При работе черных болтов на срез соединение вследствие наличия зазоров имеет большую деформативность. По исследованиям Г. А. Шапиро, сдвиги заклепок при напряжениях около предела текучести составляют в среднем 0,24 мм, а сдвиги черных болтов при зазорах от 1 до 4 мм — соответственно от 2,65 до 3 мм (т. е. примерно в 10 раз больше).

В то же время статическая прочность болтового соединения только примерно на 10% меньше, чем заклепочного, что объясняется выравниванием усилий в отдельных болтах при работе их за пределом текучести. Вибрационная прочность болтового соединения значительно ниже, чем заклепочного.

Поэтому черные болты при работе их на срез целесообразно применять только при статической нагрузке и только там, где требуется в основном обеспечить прочность и где не имеет существенного значения деформативность соединения.

Эффективным способом уменьшения деформативности болтового соединения является переход на чистые болты, плотно заполняющие отверстие. Однако такой переход допустим лишь в редких случаях вследствие дороговизны изготовления чистых болтов.

Более рационально применение болтов при использовании их в работе на растяжение. В этом случае для надежной работы болта необходима хорошая затяжка, так как внешняя растягивающая сила сначала должна преодолеть начальное натяжение. С точки зрения деформативности работа болтов на растяжение не очень благоприятна.

Особенно это относится к черным болтам, где трудно осуществить полную затяжку. Для уменьшения деформативности соединения либо не доводят напряжение в болтах до расчетного сопротивления, либо надежно закрепляют затянутые гайки.

Надежно закрепить гайку можно приваркой ее к болту. Расчеканка резьбы или прихватка гайки сваркой закрепляет гайку от раскручивания, но не уменьшает деформативности соединения.

Вибрационная прочность соединений на черных болтах, работающих на растяжение, также значительно ниже (почти на 50%), чем заклепочных; поэтому их применение при вибрационной нагрузке мало рационально.

Зазор между болтом и отверстием в случае работы болтов на растяжение играет меньшую роль и для черных болтов может достигать 3 — 4 мм.

при проверке болтов на срез по формуле

при проверке болтов на смятие по формуле

а при проверке на растяжение (учитывая площадь сечения болта нетто) по формуле

N — расчетная сила, действующая в соединении;

d — диаметр ненарезанной части болта;

d 0 — внутренний диаметр нарезки стержня;

R б — расчетные сопротивления болтов срезу, смятию и растяжению, принимаемые по таблице .

Размещение болтов в соединении производится по правилам размещения заклепок в соответствии с таблицей (за исключением минимального расстояния между болтами, которое для всех случаев установлено равным 3,5 d). Кроме того, необходимо учитывать возможность завинчивания гаек стандартными ключами 1 .

При назначении диаметра болтов и диаметра отверстий для них необходимо учитывать, что стандартные отверстия имеют градацию через 3 мм, а болты — через 2 мм. Кроме того, до сих пор на монтаже иногда применяют болты дюймового сортамента и с дюймовой нарезкой, изготовляемые старым, еще не вышедшим из строя оборудованием (в новых проектах дюймовый сортамент применяться не должен). Поэтому в таблице приводятся рекомендуемые размеры отверстий для соответствующих черных болтов как метрического, так и дюймового сортамента (при работе болтов на срез).

Условные обозначения болтов приведены в таблице.

Прикрепление верхнего пояса стропильной фермы к колонне на черных болтах.

Решение. Принимаем болты диаметром d = 18 мм с F нт = 1,71 см 2 . Число болтов, необходимое для прикрепления пояса, определяем по формуле (8.V)

Принимаем 4 болта d = 18 мм. Диаметр отверстий назначаем 20 мм.

1 Перечисление стандартных инструментов дано в «Справочнике монтажника стальных конструкций», Госстройиэдат, 1948.

«Проектирование стальных конструкций»,
К.К.Муханов

БОЛТОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Болты, применяемые для строительных конструкций

Для строительных конструкций применяют болты грубой, нормальной точности, высокопрочные Ø 10÷30 мм, анкерные диаметром до 90 мм.

Болты грубой (ГОСТ 15589-70*) и нормальной точности изготавливают из углеродистой стали й ставят в отверстия (на 2÷3 мм больше диаметра болта), образованные продавливанием или сверлением в отдельных элементах. Отверстия имеют негладкую поверхность и черноту - несовпадение отверстий в отдельных элементах (группа С). Преимуществом таких болтов является облегченная установка болтов. Применяются в монтажных соединениях для фиксации положения элементов и при работе на растяжение.

Болты повышенной точности изготавливают из углеродистой и легированной стали. Диаметр отверстия для таких болтов не должен отличаться более чем на +0.3 мм от диаметра болта, поверхность отверстия, должна быть гладкой (группа В). Болты в таких отверстиях сидят плотно и хорошо воспринимают сдвигающие силы, но соединения на таких болтах применяются редко.

Высокопрочные болты (ГОСТ 7798-70*) изготавливают из углеродистой стали 35 или из легированной стали 40Х, 40ХФА и 38ХС и готовые болты подвергают термической обработке. Отверстия для них делают такими же, как и для болтов нормальной точности. Гайки затягивают тарировочным ключом, позволяющим создавать и контролировать силу натяжения болтов, которая плотно стягивает соединяемые элементы и обеспечивает монолитность соединения. При действии на такое соединение сдвигающих сил между соединяемыми элементами возникают силы трения, препятствующие сдвигу этих элементов относительно друг друга. Высокопрочный болт, работая на осевое растяжение, обеспечивает передачу сил сдвига трением между соединяемыми элементами. Поверхности трения зачищаются. Соединения на высокопрочных болтах применяются в монтажных соединениях ответственных конструкций.

Работа и расчет болтовых соединений

В болтовых соединениях при действии продольной силы N , проходящей через центр тяжести соединения, распределение этой силы между болтами следует принимать равномерным.

Расчетное усилие N b , которое может быть воспринято одним болтом, следует определять по формулам (рис.1):

Рис.1. Расчетная схема работы болтового соединения на сдвиг

на срез болта (1)

где

на смятие стенок отверстия (2)

на растяжение болта (рис.2) (3)

где R bs , R bp , R bt - расчетные сопротивления болтовых соединений;

γ b - коэффициент условий работы соединения, который следует

принимать по табл.35

А - расчетная площадь сечения стержня болта;

n s - число расчетных срезов одного болта;

d - наружный диаметр стержня болта;

Σt - наименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении;

А bn - площадь сечения болта нетто

Рис.2. Работа болтов на растяжение.

Фланцевое симметричное соединение

Количество n болтов в соединении при действии продольной силы N следует определять по формуле:

где N b , min - меньшее из двух значений расчетных усилий для одного болта, вычисленных выше. При действии момента, вызывающего сдвиг соединяемых элементов, распределение усилий на болты следует принимать пропорционально расстояниям от центра тяжести соединения до рассматриваемого болта.

Болты, работающие одновременно на срез и растяжение, следует проверять отдельно на срез и растяжение.

На монтаже болтовые соединения производят болтами обычной прочности и высокопрочными. Болты обычной прочности бывают грубой, нормальной и повышенной точности. Болты нормальной и повышенной точности отличаются от болтов грубой точности более высоким качеством обработки поверхности, не влияющим на расчетные характеристики прочности соединения. Это обстоятельство необходимо учитывать, так как взаимозаменяемость болтов возможна.
В соединениях на болтах обычной прочности усилия от одного элемента к другому передаются за счет работы кромок отверстий на смятие и стержня болта на срез. Различают соединения на высокопрочных болтах дв^х видов: сдвигоустойчивые и с несущими болтами.

В подготовку стыкуемых поверхностей входит, как всегда, их очистка от грязи, ржавчины, снега, льда, масла и пыли. Кроме того, необходимо спилить напильником или срубить зубилом заусенцы на кромках деталей и отверстий, а также тщательно выправить неровности, вмятины, погнутости деталей соединения, которые могли возникнуть во время транспортировки конструкций, при их погрузке или разгрузке. Без выполнения этих работ обеспечить плотное взаимное соприкосновение всех деталей стыка невозможно.

На объекте проектное расположение монтируемых элементов достигают совмещением всех отверстий с помощью проходных оправок, диаметр цилиндрической части которых должен быть на 0,2 мм меньше диаметра отверстий. С помощью кувалды оправку забивают в отверстия, при этом коническая часть упирается в кромки отверстий, которые по мере перемещения оправки в глубь пакета совмещаются. Часть отверстий (не менее 10%) должна быть заполнена пробками, которые служат для фиксации взаимного расположения соединяемых элементов и предупреждения их сдвига. Поэтому длина цилиндрической части пробки должна быть больше суммарной толщины всех деталей собираемого элемента (толщины пакета), а длина конической части обеспечивать только удобство установки пробки в отверстия. Когда пробки установлены, оправки можно извлечь.

Стяжка пакета соединяемых деталей производится сборочными болтами, которые устанавливают в каждое третье отверстие, но не дальше, чем через 500 мм. Болты затягивают до отказа и после установки смежного болта дополнительно подтягивают.

Требуемая плотность собираемого пакета достигается только в том случае, если при установке каждого болта будет обеспечена возможность последовательного устранения неплотности в стыке. Часто это может быть достигнуто установкой болтов от центра стыка к краям. В определенных конструктивных решениях стыков такой порядок невозможен, тогда применяют иную систему установки болтов - от края к середине узла.

Если очередность затяжки болтов неправильная, устранить неплотности невозможно, так как свободному горизонтальному перемещению стыковых элементов будут препятствовать силы трения от натяжения ранее поставленных болтов.

Обычно при сборке соединения неизбежна различная степень взаимного смещения отверстий, происходит это из-за неточности расположения отверстий. Такое смещение отверстий называется чернотой. Отверстия, выполненные на заводе-изготовителе на меньший диаметр, на монтажной площадке доводят до проектных размеров рассверливанием, одновременно ликвидируя тем самым черноту.

После рассверливания и прочистки отверстий, свободных от сборочных болтов, последние развинчивают, последовательно переставляют в подготовленные отверстия проектного диаметра и рассверливают освободившиеся отверстия. Тогда только приступают к постановке постоянных болтов.

Гайки постоянных и временных болтов завертывают ручными коликовыми ключами, обычными или трещоточными. Ключи с трещотками, имеющие рабочий ход только в одном направлении, удобнее, так как их не нужно снимать и переставлять после каждого поворота.

Отличительная особенность монтажных ключей в том, что они имеют с одной стороны зев для гайки определенного размера, а с другой коническую часть - колик, который служит оправкой при совмещении отверстий собираемых деталей или конструкций.

В сдвигоустойчивых соединениях не происходит взаимного смещения соединяемых элементов, действующие усилия воспринимают только силы трения, а сами болты непосредственного участия в передаче усилий не принимают. В этом состоит их принципиальное отличие от соединений с болтами нормальной и повышенной точности.

В соединениях на несущих высокопрочных болтах наряду с силами трения в передаче усилий, участвуют и сами болты, которые вступают в работу аналогично другим болтовым соединениям после того, как действующее усилие преодолеет силы трения, произойдет сдвижка соединяемых деталей и гладкая часть стержня болта начнет контактировать с кромками отверстий соединенных деталей. Ввиду большой механической прочности болта несущую способность таких соединений лимитирует не срез стержня, а смятие отверстия. Из этого очевидна зависимость: чем больше толщина элементов пакета, тем большая нагрузка может быть воспринята болтом. Наличие двух факторов - трения и смятия кромки отверстия - повышает несущую способность болта в 1,5-2 раза по сравнению с болтом в сдвиго-устойчивых соединениях и снижает соответственно число необходимых болтов и стоимость самого соединения.

Как правило, на болтах грубой и нормальной точности собирают малоответственные конструкции - фонари, площадки, лестницы, неответственные связи; на болтах повышенной точности - все остальные конструкции, а на высокопрочных болтах - конструкции с тяжелым режимом работы. Примером использования высокопрочных болтов могут служить монтажные соединения подкрановых балок больших пролетов для мостовых кранов.

Монтаж соединений на болтах обычной прочности состоит из следующих операций: подготовки стыкуемых поверхностей; совмещения отверстий под болты; стягивания пакета (соединяемых деталей стыка); рассверливания отверстия до проектного диаметра, если на заводе они были выполнены на меньший диаметр.

Болтовое монтажное соединение должно иметь не менее двух отверстий. В одно из них сначала вставляют колик ключа для совмещения другого отверстия, в которое устанавливают болт, и затягивают его. После этого ключ извлекают и в освободившееся отверстие вставляют второй болт. Для надежной работы болтового соединения гайки закручивают, создавая в болтах натяжение 1,7 МПа.

Под головки и гайки постоянных болтов обязательно ставят шайбы (не более двух под одну гайку и одной под головку). В местах примыкания головки или гайки к наклонным поверхностям ставят косые шайбы. Резьба болта должна находиться вне отверстия соединяемых элементов, а гладкая часть стержня не должна выступать из шайбы.

Обязательное требование: головки и гайки болтов должны плотно соприкасаться с плоскостями элементов конструкций. На каждом болте со стороны гайки должно оставаться не менее трех ниток с полным профилем резьбы.

Проверка качества затяжки болтов проводится простукиванием их молотком массой 0,3-0,4 кг. Если болт дрожит или смещается, значит, он затянут плохо. Плотность затяжки деталей проверяют щупом толщиной 0,3 мм, который не должен входить между собранными деталями более чем на 20 мм.

Монтажное соединение на высокопрочных болтах имеет некоторые особенности, связанные с подготовкой соединяемых поверхностей под стыковку и способом натяжения болтов.

В условиях стройплощадки соединяемые поверхности подготовляют газопламенной очисткой или обработкой стальными щетками.

Огневую очистку производят специальными многопламенными горелками. Благодаря высокой температуре пламени (до 1800°С) происходят быстрое нагревание и температурная деформация поверхностного слоя обрабатываемой детали, в результате чего окалина и ржавчина отслаиваются, грязь и жир сгорают.

Поверхности, обработанные огневым способом, очищают от продуктов сгорания и отслоившейся окалины стальными щетками и чистой ветошью, после чего приступают к сборке соединения. Разрывы во времени между окончанием подготовки и установкой болтов не должны превышать 4-6 ч, так как с увеличением времени снижается надежность контакта обработанных поверхностей.

Перед постановкой болты и гайки помещают в решетчатую тару и опускают в кипящую воду для очистки от заводской консервирующей смазки, затем - в ванну со смесью 15% минерального масла и 85% бензина.

Надежная работа соединений на высокопрочных болтах может быть обеспечена только при стабильном натяжении всех болтов. В условиях монтажной площадки определение усилия натяжения практически невозможно, поэтому принята методика косвенной оценки усилия натяжения через величину крутящего момента М, который необходимо приложить к гайке для получения заданного натяжения болта.

Зависимость между крутящим моментом и натяжением болта Р определяется зависимостью
М = kPd,
где к - коэффициент закручивания болта; d - номинальный диаметр болта, м.

Значение коэффициента закручивания зависит от качества болтов, гаек и шайб и в среднем составляет 0,14-0,22.

Натяжение по крутящему моменту выполняют сначала гайковертом на 70-80% проектного усилия с последующей затяжкой динамометрическим ключом.

Конструкции ключей можно разделить на два типа: индикаторные и предельного момента. Индикаторные ключи показывают величину прикладываемого момента, а ключи предельного момента срабатывают при достижении крутящим моментом заданной величины.

На конце рукоятки индикаторного ключа закреплена головка с закрытым зевом. К головке приварена планка с неподвижным язычком прямоугольного сечения. Между рукояткой ключа и язычком есть зазор 2-3 мм, благодаря которому при изгибе рукоятки язычок остается неподвижным. К рукоятке ключа жестко прикреплен индикатор часового типа, измерительный стержень которого касается язычка. При завертывании гайки рукоятка ключа под действием усилия, приложенного к ее концу, изгибается, в результате чего уменьшается расстояние между верхней кромкой рукоятки и язычком. Изменение этого расстояния на 1 мм фиксирует индикатор с ценой деления 0,01 мм. Зависимость между крутящим моментом и показаниями индикатора определяют по тарировочному устройству или тариро-вочному графику.

Требования к качеству затяжки болтов. Специфика соединений на высокопрочных болтах требует тщательного контроля усилия натяжения болтов. Выборочной проверке подлежат 25% болтов в соединении, а при их количестве 5 шт. и менее контролируют все болты. Отклонение фактического крутящего момента от расчетного не должно превышать 0+20%.

При обнаружении хотя бы одного болта, натяжение которого не отвечает указанному требованию, контролю подлежат все болты в соединении, и натяжение каждого должно быть доведено до требуемой величины. Результаты проверки регистрируют в журнале установки высокопрочных болтов.
Помимо проверки фактического натяжения болтов тарированными ручными ключами или по углу поворота контроль осуществляют проверкой плотности пакета щупом толщиной 0,05 мм, который не должен проникать в глубь пакете против установленных высокопрочных болтов. После контроля головки болтов окрашивают.