Использование купершлака для обработки поверхностей фрикционных соединений на высокопрочных болтах

Введение

Фрикционные соединения на высокопрочных болтах имеют большую популярность в качестве монтажных стыков отправочных марок и отдельных элементов стальных конструкций на многих объектах Российской Федерации. Наиболее часто фрикционные соединения используются при стыке элементов большепролетных и крупногабаритных конструкций [1–3]. Несмотря на популярность фрикционных соединений, при их реализации возникает большое количество сложностей, проблем и вопросов, требующих оперативного решения непосредственно на строительной площадке. При этом решения многих вопросов зачастую оказываются за пределами существующей нормативной базы по конструированию, расчету и монтажу фрикционных соединений и чаще всего полностью решаются за счет опыта и компетенции авторов проекта, технического надзора и научно-технического сопровождения.

Рассмотрим некоторые сложности, с которыми пришлось столкнуться при монтаже стальных конструкций покрытия одного из концертных залов в Московской области.

Конструктивные особенности

Основные несущие металлоконструкции покрытия концертного зала представлены:

• тремя параллельными главными фермами пролетом 63,0–76,8 м и шагом 22,5 м, высота ферм в осях 5,3 м;
• промежуточными второстепенными фермами пролетом 22,5–29,0 м, высота ферм в осях переменная от 2,3 до 5,3 м;
• системой связей (горизонтальных и наклонных связевых элементов), прогонов и контурных балок.

Стержневые элементы главных и второстепенных ферм – двутавровые (сварные и прокатные), связевые элементы – квадратные трубы.

Опирание главных и второстепенных ферм на нижележащие железобетонные конструкции выполнено через специальные опорные части: шарнирно-неподвижные и подвижные.

Монтажные соединения элементов решетки и поясов ферм (как главных, так и второстепенных) – фрикционные на высокопрочных болтах М24, М27 и М30 класса прочности 10.9 климатического исполнения ХЛ по ГОСТ Р 52643. Гайки для высокопрочных болтов – по ГОСТ Р 52645 (класса прочности 10), шайбы – по ГОСТ Р 52646. Проектом предусматривается обработка контактных поверхностей дробеметным или дробеструйным способом до коэффициента трения не менее 0,42.

Возникшие проблемы на монтаже

Приемка и освидетельствование конструкций, находившихся на строительной площадке и приходящих с завода-изготовителя, показали, что элементы не могут сразу же быть использованы для монтажа, так как часть фрикционных поверхностей ошибочно окрашена непосредственно на заводе-изготовителе, на поверхностях осталась прокатная окалина, фрикционные поверхности на заводе-изготовителе закрывались бумажными чертежами, что при долгом складировании конструкций на открытом воздухе привело к их значительным коррозионным повреждениям (рис. 1).

Выявленные недостатки указывали на необходимость повторной обработки фрикционных поверхностей непосредственно на строительной площадке (либо повторной отправке элементов на завод-изготовитель, что чаще всего приводит к значительным задержкам сроков «обратной» поставки конструкций и последующих сроков монтажа).

По мере подготовки конструкций к сборке также выявлены локальные выступающие заусенцы, задиры и замятия по краям стыкуемых элементов и накладок, а также вокруг отверстий для болтов, которые не позволяли плотно собрать фрикционные соединения (рис. 1 е).

К сожалению, указанные дефекты были «устранены» достаточно варварским способом путем их механической зачистки, что привело к образованию новых «искусственных» повреждений фрикционных поверхностей: зашлифованных участков глубиной до 0,7 мм вокруг отверстий для болтов и на других участках фрикционных поверхностей (рис. 2).

Повторная обработка фрикционных поверхностей выполнялась силами завода-изготовителя непосредственно на строительной площадке абразивным способом с использованием купершлака фракцией 0,5–2,5 мм. Использование данного материала позволило значительно улучшить качество подготовки поверхностей (в частности, полностью устранить прокатную окалину).

Необходимо отметить, что обработка фрикционных поверхностей купершлаком не регламентируется нормативными документами [4] и различными стандартами организаций [5], однако приобретает все большую популярность на строительных площадках. Также данный метод противоречит требованиям проекта и не позволяет устранить зашлифованные «дефектные» участки вокруг отверстий для болтов.

Проведение испытаний и анализ полученных результатов

Для оценки качества заводской обработки фрикционных поверхностей и подтверждения требуемого проектом коэффициента трения 0,42 соединений, обработанных купершлаком, выполнены контрольные испытания образцов в следующем объеме.

1. Группа № 1. Соединения с заводской подготовкой фрикционных поверхностей (без дефектов и без обработки купершлаком).
2. Группа № 2. Соединения, обработанные купершлаком фракцией 0,5–2,5 мм.
3. Группа № 3. Соединения с искусственно созданным дефектом вокруг отверстия и последующей обработкой купершлаком фракцией 0,5–2,5 мм.

Изготовление и испытание образцов фрикционных соединений выполнено согласно требованиям СТП 006–97 «Устройство соединений на высокопрочных болтах в стальных конструкциях мостов» [6].

Изготовление образцов выполнено на заводе-изготовителе металлоконструкций, подготовка к испытаниям (обработка фрикционных поверхностей купершлаком, затяжка болтов и торцовка опорных частей пластин) – непосредственно на строительной площадке. При сборке контрольных образцов использовались те же ключи и мультипликаторы, что и для сборки соединений отправочных марок ферм покрытия.

Для группы № 3 искусственные дефекты создавались на центральной пластине образца (поз. 1, рис. 4). Так как зашлифованные участки не имеют четких габаритов и системы в расположении, дефекты создавались с двух сторон пластины асимметрично друг относительно друга. Габариты дефекта (зашлифованной зоны вокруг отверстия) приняты, исходя из исключения из работы примерно четверти контактной поверхности вокруг отверстия для болта (рис. 5).

Для зашлифованных участков, в которых величина дефекта превышала 25–50 % контактной поверхности вокруг болта, выполнен уточняющий поверочный расчет с учетом полного исключения из работы болтов, попадающих в зону этих дефектов.

Перед проведением испытаний плотность стяжки пакетов проверена щупом 0,3 мм: (положение п. 4.6.14 СП 70.13330.2012 в части контроля сборки фрикционных соединений [7]):

1. Группы № 1 и 2 – щуп 0,3 мм не проникает в собранный пакет.
2. Группа № 3 (образцы с дефектом) – щуп 0,3 мм достает до тела болта непосредственно в зонах расположения искусственно созданных дефектов, на остальных участках щуп 0,3 мм не проникает в собранный пакет.

Для каждого испытанного образца коэффициент трения рассчитан по формуле:

,

где  – фактическое усилие сдвига, установленное на основании испытаний каждого образца.

Анализ полученных результатов

1. Заводская обработка фрикционных поверхностей не позволяла получить требуемый проектом коэффициент трения 0,42 (минимальный фактический коэффициент трения оказался равен 0,35). Все фрикционные поверхности даже визуально имели различную подготовку, что ожидаемо привело к большому разбросу полученных результатов.

2. Используемый на строительной площадке способ подготовки фрикционных поверхностей (обработка купершлаком фракцией 0,5–2,5 мм) позволяет получить коэффициент трения µ не ниже проектного 0,42 (в данных конкретных условиях даже с учетом выявленных локальных дефектов, смоделированных при проведении испытаний). Отметим, что схожие коэффициенты трения образцов с купершлаком получены и в результате других испытаний, выполненных в ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко [1].

Вместе с тем проведенное относительно небольшое количество испытаний не позволяет распространить полученные результаты на весь метод в целом (обработка фрикционных поверхностей купершлаком фракцией 0,5–2,5 мм) и требует дополнительных исследований. Полученные результаты могли быть использованы в конкретно взятом объекте с учетом изначально известных запасов и принятых предпосылок для расчета (в данном случае – исключение из работы болтов с выявленными дефектными «зашлифованными» участками вокруг отверстий).

3. Обработка фрикционных поверхностей купершлаком не регламентируется нормативными документами, однако приобретает все большую популярность на строительных площадках Российской Федерации. Поэтому использование купершлака (в том числе различных фракций) требует дополнительных исследований с целью возможного включения данного метода обработки фрикционных поверхностей в нормативные документы.