Узлы соединений металлоконструкций: болтовые, сварные, фланцевые

Металлический каркас состоит из отдельных элементов, и надёжность всей конструкции определяется тем, как эти элементы соединены. Узел — место, где усилия переходят из одного стержня в другой, где концентрируются напряжения и где чаще всего возникают проблемы при изготовлении и монтаже. Не случайно значительная часть трудоёмкости проектирования и деталировки приходится именно на узлы.

Существует три основных способа соединения стальных конструкций: сварка, болты и фланцевые соединения, которые по сути являются частным случаем болтовых, но выделяются в отдельный класс из-за особенностей работы. В этой статье специалисты нашего завода сравнивают эти типы узлов, рассказывают об их сильных и слабых сторонах и о том, как выбрать решение для конкретной задачи.

Классификация узлов по работе

Прежде чем выбирать способ соединения, нужно понять, какие усилия должен передавать узел.

Шарнирные узлы

Передают продольную и поперечную силу, но не передают изгибающий момент. Элементы могут поворачиваться друг относительно друга. Пример — опирание балки на столик колонны или крепление балки к стенке главной балки через рёбра.

Жёсткие узлы

Передают все усилия, включая момент, и сохраняют угол между элементами. Необходимы в рамных каркасах, консолях, неразрезных балках.

Полужёсткие узлы

Передают часть момента с некоторым поворотом. Реальные узлы часто занимают промежуточное положение, и современные нормы позволяют это учитывать.

Сварные соединения

Как работают

Сварной шов создаёт монолитное соединение, в котором металл шва и основной металл работают совместно. Стыковые швы передают усилия так же, как целое сечение, угловые швы работают на срез по расчётному сечению.

Преимущества

• Минимальный расход металла — не нужны накладки и болты.
• Возможность выполнить узел любой формы.
• Высокая жёсткость и отсутствие податливости.
• Герметичность, отсутствие щелей для коррозии.

Недостатки

• Сварочные деформации и остаточные напряжения.
• Зависимость качества от квалификации сварщика и условий работы.
• Сложность контроля на монтаже: погода, неудобные положения, необходимость неразрушающего контроля.
• Повреждение антикоррозийного покрытия в зоне шва.
• Риск хрупкого разрушения при низких температурах при неправильном выборе стали и материалов.

Где применяются

Сварка — основной способ соединения деталей внутри отправочной марки на заводе: поясные швы балок, приварка рёбер, баз колонн, фасонок, узлы ферм. На заводе сварка ведётся в оптимальном положении, механизированными и автоматическими способами — под флюсом, в среде CO2 и аргоновой смеси по ГОСТ 14771 — с полным контролем. На монтаже сварку стараются ограничить, хотя для некоторых узлов она неизбежна.

Болтовые соединения

Типы болтов

Болты нормальной точности применяются для второстепенных соединений и монтажной фиксации. Высокопрочные болты классов 8.8 и 10.9 — для ответственных соединений. Болты повышенной точности — для соединений, где важна минимальная податливость.

Срезные соединения

Болты работают на срез и смятие стенок отверстий. Соединение простое в монтаже, не требует специальной подготовки поверхностей, но обладает начальной податливостью за счёт зазора в отверстиях.

Фрикционные соединения

Высокопрочные болты натягиваются до расчётного усилия, и нагрузка передаётся трением между соединяемыми элементами. Такие соединения не имеют податливости, хорошо работают при динамических и знакопеременных нагрузках. Требуют подготовки контактных поверхностей и контроля натяжения каждого болта.

Преимущества болтовых соединений

• Быстрый монтаж без сварочного оборудования и в любую погоду.
• Стабильное качество, не зависящее от квалификации сварщика.
• Сохранение заводского антикоррозийного покрытия.
• Возможность демонтажа и повторного использования конструкций.
• Простой визуальный контроль и контроль натяжения.

Недостатки

• Ослабление сечения отверстиями.
• Дополнительный металл на накладки и фасонки.
• Высокие требования к точности изготовления — отверстия должны совпасть.
• Необходимость контроля натяжения высокопрочных болтов.

Фланцевые соединения

Как работают

К торцам соединяемых элементов на заводе привариваются фланцы — толстые пластины, которые на монтаже стягиваются высокопрочными болтами. Сжимающие усилия передаются через контакт фланцев, растягивающие — через болты. Для передачи момента фланцы располагают с выступом за пределы сечения и подкрепляют рёбрами.

Где применяются

Фланцевые соединения широко используются для монтажных стыков поясов ферм, рамных узлов сопряжения ригеля с колонной, стыков колонн, стыков балок. Они особенно популярны в лёгких металлических каркасах, где скорость монтажа критична.

Требования к изготовлению

• Плоскостность фланцев после приварки — сварка деформирует пластину, и её приходится фрезеровать или править.
• Перпендикулярность фланца оси элемента.
• Совпадение отверстий в двух сопрягаемых фланцах.
• Качество сварных швов, соединяющих фланец с элементом, — через них проходит всё усилие.
• Использование листа, стойкого к слоистому разрушению, для толстых фланцев, работающих на растяжение по толщине.

Требования к монтажу

Болты фланцевых соединений натягиваются до проектного усилия. После затяжки проверяется плотность прилегания фланцев щупом. Зазоры допускаются в ограниченных пределах и только в определённых зонах.

Сравнение типов узлов

Как выбрать тип соединения

Общий принцип современной практики: сварка — на заводе, болты — на монтаже. Отправочные марки максимально укрупняются и свариваются в цеху, а на стройплощадке соединяются болтами. Это обеспечивает качество сварки в заводских условиях и скорость монтажа.

Шарнирные сопряжения балок

Чаще всего выполняются на болтах нормальной точности или высокопрочных болтах без натяжения через рёбра или уголки. Просто, быстро и надёжно.

Рамные узлы

Для лёгких рам — фланцевые соединения на высокопрочных болтах. Для тяжёлых рам с большими моментами — фрикционные соединения на накладках или комбинированные решения.

Подкрановые конструкции

Работают на многократные нагрузки, поэтому предпочтительны фрикционные соединения. Монтажная сварка в зоне действия крановой нагрузки нежелательна из-за риска усталостных трещин.

Стыки колонн

Сжатые колонны часто стыкуются через фрезерованные торцы: сжатие передаётся контактом, а болты на накладках фиксируют положение и воспринимают возможные растягивающие и сдвигающие усилия.

Реконструкция

При работе на действующем предприятии сварка ограничена пожарной безопасностью, поэтому предпочтение отдаётся болтам.

Технологичность узлов

Хороший узел не только прочен, но и удобен в изготовлении и монтаже. При разработке КМД мы проверяем, что:

1. К каждому шву есть доступ для сварочной горелки в нормальном положении.
2. Гайку каждого болта можно затянуть гайковёртом с нужным усилием, не мешают рёбра и полки.
3. Монтажник может подать и зафиксировать элемент в проектное положение без временных приспособлений или с минимальными.
4. Узлы унифицированы: одинаковые сопряжения выполнены одинаково.
5. Не создаются карманы, где будет скапливаться вода и грязь.

Итоги

Сварные, болтовые и фланцевые узлы не конкурируют, а дополняют друг друга. Сварка обеспечивает экономию металла и монолитность внутри отправочных марок, болты и фланцы — скорость и качество монтажа. Правильный выбор зависит от характера усилий, условий монтажа, требований к защите и технологических возможностей завода. Наши конструкторы разрабатывают узлы с учётом расчёта по СП 16.13330 и технологии производства, а цех изготавливает их с контролем точности отверстий и плоскостности фланцев. Подробнее о проектировании и изготовлении — в разделе услуги.