Владимир Федорович ТАККИ, главный конструктор, e-mail: vladimir.takki@yandex.ru
Игорь Федорович ЕГОРОВ, главный инженер проекта, e-mail: scaut2005@inbox.ru ЗАО «ИТЦ «СКАУТ», 144000 г. Электросталь, ул. Советская, 5
Ольга Александровна ТУСНИНА, кандидат технических наук, доцент, e-mail: tusninaoa@mgsu.ru
ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ), 129337 Москва, Ярославское ш., 26
Аннотация. В зданиях и сооружениях с кранами тяжелого и особо тяжелого режимов работы при интенсивной эксплуатации сварных подкрановых балок по линии сварных швов соединения полки со стенкой балки образуются продольные трещины, часто переходящие в вертикальные трещины по линиям приварки ребер. Провоцирующим фактором разрушения при циклических нагрузках является имеющийся недостаток сварных соединений — ослабление в околошовной зоне и наличие в ней трудно поддающихся учету внутренних напряжений, усугубляющих состояние сварного шва, вокруг которого в подкрановых балках происходят многократные перегибы. При отсутствии такого фактора (как, например, в клепаных балках) эксплуатационный ресурс подкрановых балок возрастает, что подтвердили результаты настоящего исследования предлагаемой конструкции балок с фрикционным соединением верхнего пояса со стенкой. Исследования проводились численным методом с использованием программного комплекса Femap. На основе результатов конечно-элементного расчета проанализировано напряженно-деформированное состояние подкрановых балок со сварным и фрикционным соединением верхней полки со стенкой, приведены изополя и эпюры напряжений в стенке. Показано, что коэффициент использования по усталости балки с фрикционным поясным соединением ниже, чем сварной балки, что говорит о более высокой надежности подкрановых балок с фрикционным поясным соединением по сравнению со сварными при действии циклических нагрузок. Применение фрикционного поясного соединения оказывается эффективным как при новом проектировании подкрановых балок для кранов тяжелого и особо тяжелого режимов работы, так и для усиления существующих сварных балок, имеющих трещины.
Ключевые слова: подкрановая балка, усталость стальных конструкций, трещины, сварной шов, усиление, эксплуатационный ресурс, фрикционное соединение, композитная балка, ремонтопригодность, фактор риска.
Активное строительство мартеновских, конвертерных и иных цехов черной металлургии и других отраслей промышленности с кранами тяжелого и особо тяжелого режимов работы (7К, 8К) прошлось на 1960-е-1990-е гг. Подкрановые балки эксплуатируются в таких цехах уже 30—60 лет и в настоящее время находятся на грани исчерпания своего ресурса, что обусловливает актуальность решения проблемы повышения их эксплуатационного ресурса.
В зданиях и сооружениях металлургических и других производств с интенсивно работающими тяжелыми кранами подкрановые балки подвергаются многократному действию нагрузок разных направлений. В результате этого уже на ранних сроках эксплуатации (иногда до трех лет) [1, 2] в сварных балках возникают усталостные трещины, и срок службы таких балок в целом истекает к 15 годам. Например, по данным службы эксплуатации крана режима 7К, работающего в шлаковом пролете конвертерного цеха ПАО «НЛМК», количество проездов крана по подкрановой балке в среднем составляет 150 за сутки, т. е. за 20 лет эксплуатации количество циклов нагружения для рассматриваемой балки было свыше 4 млн. Согласно СП 16.13330.2017 «СНиП 11-23-81* Стальные конструкции» (с поправкой, с изменениями № 1,2) ресурс такой подкрановой балки исчерпан.
Таким образом, подошла пора массового усиления или замены изношенных подкрановых конструкций, а также пересмотра традиционного подхода к конструированию балок для кранов тяжелого и особо тяжелого режимов работы.
В отечественных нормах (СП 16.13330) приведены положения по расчету на усталость стальных конструкций при их проектировании. Однако применение такой методики к балкам, которые были запроектированы по ранее действующим нормам, необходимо рассмотреть особо. Зачастую оказывается так, что при расчете по современным нормам проверка на усталость не выполняется и возникает необходимость провести значительное усиление или замену таких балок, хотя их состояние, выявленное при обследовании, может быть признано работоспособным и балка может сохранять несущую способность еще длительное время [3].
Расчеты на усталостное разрушение по методикам нормативных документов достаточно приближенные и не позволяют получить точные данные о величинах и распределении напряжений в сечениях подкрановой балки, а также определить перемещения и деформации, возникающие при действии нагрузки.
Для более глубокой оценки усталостной прочности подкрановых балок необходим детальный анализ их напряженно-деформированного состояния, а для существующих балок важно еще учитывать и их фактическое состояние [4]. Наиболее близкую к реальной картину дает использование численных методов с применением корректных расчетных моделей, согласующихся с фактическим конструктивным решением балки.
Поскольку несущая способность подкрановых балок при действии многократных крановых нагрузок разного направления, как правило, обусловливается прочностью соединения верхнего пояса со стенкой, именно этому вопросу следует уделить особое внимание, так как конструктивное решение соединения существенно влияет на сопротивление балки циклическому разрушению.
В сварных подкрановых балках двутаврового сечения поясные швы соединения верхней полки со стенкой представляют собой наиболее проблемную зону [5—8]. Эти швы подвержены сложным воздействиям от сосредоточенного крутящего момента, общего изгиба, местного вертикального и горизонтального давления колеса крана. Кроме того, сварной шов — температурный и физический концентратор напряжений, в особенности его около-шовная зона, что становится провоцирующим фактором образования и развития трещин по шву, а чаще по околошовной зоне.
Действующие нормы и правила проектирования, изготовления и монтажа предусматривают мероприятия, которые снижают остроту провоцирующих факторов. В их числе контроль качества шва, обработка швов аргонно-дуговым способом, обеспечение регулярного надзора за состоянием балок, причем не только визуального, но и с применением методов неразрушающего контроля [9] и т. д.
Частично смягчают жесткие воздействия нагрузок на подкрановые балки известные конструктивные мероприятия. Например, для снижения концентрации напряжений в зоне перехода от шва к стенке [5] рекомендовано выполнять поясные швы неравнокатетными с вогнутым валиком. Это вызвано тем, что другие формы валика шва ухудшают напряженное состояние в этой зоне и значительно понижают выносливость балки.
Однако и эти меры не вполне гарантируют предотвращение развития усталостных трещин и их отслеживание, учитывая реальные условия с безостановочной работой металлургического производства, когда вопросам осмотра состояния подкрановых путей не удается уделять достаточного внимания.
Решение проблемы усталостной прочности требует радикального подхода. Видимо, его следует искать не в уменьшении степени влияния имеющихся потенциальных дефектов, а в их исключении.
Хорошим примером в этом отношении служит клепаная подкрановая балка, обладающая высоким эксплуатационным ресурсом. В таких конструкциях полка соединяется со стенкой с помощью накладных уголков с обеих сторон стенки, верхняя кромка которой пристрогана и плотно подогнана к полке. В результате этого основная часть вертикального давления воспринимается поверхностью контакта стенки с полкой по смятию, а крутящий момент — комбинированными цельными сечениями уголков и пояса балки, более эффективно работающими на кручение относительно продольной оси или, что то же самое, — испытывающими изгиб в плоскости поперечного сечения балки. Для наглядности приведена упрощенная схема работы, отражающая физический смысл, а применение современных методов расчета позволяет учесть более точное распределение напряжений в комбинированном сечении балки с учетом надежности соединения верхнего пояса со стенкой. Аналогом заклепочного соединения стенки с полкой служит фрикционное соединение на высокопрочных болтах (рис. 16, в).
В связи с отсутствием факторов, провоцирующих развитие трещин, усталостная прочность фрикционного соединения гарантирует продление срока службы подкрановых балок на более длительный период. Это подтверждается практикой, когда в современных условиях производится замена заклепок высокопрочными болтами, и новое усиленное составное сечение продолжает службу долгие годы. Данный прием повышения эксплуатационного ресурса реализован на Магнитогорском металлургическом комбинате [10] и в 2019 г. на Новолипецком металлургическом комбинате (ПАО «НЛМК») при реконструкции подкраново-подстропильных ферм пролетом 24 и 36 м соответственно.
Источник: 12/2020 ПРОМЫШЛЕННОЕ И ГРАЖДАНСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО