Технология сварки металлоконструкций.

Сварка как способ получения неразъемного соединения материалов открывает широкие возможности снижения трудоемкости изготовления и монтажа конструкций, расширяет возможности использования в конструкциях рациональных типов сечений, позволяющих существенно снизить металлоемкость, при создании сварных конструкций должно быть обеспечено комплексное решение научных проектных и производственных задач, включая раз работку хорошо свариваемых сталей, методов расчета и конструирования сварных соединений и узлов, наиболее полно отвечающих их действительной работе, создание высоко производительных сварочных процессов, оборудования и материалов, а также изыскание новых конструктивных форм, отвечающих требованиям высокой технологичности изготовления и заводской готовности конструкций.

Тема сварки при изготовлении и монтаже строительных конструкций очень обширна. Разнообразие строительных металлических конструкций столь велико, а специфика их проектирования, изготовления и строительства так отличается друг от друга, что даже поверхностно, в отведенное время, рассказать о последних достижениях в этой области не представляется возможным, по этой причине наш материал представлен сведениями о сталях, применяемых в сварных строительных конструкциях в СНГ и за рубежом, рекомендациями по выбору стыковых и угловых соединений, широко применяемых в различных конструкциях. А затем, рассматриваются основные, наиболее важные вопросы проектирования, изготовления и монтажа балочных конструкций и конструкций настила пре имущественно металлических автодорожных мостов.

Почему мы остановились на автодорожных мостах? Прежде всего этот вид строительных конструкций широко распространен во всем мире. В мировой практике сварного мостостроения имеются большие научно-технические успехи в области проектирования, изготовления, монтажа и сварки автодорожных и городских мостов. Во всем мире ежегодно изготавливается порядке 50... 60 тысяч тонн мостовых конструкций. Новые разработки технологий дуговой сварки и материалы находят применение при изготовлении и монтаже мостовых конструкций. Безусловно много нового имеется в резервуаростроении, высотном гражданском строительстве, антенных конструкциях, сооружении морских стационарных платформ и т.п. Однако этому можно уделить внимание при выделении дополнительного времени.

Для специалистов будет представлять практический интерес материал о характерных дефектах в строительных конструкциях и рекомендации по их устранению. Материал построен на использовании нормативных документов и опыта проектирования, изготовления и монтажа в Украине, СНГ, передовых странах Европы и Америке.

Материалы

Прокат, применяемый для сварки металлоконструкций, должен отвечать требованиям соответствующих государственных стандартов или технических условий на его поставку. При выборе марок прокатной стали следует учитывать степень ответственности конструкций зданий и сооружений, а также условия их изготовления и эксплуатации в соответствии с СНиП II 23-81. "Стальные конструкции".

Основным материалом для сварных металлических строительных конструкций является сталь, поставляемая в виде листов, рулонов, различных фасонных, прокатных, гнутых и гнутосварных профилей, труб и периодических профилей для железобетонных конструкций.

В Украине применяется прокат выпускаемый по различным ГОСТ и ТУ, среди которых следует отметить ГОСТ 380-94 и соответствующий ему украинский ДСТУ 2651-94 «Сталь углеродистая обыкновенного качества». Прокат из стали повышенной прочности - ГОСТ 19281-89. Прокат низколегированный конструкционный для мостостроения - ГОСТ 6713-91.

Особое внимание заслуживает ГОСТ 27772-88 "Прокат для строительных стальных конструкций". Этот стандарт распространяется на горячекатаный фасонный (уголки, швеллеры, двутавры), листовой, широкополосный универсальный прокат и гнутые профили из углеродистой и низколегированной стали, предназначенные для строительных стальных конструкций со сварными и другими соединениями.

Прокат из стали повышенной прочности (ГОСТ 19281-89) имеет девять классов прочности. Приводится базовый химический состав для каждого класса прочности, а также перечень марок сталей рекомендуемых для различных классов прочности и толщин фасонного, сортового и листового проката. Класс прочности производитель проката может обеспечить несколькими марками стали, что создает у потребителя определенные технологические трудности. Прокат изготавливают в горячекатаном, термообработанном состоянии и после контролируемой прокатки в соответствии с заказом. При отсутствии указаний способ изготовления определяет предприятие-изготовитель.

По требованию потребителя прокат поставляется с гарантией свариваемости. Для стали класса прочности 390 углеродный эквивалент С э должен быть не более 0,49, а для стали класса прочности 440 - Сэ не более 0,51.

Прокат классов прочности 265, 295, 315 (толщиной свыше 20 мм), 325 (толщиной свыше 10 мм), 345, 355, 375, 390 и 440 может поставляться с повышенной стойкостью против атмосферной коррозии. К обозначению класса прочности добавляется буква Д (например 265Д, 295Д).

Прокат классов прочности 315 и 345 изготавливается с применением нормализации или контролируемой прокатки, классов прочности 390, 440 с применением термического упрочнения или контролируемой прокатки.

В зависимости от требований к испытаниям на ударный изгиб прокат изготавливают по 15 категориям. Регламентируется ударная вязкость толстолистового и широкополосного универсального проката KCU и KCV для различных классов прочности.

ГОСТ 27772-88 "Прокат для строительных стальных конструкций" практически обеспечивает все необходимые требования предъявляемые к металлу для обычных и специальных сварных металлоконструкций. Изготовитель гарантирует свариваемость, высокий уровень обеспеченности механических характеристик (не ниже 0,95). Каждому классу прочности соответствует одна марка стали. По ГОСТ 27772-88 стали в обозначении имеют букву С. Пример: С235 - свариваемая с нормативным пределом текучести 235 МПа. По ГОСТ 27772-88 изготавливают фасонный прокат из стали С235, С245, С255, С275, С285, С345К, С375, листовой, универсальный прокат и гнутые профили - из стали С235, С245, С255, С275, С285, С345, С345К, С375, С390, С390К, С440, С590, С590К.

Прокат из стали С255 с массовой допей марганца 0,8-1,1% и кремния 0,15-0,30% изготовляют толщиной более 30 мм, из стали С285 того же химического состава -толщиной не менее 16 мм. Допускается способом термического улучшения со специального нагрева изготовлять листовой прокат стали С390 с химическим составом стали С345, а также способом термического упрочнения с прокатного нагрева изготовлять фасонный прокат с толщиной полки до 12 мм включительно стали С345 и С375 с химическим составом стали С245 и С255. В этом случае к обозначению стали добавляют букву Т, например С390Т, С390ДТ. Ударную вязкость после деформационного старения определяют по ГОСТ 7268-82 на образцах с концентратором вида U при температуре 20 °С. ГОСТ 27772-88 является основным при выборе материалов при проектировании строительных конструкций по СНиП II-23-81. Мы рассмотрели состояние вопроса выбора материала для металлических конструкций регламентированного отечественными нормативными документами.

Расчет и проектирование металлических строительных конструкций в Германии осуществляются по DIN 18800 (часть I). С сентября 1993 г. в Европе начато внедрение в большинстве стран единых европейских норм на стальную металлургическую продукцию. В частности в строительстве внедряется стандарт EN 10113:1993 "Горячекатаные изделия из свариваемой мелкозернистой строительной стали «Warngewalzte Erseugnisse aus schweissgeeigneten Feinkornbaustahlen». Этот стандарт разработан Техническим комитетом ECISS/TCIO "Строительные стали, стандарты качества" и принят Европейским комитетом стандартизации CEN 1993-03-05.

Стандарт EN 10113 внедряется в странах Европейского экономического сообщества Бельгии, Дании, Германии, Финляндии, Франции, Италии, Люксембурге, Нидерландах, Австрии, Швеции, Испании и Англии. Стандарт предусматривает поставку листа толщиной < 63 мм и плит толщиной < 150 мм из горячекатаных свариваемых строительных сталей в состоянии термомеханической обработки. В табл. 3 приведен химический состав по ковшовой пробе. Прокат S 275 и S 355 данного стандарта представляет нелегированную высококачественную сталь. Прокат стали S 420 и S 460 легирован согласно EN 10020. Механические свойства проката представлены в таблице 4. Временное сопротивление Rm представлено в широком диапазоне для каждой марки. Это достигается соответствую щей термообработкой. Предел текучести ReH имеет фиксированные значения для определенного диапазона толщин. Оценка вязкости металла проката EN 10045-1 производится на образцах с острым надрезом - KCV и представлена в средних значениях работы удара при различных темпера турах. В отличие от отечественных стандартов, где приводятся минимально допустимые ве личины ударной вязкости вдоль проката в EN 10113 представлены средние значения работы удара вдоль проката (табл. 5) и поперек проката (табл. 6). Для проката от S 275 до S 460 требования по работе удара при -30 °С и ниже отсутствуют. Рассмотрим пример обозначения стального проката. Сталь термомеханической про катки с установленной минимальной величиной предела текучести 355 Н/мм2 и установлен ной минимальной величиной работы удара при температуре - 50°С - обозначается EN 10113-1-S355ML Анализируя требования стандартов Украины и Европы необходимо отметить, что к пластичности проката Европа предъявляет более высокие требования. Для сварных конструкций основным требованием является свариваемость. Оценка этих свойств, как признано во всем мире, производится через углеродный эквивалент.

В отечественных стандартах ГОСТ 27772-88 этот показатель имеет следующие значения. Для стали С390 и С390К Сэ> 0,49%, стали С440 - не более_51%. Р»Я Очевидно, прокат по EN 10113 обладает улучшенной свариваемостью. При изготовлении и монтаже металлоконструкций возникает меньше проблем связанных с образованием трещин. Для изготовления металлических конструкций сварных пролетных строений в США применяется целый ряд углеродистых, низколегированных и среднелегированных обычных и высокопрочных сталей толщиной 3...60 мм, упрочненных термической обработкой, в том числе с прокатного нагрева. Немного о прочностных показателях металла используемых при расчете металлоконструкций. Строительные конструкции в Украине рассчитываются по предельным состояниям. В расчетах используют расчетные сопротивления Расчетные сопротивления по пределу текучести для стальных конструкций, рассчитываемых по предельному состоянию, получают путем деления предела текучести стали Ryn, принимаемого равным значению предела текучести по государственным стандартам и техническим условиям на сталь на коэффициент надежности по материалу.

Большое значение при сварке металлоконструкций имеет правильное применение схем сварки и порядка наложения сварных швов. При сварке особенно тонколистовых изделий большой проблемой является сохранение правильной формы и размеров конструкции, для этого применяются специальные схемы сварки, где указывается последовательность выполняемых швов и узлов конструкции.