REINFORCEMENT OF STEEL TRUSS BY WELDING

Full Text

Подъем промышленности в России невозможен без реконструкции производственных зданий. В большинстве это здания с каркасом из стали. Многие претерпели износ. Доведение их до современного уровня требует, как правило, усиления отдельных несущих конструкций, в том числе ферм покрытия. В основном это фермы со стержнями из парных уголков. Усиление таких ферм наиболее часто достигается увеличением сечений отдельных стержней путем присоединения на сварке дополнительных стержневых элементов. Вопросы работы и расчета стальных ферм получили отражение в технической литературе [1-8]. В области усиления стержней методом увеличения сечения наиболее известны работы Б.И. Десятова [9], Р. Кизингера [10], В.М. Колесникова [11], И.С. Реброва [12]. Авторы исследовали в основном напряженное состояние усиленных элементов с экспериментальным подтверждением теоретических положений на отдельных стержневых элементах. Сам процесс усиления и его технологические моменты не исследовались. Экспериментальное исследование на конструкции фермы проводилось только Р. Кизингером, и лишь при усилении растянутых стержней. И.С. Ребровым на математической модели исследовалось влияние сварки на работу фермы: была получена информация об увеличении прогибов фермы при усилении ее стержней. Цель исследования данной работы - подтверждение на конструкции теоретически полученных закономерностей, в особенности главной из них: возможности регулирования сварочных деформаций путём варьирования технологических параметров сварки при усилении сжатых стержней [13]. Кроме того, необходимо было получить информацию о работе стержней, усиливаемых в составе конструкции, о влиянии производимой сварки на напряжённое состояние остальных элементов фермы и в целом конструкции. Исследование проводилось в два этапа на уголковой ферме с параллельными поясами, пролётом 24 м, на стенде с использованием имеющейся оснастки (рис. 1). Первый этап включал в себя обкатку фермы с целью выяснения вопроса соответствия ее работы теоретическим предпосылкам. На втором этапе производилось усиление конструкции. Усилению методом увеличения сечения подвергались четыре стержня (рис. 2): третьи от опор раскосы (Р3 и 1 3 P ) и средние панели верхнего пояса (В4 и 1 4 B ) при усилиях, равных 0,8 (для 1 3 P , В4 и 1 4 B ) и 0,9 (для Р3) DOI: 1017673/Vestnik.2017.01.4 27 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 1 И.К. Родионов от нормативной (по σТ) величины несущей способности. Усиливающие элементы - уголки; схема усиления - «коробочка» (рис. 3). Каждый уголок усиления с двумя датчиками присоединялся сначала на прихватках, с последующей наплавкой связующих швов: первоначально по концам, сплошные в пределах фасонок, затем прерывистые промежуточные швы. Порядок наплавки промежуточных швов варьировался при усилении разных стержней. Сварка велась вручную при этом контролировались параметры режима - ток, напряжение, скорость. Напряжённое состояние стержней и фасонок наблюдалось с помощью тензодатчиков. Тензодатчики с базой 20 мм были закреплены после установки фермы на стенде в средних сечениях стержней (всего 6 датчиков - 4 по перьям и 2 по обушкам) и на фасонках, примыкающих к усиливаемым элементам (розетки из 3-х датчиков). Общее количество тензодатчиков на ферме составило 120 штук (рис. 4). Изменения прогибов усиливаемых стержней в плоскости и из плоскости фермы регистрировались с помощью прогибомеров Максимова. Прогибы фермы контролировались в пяти нижних узлах, включая опорные (рис. 4). Снятие показаний по приборам производилось после выполнения каждого этапа сварки (отмечено цифрами на рис. 5, а). Максимальный отсчёт снимался в течение 4-5 мин. наблюдений. Предварительные испытания (обкатка) неусиленной конструкции дали результаты, свидетельствующие о достоверности проводимого эксперимента: экспериментальные значения усилий NЭ в стержнях, определённые с учётом собственного веса фермы, лишь незначительно отличались от теоретически полученных значений NТ. Максимальная конструктивная поправка КЭ = NЭ/NТ составила КЭ = 0,934 в раскосе 1 P4, минимальная - КЭ = 0,997 в панели нижнего пояса Н2. Как показали испытания, в процессе сварки изменялось напряжённое состояние усиливаемых стержней. При наплавке концевых швов, в подтверждение теории, это изменение - минимальное: напряжения изменялись незначительно, прогибы практически не изменялись. При наплавке промежуточных швов изменения были более значительные: идёт перераспределение напряжений в среднем сечении, изменяются прогибы. По мере увеличения длины промежуточных швов происходило уменьшение сжимающих напряжений (и даже переход в растягивающие) в перьях основных уголков и увеличение сжимающих напряжений в обушках. Такое перераспределение Рис. 1. Схема стенда Р1 Р2 Р3 Р4 С1 С2 С1 I Р4 I1 I Р Р2 I3 Р I В1 В2 В3 В4 I1 В I В4 I3 В I В2 24,0 3,1 Рис. 2. Маркировочная схема фермы Рис. 3. Узел усиленной фермы Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 1 28 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ напряжений, происходящее при усилении сжатых стержней, объясняется наложением полей сварочных напряжений на эпюры напряжений, имеющихся в усиливаемых стержнях от нагрузки. В большей степени оно имело место при усилении раскосов. В среднем в результате усиления (после остывания элементов) уменьшение сжимающих напряжений в перьях уголков раскосов составило 10 кН/см2. Увеличение сжимающих напряжений в обушках уголков усиливаемых раскосов в результате усиления составило порядка 10-14 кН/см2. При усилении стержней верхнего пояса В4 и В1 4 такое перераспределение напряжений носило менее выраженный характер, что объясняется, во-первых, более мощным сечением уголков основных стержней (2L140×10 по сравнению с 2L90×8 для раскосов) и, во-вторых, большим удалением сварных швов от кромок перьев уголков. Изменения прогибов носили выраженный характер остаточных, что определяется, по-видимому, быстрым остыванием металла швов (рис. 5). Направление их довольно чётко зависело от положения швов в сечении. Так, наплавка швов 3-10 (ΣlW ≈ 445 см, kf = 5-6 мм) при усилении раскоса Р3 (2L90×8 двумя L63×6) приводила к появлению прогибов в направлении отрицательной оси «Y». Швы 11-18 (ΣlW ≈ 441 см, kf = 5-6 мм) создавали прогибы в направлении положительной оси. Все эти характерные моменты напряжённого состояния подтверждались в целом на всех усиливаемых стержнях. Наблюдения за работой фасонок и стержней, примыкающих к усиливаемым элементам, показали лишь незначительные изменения напряжений в фасонках при наплавке концевых швов, исчезающие с остыванием усиливаемых стержней. Прогибы Рис. 4. Схема расстановки тензодатчиков и прогибомеров Рис. 5. Графики изменения прогибов раскоса Р3: а - порядок сварки; б - прогибы в направлении оси «Y»; в - прогибы в направлении оси «X» 29 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 1 И.К. Родионов фермы в процессе сварки не изменялись, что не подтверждает результаты, полученные на математической модели автором работы [9]. Полученные результаты позволили сделать следующие выводы: 1) процесс усиления (наложения сварных швов) приводит к изменению напряженно-деформированного состояния сжатых, усиливаемых методом увеличения сечения стержней стальных уголковых ферм: происходит перераспределение напряжений в сечениях; появляются общие деформации изгиба усиливаемых сжатых элементов; 2) перераспределение напряжений и изгиб связаны с наложением промежуточных сварных швов; при наплавке концевых швов изменения напряжений в усиливаемых стержнях крайне незначительны, изгиб не наблюдается; 3) величина изменений напряжений и стрелок выгиба усиливаемых стержней прямо пропорциональна размерам накладываемых связующих швов; 4) величина стрелок сварочных выгибов усиливаемых сжатых стержней зависит от их расчётной длины и жёсткости сечений: чем больше длина и меньше жёсткость, тем больше стрелки выгиба, и наоборот; 5) направление стрелок выгиба сжатых усиливаемых стержней зависит от положения связующих швов в сечении; это может быть использовано при усилении в качестве фактора регулирования амплитуды прогиба путём варьирования порядка наплавки связующих швов по сечению; 6) процесс усиления практически не оказывает влияния на прогибы усиливаемой конструкции фермы, на работу фасонок, примыкающих к усиливаемым сжатым стержням, и стержней, смежных с усиливаемыми.

About the authors

Igor K. Rodionov

Author for correspondence.
Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files