Стальные соединения передают силы между балками, колоннами, раскосами и другими элементами конструкции. Их конструкция влияет на характеристики конструкции, стоимость изготовления, скорость установки и будущее обслуживание.

Сварка, болтовое соединение и клепка — три общепринятых метода соединения конструкционной стали. Понимание их преимуществ и ограничений помогает проектным группам выбирать подходящие соединения для различных приложений.

1. Сварные соединения

Что такое сварное соединение?

При дуговой сварке конструкционной стали электрическая дуга генерирует тепло, которое локально плавит сталь и подходящий присадочный материал. Расплавленный металл затвердевает, образуя прочное соединение.

Преимущества сварных соединений

• Компактные детали соединения: сварка позволяет соединить компоненты напрямую и уменьшить необходимость в перекрывающихся пластинах или дополнительных крепежных элементах.

• Отсутствие отверстий для болтов в сварном соединении: это позволяет избежать уменьшения сечения сетки, связанного с отверстиями для крепежа, хотя отверстия для доступа к сварным швам и другие детали по-прежнему требуют внимания.

• Универсальность изготовления: сварка подходит для сборных балок, коробчатых колонн, ребер жесткости и сложных конструктивных узлов.

• Потенциал для герметичных соединений. Правильно спроектированные непрерывные сварные швы могут обеспечить герметичные соединения там, где это необходимо.

• Эффективное серийное производство: механизированная сварка может повысить производительность для подходящих конфигураций соединений.

Недостатки сварных соединений

• Остаточные напряжения и деформации. Неравномерный нагрев и охлаждение могут привести к усадке и изменению геометрии компонента.

• Изменения вблизи сварного шва: сварка изменяет микроструктуру прилегающей стали. Эффект зависит от материала и термического цикла; локальная хрупкость — это потенциальный риск, а не неизбежный результат. 

• Требования к процессу и проверке: Надежные результаты зависят от соответствующей подготовки соединения, процедур сварки, компетентного персонала и проверки.

• Более сложные условия на месте: доступ, защита от атмосферных воздействий и рабочее положение могут усложнить сварку на месте.

• Сложная разборка: сварные соединения обычно требуют резки для разделения или замены.

Общие сварочные процессы

Ручная дуговая сварка — MMA/SMAW

В этом процессе, также называемом контактной сваркой, используется плавящийся электрод с покрытием. Портативное оборудование и гибкость делают его полезным для работы на объекте и при ограниченном доступе. Его ограничения включают относительно низкую скорость осаждения и частую замену электродов.

Дуговая сварка под флюсом — SAW

SAW использует непрерывно подаваемую проволоку под слоем гранулированного флюса. Он обычно механизирован и подходит для длинных сварных швов балок, балок и пластин в сборе. Это требует подходящего доступа и положения для сварки.

Газовая дуговая сварка металлов — GMAW/MIG/MAG

В этом процессе используется непрерывная проволока и внешний защитный газ. Он поддерживает продуктивное производство, но сквозняки могут нарушить газовый щит. GMAW сплошной проволокой не образует флюсового шлака, характерного для сварки штучным электродом или SAW. В MIG используются инертные защитные газы, а в MAG — активные газы или смеси. 

Ни один процесс сварки автоматически не обеспечивает более прочное соединение, чем другой. При выборе процесса необходимо учитывать марку стали, толщину, геометрию соединения, положение, требуемые свойства и применимую процедуру сварки. 

2. Болтовые соединения

Что такое болтовое соединение?

Болтовые соединения соединяют стальные компоненты с помощью болтов, гаек и шайб, где указано. Болты проходят через подготовленные отверстия в элементах или соединительных пластинах.

Прочность болта и условия установки учитываются отдельно. Высокопрочный болт не делает соединение автоматически преднагруженным или устойчивым к проскальзыванию.

Основные типы соединений

Непредустановленные соединения

Эти соединения не зависят от заданной предварительной нагрузки болта для предотвращения проскальзывания. При сдвиговой нагрузке сила обычно передается посредством сдвига болта и его опоры на поверхности отверстий. Их можно использовать в неразъемных соединениях конструкций, если это разрешено конструкцией.

Предварительно загруженные соединения

Болты затягиваются с использованием определенной процедуры для создания контролируемой силы зажима. Если соединение спроектировано таким образом, чтобы противостоять скольжению, трение между подготовленными контактными поверхностями передает сдвиг в пределах заданных расчетных условий. Установка болтов и подготовка поверхности имеют решающее значение. 

Преимущества болтовых соединений

• Эффективная сборка на месте: подготовленные компоненты можно соединить без сварки на месте.

• Отсутствие нагрева при сварке в месте соединения: болтовое соединение позволяет избежать локальных сварочных деформаций во время установки.

• Более легкая разборка: соединения могут облегчить будущие изменения, обслуживание и замену компонентов.

• Подходит для сборных конструкций: изготовление в цеху и сборка на месте могут быть скоординированы с помощью стандартизированных деталей соединений.

Недостатки болтовых соединений

• Уменьшенное сечение сетки: Отверстия для крепежа удаляют материал, и это необходимо учитывать при проектировании соединений.

• Дополнительные компоненты: Соединительные пластины, торцевые пластины или уголки могут увеличить использование материала и объем производственных работ.

• Требования к установке: выравнивание отверстий, допуски и доступ к инструменту требуют тщательной координации.

• Контроль установки: Соединения с предварительным натягом требуют соответствующих процедур затяжки и проверки.

• Аспекты движения и усталости. Риски скольжения, циклической нагрузки и ослабления зависят от конструкции и установки соединения; одни только высокопрочные болты их не устраняют.

Болтовые соединения широко используются при сборке на месте. Предварительно нагруженные конструкции особенно актуальны там, где относительное перемещение или динамическая нагрузка требуют дополнительного контроля.

3. Клепаные соединения

Что такое клепаное соединение?

Традиционная структурная клепка использует нагретую заклепку, вставленную через совмещенные отверстия. Его выступающий конец сформирован во вторую головку, закрепляющую соединяемые пластины. Охлаждение заставляет заклепку сжиматься и зажимать узел.

Преимущества клепаных соединений

• Постоянное механическое крепление: формованные головки фиксируют соединяемые компоненты.

• Пластичность: подходящие материалы заклепок и тщательно детализированные соединения могут выдерживать деформацию.

• Ценность реставрации: клепка может сохранить первоначальный внешний вид и метод строительства исторических стальных конструкций.

Недостатки клепаных соединений

• Трудоемкая установка: нагрев, обработка и формовка заклепок требуют специального оборудования и навыков.

• Дополнительный вес и материал: головки заклепок, накладки и соединительные пластины добавляют к сборке.

• Отверстия для крепежа. Как и болтовое соединение, клепка уменьшает чистое сечение соединяемых компонентов.

• Трудное удаление: заклепки обычно приходится сверлить или вырезать.

• Ограниченное использование в новых стальных конструкциях: сварка и высокопрочные болтовые соединения в значительной степени заменили традиционную горячую клепку.

Клепка по-прежнему актуальна для некоторых проектов по восстановлению исторических мостов, поэтому называть ее полностью устаревшей было бы неточно. 

Сравнение методов соединения стали

Фактор	Сварные соединения	Болтовые соединения	Заклепанные соединения
Типичная роль	Изготовленные элементы и постоянные соединения	Сборка сайта и соединение элементов	Историческая стальная конструкция и специальная реставрация
Отверстия для крепежа	Вообще ненужно	Необходимый	Необходимый
Основная проблема исполнения	Процедура сварки, деформация и качество сварного шва	Монтаж, затяжка и контактные поверхности, где это необходимо.	Качество формовки заклепок и профессиональное мастерство
Разборка	Обычно требует резки	В целом проще	Обычно требуется деструктивное удаление заклепок.
Требования к материалам	Может уменьшить количество оборудования для подключения	Могут потребоваться пластины и другое оборудование.	Обычно требуются перекрытия или соединительные пластины.

Как выбрать правильное стальное соединение

Лучший метод соединения зависит от требуемых усилий, жесткости, усталостных характеристик, производственных мощностей, условий площадки и потребностей в техническом обслуживании. Ни сварные, ни болтовые соединения не следует относить к жестким или гибким только по способу соединения; полная деталь сустава определяет его поведение.

При планировании проекта сравните общую стоимость изготовления, транспортировки, монтажа, проверки и будущих изменений. Окончательные детали соединения должны соответствовать спецификациям проекта и проверяться ответственным инженером-строителем.

Планируете проект стальной конструкции? Свяжитесь с нами и предоставьте свои чертежи и требования к проекту, чтобы обсудить варианты изготовления и подключения.