Главная »
Книжные издания1 2 3 4 5 6 ...
76 +1000000
6) -nEI
Рис. 30. Высотные сооружения
а - проект мачты высотой 1000 м; б - проект вентиляционной башни высотой 1000 м; 1 - шахта лифта; 2 - газоотводящие стволы
3. Мосты, эстакады. Мостовые металлические конструкции на железнодорожных и автомобильных магистралях применяются при больших, а в отдельных районах - и при средних пролетах, а также при сжатых сроках возведения.
Как и большепролетные покрытия, мосты имеют разнообразные системы: балочную, арочную, висячую (рис. 27), комбинированную.
4. Листовые конструкции в виде резервуаров, газгольдеров, бункеров, трубопроводов большого диаметра и различных сооружений доменного комплекса (рис. 28), химического производства и нефтепереработки используются весьма широко в связи со значительным развитием в нашей стране металлургии, нефтяной, газовой и химической промышленности.
Листовые конструкции являются тонкостенными оболочками различной формы (рис. 29) и должны быть не только прочными, но и плотными (непроницаемыми). Они часто эксплуатируются в условиях низких или высоких температур; сталь и алюминиевые сплавы хорошо удовлетворяют этим условиям работы.
Рис. 31. Стальной каркас многоэтажного здания
5. Башни и мачты применяются для радио и телевидения (рис. 30) в геодезической службе, в опорах линий электропередачи. Сюда же можно отнести надшахтные копры, нефтяные вышки, дымовые и вентиляционные башни и трубы и промышленные этажерки. Использование стали обеспечивает этим конструкциям необходимую легкость, удобство транспортирования на место строительства и быстроту монтажа.
6. Каркасы многоэтажных зданий. Многоэтажные здания с металлическим каркасом (рис. 31) применяются главным образом в гражданском строительстве, в условиях плотной застройки больших городов и для некоторых видов промышленных зданий.
7. Крановые и другие подвижные конструкции выполняются из материала, позволяющего максимально уменьшить их вес. Сюда относятся всевозможные металлические конструкции мостовых, башенных, козловых кранов и кранов-перегружателей, конструкции крупных экскаваторов и разнообразных строительных машин, затворы и ворота гидротехнических сооружений, конструкции отвальных мостов.
8. Прочие конструкции, к которым в первую очередь можно отнести конструкции промышленности по использованию атомной энергии в мирных целях, разнообразные конструкции радиотелескопов для космической и радиосвязи (рис. 32), стационарные платформы для разведки и добычи газа и нефти в море (рис. 33) и многие другие.
Рис. 32. Радиотелескоп диаметром 64 м
Основные особенности металлических конструкций и предъявляемые к ним требования. Выше была рассмотрена номенклатура металических конструкций, которая характеризуется большим разнообразием систем и конструктивных форм. Однако все эти конструкции объединены двумя основными факторами, позволяющими изучать их как единый вид.
Во-первых, исходным материалом для всех конструкций является прокатный металл, выпускаемый по единому стандарту (сортаменту, см. гл. 3): лист, уголок, швеллер, двутавр, труба и т.п. Из этого материала компонуются разнообразные конструктивные формы.
Во-вторых, все конструкции объединены одним технологическим процессом их изготовления, в основе которого лежат холодная обработка металла (резка, гибка, образование отверстий и т.п.) и соединение деталей в конструктивные элементы и комплексы (сборочно-сварочные операции).
Металлические конструкции обладают следующими достоинствами, позволяющими применять их в разнообразных сооружениях.
Надежность металлических конструкций обеспечивается близким совпадением их действительной работы (распределение напряжений и деформаций)
1917 1965 1975 1976 1978
-360
Рис. 33. Развитие конструкций стальных платформ для добычи нефти на морском шельфе с 1947 г.
С расчетными предположениями. Материал металлических конструкций (сталь, алюминиевые сплавы) обладают большой однородностью структуры и достаточно близко соответствует расчетным предпосылкам об упругой или упругопластичной работе материала.
Легкость. Из всех изготовляемых в настоящее время несущих конструкций (железобетонные, каменные, деревянные) металлические конструкции являются самыми легкими.
Легкость конструкций С, м'\ определяется отношением плотности материала р к его расчетному сопротивлению R:
С = JO/R.
Чем меньше значение С, тем относительно легче конструкция. Благодаря
высоким значениям расчетных сопротивлений для малоуглеродистой стали
С = 3,7 10* м \ для высокопрочной стали С = 1,7 10* м \ для дюра-
10-4 ..-1
м , для бетона марки МЗОО С = 1,85-
-4 . -1
люмина марки Д16-Т С = 1,1 10 м \ для дерева С = 5,4 10 м
Индустриальность. Металлические конструкции в основном изготовляются на заводах, оснащенных современным оборудованием, что обеспечивает высокую степень индустриальности их изготовления. Монтаж металлических конструкций также производится индустриальными методами - специализированными организациями с использованием высокопроизводительной техники.
Непроницаемость. Металлы обладают не только значительной прочностью, но и высокой плотностью - непроницаемостью для газов и жидкостей. Плотность металла и его соединений, осуществляемых с помощью сварки.
является необходимым условием для изготовления газгольдеров, резервуаров и т.п.
Металлические конструкции имеют и недостатки, ограничивающие их применение. Для устранения этих недостатков необходимо принимать специальные меры.
Коррозия. Незащищенная от действия влажной среды, а иногда (что еще хуже) атмосферы, загрязненной агрессивными газами, сталь корродирует (окисляется), что постепенно приводит к ее полному разрушению. При неблагоприятных условиях это может произойти через два-три года. Хотя алюминиевые сплавы обладают значительно большей стойкостью против коррозии, при неблагоприятных условиях они также корродируют. Хорошо сопротивляется коррозии чугун.
Повышение коррозионной стойкости металлических конструкций достигается включением в сталь специальных легирующих элементов, периодическим покрытием конструкций защитными пленками (лаки, краски и т.п.), а также выбором рациональной конструктивной формы элементов (без щелей и пазух, где могут скапливаться влага и пыль), удобной для очистки и защиты.
Небольшая огнестойкость. У стали при температуре 200°С начинает уменьшаться модуль упругости, а при t = 6(Ю°С сталь полностью переходит в пластическое состояние. Алюминиевые сплавы переходят в пластическое состояние уже при t = 300°С. Поэтому металлические конструкции зданий, опасные в пожарном отношении (склады с горючими или легковоспламеняющимися материалами, жилые и общественные здания), должны быть защищены огнестойкими облицовками (бетон, керамика, специальные покрытия и т.п.).
При проектировании металлических конструкций должны учитываться следующие основные требования.
Условия эксплуатации. Удовлетворение заданным при проектировании условиям эксплуатации является основным требованием для проектировщика. Оно в основном определяет систему, конструктивную форму сооружения и выбор материала для него.
Экономия металла. Требование экономии металла определяется большой его потребностью во всех отраслях промышленности (машиностроение, транспорт и т.д.) и относительно высокой стоимостью.
Транпортабельность. В связи с изготовлением металлических конструкций, как правило, на заводах с последующей перевозкой на место строительства в проекте должна быть предусмотрена возможность перевозки их целиком или по частям (отправочными элементами) с применением соответствующих транспортных средств.
Технологичность. Конструкции должны проектироваться с учетом требований технологии изготовления и монтажа с ориентацией на наиболее современные и производительные технологические приемы, обеспечивающие максимальное снижение трудоемкости.
Скоростной монтаж. Конструкция должна соответствовать возможностям сборки ее в наименьшие сроки с учетом имеющегося монтажного оборудования.
Долговечность конструкции определяется сроками ее физического и морального износа. Физический износ металлических конструкций связан глав-
ным образом с процессами коррозии. Моральный износ связан с изменением условий эксплуатации.
Эстетичность. Кострукции независимо от их назначения должны обладать гармоничными формами. Особенно существенно это требование для общественных зданий и сооружений.
Все эти требования удовлетворяются конструкторами на основе выработанных наукой и практикой принципов отечественной школы проектирования и основных направлений ее развития.
Основным принципом отечественной школы проектирования является достижение трех главных показателей: экономии стали, повышения производительности труда при изготовлении, снижения трудоемкости и сроков монтажа, которые и определяют стоимость конструкции. Несмотря на то, что эти показатели часто при реализации вступают в противоречие один с другим (так, например, наиболее экономная по расходу стали конструкция часто бывает наиболее трудоемкой в изготовлении и монтаже), опыт развития металлических конструкций подтверждает возможность реализации этого принципа.
Экономия металла в металлических конструкциях достигается реализацией следующих основных направлений: применения в строительных конструкциях низколегированных и высокопрочных сталей, использования наиболее экономичных прокатных и гнутых профилей, изыскания и внедрения в строительство современных эффективных конструктивных форм и систем (пространственных, предварительно напряженных, висячих, трубчатых и т.п.), совершенствования методов расчета и изыскания оптимальных конструктивных решений с использованием электронно-вычислительной техники.
По всем этим направлениям в нашей стране ведется большая исследовательская работа, что позволяет систематически уменьшать удельные затраты металла (на 1 м площади здания, на единицу выпускаемой продукции и т.п.).
Эффективно и комплексно производственные требования удовлетворяются на основе типизации конструктивных элементов и целых сооружений.
Типизация металлических конструкций получила у нас весьма широкое развитие. Разработаны типовые решения часто повторяющихся конструктивных элементов - колонн, ферм, подкрановых балок, оконных и фонарных переплетов. В этих типовых решениях унифицированы размеры элементов и сопряжений. Для некоторых элементов разработаны стандарты.
Разработаны типовые решения таких сооружений, как радиомачты, башни, опоры линий электропередачи, резервуары, газгольдеры, пролетные строения мостов, некоторые виды промышленных зданий и сооружений и даже целые модули - производственные здания из легких металлических конструкций комплексной поставки, включающей несущие и ограждающие конструкции, и т.п.
Типовые решения разработаны на основе применения оптимальных с точки зрения затрат материала размеров элементов, технологии их изготовления и возможностей транспортирования.
Типизация и проводимая на ее основе унификация и стандартизация обеспечивают большую повторяемость, серийность изготовления конструктивных элементов и их деталей на заводах и, следовательно, способствуют повышению производительности труда, сокращению сроков изготовления на основе эффективного использования более совершенного оборудования и спе-
циальных технологических приспособлений (кондукторов, копиров, кантователей и т.п.). Типизация, унификация и стандартизация создают благоприятные условия для разработки и внедрения особенно эффефктивного поточного метода изготовления и монтажа металлических конструкций.
Типовые проекты обеспечивают экономию металла, упорядочивают проектирование, повышают его качество и сокращают сроки строительства.
Ведущим принципом скоростного монтажа является сборка кострукций в крупные блоки на земле с последующим подъемом их в проектное положение с минимальным объемом монтажных работ наверху. Типизация создает предпосылки для сокращения сроков монтажа и снижения его трудоемкости, так как повторяющиеся виды конструкций и их сопряжений позволяют лучше использовать монтажное оборудование и совершенствовать процесс монтажа.
Раздел!. ЭЛЕМЕНТЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
ГЛАВА 1. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И РАБОТА МАТЕРИАЛОВ В КОНСТРУКЦИЯХ
Для строительных металлических конструкций используется в основном прокатная сталь и алюминиевые сплавы.
В опорных частях тяжелых конструкций при действии больших сжимающих усилий применяются отливки из литой углеродистой стали и серого чугуна. Для висячих и предварительно напряженных конструкций используются также тросы и пучки из высокопрочной проволоки и стержни из арматурной стали.
Сталь обладает почти идеальным комплексом свойств для использования в строительных конструкциях; сочетание прочности и пластичности, хорошая свариваемость, однородность механических свойств. Основные недостатки стали - относительно низкая коррозионная стойкость и необходимость специальной защиты стальных конструкций от коррозии, снижение пластических свойств при низких температурах, малая огнестойкость.
К достоинствам алюминиевых сплавов относятся малая плотность (почти в 3 раза меньше, чем у стали) при относительно высокой прочности, повышенная стойкость против коррозии и сохранение высоких упругопластических свойств при низких температурах. Однако низкий модуль упругости приводит к повышенной деформативности алюминиевых конструкций и ухудшает их устойчивость, а падение прочностных свойств алюминиевых сплавов при температуре 3(Ю°С снижает огнестойкость.
Чугун хорошо работает на сжатие и обладает высокой коррозионной стойкостью, однако малая прочность при растяжении, хрупкость материала и плохая свариваемость привели к тому, что в настоящее время чугун практически не применяется для строительных конструкций. Чугунные конструкции можно встретить в зданиях и сооружениях, построенных в прошлом веке. В настоящее время из чугуна делаются тюбинги метро. Применяется он иногда в литых деталях опор тяжелых конструкций.
1.1. Требуемые свойства металлов и методы их оценки
Надежность и долговечность металлических конструкций во многом зависят от свойств материала. Наиболее важными для работы конструкций являются механические свойства: прочность, упругость, пластичность, склонность к хрупкому разрушению, ползучесть, твердость, а также свариваемость, коррозионная стойкость, склонность к старению и технологичность.
Прочность характеризует сопротивляемость материала внешним силовым воздействиям без разрушения.
Упругость - свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешних нагрузок.
Пластичность - свойство материала сохранять деформированное состояние после снятия нагрузки, т.е. получать остаточные деформации без разрушения.
Хрупкость - способность разрушаться при малых деформациях.
Ползучесть - свойство материала непрерывно деформироваться во времени без увеличения нагрузки.
Твердость - свойство поверхностного слоя металла сопротивляться упругой и пластичной деформациям или разрушению при внедрении в него индентора из более твердого материала.
Прочность металла при статическом нагружении, а также его упругие и пластические свойства определяются испытанием стандартных образцов (прямоугольного или круглого сечения) на растяжение с записью диаграммы зависимости между напряжением § и относительным удлинением £ , где 8 = F/A; £ = (д /о)100%; F - нагрузка; А - первоначальная площадь поперечного сечения образца; /о - первоначальная длина рабочей части образца; Д / - удлинение рабочей части образца.
Диаграммы растяжения различных металлов показаны на рис. 1.1,(2.
Основными прочностными характеристиками металла являются временное сопротивление ё и и предел текучести ё у.
Временное сопротивление S и - это наибольшее условное напряжение в процессе разрушения образца (предельная разрушающая нагрузка, отнесенная к первоначальной площади поперечного сечения).
Предел текучести ё у - напряжение, при котором деформации образца растут без изменения нагрузки и образуется площадка текучести - металл течет . Для металлов, не имеющих площадки текучести, определяется условный предел текучести ё 02, т.е. такое напряжение, при котором остаточное относительное удлинение достигает 0,2%.
Если металл подвергается действию циклически меняющихся напряжений (например, чередующихся растяжения и сжатия), то при достаточно большом числе циклов разрушение может произойти при напряжении меньше временного сопротивления и даже предела текучести. Это явление называется усталостью металла. Склонность металла к усталостному разрушению устанавливается на основании результатов вибрационных испытаний .
Мерой пластичности материала служит относительное остаточное удлинение при разрыве S. Перед разрушением в образце в месте разрыва образуется шейка , поперечное сечение образца уменьшается, и в зоне шейки развиваются большие местные пластические деформации. Относительное удлинение при разрыве складывается из равномерного удлинения на всей длине образца о5равн и локального удлинения в зоне шейки <лок. Последнее зависит от размеров и формы образца, наличия местных дефектов и других случайных факторов, поэтому более показательной характеристикой пластичности является равномерное относительное удлинение равн. Мерой пластичности может служить также относительное сужение при разрыве
Золоторевский B.C. Механические испытания и свойства металлов. - М.: Металлургия, 1974.
2 17
6, НИ/СМ
47 2
6 д Ю 12 11 16
Рис, 1.1. к определению механических характеристик металла
а - диаграммы растяжения металлов; б - образец для испытания на растяжение; в - к определению предела пропорциональности и предела упругости; I - алюминиевый сплав АМгб; 2 - низкоуглеродистая сталь; 3 - чугун; 4 - высокопрочная сталь 12ГН2МФАЮ
-100%,
где Л и Ло - первоначальная и конечная после разрыва площади сечения образца.
Упругие свойства материала определяются модулем упругости Е = = tg с</ , где d - угол наклона линии деформирования металла к оси абсцисс, и пределом упругости S е, т.е. таким максимальным напряжением, при котором деформации после снятия нагрузки исчезают.
Несколько ниже § е находится предел пропорциональности i> р - напряжение, до которого материал работает линейно по закону Гука
(1.1)
В известной степени ё и ё р являются условными напряжениями, значения которых зависят от точности определения. Обычно принимают, что предел пропорциональности соответствует напряжениям, при которых £ tgoi- уменьшается в 1,5 раза, а предел упругости - на-
1 2 3 4 5 6 ...
76
