БОЛТОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Болты, применяемые для строительных конструкций
Для строительных конструкций применяют болты грубой, нормальной точности, высокопрочные Ø 10÷30 мм, анкерные диаметром до 90 мм.
Болты грубой (ГОСТ 15589-70*) и нормальной точности изготавливают из углеродистой стали й ставят в отверстия (на 2÷3 мм больше диаметра болта), образованные продавливанием или сверлением в отдельных элементах. Отверстия имеют негладкую поверхность и черноту - несовпадение отверстий в отдельных элементах (группа С). Преимуществом таких болтов является облегченная установка болтов. Применяются в монтажных соединениях для фиксации положения элементов и при работе на растяжение.
В соответствии с разделом 2 приемлемы четыре метода изготовления этих соединений. Метод поворота включает в себя затягивание болта и затем поворот гайки на дополнительное количество, которое зависит от диаметра и длины болта. Метод калиброванного ключа измеряет крутящий момент, который коррелирует с натяжением, приложенным к болту.
Работа и расчет болтовых соединений
Закручивающие болты натяжения. Затяжные болты с регулировкой натяжения имеют небольшие шпильки на конце болта напротив головки. Когда требуемый крутящий момент достигается, шпилька откручивается. Индикаторы прямого натяжения - это специальные шайбы с выступами. Количество компрессии на выступах указывает, какой уровень натяжения был применен к болту.
Болты повышенной точности изготавливают из углеродистой и легированной стали. Диаметр отверстия для таких болтов не должен отличаться более чем на +0.3 мм от диаметра болта, поверхность отверстия, должна быть гладкой (группа В). Болты в таких отверстиях сидят плотно и хорошо воспринимают сдвигающие силы, но соединения на таких болтах применяются редко.
В условиях неспециалиста болты выступают в виде штифтов в плотно затянутых и преднатянутых суставах, похожих на латунный брэд, который держит вместе стопку перфорированных бумаг. Критические суставы работают при трении: силы предварительного натяжения создают зажимные силы, и трение между контактными поверхностями работает вместе, чтобы противостоять проскальзыванию соединения. Это похоже на связующий зажим, который удерживает вместе стопку бумаги не потому, что отверстия пробиты в бумаге, а потому, что связующий клип прижимает листы бумаги вместе, и трение держит пакет вместе.
Высокопрочные болты (ГОСТ 7798-70*) изготавливают из углеродистой стали 35 или из легированной стали 40Х, 40ХФА и 38ХС и готовые болты подвергают термической обработке. Отверстия для них делают такими же, как и для болтов нормальной точности. Гайки затягивают тарировочным ключом, позволяющим создавать и контролировать силу натяжения болтов, которая плотно стягивает соединяемые элементы и обеспечивает монолитность соединения. При действии на такое соединение сдвигающих сил между соединяемыми элементами возникают силы трения, препятствующие сдвигу этих элементов относительно друг друга. Высокопрочный болт, работая на осевое растяжение, обеспечивает передачу сил сдвига трением между соединяемыми элементами. Поверхности трения зачищаются. Соединения на высокопрочных болтах применяются в монтажных соединениях ответственных конструкций.
Когда механически закрепленное соединение загружается при сдвиге - когда один элемент имеет тенденцию скользить по другому из-за приложенных сил, может произойти одна из двух ситуаций. Болты или заклепки могут прилегать к бокам отверстий, заставляя болт или заклепку одновременно срезать. Вторая возможность заключается в том, что трение, вводимое зажимными силами из предварительно натянутого крепежа, может противостоять нагрузке сдвига. В этом суставе не ожидается проскальзывания, но существует вероятность.
Плотные соединения могут быть приемлемыми для многих применений, поскольку незначительное проскальзывание может отрицательно повлиять на производительность соединения. Например, рассмотрите бункер, который предназначен для хранения некоторого зернистого материала. В первый раз, когда он загрузится, может произойти незначительное проскальзывание. Как только проскальзывание произошло, оно не будет возвращено, потому что вся последующая загрузка будет иметь одинаковую природу.
Работа и расчет болтовых соединений
В болтовых соединениях при действии продольной силы N , проходящей через центр тяжести соединения, распределение этой силы между болтами следует принимать равномерным.
Расчетное усилие N b , которое может быть воспринято одним болтом, следует определять по формулам (рис.1):
В некоторых приложениях происходит изменение нагрузки, например, когда вращающиеся элементы испытывают переменную растягивающую и компрессионную нагрузку. Другим примером являются элементы гибки, которые подвержены полному разворачиванию нагрузки. Когда происходит значительное изменение нагрузки, для устранения циклического проскальзывания может потребоваться предварительное натяжение соединений. Такое проскальзывание в конечном итоге приводит к удлиненным отверстиям и еще большему проскальзыванию.
Некоторые соединения подвержены многим циклам загрузки, которые могут привести к усталости. Они включают соединения в прессах, опорах кранов и мостах. Когда суставы подвергаются усталостным нагрузкам с изменением направления, необходимы критические соединения с проскальзыванием. Для этих типов условий важно, чтобы сустав не скользил, следовательно, требовалось для критических суставов.
Рис.1. Расчетная схема работы болтового соединения на сдвиг
на срез болта (1)
где 
на смятие стенок отверстия (2)
на растяжение болта (рис.2) 
(3)
где R bs , R bp , R bt - расчетные сопротивления болтовых соединений;
Добавление сварных швов к механически закрепленным стыкам
Существующее болтовое соединение, возможно, было спроектировано и построено по любому из этих критериев. Заклепочные соединения считаются плотно закрытыми. В отличие от плотно затянутых болтовых соединений, которые могут скользить при их загрузке, сварные швы не должны растягиваться и распределять приложенную нагрузку в значительной степени. В большинстве случаев сварные швы и механические крепежные элементы подшипников не деформируются одинаково.
Когда сварные швы и механические крепежные детали используются вместе, груз переносится через более жесткую часть; поэтому шов может нести почти всю нагрузку, мало используя болты. Вот почему необходимо соблюдать осторожность при объединении сварных швов, болтов и заклепок. В условии 3 указано, что для заклепок или болтов, используемых в подшипниковых соединениях, механические крепежи не следует рассматривать как разделение нагрузки в сочетании с сварными швами, Если используются сварные швы, они должны быть снабжены всей нагрузкой в соединении.
γ b - коэффициент условий работы соединения, который следует
принимать по табл.35
А - расчетная площадь сечения стержня болта;
n s - число расчетных срезов одного болта;
d - наружный диаметр стержня болта;
Σt - наименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении;
А bn
- площадь сечения болта нетто
Однако допускаются соединения, которые приварены к одному элементу и приклеены или прикреплены болтами к другому. Когда механические крепежные детали имеют тип подшипника и добавлен сварной шов, мощность болта по существу игнорируется. В соответствии с этим положением сварной шов должен быть рассчитан на передачу всей нагрузки.
Все три стандарта согласны по этому вопросу: возможности механических крепежных элементов подшипников и сварных швов не могут быть объединены вместе. Сварное соединение находится слева, а справа - болтовое соединение. Здесь можно рассмотреть полную мощность сварных швов и болтов. Каждая часть общего соединения ведет себя независимо. Таким образом, код обеспечивает исключение из принципов, содержащихся в первой части.
Рис.2. Работа болтов на растяжение.
Фланцевое симметричное соединение
Количество n болтов в соединении при действии продольной силы N следует определять по формуле:
где N b , min - меньшее из двух значений расчетных усилий для одного болта, вычисленных выше. При действии момента, вызывающего сдвиг соединяемых элементов, распределение усилий на болты следует принимать пропорционально расстояниям от центра тяжести соединения до рассматриваемого болта.
Только что рассмотренные положения применимы для нового строительства. В том же предложении требуется, чтобы, если заклепки или болты перенапряжены одной мертвой нагрузкой или подвергаются циклической нагрузке, необходимо добавить достаточный базовый металл и сварку для поддержки общей нагрузки.
Совместное использование нагрузок между механическими крепежными деталями и сварными швами приемлемо, если конструкция предварительно загружена; другими словами, если проскальзывание между связанными элементами уже произошло. Но для механической застежки может быть назначена только мертвая нагрузка. Живые нагрузки, которые могут вызвать большее проскальзывание, должны быть устранены применением сварных швов, способных переносить всю нагрузку.
Болты, работающие одновременно на срез и растяжение, следует проверять отдельно на срез и растяжение.
На монтаже болтовые соединения производят болтами обычной прочности и высокопрочными. Болты обычной прочности бывают грубой, нормальной и повышенной точности. Болты нормальной и повышенной точности отличаются от болтов грубой точности более высоким качеством обработки поверхности, не влияющим на расчетные характеристики прочности соединения. Это обстоятельство необходимо учитывать, так как взаимозаменяемость болтов возможна.
В соединениях на болтах обычной прочности усилия от одного элемента к другому передаются за счет работы кромок отверстий на смятие и стержня болта на срез. Различают соединения на высокопрочных болтах дв^х видов: сдвигоустойчивые и с несущими болтами.
Сварные швы должны использоваться для захвата всей приложенной или живой нагрузки. Не допускается совместное использование нагрузок, когда механические крепежи уже перегружены. Когда задействована циклическая загрузка, разделение нагрузки не разрешено, так как загрузка может привести к постоянному проскальзыванию и перегрузке сварных швов.
Подумайте о соединении с кружком, которое первоначально было связано с плотно затянутыми болтами. В конструкцию добавляется дополнительная мощность, а соединение и прикрепленные элементы должны быть увеличены, чтобы обеспечить вдвое большую прочность. Рисунок 3 иллюстрирует основной план укрепления членов. Что нужно сделать для подключения?
В подготовку стыкуемых поверхностей входит, как всегда, их очистка от грязи, ржавчины, снега, льда, масла и пыли. Кроме того, необходимо спилить напильником или срубить зубилом заусенцы на кромках деталей и отверстий, а также тщательно выправить неровности, вмятины, погнутости деталей соединения, которые могли возникнуть во время транспортировки конструкций, при их погрузке или разгрузке. Без выполнения этих работ обеспечить плотное взаимное соприкосновение всех деталей стыка невозможно.
Поскольку новая сталь будет соединена со старым с помощью угловых сварных швов, инженер решает добавить в соединение некоторые угловые сварные швы. Поскольку болты все еще на месте, первоначальная идея состоит в том, чтобы добавить только сварные швы, необходимые для передачи дополнительной мощности новой стали, при этом 50 процентов нагрузки, как ожидается, пройдут через болты и 50 процентов - через новые сварные швы.
Сначала предположим, что к соединению в настоящий момент не применяется мертвая нагрузка. В этом подшипниковом соединении сварные швы и болты нельзя рассматривать как разделяющие нагрузку, поэтому указанный размер сварного шва должен быть достаточно большим, чтобы переносить всю мертвую и живую нагрузку. В этом примере емкость болтов не может быть рассмотрена, так как без мертвой нагрузки соединение будет находиться в расслабленном состоянии. При приложении полной нагрузки сварные швы первоначально разрываются.
На объекте проектное расположение монтируемых элементов достигают совмещением всех отверстий с помощью проходных оправок, диаметр цилиндрической части которых должен быть на 0,2 мм меньше диаметра отверстий. С помощью кувалды оправку забивают в отверстия, при этом коническая часть упирается в кромки отверстий, которые по мере перемещения оправки в глубь пакета совмещаются. Часть отверстий (не менее 10%) должна быть заполнена пробками, которые служат для фиксации взаимного расположения соединяемых элементов и предупреждения их сдвига. Поэтому длина цилиндрической части пробки должна быть больше суммарной толщины всех деталей собираемого элемента (толщины пакета), а длина конической части обеспечивать только удобство установки пробки в отверстия. Когда пробки установлены, оправки можно извлечь.
Затем болты также предназначены для переноса половина нагрузки - попытается передать нагрузку и сломается. Затем предположим, что применяется мертвая нагрузка. Далее предположим, что существующее соединение является достаточным для переноса существующей мертвой нагрузки. Новые сварные швы должны выдерживать только увеличенную мертвую нагрузку и общую нагрузку.
Существующая мертвая нагрузка может быть отнесена к существующим механическим крепежам. С мертвой нагрузкой соединение не расслабляется. Вместо этого болты уже несут свою нагрузку. Любой промах в соединении уже произошел. Поэтому могут применяться сварные швы, и они могут передавать живую нагрузку.
Стяжка пакета соединяемых деталей производится сборочными болтами, которые устанавливают в каждое третье отверстие, но не дальше, чем через 500 мм. Болты затягивают до отказа и после установки смежного болта дополнительно подтягивают.
Требуемая плотность собираемого пакета достигается только в том случае, если при установке каждого болта будет обеспечена возможность последовательного устранения неплотности в стыке. Часто это может быть достигнуто установкой болтов от центра стыка к краям. В определенных конструктивных решениях стыков такой порядок невозможен, тогда применяют иную систему установки болтов - от края к середине узла.
Отвечая на вопрос «Это приемлемо?» зависит от условий загрузки. В первом случае, когда мертвая нагрузка не принималась, ответ отрицательный. В конкретных условиях второго сценария ответ «да». Нельзя заключить, что ответ всегда будет да только потому, что применяется мертвая нагрузка. Уровень мертвой нагрузки, адекватность существующего механического соединения и характер конечной нагрузки - будь то статический или циклический - может изменить ответ.
Его инженеры и технические специалисты по технологиям сварки помогают клиентам в вопросах применения сварки. Перед выполнением суставов у вас должны быть чертежи мастерской, где штуки, которые нужно соединить, будут указаны в порядке. Для баров большой ширины с более чем двумя параллельными рядами винтов в направлении напряжения в нижних строках максимальное значение расстояния в этом направлении может быть в два раза больше указанного.
Если очередность затяжки болтов неправильная, устранить неплотности невозможно, так как свободному горизонтальному перемещению стыковых элементов будут препятствовать силы трения от натяжения ранее поставленных болтов.
Обычно при сборке соединения неизбежна различная степень взаимного смещения отверстий, происходит это из-за неточности расположения отверстий. Такое смещение отверстий называется чернотой. Отверстия, выполненные на заводе-изготовителе на меньший диаметр, на монтажной площадке доводят до проектных размеров рассверливанием, одновременно ликвидируя тем самым черноту.
Расстояние между центрами отверстий и границами. . Если используются обычные винты, необходимо проверить соответствие отверстий, установив цилиндрический калибр диаметром 1, 5 мм, меньший, чем номинальный диаметр отверстия. Когда калибр не проходит плавно, отверстие выпрямляется, а затем проверяется, соответствует ли выпрямленный диаметр диаметру хвостовика винта.
Размещение винтов
При установке обычных болтов убедитесь, что сиденья с головкой и гайкой плоские и чистые. Для силовых соединений рекомендуется поместить шайбу под гайку. Когда это профиль с наклонной поверхностью, с шайбой переменной толщины, он должен быть расположен под головкой винта на этой наклонной плоскости.
После рассверливания и прочистки отверстий, свободных от сборочных болтов, последние развинчивают, последовательно переставляют в подготовленные отверстия проектного диаметра и рассверливают освободившиеся отверстия. Тогда только приступают к постановке постоянных болтов.
Гайки постоянных и временных болтов завертывают ручными коликовыми ключами, обычными или трещоточными. Ключи с трещотками, имеющие рабочий ход только в одном направлении, удобнее, так как их не нужно снимать и переставлять после каждого поворота.
В силовых соединениях, после затягивания гайки, длина незарезанного штифта должна быть не меньше толщины соединения плюс 1 мм. не доходя до внешней поверхности шайбы. Резьбовая часть винта должна выступать, по меньшей мере, из одной нити. Когда шайба не установлена, резьбовая часть втулки должна быть вставлена в соединение хотя бы одной резьбой.
Гайки должны быть плотно затянуты. В неразборных конструкциях целесообразно запирать гайку, создавая точку сварки или убивая филе. Запирание гаек осуществляется в конструкциях с нагрузками динамических нагрузок и винтами, подвергнутыми растягивающему напряжению в направлении его оси.
Отличительная особенность монтажных ключей в том, что они имеют с одной стороны зев для гайки определенного размера, а с другой коническую часть - колик, который служит оправкой при совмещении отверстий собираемых деталей или конструкций.
В сдвигоустойчивых соединениях не происходит взаимного смещения соединяемых элементов, действующие усилия воспринимают только силы трения, а сами болты непосредственного участия в передаче усилий не принимают. В этом состоит их принципиальное отличие от соединений с болтами нормальной и повышенной точности.
В соединениях на несущих высокопрочных болтах наряду с силами трения в передаче усилий, участвуют и сами болты, которые вступают в работу аналогично другим болтовым соединениям после того, как действующее усилие преодолеет силы трения, произойдет сдвижка соединяемых деталей и гладкая часть стержня болта начнет контактировать с кромками отверстий соединенных деталей. Ввиду большой механической прочности болта несущую способность таких соединений лимитирует не срез стержня, а смятие отверстия. Из этого очевидна зависимость: чем больше толщина элементов пакета, тем большая нагрузка может быть воспринята болтом. Наличие двух факторов - трения и смятия кромки отверстия - повышает несущую способность болта в 1,5-2 раза по сравнению с болтом в сдвиго-устойчивых соединениях и снижает соответственно число необходимых болтов и стоимость самого соединения.
Как правило, на болтах грубой и нормальной точности собирают малоответственные конструкции - фонари, площадки, лестницы, неответственные связи; на болтах повышенной точности - все остальные конструкции, а на высокопрочных болтах - конструкции с тяжелым режимом работы. Примером использования высокопрочных болтов могут служить монтажные соединения подкрановых балок больших пролетов для мостовых кранов.
Монтаж соединений на болтах обычной прочности состоит из следующих операций: подготовки стыкуемых поверхностей; совмещения отверстий под болты; стягивания пакета (соединяемых деталей стыка); рассверливания отверстия до проектного диаметра, если на заводе они были выполнены на меньший диаметр.
Болтовое монтажное соединение должно иметь не менее двух отверстий. В одно из них сначала вставляют колик ключа для совмещения другого отверстия, в которое устанавливают болт, и затягивают его. После этого ключ извлекают и в освободившееся отверстие вставляют второй болт. Для надежной работы болтового соединения гайки закручивают, создавая в болтах натяжение 1,7 МПа.
Под головки и гайки постоянных болтов обязательно ставят шайбы (не более двух под одну гайку и одной под головку). В местах примыкания головки или гайки к наклонным поверхностям ставят косые шайбы. Резьба болта должна находиться вне отверстия соединяемых элементов, а гладкая часть стержня не должна выступать из шайбы.
Обязательное требование: головки и гайки болтов должны плотно соприкасаться с плоскостями элементов конструкций. На каждом болте со стороны гайки должно оставаться не менее трех ниток с полным профилем резьбы.
Проверка качества затяжки болтов проводится простукиванием их молотком массой 0,3-0,4 кг. Если болт дрожит или смещается, значит, он затянут плохо. Плотность затяжки деталей проверяют щупом толщиной 0,3 мм, который не должен входить между собранными деталями более чем на 20 мм.
Монтажное соединение на высокопрочных болтах имеет некоторые особенности, связанные с подготовкой соединяемых поверхностей под стыковку и способом натяжения болтов.
В условиях стройплощадки соединяемые поверхности подготовляют газопламенной очисткой или обработкой стальными щетками.
Огневую очистку производят специальными многопламенными горелками. Благодаря высокой температуре пламени (до 1800°С) происходят быстрое нагревание и температурная деформация поверхностного слоя обрабатываемой детали, в результате чего окалина и ржавчина отслаиваются, грязь и жир сгорают.
Поверхности, обработанные огневым способом, очищают от продуктов сгорания и отслоившейся окалины стальными щетками и чистой ветошью, после чего приступают к сборке соединения. Разрывы во времени между окончанием подготовки и установкой болтов не должны превышать 4-6 ч, так как с увеличением времени снижается надежность контакта обработанных поверхностей.
Перед постановкой болты и гайки помещают в решетчатую тару и опускают в кипящую воду для очистки от заводской консервирующей смазки, затем - в ванну со смесью 15% минерального масла и 85% бензина.
Надежная работа соединений на высокопрочных болтах может быть обеспечена только при стабильном натяжении всех болтов. В условиях монтажной площадки определение усилия натяжения практически невозможно, поэтому принята методика косвенной оценки усилия натяжения через величину крутящего момента М, который необходимо приложить к гайке для получения заданного натяжения болта.
Зависимость между крутящим моментом и натяжением болта Р определяется зависимостью
М = kPd,
где к - коэффициент закручивания болта; d - номинальный диаметр болта, м.
Значение коэффициента закручивания зависит от качества болтов, гаек и шайб и в среднем составляет 0,14-0,22.
Натяжение по крутящему моменту выполняют сначала гайковертом на 70-80% проектного усилия с последующей затяжкой динамометрическим ключом.
Конструкции ключей можно разделить на два типа: индикаторные и предельного момента. Индикаторные ключи показывают величину прикладываемого момента, а ключи предельного момента срабатывают при достижении крутящим моментом заданной величины.
На конце рукоятки индикаторного ключа закреплена головка с закрытым зевом. К головке приварена планка с неподвижным язычком прямоугольного сечения. Между рукояткой ключа и язычком есть зазор 2-3 мм, благодаря которому при изгибе рукоятки язычок остается неподвижным. К рукоятке ключа жестко прикреплен индикатор часового типа, измерительный стержень которого касается язычка. При завертывании гайки рукоятка ключа под действием усилия, приложенного к ее концу, изгибается, в результате чего уменьшается расстояние между верхней кромкой рукоятки и язычком. Изменение этого расстояния на 1 мм фиксирует индикатор с ценой деления 0,01 мм. Зависимость между крутящим моментом и показаниями индикатора определяют по тарировочному устройству или тариро-вочному графику.
Требования к качеству затяжки болтов. Специфика соединений на высокопрочных болтах требует тщательного контроля усилия натяжения болтов. Выборочной проверке подлежат 25% болтов в соединении, а при их количестве 5 шт. и менее контролируют все болты. Отклонение фактического крутящего момента от расчетного не должно превышать 0+20%.
При обнаружении хотя бы одного болта, натяжение которого не отвечает указанному требованию, контролю подлежат все болты в соединении, и натяжение каждого должно быть доведено до требуемой величины. Результаты проверки регистрируют в журнале установки высокопрочных болтов.
Помимо проверки фактического натяжения болтов тарированными ручными ключами или по углу поворота контроль осуществляют проверкой плотности пакета щупом толщиной 0,05 мм, который не должен проникать в глубь пакете против установленных высокопрочных болтов. После контроля головки болтов окрашивают.
