Богданов Т.М. и др. - Соединения в строительных конструкциях из алюминия

АННОТАЦИЯ
В брошюре «Соединения в строительных конструкциях из алюминия» (из опыта работы НИИ мостов) рассматриваются алюминиевые сплавы, их особенности, технология соединений элементов конструкций из алюминиевых сплавов (холодная клепка алюминиевых клепочных соединений; соединения на составных заклепках и на высокопрочных болтах); технология сварки сплавов АМгб (АМгбТ) и др.
Брошюра представляет интерес для организаций и специалистов, работающих в этой области.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящей брошюре освещается опыт работы Научно-исследовательского института мостов в области изучения особенностей заклепочных, сварных и болтовых соединений в строительных конструкциях из алюминиевых сплавов. Дается подробное описание произведенных в институте опытов и методики их осуществления.
Широкий круг вопросов, относящихся к соединениям конструкций из легких сплавов, по которым НИИ мостов получил опытные данные, — представит интерес для организаций и специалистов, работающих в этой области.
В составлении брошюры приняли участие научные сотрудники НИИ мостов: кандидаты техн. наук Т. М. Богданов (раздел VIII), А. Д. Богомолова (раздел V), Н. И. Новожилова (раздел IV), инженеры А. А. Савельев (раздел I и общая редакция), Ю. П. Сатаев (разделы II и III), канд. техн. наук Ю. М. Сильницкий (раздел VI) и инж. С. В. Чижевский (раздал VII),
Центральный институт научной информации по строительству и архитектуре
СОЕДИНЕНИЯ В СТРОИТЕЛЬНЫХ конструкциях из алюминия
I. АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ И ОСОБЕННОСТИ СОЕДИНЕНИИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ИЗ НИХ
Основные свойства алюминиевых сплавов. Достоинствами алюминиевых сплавав по сравнению со строительными сталями являются высокая их прочность, примерно равная прочности стали, и малый объемный вес (2,65-4-2,85 т/м3 против 7,85 т/м3 у стали).
К преимуществам алюминиевых сплавов относятся также возможность прессования профилей сложного поперечного сечения (что уменьшает клепальные или сварочные работы при изготовлении конструкций) и повышенная устойчивость ряда сплавов против коррозии.
К недостаткам алюминиевых сплавов следует отнести: относительно низкий, по сравнению со сталью, модуль упругости (7100 кг/мм2 против 21000 кг/мм2 у стали), что приводит в ряде случаев к формам, отличающимся от стальных конструкций; необходимость (для повышения прочностных свойств) подвергать многие сплавы термической обработке, что исключалось при применении строительной стали; высокий коэффициент линейного расширения по сравнению со сталью (22Х10-6 против 11,8Х10-6 у стали), что необходимо иметь в виду при определении температурных деформаций алюминиевых конструкций.
Особенности соединений строительных и мостовых конструкций из алюминиевых сплавов. Алюминиевые сплавы создавались и совершенствовались в первую очередь для нужд самолетостроения. С развитием отечественной алюминиевой промышленности создается реальная возможность применения алюминиевых сплавов и для строительных целей.
Для успешного применения в несущих строительных, крановых и мостовых конструкциях алюминиевых сплавов, поставляемых отечественной промышленностью, необходима предварительная подготовка в виде изучения ряда вопросов, связанных с физико-механическими свойствами сплавов, рациональным изготовлением конструкций из них и работой последних под нагрузкой.
Такой подготовкой являются исследования, проведенные Научно-исследовательским институтом мостов, об особенностях соединений элементов строительных и мостовых конструкций из алюминиевых сплавов.
К этим особенностям относятся:
холодная и горячая клепка алюминиевыми заклепками больших диаметров в 16-24 мм; эти диаметры заклепок являются обычными в рассматриваемых конструкциях. Имеющийся отечественный опыт в этой области ограничен пока применением заклепок малых диаметров (6-10 мм);
сварка листов толщиной 10—30 мм типична для многих несущих конструкций в отечественной практике имеет место сварка преимущественно тонких листов толщиной 3 — 5 мм);
сболчивание монтажных соединений на высокопрочных стальных болтах, где болт работает не как обычно на срез или смятие, а на передачу усилий в соединении за счет сил трения, возникающих под головками и гайками болтов; этот способ может оказаться эффективным и для алюминиевых конструкций.
Марки сплава и выбор вида соединений.
Выбор вида соединений конструкций из алюминиевых сплавов, на заклепках или сварке, в значительной степени продиктован физико-механическими свойствами сплава, идущего на изготовление самой конструкции.
Так, большая группа отечественных деформируемых алюминиевых сплавов, которые целесообразно использовать для строительных и мостовых конструкций по достаточно высоким прочностным характеристикам, — дуралюмин Д1Т и Д16Т, а также высокопрочный сплав В95Т (табл. 1) являются термически упрочняемыми сплавами.
Эти сплавы в закаленном состоянии при сварке теряют некоторую часть прочностных свойств. Применение таких сплавов в конструкциях в отожженном (мягком) состоянии нерационально из-за низкой прочности. Поэтому конструкции из этой группы сплавов следует изготовлять при помощи клепки, преимущественно холодной.
Существует и другая группа отечественных деформируемых сплавов, термически не упрочняемых. Среди них наиболее высокие прочностные характеристики, столь необходимые для строительных и мостовых конструкций, имеют алюминиево-магневые сплавы АМг-6 (АМг 6Т) и АМг 61. Конструкции из этих сплавов следует изготовлять преимущественно сварными, допуская монтажные соединения на заклепках или болтах.
Из сравнения двух групп сплавов видно, что в настоящее время наиболее высокие прочностные характеристики имеют термически упрочняющие сплавы. Это обстоятельство приводит к необходимости применять в алюминиевых конструкциях наряду со сваркой и клепку, совершенствуя ее технологию.
На основе экспериментальных работ, проведенных НИИ мостов в 1958 г., получены данные: по технологии изготовления и клепки холодным способом заклепок из различных алюминиевых сплавов диаметром 16-24 мм; по прочности и выносливости соединений из сплава Д16Т при холодной клепке заклепками из сплава Д18Т и В65Т; о составных заклепках из Д16Т, запрессовываемых в холодном состоянии; о горячей клепке дуралюмина; по прочности и выносливости соединений из Д16Т на высокопрочных болтах из 'стали 40Х; по технологии аргоно-дуговой сварки листов из сплава АМгб толщиной 10—30 мм.
Экспериментальные данные послужили материалом для составления НИИ мостов временных технических указаний на проектирование заклепочных соединений элементов пролетных строений железнодорожных мостов из алюминиевых сплавов и на изготовление таких пролетных строений. Эти указания во многом применимы и для других, названных выше конструкций.
Полученные данные об особенностях соединений элементов конструкций из алюминиевых сплавов приводятся ниже.
II. ТЕХНОЛОГИЯ ХОЛОДНОЙ КЛЕПКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ.
Изготовление заклепок из алюминиевых сплавов холодным способом. В качестве материала для заклепок могут быть использованы пластичные алюминиевые сплавы Д18 и В65, а также более прочные Д1, Д16 и В95.
Исследование заклепочных соединений проводилось на прутках диаметрами 20 и 24 мм, изготовленных из сплавов Д18 и В65; диаметром 20 мм — из сплава Д1 и диаметром 16 мм из сплава В95.
Средние данные механических свойств сплавов, из которых были выполнены прутки, приведены в табл. 2.
При изготовлении заклепок холодным способом одним из решающих факторов является сила, необходимая для образования головки, поэтому большое внимание было уделено исследованию величины этой силы, а также отысканию таких типов головок, которые требуют меньших сил для своего формирования.
В качестве основных типов головок были приняты полукруглая (ГОСТ 1187-41) и плоско-коническая, несколько уменьшенная по сравнению с ГОСТ 1193-41 (рис. 1). Формирование закладных головок производилось на 100-т прессе с помощью специального штампа.
Попытки холодного прессования закладных головок из стержней сплавов Д1Т и В95Т, т. е. в закаленном и состаренном состоянии, не дали положительных результатов. При усилии 40—50 т в еще не сформировавшихся головках появлялись трещины, вызывавшие при дальнейшем увеличении усилия разрушение головки (рис. 2).
Причиной растрескивания головок из этих сплавов является очень высокое отношение пределов текучести и прочности материала и, следовательно, малая способность к пластическим деформациям при прессовании. Поэтому дальнейшие опыты по образованию головок холодным способом проводились для всех сплавов на отожженном материале. Заклепочные стержни отжигались при 360° с последующим охлаждением в печи.
Из табл. 2 видно, что прочностные свойства материалов после отжига значительно уменьшились. При этом для сплавов Д1 и В95 значительно понизилось отношение предела текучести к пределу прочности, благодаря чему создались лучшие условия для холодной штамповки. Для сплавов Д18 и В65, как показал опыт, закладные головки хорошего качества можно получать и в состоянии после закалки и старения, но и здесь отжиг может быть полезен, так как позволяет уменьшить силу, требующуюся для формирования головки. В табл. 3 приведены средние данные по усилиям пресса, необходимым для образования закладных головок.
...