VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Башни и башенные сооружения предназначены для устойчивого принятия и передачи на большие расстояния теле-радиосигналов.

Значительная высота башен, жесткие требования по деформациям для обеспечения устойчивого принятия радио- и телесигналов, динамический характер ветровых воздействий и целый ряд других ограничений накладывают особую ответственность на инженеров-проектировщиков по обеспечению надежности эксплуатации этих уникальных конструкций.

В подобных сооружениях надежность, как правило, определяется надежностью работы соединений и узлов.

В современной практике строительства в монтажных стыках и сопряжениях несущих элементов башенных сооружений широко применяются фланцевые соединения (рис.1).

Рисунок 1 Фланцевый узел в стальных башнях

Фланцевые соединения являются одним из наиболее эффективных типов болтовых соединений, поскольку высокая несущая способность высокопрочных болтов используется впрямую и практически полностью.

К достоинствам таких соединений относят, прежде всего, простоту устройства соединения. Кроме того, фланцевые соединения обеспечивают возможность возведения конструкций при любых климатических условиях и возможность его демонтажа без повреждения несущих элементов. Фланцевые соединения характеризуются высокой надежностью при действии динамических нагрузок и простотой контроля соединения.

По сравнению с фрикционными соединениями на накладках, во фланцевых соединениях отсутствуют трудоемкие операции по подготовке контактирующих поверхностей конструкций. Также, во фланцевых соединениях отсутствуют дополнительные монтажные накладки (по 4—8 штук на каждый стык) и значительно, в 2—3 раза, уменьшается количество высокопрочных болтов.

К недостаткам и, одновременно, к достоинствам фланцевых соединений относится то, что они не обладают компенсационной способностью. Это, с одной стороны, требует высокой точности при изготовлении конструкций, но с другой, позволяет собирать конструкции на монтаже без дополнительных выверок и специальной выкладки монтажных элементов.

Область применения фланцевых соединений достаточно велика. Они могут использоваться для соединений элементов, подверженных растяжению, изгибу или совместному их действию. Возможно их использование и для передачи циклических нагрузок, однако в этом случае необходимы соответствующие расчетные проверки.

Материалы:

При проектировании фланцевых соединений следует:

- применять сталь для фланцев С255, С285, С345, С375, С390 с относительным сужением ψz> 25 %;

- использовать высокопрочные болты, обеспечивающие возможность воспринимать поперечные усилия за счет сил трения между фланцами.

Фланцевые соединения в зависимости от характера внешних воздействий могут состоять из участков, подверженных воздействию растяжения или сжатия. Растянутые участки фланцев передают внешнее усилие через предварительно натянутые пакеты «фланец-болт», сжатые - через плотное касание фланцев.

Пояса башен, как правило, выполняются из круглого проката.

По рекомендациям [5] фланцевые соединения элементов из круглых труб, подверженных воздействию центрального растяжения, следует выполнять, как правило, со сплошными фланцами и ребрами жесткости в количестве не менее 3 шт. Ширина ребер определяется разностью радиусов фланцев и труб, длина - не менее 1,5 диаметра трубы.

Рекомендуемый сортамент ФС этого типа включает в себя электросварные прямошовные и горячедеформированные трубы размерами от 114 х 2,5 до 377 х 10, расчетные продольные усилия 630 - 3532 кН.

Фланцевое соединение - это система, состоящая из четырех совместно работающих элементов: болтов, фланцев, сварных швов и сечений соединяемых элементов в непосредственной близости от фланца, либо между ними.

Рисунок 2 Элементы фланцевого соединения

- ФЛАНЕЦ

Фланец – это пластина, в растянутой зоне соединения работает по пространственной схеме, и ее точный расчет затрудняется наличием ряда дополнительных факторов, которые редко встречаются при расчете обычных пластин.

К этим факторам можно отнести:

1. Существенное влияние касательных напряжений на предельное состояние пластины. Это объясняется, во-первых, наличием больших перерезывающих сил в пластине и, во-вторых, большим соотношением между толщиной пластины и ее пролетом (L_ef /t_fl] = 2,5-4), что в несколько раз превышает это соотношение для тонких пластин;

2. Неполное защемление фланцев в зоне болтов, вследствие податливости последних;

3. Наличие пластических деформаций во фланцах;

4. Сложную пространственную работу фланца.

Для нахождения толщины фланца используется достаточно известный метод предельного равновесия. Расчет пластин по методу предельного равновесия широко применяется при проектировании самых различных конструкций, включая строительные, корабельные и другие.

Касательные напряжения

Известно, что касательные напряжения ускоряют наступление предельного состояния элементов при поперечном изгибе. В особой степени это относится к фланцам, в которых, из-за наличия больших перерезывающих усилий и относительно большой толщины пластин, влияние касательных напряжений весьма существенно.

Это влияние можно учесть путем введения специальных поправочных коэффициентов к начальной толщине фланца, найденной по методу предельного равновесия.

Податливость болтов

При рассмотрении предельного состояния фланцевого соединения, в качестве упрощающей гипотезы, принимается предположение о жестком защемлении фланцев болтами, т. е. предполагается, что поворот фланца в зоне болтов не происходит. Фактически, из-за податливости болтов, фланец работает как упруго-защемленная пластина.

- БОЛТ

Высокопрочные болты являются одним из наиболее ответственных компонентов фланцевых соединений, во многом отвечающих за их надежность и несущую способность. Болты во фланцевых соединениях работают в условиях, отличных от работы болтов во фрикционных соединениях, а именно:

1. Высокопрочные болты во фланцевом соединении работают на растяжение (одно из самых опасных напряженных состояний). При этом усилия, возникающие в болтах, сопоставимы с их несущей способностью;

2. Разрушение одного из болтов растянутой зоны соединения приводит к перераспределению нагрузок и резкому увеличению усилий в соседних болтах. Как показывают экспериментальные исследования, а также анализ причин аварии на крупном объекте в Кемеровской области, усилия в соседних болтах вырастают в 1,5—2 раза, что приводит к их последовательному разрушению. Таким образом, возникает лавинообразная цепная реакция, в результате которой соединение практически мгновенно выходит из строя.

Для статически неопределимых конструкций возможна иная картина, когда, вследствие возросшей деформативности поврежденного фланцевого соединения, происходит значительное перераспределение внутренних усилий, приводящее к чрезмерным деформациям или даже к обрушению конструкций в целом.

3. При деформировании фланцев возможно появлении изгибных напряжений в теле болта. Совместное действие растяжения и изгиба болта может привести к его разрушению, особенно при действии циклических нагрузок.

Фактически, кроме осевой нагрузки, на болты действуют и изгибающие моменты, возникающие вследствие непараллельности поверхностей фланцев на которые опираются гайка и головка болта. Исключая дефекты изготовления самих болтов, непараллельность опорных поверхностей обусловливается двумя основными причинами:

- допусками при прокатке листового проката фланца и неточностями изготовления фланцевых соединений;

- деформированием фланцев под нагрузкой.

Как показывают экспериментальные исследования, основной причиной появления изгибающих моментов в болтах является деформирование фланцев под нагрузкой. В особой степени это относится к тонким фланцам.

Особенности задания предварительного напряжения высокопрочных болтов при сборке фланцевых соединений:

Уменьшение предварительного натяжения болтов повышает деформативность фланцев и снижает их несущую способность за счет уменьшения защемления фланцев болтами, что крайне нежелательно. Также, при слабо затянутых болтах возможно раскрытие фланцев в зоне болтов, что приводит к изменению характера работы болтов и самих фланцев, особенно при переменных нагрузках.

Для толстых фланцев при затягивании болтов, наоборот, наблюдалось повышение на 8—15 % усилий в болтах, расположенных с противоположной стороны стенки или полки.

Таким образом, отклонение от расчетного предварительного натяжения болтов как в большую, так и в меньшую сторону, является недопустимым и должно определенным образом контролироваться и корректироваться.

Уровень натяжения высокопрочных болтов во фланцевом соединении следует назначать исходя из двух условий:

- по условию прочности болта на разрыв;

- по условию сохранения контакта между фланцами в зоне болтов.

Таким образом, при проектировании фланцевых соединений, расчету высокопрочных болтов должно быть уделено особое внимание.

- РЕБРА

Если несущая способность сварных швов присоединения профиля к фланцу недостаточна для передачи внешних силовых воздействий или необходимо повысить несущую способность растянутых участков ФС без увеличения числа болтов или толщины фланцев, последние следует усиливать ребрами жесткости.

Толщина ребер жесткости не должна превышать 1,2 толщины элементов основного профиля, длина должна быть не менее 200 мм. Ребра жесткости следует располагать так, чтобы концентрация напряжений в сечении основных профилей была минимальной.

Ребра жесткости могут быть одновременно использованы для крепления связей, путей подвесного транспорта и т.п.

Расчет фланцевых соединений представляет достаточно сложную задачу. В особой степени это относится к соединениям элементов, воспринимающих не только продольные усилия, но и изгибающие моменты. Основная сложность заключается в том, что деформационные характеристики сжатой и растянутой зон соединения различны и поэтому положение нейтральной оси соединения и распределение напряжений в околофланцевой зоне заранее неизвестно.

Существующее руководство [5] регламентирует расчет фланцевых соединений круглых труб. При этом считается, что в соединении действует лишь незначительный изгибающий момент, обусловленный неточностью изготовления и расцентровкой элементов. В башенных конструкциях действуют изгибающие моменты и поэтому руководство не может быть применено без специальных поправок к расчету фланцевых соединений круглых труб.

Фланцевое соединение элементов стальных конструкций следует проверять расчетами на:

- прочность болтов;

- прочность фланцев на изгиб;

- прочность соединений на сдвиг;

- прочность сварных швов соединения фланца с элементом конструкции.

Предельное состояние фланцевого соединения определяют следующие условия:

• усилие в наиболее нагруженном болте, вычисленное с учетом совместной работы болтов соединения, не должно превышать расчетного усилия растяжения болта;

• изгибные напряжения во фланце не должны превышать расчетное сопротивление стали фланца по пределу текучести.

Весьма приблизительный расчет фланцевого соединения круглых труб выполняется в предположении, что усилия в болтах распределяются пропорционально расстоянию от точки приложения равнодействующей силы в сжатой зоне (фактически от центра сжатого пояса) до болта (рис. 3).

Рисунок 3 Упрощенная расчетная модель фланцевого соединения

Толщина фланца при таком походе подбирается из условия прочности на изгиб в упругой стадии работы и получается значительно завышенной.

При расчете болтов учитывается дополнительное усилие (контактное усилие), обусловленное «рычажным» эффектом, а при расчете фланцев на изгиб — упругое их защемление под болтом, что позволяет уменьшить значение расчетного изгибающего момента (рис. 4). Контактное усилие представляет собой равнодействующую, возникающую от совместного прижатия двух фланцев друг к другу; его положение зависит от толщины фланцев. Учет контактного усилия при расчете фланцевых соединений позволяет уменьшить значение изгибающего момента при расчете фланца на изгиб и тем самым уменьшить толщину фланца.

Рис. 4 Уточненная расчетная модель фланцевого соединения

Существенным отличием Еврокода от отечественных норм при расчете фланцевых соединений является то, что они регламентируют учет развития пластических деформаций. При таком подходе появляется возможность использовать резервы несущей способности фланцевых соединений за счет допущения развития пластических деформаций во фланце, а также в сечениях соединяемых элементов в околофланцевой зоне. Требуемая толщина фланца в этом случае будет минимальной.

Расчет фланцевых соединений с учетом развития пластических деформаций выполняют с применением метода предельного равновесия. При этом различают три возможных механизма разрушения, а именно: разрушение болтов, разрушение болтов с частичным развитием пластических деформаций во фланце и развитие глубоких пластических деформаций во фланце (рис. 5).

Рисунок 5 Расчетные модели фланцевых соединений согласно EN 1993–1–8

Если фланец принять значительной изгибной жесткости, тогда разрушение фланцевого соединения происходит вследствие разрушения болтов, нагруженных внешними силами при отсутствии контактного усилия, обусловленного наличием «рычажного» эффекта. Несущая способность такого соединения будет полностью определяться несущей способностью болтов на растяжение.

В случае уменьшений изгибной жесткости фланца (проектирование фланцев меньшей толщины), разрушение фланцевого соединения происходит вследствие разрушения болтов при частичном развитии пластических деформаций во фланце. Несущая способность такого соединения может быть определена из уравнения равновесия работы внешних W_ext и внутренних W_int сил.

В случае использования тонких фланцев разрушение соединения происходит вследствие развития пластических деформаций во фланце. Несущая способность соединения в этом случае определяется несущей способностью самого фланца.

Необходимо отметить, что развитие пластических деформаций во фланцах и в сечениях соединяемых элементов в околофланцевой зоне вызывает значительное повышение общей деформативности конструкции, которая должна быть соответствующим образом учтена дальнейшим нелинейным анализом стержневой системы.

Фланцевое соединение - это система, состоящая из четырех совместно работающих элементов: болтов, фланцев, сварных швов и сечений соединяемых элементов. Расчет этой системы, в которой одновременно действуют продольное усилие и изгибающий момент при знакопеременной эпюре напряжений, является достаточно сложной задачей. Наличие касательных напряжений в пластине фланца, работа ее как упруго-защемленной пластины из–за податливости болтов, появление изгибных напряжений в теле болта – все это трудно учесть при расчете фланцевых узлов ручными методами. Для получения действительного напряженно-деформированного состояния фланцевого узла необходимо воспользоваться расчетными комплексами ANSYS и NASTRAN, где есть возможность проектирования узла целиком.

Библиография

[1] СП 16.13330.2011 Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*

[2] EN 1993–1–8. Eurocode 3. Design of Steel Structures. Part 1.8: Design of joints. CEN, 2005

[3] Алпатов В.Ю., Соловьев А.В., Холопов И.С. К вопросу расчета фланцевых соединений на прочность при знакопеременной эпюре напряжений

[4] Катюшин В.В. Здания с каркасами из стальных рам переменного сечения (расчет, проектирование, строительство). — М.: ОАО «Издательство «Стройиздат», 2005. — 656 с.: ил.

[5] Рекомендации по расчету, проектированию, изготовлению и монтажу фланцевых соединений стальных строительных конструкций // СО Стальмонтаж, ВНИПИ Промстальконструкция, ЦНИИПСК им. Мельникова. — М., 1988. — 83 с.

Код для цитирования: Скопировать