Нормативная оценка надёжности и долговечности металлических мостов, страница 4

Повышение долговечности заклёпочных соединений

Долговечность заклёпочных соединений, связанная с выносливостью, определяется особенностями напряжённо-деформированного состояния соединения и концентрацией напряжений.

Концентрация напряжения определяется:

1)  Концентратором в виде заклёпочного соединения;

2)  Локальной концентрацией в зоне контакта, где под влиянием нормального давления и сдвигающих сил происходит упругопластическое деформирование металла, причём при многократно повторяющимся процессе приложения сдвигающих сил, могут возникнуть усталостные разрушения поверхностного слоя металла.

Эти усталостные разрушения связаны с деформативностью соединения. При снижении деформативности соединения снижаются износ и повышается сопротивление усталости. Повышение долговечности может быть достигнуто уменьшением деформативности.

Способы уменьшения деформативности, т.е. способы повышения долговечности соединений, основаны на использовании факторов, определяющих деформативность. Этими способами являются следующие:

1)  Уменьшение длины соединения. Рассмотрим 2 соединения, в обоих 10 заклёпок.  

При снижении деформативности стыка  снижается не только износ Δ, но и повышается сопротивление усталости.

2)  Повышение плотности размещения заклёпок (болтов), т.е. уменьшение расстояния между ними; при этом повышается удельное давление P_o.

3)  Увеличение числа контактов, переход от одноконтактных  (односрезных) соединений к двухконтактным (двухсрезным). При этом деформативность соединений уменьшается прямо пропорционально в два раза, и уменьшается коэффициент концентрации напряжений α_σ на кромках отверстия для заклёпки (или болта) вследствие изменения деформаций тела заклёпки (болта).

4)  Повышение величины удельного давления P_o; этого можно добиться путём замены заклёпок на высокопрочные болты. Особенно эффективен способ для эксплуатируемых пролётных строений, где уже существенен износ заклёпочных соединений и велика деформативность стыка. Так в наихудших условиях работают крайние ряды заклёпок, достаточна замена только их на высокопрочные болты.

Т.к. напряжения в элементе σ_э больше, чем напряжение в фасонке по крайнему заднему ряду прикрепления

,

в худших условиях работают именно первые ряды, а не последние, их в первую очередь надо заменить.  

На выносливость заклёпочных соединений, помимо деформативности, оказывает влияние усилие, передаваемое непосредственно через заклёпку (во 2-ой и 3-ей стадиях), которое создаёт концентрацию напряжений у кромок заклёпочного отверстия.

Усилие на крайние заклепки примерно в 1,5 раза больше среднего .

Эта неравномерность мало влияет на статическую несущую способность, т.к. происходит перераспределение усилий между заклёпками за счёт пластических деформаций, но существенно снижает выносливость.

Для эксплуатируемых мостов наиболее существенно и важно повышение выносливости за счёт замены крайних рядов заклёпок на высокопрочные болты, и в отдельных случаях – устройство двухконтактных соединений вместо однконтактных.

Оценка усталостной долговечности и надёжности элементов с клёпано-болтовыми соединениями

Заменяются крайние ряды. При этом число заменяемых задних рядов меньше передних.

Условие надёжности (безотказной работы) с вероятностью не менее 0,98.

,

Откуда ресурс после усиления:

.

Здесь:  – мера повреждения заклёпочного соединения от нагрузки до усиления;

 – мера повреждения клёпано-болтового соединения от нагрузок после усиления;

 = 0,3 – расчётная нормативная мера повреждений.

Меру повреждений до усиления определяют по изложенной выше методике. Меру повреждения  после усиления определяют для сечения по крайнему ряду болтов, поставленных вместо заклёпок, по той же методике, используя только соответствующие болтовому соединению кривые усталости и соответствующие значения α_σ. Число поездов (блоков нагрузки), после пропуска которых будет достигнуто предельное значение  , является оценкой максимального ресурса по выносливости клёпано-болтового соединения.

Сколько рядов заменять?

Рассмотрим первые ряды оставшихся заклёпок (ряды «а-а» и «б-б»). Усилие, передаваемое этими заклёпками, меньше, чем по первым рядам, где стоят болты.

Для этих рядов должно выполняться тоже условие:   

,

где   – мера повреждения, накопленная после усиления (крайних рядов, но не рассматриваемых, они остались без изменения) от количества поездов, определённого по выносливости сечения по крайним рядам высокопрочных болтов.