Каплун - Стальные конструкции из широкополочных двутавров и тавров

Печатается по решению секции литературы по  строительной физике и конструкциям редакционного совета Стройиздата.

Каплун Я. А.

Стальные конструкции из широкополочных двутавров и тавров/Под ред. Н. П. Мельникова. — М.: Стройиздат, 1981. — 143 с, ил.

Дан анализ нового отечественного сортамента широкополочных двутавров и тавров в сопоставлении с сортаментами по зарубежным стандартам. Описаны особенности строительных стальных конструкций массового применения с использованием широкополочных двутавров и тавров и приведены рекомендации по их расчету и конструированию.

Рассмотрен перечень типовых стальных конструкций из  широкополочных двутавров и тавров. Предназначена для инженерно-технических работников проектных и научно-исследовательских организаций.

© Стройиздат, 1981

ВВЕДЕНИЕ

Широкополочные двутавры и тавры относятся к  наиболее экономичным горячекатаным профилям,  получившим большое распространение в технически  развитых странах благодаря простоте конструктивных решений, экономичности по расходу стали и  существенному снижению трудоемкости изготовления,  конструкций.

Государственным планом развития народного  хозяйства СССР на 1976—1980 гг. предусматривалось,  начиная с 1978 г., применение значительных объемов широкополочных двутавров при изготовлении  строительных стальных конструкций. В 1978—1979 гг. было освоено прокаткой более 20 профилей, в последующие годы намечено производство всех основных профилей сортамента. Со времени пуска первого в СССР  универсального балочного стана для прокатки  широкополочных двутавров на Нижне-Тагильском металлургическом комбинате имени В. И. Ленина в строительстве  использовано около миллиона тонн нового проката.

Для подготовки к широкому внедрению в практику отечественного строительства нового экономичного  металлопроката в ЦНИИпроектстальконструкция были выполнены в течение последних 10—12 лет  теоретические и экспериментальные исследования и проектные разработки с целью создания экономичных сортаментов широкополочных двутавров и тавров, современных конструктивных форм и установления областей  наиболее рационального их использования. В книге  обобщены результаты указанных работ  ЦНИИпроектстальконструкция и других организаций Советского Союза с учетом зарубежного опыта. Благодаря особенностям прокатки широкополочных двутавров и образуемых при их продольном роспуске тавров на универсальных станах с двумя парами  валков (горизонтальных и вертикальных) полки двутавров и тавров имеют параллельные грани. Поэтому в  зарубежной практике и в рекомендациях Международной организации по стандартизации (ИСО) эти профили называют «двутавры с параллельными гранями полок».

Эта терминология принята и в технических условиях на сортаменты широкополочных профилей ТУ 14-2-24-72«Двутавры и тавры с параллельными гранями  полок». Поэтому в дальнейшем изложении вместо  терминов «широкополочные двутавры», широкополочные тавры» приняты названия «двутавры с параллельными гранями полок» и «тавры с параллельными гранями полок».

В отечественной технической литературе практически отсутствуют сколь-нибудь подробные описания  конструкций из двутавров и тавров с параллельными  гранями полок. Нет в литературе также сортаментов этих профилей, если не считать работу [27], изданную  небольшим тиражом. Предлагаемая читателям книга предназначена восполнить в некоторой степени этот пробел.

В книге рассмотрено современное состояние  производства двутавров и тавров с параллельными гранями полок в СССР и технически развитых зарубежных странах. Даны сравнительные характеристики  отечественного сортамента и сортаментов по зарубежным стандартам. Описаны особенности конструкций  массового применения с использованием широкополочных двутавров и тавров и даны рекомендации по  компоновке элементов конструкций из этих профилей, а также по их расчету и конструированию. Рассмотрены  экспериментальные конструкции из импортных  широкополочных двутавров и тавров, использованных в построенных объектах. Приведен перечень типовых стальных  конструкций из широкополочных двутавров и тавров и дано краткое описание каждого выпуска. В приложении представлены полные сортаменты двутавров и тавров с параллельными гранями полок (широкополочных двутавров и тавров) по ТУ 14-2-24-72.

ГЛАВА I. ДВУТАВРЫ И ТАВРЫ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ ГРАНЯМИ ПОЛОК

1. СОСТОЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ЗА РУБЕЖОМ

Развитие строительства привело к увеличению  размеров прокатных профилей и к появлению  широкополочных двутавров, способных заменить сложные  составные сечения из уголков и листов, соединенных  заклепками. В 1902 г. в Дифферданже (Люксембург) был построен на основе изобретения американского инженера Грея первый стан для прокатки широкополочных  двутавров [5, 23]. На нем были успешно прокатаны  двутавры высотой до 1000 мм при ширине полок до 300 мм. В США широкополочные двутавры впервые начали прокатывать в Г906 г. на заводах фирмы «Бетлхем стил корпорейшен». Были прокатаны двутавры разных типов высотой до 762 мм с полками шириной до 425 мм. Все широкополочные двутавры имели уклон внутренних граней полок. В 1914 г. немецкая фирма «Пайне»  впервые в мировой практике начала прокатывать  широкополочные двутавры с параллельными гранями полок [23, 41] на основе усовершенствования,  запатентованного Пуппе 1911 г.). Высокая эффективность способа прокатки двутавров с широкими полками и параллельными гранями способствовала весьма быстрому его распространению.

Производство за рубежом экономичных двутавров с широкими и параллельными полками получило  особенно большое развитие в 1955—1967 гг. К концу этого периода оно составило около 75% общего производства двутавров в Европейских странах и достигло в 1970 г. 80% общего производства двутавров в США. В  последние годы наряду с реконструкцией и  совершенствованием существующих станов продолжается строительство новейших станов для прокатки широкополочных  двутавров с параллельными гранями полок в США, Канаде, Англии, Японии, Люксембурге, Австралии. По состоянию на 1970 г. общее число станов в мире для прокатки  двутавров с параллельными гранями полок составляло 52, в том числе 11 универсальных балочных станов, на  которых ведется прокатка только этих профилей. В ПНР производят около 5 тыс. т двутавров с параллельными гранями полок высотой до 300 мм по европейскому  сортаменту. По этому же сортаменту в ЧССР прокатывают двутавры с параллельными полками высотой до 330 мм и двутавры с широкими полками в объеме около 20 тыс. т в год [5].

Наряду с производством широкополочных двутавров методом горячей прокатки разрабатывались  усовершенствованные способы изготовления сварных профилей. В начале 60-х годов в США фирмой «АМФ Терматул» был запатентован способ изготовления сварных  профилей, в том числе двутавров, с использованием весьма производительного процесса сварки токами высокой частоты [43]. Двутавр сваривается из трех полос  рулонной стали. Высота профилей до 490 мм, толщина полок до 16 мм, ширина до 460 мм; толщина стенки от 2,4 до 9,5 мм, высота до 460 мм. Для получения надежного соединения продольные кромки стенки предварительно осаживаются вхолодную до утолщения, равного 1,25 начальной толщины заготовки. Скорость сварки: при толщине стенки 4,8 мм—35 м/мин, при толщине стенки 9,5 мм—12 м/мин. Большого распространения это производство, однако, не получило. В примере,  приведенном автором статьи [43], сварной двутавр легче  равнопрочного горячекатаного двутавра примерно на 9%. В Японии в 1966—1967 гг. были смонтированы три агрегата американской фирмы «АМФ Терматул» для производства 60—100 тыс. т сварных двутавров в год каждый. Двутавры высотой 122—406 мм с полками  шириной 50—150 мм при толщинах стенок 1,6—6,4 мм, полок 3,2—9,5 мм. В связи с пуском  высокопроизводительных универсальных балочных станов производство сварных двутавров общего назначения было свернуто. Агрегаты для сварки двутавров японские фирмы  приспособили для производства двутавров высотой до 100 мм со стенками толщиной менее 3 мм, поскольку производство таких профилей методом горячей  прокатки на универсальных станах неэкономично, а иногда и технически невозможно [5].

Различные усовершенствованные установки по  сварке двутавровых профилей применяются и в других странах. В Швеции успешно эксплуатируются поточные линии фирмы «Грэнгэс инженерии», на которых  одновременно сваривают два поясных шва. 

Производительность этой линии до 30 тыс. т двутавров в год. Такая линия имеется на одном из заводов  металлоконструкций в Советском Союзе.Большое распространение получили сварные  двутавры с поясами из широкополочных тавров и стенкой- вставкой из листа. Такие двутавры в большом  ассортименте поставляет западногерманская фирма «Пайне» [41]. Такие же изделия с использованием специально прокатываемых тавров с низкой стенкой в качестве поясов производит японская фирма «Ниппон кокан», в том числе профилей из разных марок стали в  различных комбинациях [38]. Аналогичные примеры можно привести и из английской практики [36].

Таким образом, основную массу двутавровых  профилей в технически развитых странах производят  методом горячей прокатки. Наряду с этим применяются усовершенствованные способы производства сварных двутавров в тех случаях, когда получение их методом горячей прокатки практически исключено, а именно: особо тонкостенные балки, профили резко  асимметричного сечения, бистальные двутавры, двутавры высотой более 1000 мм и т. п.

2. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОИЗВОДСТВА В СССР

Начало широкого индустриального строительства в СССР привлекло внимание строителей к зарубежному опыту, для которого характерно было уже в ту пору всемерное использование широкополочных двутавров при создании экономичных металлических конструкций. В начале 30-х годов на строительстве основных зданий Волгоградского тракторного завода были применены  металлические конструкции, изготовленные в США из широкополочных двутавров. В связи с этим начались  исследования и разработки сортаментов широкополочных двутавров отечественного производства и  технико-экономические обоснования эффективности их использования в народном хозяйстве с учетом возможных объемов  изготовления этих профилей. По данным выполненных  исследований была опубликована статья И. И. Пушина (журнал «Строительная промышленность», 1932, № 7), основные положения которой были поддержаны Б. П.  Михайловым в его монографиях [22, 23]. На основе этих исследований авторы пришли к выводу, что из-за  сравнительно малой потребности в широкополочных двутавpax на первые годы B68 тыс. т на 1936 г.)  строительство специального стана производительностью 500 тыс. т проката в год нерационально и что в условиях огромной территориальной разбросанности потребителей более  целесообразна организация производства сварных  двутавров в нескольких географических районах. Проф. Н. С. Стрелецкий [31] еще в 1934 г. указывал, что роль таких типов профилей, как тавры, двутавры, Н-образные профили («пейнеры»), которые могут  рассматриваться как уже готовые комбинации пакетов или даже готовые элементы конструкций (балки, колонны, стержни и т. д.), должна возрастать, поскольку их  применение отвечает общему ускорению темпов сооружения и уменьшению трудоемкости.

За создание отечественного производства  широкополочных двутавров в предвоенный период выступали видные советские специалисты в области металлических конструкций. В. М. Вахуркин [1] считал необходимым соорудить в нашей стране специальный стан для  прокатки широкополочных двутавров мощностью 500 тыс.т в год. А. В. Крылов [13] определил и обосновал  потребность нашего строительства в широкополочных  двутавровых профилях на третью пятилетку.

В послевоенный период публикации в пользу  создания стана по прокатке широкополочных балок стали еще более настойчивыми [2, 3, 17, 18]. В ЦНИИпроектстальконструкция был разработан проект стандарта на широкополочные двутавры, который был утвержден в 1952 г. ГОСТ 6183—52 предназначался в качестве  задания на проектирование оборудования для производства широкополочных двутавров. В упомянутых  публикациях обосновывалась потребность в широкополочных  двутаврах и определялась мощность стана в 1 млн. т. 

Проблема производства и применения широкополочных двутавров обсуждалась на научно-техническом  совещании по рационализации профилей проката [26], она нашла отражение в капитальных трудах по  металлическим конструкциям [20, 21, 24], а также в отдельных публикациях и выступлениях [9, 14].

В 1977 г. введен в строй первый универсальный  балочный стан производительностью 1,5 млн. т  широкополочных двутавров в год. Для полного удовлетворения потребностей народного хозяйства в двутаврах и таврах с параллельными гранями полок предполагается установить на одном из южных заводов и на одном из  заводов Западной Сибири станы для прокатки двутавра с параллельными гранями полок высотой до 600—700 мм 

Наряду с работами по исследованию и обоснованию применения горячекатаных двутавровых профилей, в нашей стране велись работы по совершенствованию сварных двутавров. На днепропетровском заводе  металлоконструкций им. Бабушкина была пущена в  начале 60-х годов первая поточная линия по изготовлению сварных двутавров из трех полос листовой и  универсальной стали. В целях улучшения качества сварных балок, повышения производительности сварки и  упрощения технологии изготовления двутавров Институт электросварки им. Е. О. Патона предложил способ производства широкополочных балок,  предусматривающий использование для полок специальных прокатных профилей, имеющих форму низких тавров [7]. Это  конструктивное решение напоминает двутавры,  поставляемые фирмой «Ниппон кокан» [38]. Институтом электросварки им. Е. О. Патона и ВНИИМЕТМАШ предложен новый способ поточного производства экономичных сварных двутавровых балок из специальных низкотавровых прокатных профилей для полок и листового проката для стенок, соединяемых с помощью индукционной высокочастотной сварки [28].

Для повышения качества и экономической  эффективности процесса изготовления сварных двутавровых  профилей по указанному способу ВНИИМЕТМАШ  предложил использовать в качестве стенки сварной  двутавровой балки полосы с высаженными кромками, т. е. с кромками, имеющими толщину на 30—40% большую, чем толщина самой полосы. Этим способом можно  изготовлять различные виды двутавровых профилей,  которые не могут быть получены прокаткой. Пример  рационального использования сварных двутавров — балки путей подвесного подъемно-транспортного  оборудования. Двутавр имеет резко асимметричное сечение, его нижний (ездовой) пояс выполняется из специального профиля с направляющими приливами для ходовых  роликов крана. Этот профиль изготовляется из стали  повышенной прочности и износостойкости. Верхний пояс для обеспечения общей устойчивости балки пролетом 6 или 12 м имеет достаточно развитые из плоскости двутавра размеры. Ведутся также работы по созданию поточных линий автоматизированного изготовления тонкостенных  сварных двутавров для прогонов покрытия пролетом 12 м [34]. Сварной двутавр высотой 500 мм со стенкой  толщиной 3 и 3,5 мм намечено изготавливать из трех  полос рулонной стали с применением высокочастотной сварки со средней скоростью 15 м/мин. Как указывает автор, применение рулонной стали с большими  отклонениями по размерам (согласно действующим ГОСТам) потребует организации участка подготовки полос, что существенно увеличит количество отходов и снизит технологические достоинства тонкостенных прогонов. Тем не менее тонкостенные сварные двутавры являются  весьма перспективной конструктивной формой.

На одном из отечественных заводов  металлоконструкций имеется поточная линия фирмы «Грэнгэс  инженерии» для производства сварных двутавровых балок; производительность линии 30 тыс. т/год при  двухсменной работе и средней массе двутавров 160 кг/м. Высота двутавров 200—2000 мм, ширина полок 50—550 мм,  толщина стенки 4—13 мм, толщина полок до 50 мм.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ДВУТАВРОВЫХ ПРОФИЛЕЙ

Современные сортаменты двутавров с  параллельными гранями полок содержат профили трех различных модификаций: двутавры с полками нормальной ширины, предназначенные в основном для работы на изгиб и в качестве ветвей решетчатых колонн;  двутавры с уширенными полками, используемые в элементах,  подверженных воздействию внецентренного сжатия; двутавры с широкими полками (ширина  полок равна высоте профиля), предназначенные для колонн сравнительно небольшой высоты, в которых определяющим  воздействием является сжатие.

Двутавры с параллельными гранями полок являются, как известно, профилями общего назначений,  применяемыми в самых разнообразных областях при  различных силовых воздействиях и при различных их  сочетаниях. Расчетные характеристики в плоскости наибольшей жесткости симметричного двутаврового профиля, схема которого изображена на рис. 1, определяющие его сопротивление тем или иным силовым воздействиям, могут быть приближенно (пренебрегая по малости  толщиной полки в сравнении с высотой профиля)  представлены так [10]: