2.4. Монтажный стык балки на высокопрочных болтах

Пример 10.13.Рассчитать монтажный стык на высокопрочных болтах в середине разрезной сварной балки (рис. 10.41), изготовленной из стали класса С255, имеющего расчетное сопротивление материалаR_y= 240 МПа = = 24 кН/см². Балка двутавровая составлена из трех прокатных листов следующего сечения: стенка – 1500×12 мм с площадьюА_w= 180 см²; два пояса – 450×25 мм с площадьюА_f= 112,5 см²каждый. Максимальный изгибающий момент в середине балкиM_max = 4651,14 кН·м, поперечная сила отсутствует (Q = 0). Момент сопротивления балкиI_x= 1645664 см⁴; момент инерции стенкиI_w = 337500 см⁴.

Способ регулирования натяжения высокопрочных болтов – по моменту закручивания M. Способ обработки поверхностей – газопламенный.

Рис. 10.41.Монтажный стык сварной балки на высокопрочных болтах

Монтажные стыки на высокопрочных болтах выполняются с накладками (по три на каждом поясе и по две на стенке). Площади сечения накладок должны быть не меньше площадей сечения перекрываемых ими элементов.

Рекомендуемые к применению в конструкциях средней мощности высокопрочные болты с диаметрами 16; 20; 24 и 30 мм.

Принимаем болты d_b= 24 мм. Диаметр отверстияdпод болт делается на 2…3 мм большеd_b. Назначаем отверстиеd = 26 мм.

Размещение болтов производится согласно требованиям (см. табл. 10.23).

Минимальное расстояние между центрами болтов (шаг болтов) в расчетных соединениях определяется условиями прочности основного металла и принимается в любом направлении равным a_min= 2,5d= 2,5 · 26 = 65 мм.

Принимаем а= 70 мм.

Максимальное расстояние между болтами определяется устойчивостью сжатых частей элементов в промежутках между болтами (в крайних рядах при отсутствии окаймляющих уголков a_max ≤ 12t_min = 12 · 10 = 120 мм, гдеt_min – толщина наиболее тонкого наружного элемента) и обеспечением плотности соединения:

Минимальное расстояние от центра болта до края элемента для высокопрочных болтов в любом направлении усилия

с_min≥ 1,3d= 1,3 · 26 = 33,8 мм.

Принимаем с= 50 мм. Ширина верхней накладки пояса принимается равной ширине пояса балкиb_nf = b_f = 450 мм.

Ширина каждой нижней накладки пояса определяется:

b^′_nf= [b_f – (t_w+ 2k_f+ 2Δ)] / 2 = [450 – (12 + 2 ∙ 7 + 2 ∙ 10)] / 2 = 202 мм,

где Δ= 10…15 мм – конструктивный зазор.

Толщина каждой накладки пояса

_{tnf = tf / 2 + 2 = 25 / 2 + 2 = 14,5 мм.}

Принимаем верхнюю накладку из листа 45014 мм с площадью сечения А_nf= 63 см² и две нижних накладки из листа 20014 мм с площадью сеченияА^′ _nf= 28 см².

Суммарная площадь накладок

А_n =А_nf+ 2А^′ _nf= 63 + 2 ∙ 28 = 119 см²>А_f= 112,5 см².

Горизонтальные болты располагаем в 4 ряда на одной полунакладке.

Определяем длину (высоту) двух вертикальных накладок:

l_nw = h_w – 2(t_nf + Δ) = 1500 – (14 + 10) = 1450 мм.

Ширина вертикальных накладок

b_nw= 2а+δ+ 4c= 2 · 70 + 10 + 4 · 50 = 350 мм,

где δ= 10 мм – зазор между элементами.

Толщину одной вертикальной накладки t_nwпринимаем равной толщине стенкиt_w за вычетом 2 мм (t_nw= 10 мм).

Максимальное расстояние между крайними горизонтальными рядами болтов (с учетом расстояния до края элемента с= 50 мм)

а₁= 1450 – 2 ∙ 50 = 1350 мм.

Стык осуществляем высокопрочными болтами d_b= 24 мм из стали 40Х «селект», имеющей наименьшее временное сопротивление:

R_bun = 1100 МПа = 110 кН/см²(см. табл. 10.28).

Расчетное усилие Q_bh, которое может быть воспринято каждой поверхностью трения соединяемых элементов, стянутых одним высокопрочным болтом, определяется по формуле

где – расчетное сопротивление растяжению высокопрочного болта;

A_bn= 3,52 см²– площадь сечения нетто болтаd_b= 24 мм (см. табл. 10.26);

–коэффициент трения при газопламенном способе обработке поверхностей (см. табл. 10.29).

–коэффициент надежности, принимаемый при статической нагрузке и разности номинальных диаметров отверстий и болтов с использованием регулирования натяжения болтов поМ при газопламенном способе обработки поверхностей;

_b– коэффициент условий работы соединения, зависящий от количества болтов в соединении.

Определяем:

Расчет стыков поясов и стенки производим раздельно. Приравнивая кривизну балки в целом (здесь – радиус кривизны) кривизне ее составляющих – стенкиM_w/ (EI_w) и поясовM_f / (EI_f),находим изгибающие моменты в стенкеM_wи поясахM_f, которые распределяются пропорционально их жесткостям, соответственноEI_wиЕI_f.

Момент инерции стенки I_w= 337500 см⁴.

Момент инерции поясов

Изгибающий момент в стенке

Изгибающий момент в поясах

Расчет стыка пояса.Расчетное усилие в поясе определяется по формуле

Количество болтов nна каждую сторону от центра стыка балки для прикрепления накладок пояса определяем по формуле

где k_s= 2 – количество поверхностей трения соединяемых элементов.

Принимаем 12 болтов и размещаем их согласно рис. 10.41.

Длина горизонтальных накладок назначается конструктивно из условия размещения болтов:

l_nf= 2 (n₁a+ 2c) +δ= 2 (2 70 +2 ∙ 50) + 10 = 490 мм,

где n₁= (3 – 1) – количество рядов болтов на полунакладке за минусом 1.

Расчет стыка стенки.Расчетный момент, приходящийся на стенку, уравновешивается суммой внутренних пар усилий, действующих на болты. Максимальное горизонтальное усилие N_max от изгибающего момента, действующее на каждый крайний наиболее напряженный болт, не должно быть больше несущей способностиQ_bhk_s.

Условие прочности соединения

N_max =M_w a_max / (m Σa_i²) ≤ Q_bh k_s γ_с,

_{где аi – соответствующее расстояние между парами сил в болтах;}

a_{max =} a₁– максимальное расстояние между крайними горизонтальными рядами болтов;

m– число вертикальных рядов болтов на полунакладке.

Для определения числа рядов болтов по вертикали kи назначения их шагаавычисляем коэффициент стыка:

 = M_w/(ma_maxQ_bhk_s) = 95543 / (2135101,642) = 1,74.

Принимаем по табл. 10.30 число горизонтальных рядов болтов k= 8.

Определяем шаг болтов по вертикали:

_{a = amax/(k – 1) = 135 / (8 – 1) = 19,29 см.}

Таблица 10.30