Болты для соединения металлических конструкций начали использовать с середины XVIII века, когда конструкции изготавливались из чугуна. К концу XIX века они были вытеснены заклепками, но сегодня болтовые соединения вновь популярны в строительстве.
Преимущества болтовых соединений:
- Низкая трудоемкость и простота монтажа.
- Исключение сварки, качество которой сложно контролировать.
- Высокая надежность.
- Разнообразие конструктивных форм.
Недостатки:
- Большая металлоемкость, так как требуются дополнительные элементы (болты, гайки, шайбы), что может удорожать конструкции.
- Ослабление сечений соединяемых элементов из-за отверстий для болтов, что требует учета в расчетах.
- Необходимость высокой культуры производства, что возможно только на современном оборудовании.
Типы болтов:
- Высокопрочные болты с контролируемым натяжением.
- Обычные болты (грубой, нормальной и повышенной точности).
- Анкерные болты для соединения с фундаментами.
Стержень болтов имеет гладкую часть и нарезную. Болты повышенной точности (класс А) требуют больших допусков и внимания при изготовлении, так как диаметр отверстий должен быть на 0,2—0,3 мм больше диаметра болта. Эти болты изготавливаются из углеродистых сталей и подходят для соединений, подвергающихся значительным сдвигающим усилиям.
Выбор и использование болтов в стальных конструкциях
Для расчетных монтажных соединений стальных конструкций оптимально использовать болты класса В (нормальной точности). Для конструктивных соединений подойдут болты класса В или С (грубой точности), однако класс С рекомендуется применять только в конструктивных соединениях.
Изготовление и характеристики:
- Болты классов В и С изготавливаются из углеродистых сталей.
- Повышение прочности достигается горячей или холодной высадкой (штамповкой) или термообработкой.
- Для класса В диаметр отверстий должен быть на 1—2 мм больше диаметра болта, а для класса С — на 2—3 мм.
В настоящее время использование болтов класса С не рекомендуется. Отверстия под болты выполняют сверлением или продавливанием, что может привести к несовпадению осей и затруднить плотную посадку болта.
Начальное напряжение и надежность соединения: Для эффективной работы болтового соединения начальное напряжение должно быть максимальным, желательно около 170 МПа. При недостаточном натяжении растягивающие напряжения от нагрузки могут превышать начальные, что приводит к щелям и ослаблению болтов.
Чтобы предотвратить ослабление, используют:
- Вторые гайки (контргаеки)
- Пружинные шайбы
- Засечки резьбы
- Приварку гаек
Классы прочности: При изготовлении и монтаже болты различают не только по классам точности, но и по классам прочности (от 5.6 до 12.9). Первое число в обозначении, умноженное на 100, указывает на временное сопротивление в МПа, а произведение первого и второго чисел, умноженное на 10, — на предел текучести.
Высокопрочные болты (класс В) изготавливаются из легированной стали и проходят термообработку для повышения прочности. Они затягиваются с определенным усилием с помощью тарировочного ключа, что приводит к их растяжению и созданию давления в соединении. Передача усилия при сдвигающей нагрузке происходит благодаря силам трения, которые препятствуют сдвигу элементов. Такие соединения называют сдвигоустойчивыми или фрикционными. Сила трения зависит от шероховатости поверхностей, поэтому элементы очищают от грязи и ржавчины, используя дробеструйную или газопламенную обработку.
Для надежности соединения элементы должны иметь одинаковую толщину. Высокопрочные болты рекомендуется использовать в соединениях с большими сдвигающими и динамическими нагрузками. Также возможны фрикционно-срезные соединения, где усилия передаются силами трения, среза и смятия болта, с остаточными перемещениями, зависящими от плотности посадки.
Работа и расчет болтовых соединений
Болтовые соединения делятся на одноболтовые и многоболтовые в зависимости от количества болтов. По способу передачи усилия различают:
- Несдвигоустойчивые соединения — с неконтролируемым натяжением болтов, где силы трения не участвуют в передаче нагрузки.
- Сдвигоустойчивые соединения — на высокопрочных болтах с контролируемым натяжением, где силы трения играют важную роль.
Если натяжение высокопрочных болтов не контролируется, соединения также считаются несдвигоустойчивыми.
Болтовые соединения без контролируемого натяжения
Болтовые соединения без контролируемого натяжения могут работать в нескольких режимах:
- На сдвиг — усилие направлено перпендикулярно осям болтов.
- На растяжение — усилие параллельно осям болтов.
- На совместное действие среза и растяжения — усилие направлено под углом к осям болтов.
Схемы работы этих соединений представлены на рисунке.
Схемы работы болтового соединения:
а) на сдвиг; б) на растяжение; в) на сдвиг с растяжением
В соединениях с неконтролируемым натяжением болты не создают определенных сил сжатия, и считается, что силы трения недостаточны для передачи сдвиговых усилий. Работа таких соединений условно делится на четыре этапа:
-
Первый этап: Нагрузки не превышают силы трения, болты работают только на растяжение, и сдвигающие усилия отсутствуют. Работа соединения напоминает сдвигоустойчивое соединение.
-
Второй этап: При увеличении сдвигающей нагрузки силы трения преодолеваются, и происходит сдвиг соединения на величину разницы в диаметрах отверстия и болта.
-
Третий этап: Болты начинают передавать усилие по поверхности контакта. Возникает смятие стержня и краев отверстий, болт изгибается, срезается и растягивается.
-
Четвертый этап: Развиваются пластические деформации. Разрушение соединения может произойти по нескольким причинам: срез болта, разрыв, смятие или вырыв части элемента.
Неидеальная форма стержня и отверстия усложняет работу соединения, особенно в многоболтовых системах, что приводит к неравномерности нагружения. Для учета неопределенностей вводится коэффициент условий работы соединения γb.
Расчет болтового соединения на сдвигающее усилие учитывает два варианта разрушения — срез болта и смятие отверстия. Смятие исключается с помощью соответствующего класса прочности болтов, а вырыв кромки предотвращается правильным размещением отверстий.
Усилие, которое один болт может воспринять из условия прочности на срез, определяется как:
-
Сопротивление болта на срез:
- Rbs — расчетное сопротивление болта на срез, определяемое по таблице в зависимости от класса прочности.
- Ab — площадь поперечного сечения болта (брутто), без учета ослабления резьбой.
- ns — число расчетных срезов одного болта.
- γb — коэффициент условий работы болтового соединения.
- γc — коэффициент условий работы конструкции.
-
Сопротивление на смятие:
- Rbp — расчетное сопротивление соединения на смятие, определяемое по прочностным свойствам стали.
- db — наружный диаметр стержня болта.
- Σt — наименьшая суммарная толщина соединяемых элементов, сминаемых в одном направлении.
-
Многоболтовые соединения:
- При действии силы N, приложенной в центре тяжести соединения, усилие распределяется поровну между болтами. Требуемое количество болтов определяется по формуле, где Nbmin — наименьшая несущая способность одного болта (на срез или смятие). Если используется односторонняя накладка, количество болтов увеличивают на 10%.
-
Соединения на растяжение:
- В этих соединениях разница в диаметрах отверстия и болта не влияет на работу. Прочность зависит только от прочности материала болта на растяжение.
- Rbt — расчетное сопротивление материала болта на растяжение.
- Abn — площадь поперечного сечения болта (нетто), с учетом ослабления резьбой.
При действии силы N, приложенной в центре тяжести, усилие также распределяется поровну между болтами, требуемое количество которых определяется аналогичной формулой.
Болтовые соединения с контролируемым натяжением
При затягивании болтов на контактирующих поверхностях соединяемых элементов возникают силы трения. В соединениях без контроля натяжения высокопрочные болты работают на срез, как обычные, и передача усилия происходит за счет сопротивления болтов срезу и смятию соединяемых элементов.
Фрикционные (сдвигоустойчивые) соединения на высокопрочных болтах имеют контролируемое усилие натяжения. Для обеспечения надежности натяжение болта не должно превышать 70% прочности сечения на растяжение:
- Rbun — временное сопротивление болта на растяжение.
- Abn — площадь поперечного сечения болта (нетто).
Усилие, воспринимаемое каждой плоскостью трения, определяется через:
- μ и γh — коэффициенты трения и надежности соединения.
Для многоболтовых фрикционных соединений предполагается, что все болты работают одинаково. При действии силы N, приложенной в центре тяжести, сила трения, создаваемая натяжением, пропорциональна количеству болтов. Требуемое количество болтов рассчитывается по формуле:
- k — число плоскостей трения.
- γc — коэффициент условий работы конструкции.
- γb — коэффициент условий работы соединения, зависящий от числа болтов (0,8 при n < 5; 0,9 при 5 ≤ n < 10; 1,0 при n ≥ 10).
Сдвигающее действие в соединении может вызывать и изгибающий момент, в этом случае расчет соединения выполняют, принимая, что усилия в болтах пропорциональны расстояниям от центра тяжести соединения до рассматриваемого болта:
Работа болтового соединения при действии изгибающего момента
Из условия равновесия соединения следует, что момент, действующий на соединение, уравновешивается суммой моментов усилий в болтах относительно центра тяжести соединения:
С учетом формулы (N1 | P1 = N2 | P2) усилия в болтах можно выразить через усилие в самом нагруженном болте и переписать уравнение (6.2.10) в виде:
Используя выше указанное уравнение можно проверить прочность болтового соединения на действие момента.
Конструирование болтовых соединений
Болтовые соединения используются для создания узлов, соединяющих различные элементы, а также для стыковки двух частей одной конструкции.
Стык листового металла можно выполнить с помощью накладок: двусторонних или односторонних. Двусторонние накладки обеспечивают симметричную передачу усилия, что предпочтительнее для надежности соединения.
Стык листовой детали с двухсторонними (а) и односторонними (б) накладками
В стыках с односторонней накладкой передача усилия происходит с эксцентриситетом, что вызывает изгибающие моменты. Поэтому расчетное количество болтов необходимо увеличить на 10%.
При проектировании важно передавать усилия по короткому пути. Оптимальное расположение болтов — по прямым линиям, параллельным усилию. Расстояние между соседними рисками называется дорожкой, а между болтами — шагом.
1 — уголковая накладка, 2 — фаска, 3 — прокладка, 4 — листовая накладка
Расстановка может быть рядовой или шахматной. В фасонном прокате указаны положения рисок и максимальные диаметры отверстий в специальных нормалях.
Размещение болтов по рискам: а) рядовое; б) шахматное
При размещении следует учитывать минимальные и максимальные расстояния между центрами отверстий, чтобы избежать разрушения на вырыв и обеспечить устойчивость элементов.
Крепление уголка одной полкой с шахматным размещением болтов должно учитывать, чтобы отверстие, удаленное от конца, находилось на риске, ближайшей к обушку. В соединениях на растяжение применяют болты класса точности В или высокопрочные, а на скошенных поверхностях устанавливают косые шайбы.
При проектировании болтовых соединений следует обеспечивать возможность свободного доступа для установки болтов, плотного стягивания пакета болтами и закручивания гаек с применением динамометрических ключей:
| Характеристика расстояния и предела текучести соединяемых элементов | Расстояние при размещении болтов | |
|---|---|---|
| 1. | Расстояние между центрами отверстий для болтов в любом направлении | |
| а) | минимальное: при Ryn ≤ 375 МПа при Ryn > 375 МПа |
2,5d 3d |
| б) | максимальное в крайних рядах при отсутствии окаймляющих уголков при растяжении и сжатии | 8d или 12t |
| в) | максимальное в средних рядах, а также в крайних рядах при наличии окаймляющих уголков: | |
| в) | максимальное в средних рядах, а также в крайних рядах при наличии окаймляющих уголков: | |
| при растяжении при сжатии |
16d или 24t 12d или 18t |
|
| 2 | Расстояние от центра отверстия для болта до края элемента | |
| а) | минимальное вдоль усилия: при Ryn ≤ 375 МПа при Ryn > 375 МПа |
2d 2,5d |
| б) | минимальное поперек усилия: при обрезных кромках при прокатных кромках |
1,5d 1,2d |
| в) | максимальное | 4d или 8t |
| г) | минимальное во фрикционном соединении при любой кромке и любом направлении усилия | |
| 3 | Минимальное расстояние между центрами отверстий вдоль усилия для болтов, размещаемых в шахматном порядке | u + 1,5d |
Примечания.
1. В таблице приняты следующие обозначения: d — диаметр отверстия для болта; t — толщина наиболее тонкого наружного соединяемого элемента; u — расстояние поперек усилия между рядами отверстий.
2. Диаметр отверстий для болтов класса точности А следует принимать равным номинальному диаметру болта, для болтов класса точности В в конструкциях опор ВЛ, ОРУ и КС — на 1мм больше диаметра болта, в остальных случаях на 1, 2 или 3мм больше диаметра болта.
Требования к компоновке болтовых соединений с учетом габаритов для применения гаечных ключей или гайковерта указаны в ГОСТ 13682
Комментарии ()