почему нельзя сваривать стали упрочненные термически или вытяжкой

Технические требования к арматурной стали

К арматурной стали предъявляются требования по прочности, пластичности, свариваемости и хладноломкости.

Прочность определяется путем испытания образцов стали на растяжение. Основной характеристикой прочности малоуглеродистых арматурных сталей служит предел текучести. Для менее пластичных высоколегированных и термически упрочненных сталей установлен условный предел текучести, при котором остаточные деформации составляют 0,2 %.

В несколько раз повышается прочность арматурной стали упрочнением: горячекатаной стержневой арматуры – термическим или термомеханическим способом; проволочной – холодным деформированием.

Термическое упрочнение состоит из закалки и частичного отпуска стали. Закалка осуществляется нагревом стержней до температуры 800-900 ºС и быстрым охлаждением, отпуск – нагревом до 300. 400 ºС и постепенным охлаждением.

Термомеханическое упрочнение производится путем нагрева, пластического деформирования и последующей термообработки арматуры аналогично термическому упрочнению.

Холодное деформирование. Арматурную проволоку пропускают через несколько последовательно уменьшающихся в диаметре отверстий. Чтобы получить структуру стали, необходимую для такого холодного волочения, проволока подвергается предварительной термообработке: нагревается до 870-950 ºС, быстро охлаждается до температуры 500 ºС, выдерживается и охлаждается на воздухе. По такой технологии изготовляется высокопрочная арматурная проволока.

Процесс упрочнения арматурной стали может быть организован как на предприятии поставщике, так и непосредственно на заводе ЖБИ.

Пластические свойства арматурных сталей важны для нормальной работы железобетонных конструкций под нагрузкой.

Снижение пластических свойств стали может стать причиной хрупкого (внезапного) разрыва арматуры в конструкциях, хрупкого излома напрягаемой арматуры в местах резкого перегиба или при закреплении в захватах. Поэтому пластические свойства арматурных сталей обязательно нормируются.

Пластичность характеризуется полным относительным удлинением после разрыва образца (в %), а также по результатам испытания на изгиб в холодном состоянии.

Свариваемостьарматурных сталей характеризуется надежным сварным соединением, отсутствием трещин и других пороков металла в швах и прилегающих зонах.

Горячекатаные малоуглеродистые и низколегированные арматурные стали свариваются хорошо. Нельзя сваривать стали упрочненные термически или вытяжкой, т.к. в результате сварки эффект упрочнения утрачивается: в термически упрочненной стали происходит отпуск и потеря закалки; в проволоке, упрочненной вытяжкой – отжиг и потеря наклепа.

Для армирования бетона используется в основном стальная арматура из углеродистых и низколегированных сталей.

Стальная арматура классифицируется:

1 – по основной технологии: на горячекатаную и термически упрочненную стержневую и холоднотянутую проволочную;

2 – по условиям применения ее в конструкциях: на ненапрягаемую и напрягаемую;

3 – по профилю: на гладкую и периодического профиля;

4 – по химическому составу: на марки, определяемые содержанием основных химических элементов;

5 – по условиям поставки: на прутковую и бухтовую. Прутковая арматура доставляется в виде стержней длиной 6 ÷ 12 м (а по особому заказу до 18 и даже до 25 м) диаметром более 10 мм в пачках массой до 5 т. В бухтах доставляется арматурная сталь диаметром менее 10 мм и длиной до 200 м, а также проволочная арматура.

Источник

Основные физико-механические характеристики арматуры

Характеристики прочности и деформацийарматурных сталей устанавливают по диаграмме получаемой из испытания образцов на растяжение.

Рис. 1.18. Диаграммы при растяже­нии арматурной ста­ли а — с площадкой текуче­сти (мягкая сталь); б — с условным пределом те­кучести

Горячекатаная арматурная сталь, имеющая на диаграмме площадку текучести, обладает значительным удлинением после разрыва — до 25% (мягкая сталь) (рис.1.18,а).

Повышение прочности горячекатаной арматурной ста­ли и уменьшение удлинения при разрыве достигают вве­дением в ее состав углерода и различных легирующих добавок: марганца, кремния, хрома и др.

Существенного повышения прочности горячекатаной арматурной стали достигают термическим упрочнением или холодным

деформированием. Высоколегированные и термически упрочненные арма­турные стали переходят в пластическую стадию посте­пенно, что характеризуется отсутствием ярко выраженной площадки текучести на кривой (рис. 1.18,6). Для этих сталей

Минимально допустимое относи­тельное удлинение и требования при испытании на холод­ный загиб установлены стандартами и техническими ус­ловиями.

Свариваемостьарматурных сталей характеризуется надежностью соединения, отсутствием трещин и других пороков металла в швах и прилегающих зонах. Сваривае­мость имеет существенно важное значение для механи­зированного изготовления сварных сеток и каркасов, вы­полнения стыков стержневой арматуры, анкеров, раз­личных закладных деталей и т. п. Хорошо свариваются горячекатаные малоуглеродистые и низколегированные арматурные стали. Нельзя сваривать арматурные стали, упрочненные термической обработкой или вытяжкой, так как при сварке утрачивается эффект упрочнения — про­исходят отпуск и потеря закалки термически упрочнен­ных сталей, отжиг и потеря наклепа проволоки, упроч­ненной вытяжкой.

Реологические свойстваарматурной стали характе­ризуются ползучестью и релаксацией. Ползучесть нара­стает с повышением напряжений и ростом температуры. Релаксация (уменьшение напряжений) наблюдается в ар­матурных стержнях при неизменной длине — отсутствии деформаций. Релаксация зависит от механических свойств и химического состава арматурной стали, техно­логии изготовления и условий применения и др. Значи­тельной релаксацией обладает упрочненная вытяжкой проволока, термически упрочненная арматура, а также высоколегированная стержневая арматура. Релаксация горячекатаных низколегированных арматурных сталей незначительна. Как показывают опыты, наиболее интен­сивно релаксация развивается в течение первых часов, однако она может продолжаться длительное время. Релаксация арматурной стали оказывает большое влияние на работу предварительно напряженных конструкций, так как приводит к частичной потере искусственно созданно­го предварительного напряжения.

Усталостное разрушениеарматурной стали наблюда­ется при действии многократно повторяющейся нагрузки, оно носит характер хрупкого разрушения. Предел вынос­ливости арматурной стали в железобетонных конструк­циях зависит от числа повторений нагрузки п, качества сцепления и нали­чия трещин в бетоне растянутой зоны и др. Тер­мически упрочненные арматурные стали имеют понижен­ный предел выносливости.

Динамическая прочностьарматурной стали наблюда­ется при нагрузках большой интенсивности, действующих на сооружение за весьма короткий промежуток времени. В условиях высокой скорости деформирования арматур­ные стали работают упруго при напряжениях, превыша­ющих физический предел текучести, при этом происходит запаздывание пластических деформаций. Превышение динамического предела текучести над пределом текуче­сти при статическом нагружении связано с временем запаздывания. В меньшей степени динамическое упрочне­ние проявляется на условном пределе текучести ста­лей легированных и термически упрочненных (не имею­щих явно выраженной площадки текучести) и практиче­ски совсем не отражается на пределе прочности всех видов арматурных сталей, в том числе высокопрочной проволоки и изделий из нее.

Изменение структуры металла и снижение прочности арматурных сталейпроисходит при высокотемператур­ном нагреве. Так, при нагреве до 400 °С предел текучести горячекатаной арматуры класса А – III уменьшается на 30 %, классов А-II и А-I — на 40 %, модуль упругости уменьшается на 15 %. Заметное проявление ползучести арматуры в конструкциях под нагрузкой наблюдается при температуре свыше 350 °С. При нагреве происходят отжиг и потеря наклепа арматуры, упрочненной холод­ным деформированием, поэтому временное сопротивле­ние у высокопрочной арматурной проволоки снижается интенсивнее, чем у горячекатаной арматуры. После на­грева и последующего охлаждения прочность горячекатаной арматурной стали восстанавливается полностью, а прочность высокопрочной арматурной проволоки — лишь частично.

14. Характеристики предельных состояний строительных конструкций.

Предельными считаются состояния, при которых кон­струкции перестают удовлетворять предъявляемым к ним в проц-ессе эксплуатации требованиям, т. е. теряют спо­собность сопротивляться внешним нагрузкам и воздейст­виям или получают недопустимые перемещения или ме­стные повреждения.

Железобетонные конструкции должны удовлетворять требованиям расчета по двум группам предельных со­стояний: по несущей способности (1 группа); по пригодности к нормальной эксплуатации (2 группа).

o Расчет по предельным состояниям 1 группы выполняют, чтобы предотвратить следующие явления:

o хрупкое, вязкое или иного характера разрушение (расчет по прочности с учетом в необходимых случаях прогиба конструкции перед разрушением);

o потерю устойчивости формы конструкции (расчет на устойчивость тонкостенных конструкций и т.п.) или ее положения (расчет на опрокидывание и скольжение подпорных стен, внецентренно нагруженных высоких фундаментов; расчет на всплытие заглубленных или под­земных резервуаров и т. п.);

o усталостное разрушение (расчет на выносливость конструкций, находящихся под воздействием многократ­но повторяющейся подвижной или пульсирующей на­грузки: подкрановых балок, шпал, рамных фундаментов и перекрытий под неуравновешенные машины и т.п.);

o разрушение от совместного воздействия силовых фак­торов и неблагоприятных влияний внешней среды (аг­рессивность среды, попеременное замораживание и от­таивание и т. п.).

Расчет по предельным состояниям второй группы вы­полняют, чтобы предотвратить следующие явления:

o образование чрезмерного и продолжительного раскры­тия трещин (если по условиям эксплуатации они допу­стимы);

o чрезмерные перемещения (прогибы, углы поворота, углы перекоса и амплитуды колебаний).

Расчет по предельным состояниям конструкции в це­лом, а также отдельных ее элементов или частей выпол­няют для всех этапов: изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатации. При этом расчетные схемы должны отвечать принятым конструктивным решениям и каждому из перечисленных этапов.

15. Колонны одноэтажных промышленных зданий

КЛАССИФИКАЦИЯ КОЛОНН И ОБЛАСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ.

Колонны одноэтажных зданий могут быть классифицированы в зависимости от характера изменения поперечного сечения по длине, характера конструкции, видa соединений заводских элементов и конструктивной схемы. Колонны бывают с постоянным сечением и с переменным — ступенчатые. Колонны с постоянным сечением рекомендуется применять в зданиях без мостовых кранов, в зданиях с кранами грузоподъемностью до 10 т включительно (с опиранием подкрановых балок на консоли колонн), для отдельных ветвей колонн раздельного типа, во всех случаях, когда колонны могут быть выполнены из одного прокатного профиля, и для рабочих площадок. В остальных случаях, как правило, применяются ступенчатые колонны.
По характеру конструкции различают колонны сплошные, имеющие сплошную стенку между поясами, и сквозные, в которых пояса ветвей соединены друг с другом решеткой или планками. Сплошные колонны рекомендуется применять при центральном сжатии или при очень малых эксцентрицитетах продольной силы в случаях, когда площадь сечения стенки может быть достаточно полно использована для работы на эту силу, а также при любых силовых воздействиях, когда высота сечений колонн ограничена (порядка 600—800 мм). В остальных случаях рекомендуется проектировать сквозные колонны, которые более экономичны по затрате металла, однако трудоемкость их изготовления несколько больше, чем сплошных, в особенности при применении автоматической сварки. Широкое применение имеют также колонны смешанного типа, в которых верхние (надкрановые) участки, вследствие ограниченных габаритов, выполняются сплошными, а нижние — сквозными. К колоннам такого типа относится большинство ступенчатых колонн одноэтажных промышленных зданий.

Колонны средних рядов зданий и сооружений условно могут быть отнесены к внецентренно сжатым железобетонным элементам со случайным эксцентриситетом. Поэтому:

— рекомендуемые сечения для сжатых (со случайным эксцентриситетом) элементов – симметричные (квадратные, круглые) при минимальных размерах 200 мм для жилых (общественных) зданий и 300 мм – промышленных;

— сечение колонн целесообразно принимать с таким расчетом, чтобы их гибкость ;

бетона – не ниже В15;

рабочей арматуры – А300, A400;

поперечной – А240, В500.

— минимальный диаметр стержней продольной арматуры принимается равным 12 мм, а поперечной – по условиям свариваемости для сварных каркасов (Прил. 3) и не менее 5 мм (0,25 d) – в вязанных;

— максимальный диаметр продольных стержней сжатых элементов зависит от вида и класса бетона (см. п. 8.3.4 [2]);

— минимальный коэффициент армирования должен соответствовать требованиям п. 8.3.4 [2], максимальный – μ_max ≤ 0,03;

— шаг хомутов не должен превышать 15 d и быть не более 500 (условие обеспечения устойчивости сжатой продольной арматуры);

Примечание: если μ > 3 %, то шаг хомутов принимается менее 10 d и менее 300 мм;

— размещение арматуры в сечении и установка конструктивной продольной и поперечной арматуры должны выполняться с учетом требований п.п. 8.3.4 и 8.3.9 [2] (см. также рис. 6.1).

Рисунок 6.1 – Армирование поперечного сечения колонн

а, б – сварными каркасами, в – ж – вязаными каркасами; 1 – соединительный стержень; 2 – каркас; 3 – одиночный хомут; 4 – двойной хомут; 5 – дополнительный стержень; 6 – шпилька; 7 – дополнительные стержни диаметром Æ 12 – 16 мм

Источник

Почему нельзя сваривать стали упрочненные термически или вытяжкой

Существенного повышения прочности горячекатаной арматурной стали (в несколько раз) достигают термическим упрочнением или холодным деформированием. При термическом упрочнении осуществляются закалка арматурной стали (нагревом до 800, 900 °С и быстрым охлаждением), затем частичный отпуск (нагревом до 300—400°С и постепенным охлаждением).
Высоколегированные и термически упрочненные арматурные стали переходят в пластическую область постепенно — без ярко выраженной площадки текучести. Для этих сталей устанавливают условный предел текучести — напряжение, при котором остаточные деформации составляют 0,2 %, а также условный предел упругости — напряжение, при котором остаточные деформации равны 0,02 % и предел упругости.
Сущность упрочнения холодным деформированием арматурной стали состоит в следующем. При искусственной вытяжке в холодном состоянии до напряжения, превышающего предел текучести, под влиянием структурных изменений кристаллической решетки (наклепа) арматурная сталь упрочняется. При повторной вытяжке, поскольку пластические деформации уже выбраны, напряжение становится новым искусственно поднятым пределом текучести.
Вытяжка в холодном состоянии позволяет получать высокую прочность стержней большого диаметра. Многократное волочение (через несколько последовательно уменьшающихся в диаметре отверстий) в холодном состоянии позволяет получать высокопрочную проволоку. При этом временное сопротивление значительно увеличивается, а удлинения при разрыве становятся малыми — 4—6%. Чтобы получить структуру проволоки, необходимую для такого холодного волочения, производится патентирование — предварительная термообработка, нагрев до температуры порядка 800 °С с последующим специальным охлаждением. По такой технологии изготовляют высокопрочную проволоку классов В-Н, Вр-Н.
Пластические свойства арматурных сталей имеют большое значение для работы железобетонных конструкций под нагрузкой, механизации арматурных работ, удобства натяжения напрягаемой арматуры и др. Арматурная сталь обладает достаточной пластичностью, однако понижение ее пластических свойств может стать причиной хрупкого (внезапного) разрыва арматуры в конструкциях под нагрузкой, хрупкого излома напрягаемой арматуры в местах резкого перегиба или при закреплении в захватах и т. п. Пластические свойства арматурных сталей характеризуются относительным удлинением при испытании на разрыв образцов длиной, равной пяти диаметрам стержня, или 100 мм, а также оцениваются испытанием на загиб в холодном состоянии вокруг оправки толщиной 3—5 диаметров стержня.
Полное относительное удлинение после разрыва устанавливается по изменению первоначальной длины образца, включающей длину шейки разрыва, а относительное равномерное удлинение после разрыва — по изменению длины образца на участке, не включающем длину шейки разрыва. Минимально допустимое относительное удлинение и требования при испытании на холодный загиб установлены стандартами и техническими условиями.
Свариваемость арматурных сталей характеризуется надежным соединением, отсутствием трещин и. другиз пороков металла в швах и прилегающих зонах. Свариваемость имеет существенно важное значение для механизированного изготовления сварных сеток и каркасов, выполнения стыков стержневой арматуры, анкеров, различных закладных деталей и т. п. Хорошо свариваются горячекатаные малоуглеродистые и низколегированные арматурные стали. Нельзя сваривать арматурные стали, упрочненные термической обработкой или вытяжкой, так как при сварке утрачивается эффект упрочнения — происходят отпуск и потеря закалки термически упрочненных сталей, отжиг и потеря наклепа проволоки, упрочненной вытяжкой.
Хладноломкостью, или склонностью к хрупкому разрушению под напряжением при отрицательных температурах (ниже минус 30 °С), обладают горячекатаные арматурные стали периодического профиля некоторых видов — из полуспокойной мартеновской и конвертерной стали и др. Арматурные стали из высокопрочной проволоки и термически упрочненные обладают более низким порогом хладноломкости.
Реологические свойства арматурной стали характеризуются ползучестью и релаксацией. Ползучесть арматурной стали нарастает с повышением напряжений и ростом температуры. Релаксация, или уменьшение напряжений, наблюдается в арматурных стержнях при неизменной длине — отсутствии деформаций. Релаксация зависит от механических свойств и химического состава арматурной стали, технологии изготовления и условий применения и др. Значительной релаксацией обладают упрочненная вытяжкой проволока, термически упрочненная арматура, а также высоколегированная стержневая арматура. Релаксация горячекатаных низколегированных арматурных сталей незначительна. Как показывают опыты, наиболее интенсивно релаксация развивается в течение первых часов, однако она может продолжаться длительное время. Релаксация арматурной стали оказывает большое влияние на работу предварительно напряженных конструкций, так как приводит к частичной потере искусственно созданного предварительного напряжения.
Усталостное разрушение арматурной стали наблюдается при действии многократно повторяющейся нагрузки, оно носит хрупкий характер. С увеличением числа циклов предел выносливости уменьшается. Термически упрочненные арматурные стали имеют пониженный предел выносливости.
Динамическая прочность арматурной стали наблюдается при нагрузках большой интенсивности, действующих на сооружение за весьма короткий промежуток времени. В условиях высокой скорости деформирования арматурные стали работают упруго при напряжениях, превышающих физический предел текучести, при этом происходит запаздывание пластических деформаций. Превышение динамического предела текучести над статическим пределом текучести связано с временем запаздывания. В меньшей степени динамическое упрочнение проявляется на условном пределе текучести сталей легированных и термически упрочненных (не имеющих явно выраженной площадки текучести) и практически совсем не отражается на пределе прочности аи всех видов арматурных сталей, в том числе высокопрочной проволоки и изделий из нее.
Высокотемпературный нагрев арматурных сталей приводит к изменению структуры металла и снижению прочности. Так, при нагреве до 400 °С предел текучести горячекатаной арматуры класса A-III уменьшается на 30 %, классов А-Н и A-I — на 40 %, модуль упругости уменьшается на 15 %. Заметное проявление ползучести арматуры в конструкциях под нагрузкой наблюдается при температуре свыше 350 °С. При нагреве происходит отжиг и потеря наклепа арматуры, упрочненной холодным деформированием, поэтому временное сопротивление у высокопрочной арматурной проволоки снижается интенсивнее, чем у горячекатаной арматуры. После нагрева и последующего охлаждения прочность горячекатаной арматурной стали восстанавливается полностью, а прочность высокопрочной арматурной проволоки — лишь частично.

Источник

Упрочнение стали

В целях более эффективного использования несущей способности арматуры и получения в результате этого значительной экономии стали в некоторых случаях на предприятиях ее подвергают дополнительной термической или механической обработке. В основе всех механических способов упрочнения (волочения, скручивания и вытяжки) лежит процесс механического изменения структуры стали, называемый наклепом или нагортовкой, при котором происходит уменьшение пластичности и вязкости стали и повышение предела ее текучести и прочности. Процесс волочения состоит в протягивании проволоки или прутка через конусообразное отверстие фильера, изготавливаемого из твердых сплавов, выходная часть которого имеет меньший диаметр, чем входная. В результате одновременного растяжения и обжатия металл теряет значительную часть пластических свойств и делается более жестким. Предел текучести стали повышается в 1,5 раза. С целью уменьшения усилия, требующегося для протягивания стали через фильер, относительное обжатие площади сечения за один проход принимают в пределах 10—20%.

Волочение арматурной стали на предприятиях сборного железобетона осуществляют на одно-, двухбарабанных волочильных станах с вертикальными и горизонтальными осями типа 1/650. Для заострения концов проволоки перед заправкой ее в фильер в состав волочильных установок входят заточные станки. При диаметре обрабатываемой проволоки более 6 мм рекомендуется использовать станы с диаметром барабана 600-700 мм, при диаметре 3-6 мм — 500-600 мм, а при диаметре 1,8-3 мм — 400-500 мм.

Вытяжка заключается в растяжении арматурной стали, при которой в последней возникают напряжения, превосходящие предел текучести. В результате обработки сталь удлиняется на 4—8% с соответствующим уменьшением площади поперечного сечения, повышением предела текучести и снижением пластичности. Процесс упрочнения стали контролируется величиной удлинения стержня. При вытяжке горячекатаной арматурной стали периодического профиля марки Ст.5 на 5,5% предел текучести повышается с 300 МПа (3000 кг/см 2 ) до 500 МПа (5000 кг/см 2 ), а при удлинении стали марки 25Г2С на 3,5% этот показатель возрастает с 400 МПа (4000 кг/см 2 ) почти до 550 МПа (5500 кг/см 2 ). Для вытяжки создан ряд серийных установок, а также автоматизированный стан БА-55 конструкции А. И. Авакова и Г. А. Анопова.

Установки СМЖ-130 (6597С) и СМЖ-132 (6701С/2А) конструкции института «Гипростроммаш» представляют собой силовую секционную раму. Концевые секции рамы имеют упорные анкерные плиты, в которых установлены подвижная и неподвижная тяги. Для выгрузки стержней на машине имеется механизм сброса. Для замера длины вытяжки на подвижной тяге установлен указатель и линейка. Вытяжка производится гидродомкратом СМЖ-84 (6280С), который натягивает стержень с помощью подвижной тяги. Отпуск натяжения производится тем же гидродомкратом. В целях безопасности на случай обрыва стержня со стороны гидродомкрата установлен заградительный щит. В связи с применением инвентарных тяг обрыв стержня в сторону, противоположную гидродомкрату, невозможен. Соединение подвижной и неподвижной тяг со стержнем осуществляется с помощью зажимов. Установка СМЖ-132 (701С/2А) снабжена также питателем для подачи длинных стержней, который управляется гидроцилиндрами.

Установка СМЖ-130 (6597С)

1 — насосная станция; 2 — гидроцилиндр; 3 — пульт; 4 — подвижная линейка; 5 — зажим; 6 — силовая рама; 7 — винт

В производстве предварительно напряженных конструкций повышение прочности арматуры позволяет значительно снизить ее расход. Прочность изготавливаемой у нас стержневой арматурной стали обычно не превышает 500-900 МПа (5000-9000 кг/смм 2 ). К тому же механическими способами существенно повысить ее расчетное сопротивление очень сложно. В этом случае наиболее целесообразным является ее термическая обработка. Как показали исследования, закалка при 900° С с последующим отпуском при 350° С повышает прочность стержней из стали марки Ст.5 в 1,5 раза, а из стали 25Г2С — в 2 раза, вследствие чего ее расход снижается не менее чем на 50%.

Создана автоматическая установка для электротермического упрочнения стали (ЭТУ-1 и ЭТУ-2), работающая следующим образом. Непрерывно подаваемые арматурные стержни поочередно на концах зажимаются в челюстных электродах, соединенных с обмоткой сварочного трансформатора типа ТСД-2000. При пропускании тока большой силы стержень разогревается до нужной температуры, выдерживается при ней необходимое время и сбрасывается в охлаждающую ванну для отпуска. Расход электроэнергии на термическую обработку 1 т стержней составляет 250-350 кВт-ч, а себестоимость — 5-6 руб. После того, как металлургическая промышленность наладит массовое производство стали с термическим упрочнением в процессе ее проката, надобность в такой обработке на заводах ЖБИ отпадает. Ведутся работы по созданию установок, на которых одновременно с термической обработкой будет производиться высадка анкерных головок на концах стержней и осуществляться электротермическое натяжение стержневой арматуры.

Источник