Анализ конструктивных решений опорных узлов подкрановых балок и их повреждаемость

В.Ф. Сабуров, д.т.н, профессор. Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск)

В.А. Казакова, И.А. Кадатский, ООО «Уралэксперт» (г. Пермь)

В статье дан анализ существующих конструктивных решений опорных узлов сварных подкрановых балок, применяемых в настоящее время в промышленном строительстве. На основании данных обследований приведены наиболее часто встречающиеся повреждения этих узлов.

Опорные узлы подкрановых балок воспринимают нагрузки от вертикального давления колес крана и горизонтальные воздействия, возникающие при его работе. В уровне верхнего пояса балки происходит передача горизонтальных поперечных усилий на колонну. Многообразие силовых воздействий и перемещений опорной зоны определяют сложное напряженное состояние стенки балок в опорной зоне и конструктивных элементов стыка, что определяет их повреждаемость [1,2].

Конструктивное решение опорных узлов подкрановых балок прошло эволюцию от жесткого (неподвижного) крепления при помощи опорных диафрагм [2] до податливого, которое реализовано в типовых сериях. Опорные узлы подкрановых балок должны обеспечивать передачу горизонтальных поперечных сил на колонны, допуская при этом свободу угловых и продольных перемещений опорных сечений балки.

Типовые конструктивные решения опорных узлов подкрановых балок начинаются с серии КЭ-01-57 [3], которые многократно реализованы в подкрановых путях эксплуатируемых производственных зданий. В качестве примера на рисунке 1 показана конструкция узла крепления сварной подкрановой балки к колоннам крайнего ряда.

В этой серии вертикальный листовой элемент, приваренный к ребрам жесткости колонны и настилу, предназначен для восприятия горизонтального поперечного усилия «от колонны», а упорные коротыши из прокатного уголка, приваренные к настилу и плотно подогнанные к наружной поверхности полки колонны, воспринимают горизонтальное поперечное усилие «к колонне». Вертикальный листовой элемент затрудняет вертикальное перемещение опорного узла балки, а также накладывает ограничение на его продольное перемещение. Это создает частичное защемление балки на опоре и при многократных повторных нагружениях в элементах крепления появляются усталостные трещины.

Передача горизонтальных продольных усилий вдоль подкранового пути выполняется через болтовые соединения, количество которых зависит от высоты подкрановой балки.

Недостатки, выявленные при эксплуатации опорных узлов по серии КЭ-01-57 устранены в серии 1.426.2-7 выпуск 3 [4]( рисунок 2).

В данной серии свобода вертикальных и продольных (горизонтальных и поперечных) перемещений опорного сечения балки обеспечивается за счет использования упорных планок (см. детали 1 и 2 на рис. 1 и 2), которые через плотно пригнанные к полкам колонны

торцы передают поперечные горизонтальные воздействия и в тоже время допускают за счет проскальзывания свободу линейных и угловых перемещений. Кроме того, между собой балки крепят за опорные ребра болтами, расположенными в ниже нейтральной оси балки и опорного ребра, что так же обеспечивает возможность поворота опорной части балки в вертикальной плоскости.

Сварной угловой шов крепления упорных элементов к настилу рассчитывается на боковое усилие, значение которого зависит от грузоподъемности крана (рисунок 3). Из рисунка следует, что расчетные значения горизонтальных усилий по серии КЭ-01-57 значительно больше, чем по серии 1.426.2-7. Это вызвано тем, что в серии КЭ-01-57 значение боковых сил для расчета крепления верхнего пояса подкрановых балок вычислена с учетом требований НиТУ 121–55 [5], а в серии 1.426.2-7 – по [6].

В процессе эксплуатации узлы креплений балок к колоннам требуют постоянного контроля и немедленного устранения выявленных повреждений, т.к. несвоевременный ремонт приводит к появлению повреждений в балке.

Опыт обследований показывает, что до 30-40% усталостных повреждений в сварных подкрановых балках встречаются в опорных узлах [1]. Данные повреждения являются следствием дефектов, допущенных при монтаже и неправильной эксплуатацией балок, в результате чего меняется схема работы конструкции.

Наиболее распространенные дефекты в опорных узлах подкрановых балок, возникающие на стадии монтажа и приводящие к образованию трещин в опорной части балок:

- некачественный монтаж упорных коротышей;

- монтаж балки на набор стальных пластин, не пристроганных друг к другу и к опорному ребру балки (рис. 6);

- отсутствие прокладок между торцами смежных балок, что ухудшает работу балок на восприятие усилий от продольного торможения крана;

- крепление наружного пояса тормозных балок и ферм к колоннам на сварке;

- отсутствие болтов в соединениях балок с колоннами и между собой.

На стадии эксплуатации:

- вырезка люков в месте устройства упорных коротышей для удобства осмотра опорных узлов балок;

- трещины в сварном шве между стенкой балки и опорным ребром (рис. 4);

- трещины в сварном шве (или в околошовной зоне) между стенкой балки и верхним поясом (рис. 4);

- трещины в стенке приопорной зоны балки (рис. 5);

- отрыв упорных коротышей;

- отрыв или подрезка вертикального листового элемента (рис. 7)

- трещины в элементах тормозного настила;

- отрыв бортового элемента тормозной конструкции.

В случае отсутствия или отрыва тормозных упоров балок, тормозное усилие от поперечного торможения воспринимается только нижней опорной частью балки, что приводит к возникновению изгибающего момента в вертикальной плоскости в стенке балки.

Необходимо отметить, что при ремонте часто нарушается технология заварки трещин и не устраняются причины вызвавшие повреждения балок, таким образом, после ремонта в балках снова появляются трещины.

Приведенные данные свидетельствуют о сложности фактической работы опорных узлов сварных подкрановых балок. Необходимо их комплексное исследование и на основе полученных результатов разработать научно обоснованную методику расчета. Это позволит повысить безопасность эксплуатации подкрановых путей производственных зданий.

Литература

1. Патрикеев А.Б. Некоторые закономерности усталостных повреждений сварных подкрановых балок. //Проблемы прочности, 1983, № 7, С. 19-24.

2. Кикин А.И., Васильев А.А., Кошутин Б.Н. и др. Повышение долговечности металлических конструкций промышленных зданий. 2-е изд.– М.: Стройиздат, 1984.– 302 с.

Серия КЭ-01-57 выпуск I/67. Стальные разрезные подкрановые балки пролетами 6 и 12 м под мостовые электрические краны грузоподъемностью 5-75 тонн.

Серия 1.426.2-7 выпуск 3. Балки подкрановые стальные под мостовые опорные краны. Балки пролетом 6 и 12 м разрезные под краны общего назначения грузоподъемностью до 50 т.

НиТУ 121-55. Нормы и технические условия проектирования стальных конструкций.

СНиП II-23-81. Строительные нормы и правила. Нормы проектирования. Стальные конструкции.