Кузнецов - Строительные конструкции из сталей повышенной и высокой прочности

А. Ф. КУЗНЕЦОВ

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ИЗ СТАЛЕЙ ПОВЫШЕННОЙ И ВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТИ

(Технология изготовления и тлонтажа, технико-экономические показатели)

МОСКВА

СТРОЙИЗДАТ

1975

Кузнецов А. Ф. Строительные конструкции из сталей  повышенной и высокой прочности (технология изготовления и монтажа, технико-экономические показатели). М., Стройиздат, 1975. 80 с.

Приводится характеристика современных отечественных и зарубежных строительных сталей повышенной и высокой прочности,  рассмотрено уменьшение массы конструкций при применении указанных сталей. Показано влияние технологических свойств высокопрочных сталей на режимы операций и оборудование при изготовлении и  монтаже конструкций.

Обоснованы показатели трудоемкости, себестоимости и  капиталовложений для строительных конструкций. Приведена методика и алгоритм выбора оптимального класса стали на основе  относительных приведенных затрат и показаны области рационального применения перспективных сталей в металлических конструкциях.

Книга предназначена для инженерно-технических и научных работников проектных и научно-исследовательских организаций, а также может быть полезна специалистам по изготовлению и  монтажу конструкций.

Табл. 19, рис. 25, список лит.: 40 назв.

© Стройиздат, 1975

ВВЕДЕНИЕ

Одним из главных направлений развития и  совершенствования металлических конструкций является  более широкое использование сталей классов С44/29— С85/75. Стали классов С44/29—С52/40 называют сталями повышенной прочности (сокращенно п.п.), стали С60/45—С85/75 — сталями высокой прочности (сокращенно в.п.). Стали повышенной прочности нашли  широкое применение в строительных конструкциях. 

Достаточно сказать, что на ведущих заводах металлических  конструкций применение их составляет до 35% общей массы используемого проката. Большие исследования по разработке сталей высокой прочности провели ЦНИИЧермет, Уральский институт чериых металлов, Институт электросварки им. Е. О. Патона. В результате этих исследований получены стали с пределом текучести до 750 МПа. Комплексные  исследования ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко и ЦНИИПроектстальконструкции позволили установить  конструкционные свойства сталей высокой прочности, после чего  наиболее перспективные марки были включены в последнюю редакцию норм на проектирование стальных конструкций.

Применение сталей повышенной и высокой прочности взамен малоуглеродистой решает проблему уменьшения расхода металла на строительные металлические  конструкции—одну из основных проблем строительства. 

Вместе с этим необходимость широкого использования  указанных сталей определяется увеличением габаритов  зданий и сооружений при одновременном повышении  нагрузок, приводящим к значительному увеличению  сечений, если применять для них сталь СтЗ (С38/23).

Широкое применение сталей повышенной и высокой прочности решает и вторую не менее важную проблему— разработку и внедрение эффективных профилей, в  сочетании с которыми стали повышенной и высокой  прочности можно применять для массовых конструкций промышленных зданий — колони, балок и ферм. Это, в свою очередь, ускорит внедрение облегченных конструкций в промышленное строительство.

Разработка сталей повышенной и высокой  прочности, обоснование расчетных характеристик и выбор  формы профилей составляют решение конструктивно-прочностной проблемы. Но вместе с этим должны решаться проблемы технологическая и экономическая.

Технологическая проблема включает исследование обрабатываемости и свариваемости новых сталей,  разработку технологии изготовления и монтажа конструкций и выбор необходимого технологического оборудования.

Уменьшение массы конструкций оправдано в том случае, если с увеличением прочности сталей не  возрастают приведенные затраты, включающие увеличение цены—на сталь, повышение трудоемкости на единицу работ, уменьшение загрузки вагонов и т. д. Только сравнением приведенных затрат можно установить  области рационального применения. Автор поставил задачу осветить особенности технологии изготовления и монтажа конструкций из сталей повышенной и высокой прочности, а также дать  обоснование областей рационального применения этих сталей в строительстве.

Глава I

ХАРАКТЕРИСТИКА СТАЛЕЙ ПОВЫШЕННОЙ И ВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТИ

1. СОВРЕМЕННЫЕ ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ И ЗАРУБЕЖНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ

Отечественные стали п.п. (С44/29—С52/40)  поставляются по гост 5058—65*. Механические свойства  сталей наиболее употребительных марок для  металлических конструкций приведены в табл. 1. По химическому составу эти марки можно разделить на три группы: марганцевокремиистые 14Г2, 16ГС, 09Г2С, 10Г2С1, хромоникельмедистые 15ХСНД, ЮХСНД, ванадиевые 15ГФ. Из-за дефицитности никеля и меди стали второй группы  наиболее дорогие. Перспективной сталью является сталь марки 15ГФ, выплавляемая на основе легирования  ванадием. Влияние ванадия на свойства стали подробно рассмотрено в работе [11].

В соответствии с указанным стандартом стали  могут поставляться как в горячекатаном, так и в  термически обработанном после закалки и высокого отпуска  состоянии. В последнем случае повышаются значения временного сопротивления σ_в, предела текучести σ_т и снижается порог хладноломкости.

В табл. 1 приведены свойства сталей высокой  прочности классов С60/45—С85/75. Повышение прочностных свойств достигнуто многокомпонентным легированием в сочетании с термической обработкой. Кроме добавок марганца и кремния они содержат молибден, ванадий, бор, а некоторые и азот. Присутствие ванадия приводит к образованию карбидов (VC) и нитридов (VN),  способствующих повышению σ_в, σ_т и ударной вязкости α_к. Перспективной сталью является сталь 16Г2АФ,  приманенная в конструкциях ряда объектов. Стали марок 14ГСМФР, 15ХГ2СФР и 15ХГ2СМФР содержат бор (В), небольшие добавки которого увеличивают прокаливаемость стали и обеспечивают высокое качество  термической обработки по всей толщине изделия. Наиболее высокие значения σ_в, σ_т имеет сталь марки 15ХГ2СМФР, которая относится к классу С85/75. В  настоящее время в нормах [33] нет рекомендаций по  применению этой стали, Сталь марки 14ХМНДФР по своим свойствам  приближается к американской стали марки Т-1, но имеет  высокую стоимость.

Зарубежные стали. Большинство марок сталей  содержит цифру, означающую гарантированный предел текучести в тысячах фунтов на квадратный дюйм (1 фунтов, дюйм=0,007 МПа). Например, стали с  гарантированным пределом текучести 50 000 фунтов/кв. дюйм имеют следующие фирменные названия: ЕХ-ТЕН 50; V 50; GLX-50-W; JNX-50; JLX-50-W; X-50-W; С50, У-50 и т. д.

Для сталей, имеющих одинаковые значения σ_т, но разные фирменные названия, установились типовые требования к химическому составу. Зарубежом (особенно в США и Японии) применяют довольно много марок  сталей с пределом текучести от 330 до 500 МПа. В  последние 10—15 лет в США нашла широкое применение сталь высокой прочности марки Т-1, включенная в стандарт ASTM под номером А517 Grade J. Эта сталь проходит закалку и высокий отпуск. Для толщин 4,8—63 мм опа имеет σ_т = 703 МПа, σ_в =800—950 МПа, 65=18%, при температуре — 45°С ударная вязкость составляет 0,4 МДж/м2.

Подобную сталь производят и другие фирмы, но со своим названием, например: RQ100A, N-A-XTPA, SSS-100, JALLOy-100 и др. Все перечисленные марки практически не отличаются по химическому составу от марки Т-1.

Особенностью японских сталей с пределом  текучести до 400 МПа является то, что они легированы  марганцем и кремнием, для повышения коррозионной  стойкости иногда добавляется медь в количестве 0,15—0,4%. Стали, имеющие σ_т = 400 МПа, многокомпонентные. Кроме Мп и Si они содержат Ni, Сг, Мо, V. Эти стали поставляют в термически обработанном виде. Стали, имеющие σ_т = 700 МПа, кроме перечисленных  компонентов содержат бор. Сталь марки WEL-TEN 100N имеет σ_т = 900 МПа.  

Порог хладноломкости большинства марок японских высокопрочных сталей гарантирован не ниже —25^оС. Для марки YND-58 порог хладноломкости составляет —65°С. Стали, содержащие медь, хорошо сопротивляются коррозии.

В Англии применяют стали марок Ducol, Chfomador и Fortiweld. Последняя из указанных при высоких  значениях σ_т и σ_в имеет хорошие пластические свойства и хорошо сваривается. В ГДР и ФРГ распространена сталь повышенной прочности марки St 52. В ГДР  специально для резервуаров разработана сталь марки St 45/60, имеющая σ_т  = 450 МПа. В Италии используют многокомпонентные высокопрочные стали с большим содержанием легирующих компонентов Сг, Ni, Си, V, Мо. Указанные стали поставляют в нормализованном  состоянии. Некоторые марки имеют предел текучести,  превышающий 1000 МПа, а предел прочности до 1400 МПа.

Высокопрочные стали для металлических конструкций находят применение также во Франции, Бельгии,  Чехословакии и других странах. Таким образом, тенденции применения более  прочных сталей для строительных конструкций в СССР и за рубежом совпадают.

2. СТОИМОСТЬ СТАЛЕЙ ПОВЫШЕННОЙ И ВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТИ

При массовом применении сталей п.п. и в.п.  необходимо учитывать не только их расход, но и стоимость. В большинстве случаев целесообразность применения определяется эффективностью, а последняя зависит от цены на прокат. Рост цены на сталь с увеличением её прочности доказательств не требует, однако во многих случаях необходимо знать и степень указанного роста. Для основных марок сталей п.п. и в.п., включенных в нормы на проектирование [33], имеются оптовые цены,  приведенные в табл.2 [27].