное решение.