Глава 2. Напряженно-деформированное состояние фланцевых соединений

Инженером Соскиным А. Г. [4] было проведено исследование напряженно-деформированного состояния фланцевых соединений элементов открытого профиля, воспринимающих статические растягивающие усилия с целью получения зависимости между толщиной фланцев и соотношением усилий, воспринимаемых болтами внутренней и наружной зон от действия внешней нагрузки.

Фланцевые соединения на высокопрочных болтах являются наиболее эффективными по сравнению с другими типами монтажных соединений элементов стальных строительных конструкций. Эффект достигается, главным образом, за счет практически полного использования несущей способности болтов на растяжение, что обеспечивает их минимальное количество в соединениях и, как следствие, существенно понижает затраты труда на монтаже конструкций. В этой связи, расчет болтов, основанный на допущениях, отражающих их действительное поведение, приобретает особое значение.

С точки зрения поведения болтов среди конструктивных форм фланцевых соединений растянутых элементов следует различать такие, в которых болты находятся в одинаковых условиях («элементарные» Т-образные соединения, ФС круглых и квадратных труб) и соединения, в которых условия работы болтов не одинаковы (фланцевые соединения элементов открытого профиля: парных и непарных уголков, тавров, двутавров и т.п.). Исследования показали, что поведение последних весьма сложно, характеризуется геометрической и физической нелинейностью.

С целью изучения закономерностей напряженно-деформированного состояния таких соединений были проведены испытания опытных образцов натурных фланцевых соединений (табл. 1):

- типовых стропильных ферм пролетом 24 метра с нижним поясом из парных равнополочных уголков 110х12, 125х8 и 140х12мм;

- широкополочные тавры 15Шт4;

Материал уголков, тавров, фаооиок, ребер жесткости и фланцев — стали с расчетным сопротивлением разрыву по пределу текучести от 225 до 400 МПа. Фланцы опытных образцов толщиной 20, 25 и 30 мм приваривали к соединяемым элементам без разделки кромок, вручную электродами типа Э50А по ГОСТ 9467-75. Болты высокопрочные М24 из стали 40Х «Селект» с нормативным сопротивлением разрыву 1100 МПа Опытные образцы испытывали на специальном стенде, позволяющим развивать растягивающие усилия в соединяемых элементах до 4000 кн. Измерение относительных деформаций проводили тензометрированием с использованием датчиков с базой 5, 10 и 20 мм. Все образцы дово­дили до разрушения, характер которого фиксировали.

Анализ экспериментальных данных показал, что распределение нор­мальных напряжений в сечениях соединяемых элементов, расположен­ных в непосредственной близости от фланцев, носит практически равномерный характер. Вместе с тем, усилия в болтах и изгибные напряжения на характерных участках фланцев испытанных соединений развиваются неравномерно.

На рис. 3 представлена усредненная диаграмма усилий в болтах об­разца Т-4, типичная для опытных ФС с числом болтов 6 и более. Из диаграммы следует, что гораздо более интенсивный прирост усилий происходит в болтах №№ 1,2,3,4, расположенных на участках фланцев внутренней зоны – ВЗ (см. схему соединения — заштрихованная об­ласть) . Внешняя нагрузка раскрытия внутренней зоны фланцев Т_Р ^в = 1236 кН, наружной зоны (НЗ) — Т_Р^Н= 1688 кН. Соответствующий при­рост усилий в болтах ВЗ относительно усилия предварительного на­тяжения В_о^в= 216 кН составил ΔВ^в = 29 кН. В момент разрушения соединения при Т_раз= 1962 кН усилия в болтахВЗ  В_раз = 392 кН. Ддя болтов НЗ эти значения равны: В₀ = 216 кН, ΔВ^н = 15 кН, В_раз= 260 кН. Полученные экспериментально усилия в болтах, со­ответствующие им значения внешней нагрузки и данные о характере разрушения опытных ФС приведены в табл. 2, Из таблицы следует, что выявленная закономерность развития усилий в болтах Т-4 про­слеживается и в других опытных соединениях.

Рис.3 Диаграмма усилий в болтах опытного соединения Т-4

Раскрытие фланцев ВЗ наступает раньше НЗ  ( Т_Р ^в < Т_Р^Н ), а усилия в болтах ВЗ — В^в (пос­ле раскрытия фланцев) всегда больше В^н. Причина этого заключает­ся в различной жесткости внутренней и наружной зоны фланцев. Анализ напряженно-деформированного состояния показал, что изгиб­ные напряжения во ВЗ фланцев развиваются заметно слабее, чем в НЗ, более жесткая на изгиб внутренняя зона фланцев передает на болты большую часть внешней нагрузки — Т^в по сравнению с наруж­ной, передающей на болты нагрузку Т^н (Т = Т^в + Т^н). Но этой же причине рычажные усилия — R, действующие на болты ВЗ и НЗ также неодинаковы.

Отметим, что экспериментальные значения напряжений в опасных сечениях фланцев при толщине t ≥ 20мм и достижении в болтах расчетных усилий — В_р, не превышали значений расчетных сопротивлений стали фланцев изгибу по пределу текучести.

Таблица 1. Геометрические параметры опытных соединений

Обозначение соединения	Схема соединения	Сечение (марка) профиля ммхмм	Толщи- на флан- ца мм	Катет сварно-го шва мм	Толщина фасон-ки (ребра) мм
У-1 У-2		110х12	20	10	8
У-4		125х8	25	12	10
У-5		140х12	25	14	16
Т-1		15Шт4	20	10	10
Т-2			25
Т-3			30