Болтовые соединения

10.2. Болтовые соединения

Болтовые соединения осуществляют путем постановки металлических стержней (болтов) в совмещенные отверстия соединяемых элементов.

В болтовых соединениях стальных конструкций применяют болты различного назначения (рис. 10.36).

Рис. 10.36. Классификация болтов

Болты обычные и высокопрочные используют для соединения элементов стальных конструкций друг с другом, а болты анкерные – для присоединения конструкций к фундаменту.

Обычные болты изготавливают грубой (класс точности С), нормальной (класс точности Б) и повышенной (класс точности А) точности.

Болты класса точности А следует применять для соединений, в которых отверстия просверлены на проектный диаметр в собранных элементах или по кондукторам в отдельных элементах и деталях, а также просверлены или продавлены на меньший диаметр в отдельных деталях с последующим сверлением на проектный диаметр.

Для нерасчетных монтажных соединений применяются болты класса точности С, для расчетных – В и А. Болты классов точности В и С в многоболтовых соединениях следует применять для конструкций из стали с пределом текучести 380 МПа. В соединениях, где болты работают преимущественно на растяжение, как правило, применяют болты классов точности В и С или высокопрочные.

Рекомендуемые материалы

Элементы в узле допускается крепить одним болтом.

Диаметры отверстий, в которые вставляются болты, выполняются больше диаметра стержня болта (табл. 10.22).

По прочности болты подразделяются на классы, которые обозначаются двумя цифрами, разделенными точкой (4.6; 5.6; 5.8 и т.п.). Первая цифра, умноженная на 10, обозначает минимальное временное сопротивление материала болта σ_u  в кН/см²; произведение цифр определяет значение предела текучести материала болта σ_y  в кН/см²; вторая цифра, умноженная на 10, обозначает соотношение σ_y / σ_u в процентах.

Таблица 10.22

Диаметры отверстий болтов

По механизму передачи внешних усилий различают несколько видов болтовых соединений:

Срезные соединения, в которых внешние усилия воспринимаются вследствие сопротивления болтов срезу и соединяемых элементов смятию. Отличительное свойство срезных соединений – достаточно высокая деформативность. Поэтому основная область их применения – соединения элементов, подвергающихся воздействию статических нагрузок.

Фрикционные или сдвигоустойчивые соединения, в которых внешние усилия воспринимаются вследствие сопротивления сил трения, возникающих по контактным плоскостям соединяемых элементов от сжатия пакета предварительно натянутыми высокопрочными болтами. Эти соединения наиболее трудоемки по сравнению с другими типами болтовых соединений и применяются в конструкциях, воспринимающих различного рода вибрационные, циклические и знакопеременные нагрузки, а также эксплуатируемых в условиях низких температур, где требуется повышенная надежность.

Фрикционно-срезные, в которых внешние усилия воспринимаются в результате совместного сопротивления сил трения, болтов срезу и соединяемых элементов смятию.

Фланцевые соединения, в которых внешние усилия воспринимаются главным образом вследствие преодоления сопротивления сжатию фланцев от предварительно натяжения высокопрочных болтов. Фланцевые соединения, в которых высокая несущая способность высокопрочных болтов используется впрямую и практически полностью, являются одним из эффективных типов болтовых соединений элементов, подверженных растяжению, изгибу или совместному их действию.

Специальные болтовые соединения на самонарезающих болтах, комбинированных заклепках применяются в основном для крепления профилированного настила в покрытиях зданий.

Фундаментные (анкерные) болты с диаметром резьбы 12...140 мм работают на растяжение, предназначены для крепления строительных конструкций к фундаменту и классифицируются по следующим признакам:

– конструктивному решению (изогнутые, с анкерной плитой, составные съемные);

– способу установки в фундамент (устанавливаемые на готовые фундаменты в колодцы или скважины);

– способу закрепления в бетоне фундамента (закрепляемые непосредственно взаимодействием элементов (шпилек или анкерных плит) болтов с бетоном фундамента, закрепляемые с помощью эпоксидного или силоксанового клея, цементно-песчаных смесей, либо с помощью разжимных цанг);

– условиям эксплуатации (расчетные и конструктивные).

10.2.1. Размещение болтов в соединении

Центры болтовых отверстий должны располагаться по прямым линиям, параллельным действующему усилию, называемыми рисками. Расстояние a между центрами соседних отверстий вдоль риски называется шагом, расстояние с между соседними рисками – дорожкой.

Болты размещаются в рядовом или шахматном порядке (рис. 10.37) согласно требованиям табл. 10.23, при этом в расчетных соединениях (стыках и узлах) устанавливается минимальный шаг болтов a_min. Он определяется из

а)                                                 б)

Рис. 10.37. Размещение болтов:

а – рядовое; б – шахматное

условия прочности основного металла. Этим достигается экономия материала накладок, фасонок и других элементов в соединении. Максимальное расстояние между болтами a_max назначается в нерасчетных (связующих) соединениях для уменьшения количества болтов. Оно определяется устойчивостью более тонкого наружного элемента t_min при сжатии в промежутках между болтами и плотностью соединения растянутых элементов в целях устранения коррозионной опасности (зависит от диаметра болта d).

Таблица 10.23

Размещение болтов

* В соединяемых элементах из стали с пределом текучести свыше 380 МПа минимальное расстояние между болтами следует принимать равным 3d.

Обозначения, принятые в таблице:

d – диаметр отверстия для болта;

t – толщина наиболее тонкого наружного элемента

При размещении болтов в шахматном порядке расстояние между их центрами вдоль усилия следует принимать не менее а + 1,5d, где а – расстояние между рядами поперек усилия, d – диаметр отверстия для болта. При таком размещении сечение элемента A_n определяется с учетом ослабления его отверстиями, расположенными только в одном сечении поперек усилия (не по «зигзагу»).

Под гайки болтов следует устанавливать шайбы. В болтовом соединении на высокопрочных болтах необходимо устанавливать две шайбы – под головку болта и гайку, так как основное назначение шайб заключается в уменьшении  трения  по торцевой поверхности головки  болта  или гайки при закручивании. В соединениях с болтами классов точности А, В и С (за исключением крепления второстепенных конструкций и соединений на высокопрочных болтах) должны быть предусмотрены меры против развинчивания гаек (постановка пружинных шайб или контргаек).

10.2.2. Срезные соединения на болтах нормальной точности

В многоболтовых соединениях при действии продольной силы, проходящей через центр тяжести соединения, распределение этой силы между всеми болтами неравномерно. Однако в пластической стадии за счет текучести материала усилия в болтах выравниваются и расчет каждого болта производится на одинаковое усилие (рис. 10.38, а). Неравномерная работа отдельных болтов нормальной точности учитывается снижением расчетных сопротивлений материала болтов.

Рис. 10.38. Распределение усилий между болтами:

а – продольной силы; б – изгибающего момента

При недостаточной прочности разрушение обычных болтов происходит в результате их среза по плоскости, совпадающей с поверхностью соприкосновения соединяемых элементов.

При недостаточной толщине соединяемых элементов давление, возникающее между болтами и стенками отверстий, приводит к смятию последних. Расчет на смятие носит условный характер и ведется не по цилиндрической поверхности контакта, а в предположении равномерного распределения перпендикулярно поверхности контакта, т.е. по диаметральной плоскости болта.

Если внешняя сила, действующая на соединение, направлена параллельно продольной оси болтов, то они будут работать на растяжение. При статической работе такого соединения качество отверстий и поверхности болта не играют роли и болты нормальной и повышенной точности работают на растяжение одинаково. Прочность соединения будет определяться прочностью материала болтов на растяжение. В соединениях, работающих на растяжение, применяются болты из тех же сталей, что и для соединений, работающих на сдвиг.

Расчетное усилие N_b, которое может быть воспринято одним болтом, в зависимости от вида напряженного состояния определяется по формулам:

– при срезе

N_bs = R_bs γ_b A n_s;

– при смятии

N_bp = R_bp γ_b dΣ t;

– при растяжении

N_bt = R_bt A_bn,

где R_bs, R_bp, R_bt – расчетные сопротивления болтовых соединений определяемые по табл. 10.24 и 10.25;

d – наружный диаметр стержня болта (табл. 10.26);

A = πd²/4 – расчетная площадь сечения стержня болта;

A_bn – площадь сечения болта нетто (табл. 10.26);

Σ t – наименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении;

n_s – число расчетных срезов одного болта;

γ_b – коэффициент условий работы болтового соединения при работе на срез и смятие, учитывающий качество обработки поверхности отверстий для болтов и их расположение в соединяемых элементах (см. табл. 10.27).

Количество n болтов в соединении при действии продольной силы N, приложенной в центре тяжести соединения, в предположении работы всех болтов нормальной точности одинаковой определяется по формуле

n = N / (γ_cN_min),

где γ_c = коэффициент условий работы;

N_min – меньшее из значений расчетного усилия для одного болта (из условия среза или смятия).

Расчет самих соединяемых элементов на прочность ведется с учетом ослабления сечения отверстиями по площади нетто A_n.

Таблица 10.24

Расчетные сопротивления срезу и растяжению болтов

П р и м е ч а н и е. В таблице указаны значения расчетных сопротивлений для одноболтовых соединений.

Таблица 10.25

Расчетные сопротивления смятию R_вр элементов,

соединяемых болтами

При действии на соединение момента, вызывающего сдвиг соединяемых элементов, распределение усилий на болты следует принимать пропорционально расстояниям от центра тяжести соединения до рассматриваемого болта (см. рис. 10.38, б). Усилие в наиболее нагруженном болте N_b,max не должно превышать меньшего из значений N_bs или N_bp.

Таблица 10.26

Площади сечения болтов согласно СТ СЭВ 180-75,

СТ СЭВ 181-75 и СТ СЭВ 182-75

* Болты указанных диаметров применять не рекомендуется.

Таблица 10.27

Коэффициенты условий работы соединения

Обозначения, принятые в таблице:

a – расстояние вдоль усилия от края элемента до центра ближайшего отверстия;

b – то же, между центрами отверстий;

d – диаметр отверстия для болта.

Примечания: 1. Коэффициенты, установленные в поз. 1 и 2, следует учитывать одновременно.

2. При значениях расстояний a и b, промежуточных между указанными в поз. 2 и в табл. 2.2, коэффициент g_b следует определять линейной интерполяцией.

При одновременном действии на болтовое соединение силы и момента, действующих в одной плоскости и вызывающих сдвиг соединяемых элементов, определяют равнодействующее усилие в наиболее нагруженном болте (рис. 10.39), которое не должно превышать меньшего из значений N_bs или N_bp.

Рис. 10.39. Усилия в болтах при  одновременном действии N и M

При одновременном действии на болтовое соединение усилий, вызывающих срез и растяжение болтов, наиболее напряженный болт наряду с проверкой на растяжение проверяется по формуле

где N_s и N_t – усилия, действующие на болт, срезывающее и растягивающее соответственно;

N_bs и  N_bt – расчетные усилия (с заменой в формулах A_bn на А_b).

Болты, работающие одновременно на срез и растяжение, проверяются отдельно на срез и растяжение.

Болты, работающие на срез от одновременного действия продольной силы и момента, проверяются на равнодействующее усилие.

В соединениях внахлестку и посредством односторонних накладок возникает не учитываемый расчетом дополнительный изгибающий момент, поэтому количество болтов в соединении увеличивается на 10% сверх расчетного. То же относится к соединениям, где передача усилия осуществляется через прокладки.

При креплении выступающих полок уголков или швеллеров с помощью коротышей количество болтов, прикрепляющих одну из полок коротыша, должно быть увеличено против расчета на 50%.

Пример 10.11. Рассчитать и законструировать болтовое соединение двух центрально-растянутых листов сечением b×t = 300×20 мм посредством двусторонних накладок. Расчетное усилие N = 1000 кН (рис. 10.40). Материал листов и накладок – сталь С255 с расчетным сопротивлением R_y = 240 МПа и нормативным сопротивлением R_un = 370 МПа. Болты класса прочности 5.6.

Рис. 10.40. Соединение на болтах нормальной точности

Назначаем толщину каждой накладки t_н = 12 мм (из условия равнопрочности со стыкуемыми листами принимается не менее половины толщины листов t).

Число срезов n_s = 2.

Наименьшая толщина элементов, сминаемых в одном направлении, Σt_min = t = 20 мм.

Принимаем болты с наружным диаметром d = 20 мм и отверстия под них d_о = 23 мм. Площадь болта А = 3,14 см².

Определяем расчетные сопротивления болтов:

– срезу R_bs  = 190 МПа = 19 кН/см² (см.табл. 10.24);

– смятию элементов из стали класса С255 R_bp = 450 МПа = 45 кН/см² (см. табл. 10.25).

Коэффициент условий работы соединения γ_b = 0,9 (см. табл. 10.27).

Требуемое количество болтов:

– из условия среза

n ≥ N / (R_bs γ_b А n_s) = 1000 / (16 · 0.9 · 3,14 · 2) = 11,06;

– из условия смятия

n ≥ N / (R_bp γ_b d Σt_min) = 1000 / (45 · 0.9 · 2 · 2) = 6,17.

Принимаем количество болтов из условия среза n = 12.

Располагаем болты в рядовом порядке. Минимальное расстояние между болтами в любом направлении

a = 2,5d_о = 2,5 · 23 = 57,5 мм.

Принимаем  a = 70 мм (k = 4 – по ширине листа).

Минимальные расстояния от центра болта до края элемента:

– вдоль усилия c ≥ 2 d_o = 2 · 23 = 46 мм, принимаем c = 50 мм;

– поперек усилия c₁ ≥ 1,5d_o = 1,5 · 23 = 34,5 мм.

Принимаем c₁ = (b – 3a) / 2  = (300 – 3 · 70) / 2 = 45 мм.

Проверяем прочность листа по ослабленному отверстиями сечению, для чего определяем площадь сечения листа нетто:

A_n = (b – k d_o) t = (30 – 4 · 2,3) · 2 = 41,6 см².

Проверка прочности по нормальным напряжениям:

σ = N / A = 1000 / 41,6 = 24,04 кН/см² = 240,4 МПа ≈ R_y γ_c = 240 МПа.

Определяем длину накладки:

l_н = 2 (2a + 2c +Δ) = 2 (2 · 70 + 2 · 50 + 10) = 490 мм.

10.2.3. Фрикционные соединения на высокопрочных болтах

Прочность соединений на высокопрочных болтах зависит от сил трения, величина которых определяется натяжением болта P и коэффициентом трения μ.

Осевое усилие натяжения P высокопрочного болта определяют из выражения:

P = R_bhA_bn,

где  – расчетное сопротивление растяжению высокопрочного болта;

R_bun – наименьшее временное сопротивление (браковочный минимум по σ_u) высокопрочного болта разрыву (табл. 10.28);

 – площадь сечения болта нетто (см. табл. 10.26).

Контролируют натяжение болтов при помощи специальных динамометрических ключей (с контролем крутящего момента М) или тарированным гайковертом (с контролем угла поворота гайки a)

Для изготовления высокопрочных болтов применяют легированные стали, так как они обладают хорошей прокаливаемостью, что обеспечивает более равномерное распределение механических свойств по сечению болта после его термической обработки (закалки и отпуска).

Таблица 10.28

Механические свойства высокопрочных болтов

по ГОСТ 22356 – 77*

Диаметры болтов во фрикционном соединении принимают не менее толщины наиболее толстого из соединяемых элементов. При большом количестве болтов в соединении их диаметр назначают возможно большим.

Расчетное усилие Q_bh, которое может быть воспринято каждой поверхностью трения соединяемых элементов, стянутых одним высокопрочным болтом, определяется по формуле

где  – коэффициент трения, принимаемый по табл. 10.29 в зависимости от способа обработки поверхности (огневую обработку поверхности разрешают применять при толщинах металла не менее 5 мм);

 – коэффициент надежности соединения (табл. 10.29), зависящий от характера нагрузки, воспринимаемой соединением, разности номинальных диаметров отверстий и болтов, способов контроля натяжения болтов и обработки поверхностей соединяемых деталей;

g_b – коэффициент условий работы соединения, зависящий от количества n болтов, необходимых для восприятия расчетного усилия, и принимаемый равным 0,8 при n < 5;  0,9 при 5 £ n < 10;  1,0 при n ³ 10.

Таблица 10.29

Коэффициенты трения m и надежности g_h

П р и м е ч а н и я: 1. Способ регулирования натяжения болтов по М означает регулирование по моменту закручивания, а по a – по углу поворота гайки.

2. Допускаются другие способы обработки соединяемых поверхностей, обеспечивающие значения коэффициентов трения m не ниже указанных в таблице.

Необходимое количество n высокопрочных болтов в соединении для

восприятия продольной силы N определяют по формуле

где k – количество поверхностей трения соединяемых элементов.

g_с – коэффициент условий работы элемента конструкции.

Площади сечения накладок должны быть не меньше площади сечения перекрываемых ими элементов. Высокопрочные болты и их площади сечения, рекомендуемые к применению в конструкциях средней мощности, приведены в табл. 10.26.

Расчет на прочность соединяемых элементов, ослабленных отверстиями под высокопрочные болты, следует выполнять с учетом того, что половина усилия, приходящаяся на каждый болт, в рассматриваемом сечении уже передана силами трения. При этом проверку ослабленных сечений следует производить: при динамических нагрузках – по площади сечения нетто A_n, при статических нагрузках – по площади сечения брутто А при A_n ³ 0,85A либо по условной площади A_c = 1,18A_n при A_n < 0,85A.

Пример 10.12. По исходным данным примера 10.11 рассчитать фрикционное болтовое соединение на высокопрочных болтах. Стык осуществляем высокопрочными болтами из стали 40Х «селект», имеющей наименьшее временное сопротивление R_bun = 1100 МПа = 110 кН/см²  (см. табл. 10.28). Болты  d_b = 20 мм,  диаметры  отверстий  под болты – d = 22 мм.

Способ регулирования натяжения высокопрочных болтов – по моменту закручивания M. Способ обработки поверхностей – стальными щетками без консервации.

Расчетное усилие Q_bh, которое может быть воспринято каждой поверхностью трения соединяемых элементов, стянутых одним высокопрочным болтом:

Q_bh = R_bh γ_b A_bn  μ / γ_h = 77 ∙ 1 ∙ 2,45 ∙ 0,35 / 1,17 = 56,43 кН,

где R_bh = 0,7R_bun = 0,7 ∙ 110 = 77 кН/см² – расчетное сопротивление растяжению высокопрочного болта;

– площадь сечения нетто болта d_b = 20 мм (см. табл. 10.26);

 – коэффициент трения (см. табл. 10.29);

Рекомендуем посмотреть лекцию "3.1. Общие сведения об Интернет".

 – коэффициент надежности (см. табл. 10.29);

g_b = 1,0 – коэффициент условий работы соединения (см. табл. 10.27).

Количество болтов n на каждую сторону от центра стыка

где k = 2 – количество поверхностей трения соединяемых элементов.

Принимаем 9 болтов.