Особенности производства металлоконструкций. Материалы, применяемые для металлоконструкций.
В зависимости от назначения металлоконструкций материалом для их изготовления служат прокатные углеродистые и низколегированные стали и в некоторых случаях титановые и алюминиевые сплавы. Согласно ГОСТ 380 —71, углеродистая сталь обыкновенного качества в зависимости от назначения подразделяется на три (А, Б, В) и по нормируемым показателям — на шесть Категорий. Сталь группы А поставляется по механическим свойствам, группы Б — по химическому составу и группы В — по механическим свойствам и химическому составу. По степени раскисленности стали бывают спокойные (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп). Способ изготовления стали указан в сертификате. Обозначения марок углеродистой стали обыкновенного качества приняты буквенно - цифровыми. Например, обозначение СтЗсп соответствует стали СтЗ, спокойной, группы А; обозначение БСтЗпс — стали СтЗ, полуспокойной, группы Б; обозначение ВСтЗкп —стали СтЗ, кипящей, группы В.
Наиболее распространенной сталью в металлоконструкциях является сталь СтЗ, обладающая достаточно высокими механическими свойствами, большой пластичностью, хорошей свариваемостью и не подвергающаяся закалке. Для несущих расчетных элементов металлоконструкций чаще применяют мартеновскую сталь группы В, поставляемую с гарантиями по механическим свойствам и по химическому составу.
Кипящие стали значительно дешевле спокойных сталей, однако вследствие неоднородной структуры они имеют большую склонность к старению и образованию трещин при низких температурах и обладают худшей свариваемостью. Эти стали, в основном, применяют в металлоконструкциях, работающих в условиях статических нагрузок и при температуре выше —25 °С, для изготовления различного рода ограждений, перил, лестниц, площадок и др.
Ответственные металлоконструкции, работающие при температурах ниже —25 °С, а также металлоконструкции, подверженные действию переменных динамических и вибрационных нагрузок, независимо от температуры эксплуатации целесообразно изготовлять из спокойной мартеновской стали группы В марки ВСтЗсп с дополнительными гарантиями в отношении ударной вязкости (для металлоконструкций, работающих при низких температурах). Стали Ст5, Стб ввиду ограниченности и плохой свариваемости в металлоконструкциях не применяют, а используют их, как стали повышенной прочности в качестве направляющих для ходовых колес тележек в козловых кранах. Углеродистые качественные стали 08, 10, 15, 20, 25 (ГОСТ 1050 —74) применяют для изготовления неответственных элементов. Для металлоконструкций кранов большой грузоподъемности, а также кранов северного исполнения применяются низколегированные стали (10ХСНД,- 15ХСНД, 10ХГСНД, 10Г2СД, 14ХГС и др.), имеющие по сравнению со сталью СтЗ более высокие механические свойства, повышенную стойкость против атмосферной коррозии и меньшую хладноломкость. Применение низколегированных сталей приводит к уменьшению массы металлоконструкций примерно на 15 %.
Низколегированные стали, выплавляемые в мартеновских и электрических печах, поставляются одновременно по механическим свойствам и химическому составу. Основными недостатками низколегированных сталей являются большая чувствительность к концентрации напряжений и высокая стоимость (на 19 —50 % больше стоимости стали СтЗ).
Применение комплексного легирования и термического упрочнения сталей дает возможность также снизить массу металлоконструкции благодаря увеличению прочности сталей. Так, комплексно - легированная сталь 15ХГ2СФМР, которая помимо обычных легирующих веществ содержит молибден (М) и бор (Р), имеет временное сопротивление 850 —981 МПа (85 —100 кгс/мм2).
Термическому упрочнению успешно подвергают малоуглеродистые стали СтЗ, низколегированные и др. В результате термического упрочнения механические свойства малоуглеродистых сталей повышаются до 25 %, а у низколегированных сталей — до 50 %.
Большие перспективы также открываются перед алюминиевыми и титановыми сплавами. Главные достоинства титановых сплавов ВТЗ - 1, ВТ5 - 1, ВТ6, ОТ4, ВТ8 и др. заключаются в сочетании высоких механических свойств (а = 700 ... 1250 МПа) и коррозионной стойкости с малой плотностью (4,52 г/см3) и малым коэффициентом линейного расширения. Они достаточно пластичны, поддаются обработке давлением без нагрева, обладают сравнительно хорошей свариваемостью и пригодны для изготовления изделий, работающих при температурах от —190 до +500 °С.
Несмотря на то, что механические свойства алюминиевых сплавов значительно ниже (ав = 320 ... 380 МПа и Е = 7 ГПа), чем у стали СтЗ, тем не менее, имея малую плотность (2,7 г/см3), обладая достаточно высокой пластичностью при повышенных температурах и высокими механическими свойствами при отрицательных температурах без изменения ударной вязкости и высокой коррозионной стойкостью, их успешно начинают применять для крановых металлоконструкций.
Переход от стали к алюминиевым сплавам позволяет снизить массу мостовых кранов примерно на 50 —70 %; увеличить их грузоподъемность без увеличения давления ходовых колес на подкрановый путь; облегчить поддерживающие строительные конструкции; уменьшить расход энергии и сократить эксплуатационные затраты, связанные с окраской конструкции и их ремонтом. Применение алюминиевых сплавов весьма эффективно и в стреловых конструкциях. Стрелы кранов и экскаваторов, изготовленные из алюминиевых сплавов, легче стальных на 50 % при неизменном вылете, а при равной массе и устойчивости машин возможно увеличение вылета стрелы на 15 —20 % или их грузоподъемности на 20 —25 %.
Применение стрелы из алюминиевых сплавов в башенных крапах снижает их массу в 1,5 —1,7 раза по сравнению со стальными.
Для различных крановых металлоконструкций могут быть применены алюминиевые сплавы: АМгМ, АД31Т для малонапряженных конструкций; АМг5М, АМгбМ, АДЗЗТ1 для средненапряженпых конструкций и АМгбШ, В95Т, АД35Т1 для сильнонапряженных конструкций.
Причины, сдерживающие внедрение алюминиевых сплавов взамен стали:
- большая стоимость алюминиевых сплавов по сравнению со сталью СтЗ. Так, стоимость опытного 5 - тонного мостового крана оказалась в 4,95 раза больше стоимости крана, изготовленного из стали СтЗ;
- необходимость изготовлять металлические конструкции из алюминиевых сплавов на отдельных участках или цехах, так как данное производство требует соблюдения особых требований и более высокой культуры труда, чем изготовление стальных металлоконструкций. Вследствие высокой чувствительности алюминиевых сплавов к надрезам, царапинам и другим дефектам изготовление металлоконструкций из алюминиевых сплавов требует специфических мер предосторожности.
Первичными элементами, из которых изготовляют металлоконструкции, являются листовой и профильный прокат. Листовая сталь разделяется: на полосовую (ГОСТ 103 —76), широкополосную (ГОСТ 82 —70), тонколистовую (холоднокатаная ГОСТ 19904 —74 и горячекатаная ГОСТ 19903 —74) и толстолистовую (горячекатаная ГОСТ 19903 —74). Универсальную широкополосную сталь применяют в готовом виде без обрезки кромок, листовую —в готовом виде без обрезки кромок и с обрезкой кромок. С целью уменьшения отходов металла установлены заказные размеры по длине и ширине листов.
Низколегированные конструкционные стали изготовляют также в виде листового и широкополосного проката (ГОСТ 19282 —73) и сортового и фасонного проката (ГОСТ 19281 —73).
Сталь профильную изготовляют в виде уголков, швеллеров, тавров и др. Уголковые профили (ГОСТ 8509 —72, ГОСТ 8510 —72), в основном, применяют в качестве соединительных элементов и для элементов, работающих на осевое усилие. Швеллеры (ГОСТ 8240 —72) применяют для элементов, работающих на осевые усилия, и в виде балок, работающих на поперечный изгиб. Двутавровые балки (ГОСТ 8239 —72) применяют, как правило, для элементов, работающих на поперечный изгиб, и для колонн, работающих на осевое и внецентренно приложенное усилие. Тавры (ГОСТ 7511 —73) являются удобным профилем в металлоконструкциях, так как из них можно изготовлять сварные двутавры, а, кроме того, они могут заменить сдвоенные уголки в сварных фермах.
Сталь круглую (ГОСТ 2590 —71) используют для элементов связей, анкерных болтов и т. д.
Сталь квадратную (ГОСТ 2591 —71) часто применяют для крановых путей.
Рифленую ромбическую сталь (ГОСТ 8568 —77) применяют для настилов площадок и ступеней лестниц.
Рельсы крановые (ГОСТ 4121 —76) и железнодорожные (ГОСТ 5633 —51, 7173 —54, 7174 —75, 8161 —75) используют для подкрановых путей и в качестве подтележечных рельсов. Кроме того, используют также рельсы двухголовые, тавровые и типа Р5 (ГОСТ 19240 —73) для наземных и подвесных путей.
Трубы стальные горячекатаные бесшовные (ГОСТ 8732 —78) наружный диаметр 25 —800 мм, толщина стенки 2,5 —75 мм; трубы стальные холоднокатаные и холоднотянутые бесшовные (ГОСТ 8734 —75) с наружным диаметром до
