По «Правилам» Госгортехнадзора, все основные элементы крановых металлоконструкций должны быть изготовлены из хорошо свариваемой углеродистой горячекатаной стали марок Ст.2, Ст.З, Ст.4 или низколегированных сталей.

Второстепенные элементы (площадки, лестницы и т. п.) могут быть изготовлены из кипящей стали или немаркированной стали, принимаемой по наружному осмотру с проверкой на холодный загиб на 90°.

Особые требования предъявляют к металлу сварных крановых конструкций, работающих при отрицательных температурах. В этих условиях представляет серьезную опасность хладноломкость кипящих сталей, ударная вязкость которых при низкой температуре резко уменьшается.

Следует отметить, что хладноломкость проявляется не сразу. По наблюдениям К. В. Попова и Ю. В. Киселева, количество трещин, возникающих вследствие хладноломкости, резко возрастает после первых четырех лет эксплуатации.

Относительная (на единицу предела текучести) стоимость Низколегированных сталей (09Г2, 09Г2С и др.) на 20—25% ниже, чем стали марки Ст.З, но при их использовании трудоемкость изготовления повышается на 10—15%.

В настоящее время осваиваются свариваемые стали высокой прочности с пределом текучести 50—80 кг/мм2 (например, сталь марки 15Г2АФ).

Исследования показывают, что применение этих сталей целесообразно для всех элементов конструкций башенных кранов, за исключением гибких сжатых стержней (А > 70) и элементов, испытывающих переменные нагрузки и рассчитываемых на усталость, так как предел усталости этих сталей не намного выше, чем стали марки Ст.З.

Для сварки крановых конструкций как при их изготовлении, так и при ремонте применяются электроды из качественной проволоки с толстой обмазкой, обеспечивающие предел прочности сварного шва не ниже предела прочности основного металла. Рекомендуется проводить сварку в углекислом газе. Вспомогательные элементы разрешается сваривать между собой электродами с меловой обмазкой.

Основные требования к материалам металлоконструкций^ башенных кранов приведены в ГОСТе 13556—68.

Металлоконструкции строительных башенных кранов имеют различную форму, чаще всего (ввиду сравнительно небольших нагрузок) они выполняются в виде пространственных ферм. Однако наряду с решетчатыми конструкциями в связи с применением сварки все шире внедряются сплошные листовые конструкции в виде различного вида оболочек. Листовые конструкции обладают серьезными преимуществами перед решетчатыми, заключающимися в концентрации передаваемых усилий (силового потока), в меньшем числе стержней.

Концентрация силового потока является ведущим принципом при проектировании металлоконструкций. Он заключается в том, что силовой поток должен идти от места приложения нагрузок к опорам по кратчайшему пути и передаваться минимально возможным количеством стержней. Этому требованию в наибольшей степени соответствуют сплошные конструкции.

Для сварных конструкций строительных башенных кранов, испытывающих переменную нагрузку, следующим важным условием является обеспечение плавности силового потока, так как концентрация напряжений является источником преждевременного появления трещин и разрушения конструкций. Концентрация напряжений в сварных конструкциях возникает прежде всего при резком изменении толщины. Так, в тавровом соединении (рис. 92, а) при односторонней приварке без обработки кромки имеет место резкое сужение сечения и поворот силового потока. Скос кромки устраняет эти недостатки.

Концентрация напряжений возможна также при соединении элементов различной ширины (рис. 92, б) или толщины (рис. 92, е), если переход сделать неплавным.

Для снижения концентрации напряжений следует выводить кратеры швов на планки (для стыковых швов это обязательно).

Рис. 92. Примеры выполнения сварных соединений:
а — втавр; б — встык разной ширины; в — встык разной толщины; I —соединения с повышенной концентрацией напряжений; II — тоже с нормальной концентрацией напряжений

Рис. 93. Примеры гнутых профилей:
а — коробчатый (используется для ездовых балок стрел, несущих грузовую тележку); б — швеллер с полками, отбортованными наружу; в — швеллер; г — угольник с полками, отбортованными внутрь

У стыковых швов, находящихся под воздействием знакопеременных нагрузок, желательно механически обрабатывать швы.

Плавность силового потока легче всего достигается в листовых конструкциях. Но при малых нагрузках и больших длинах такие конструкции чрезмерно утяжеляются, так как площадь сечения сплошных элементов трудно полностью использовать. Поэтому для легких башенных кранов большой высоты, очевидно, еще долго будут применять решетчатые конструкции.

Применение сварки позволяет значительно улучшить качество и решетчатых систем. В большинстве случаев невыгодные горячекатаные угловые и швеллерные профили, широкое использование которых в прежние годы обусловливалось исключительно применением клепки, могут быть заменены штампованными, гнутыми (как замкнутыми, так и незамкнутыми) или трубчатыми профилями, у которых центр тяжести совпадает с центром жесткости. Такие профили обладают также более высоким моментом инерции при том же весе и вследствие этого лучше сопротивляются поперечному и продольному изгибу и кручению.

Благодаря отбортовкам и зиговкам эти профили при меньшей толщине стенок обладают достаточной жесткостью и устойчивостью. Тонкостенные профили легко соединяются точечной сваркой. Примеры стандартных тонкостенных гнутых профилей показаны на рис. 93.

Замкнутые трубчатые и коробчатые профили обладают большим радиусом инерции и поэтому могут воспринимать более высокие сжимающие нагрузки, нежели открытые угловые или швеллерные профили.

Отношение квадрата радиуса инерции г сечения и его площади F, характеризующее способность воспринимать сжимающую нагрузку, колеблется для ходовых профилей в следующих пределах:

Сопоставление показывает, что трубы обладают в несколько раз большей способностью выдерживать сжимающую нагрузку, чем несимметричные профили, имеющие большее применение в конструкциях башенных кранов. Следует учесть, что для труб до гибкости А, = 115 коэффициент продольного изгиба <р на 5—10% меньше, чем у открытых*профилей.

В легких решетчатых конструкциях за счет применения труб можно использовать стержни большой длины, сокращая расход металла на дополнительные связи. Это особенно важно для стержней, сечения которых назначаются из условия предельной гибкости.

Сокращение числа вспомогательных элементов, планок и косынок снижает затраты труда на изготовление крапов и компенсирует дополнительные затраты, связанные с пригонкой труб в узлах.

Совершенно очевидна и значительная прочность труб при кручении. Преимуществом труб является также возможность применения стенок меньшей толщины. Так, если толщина полок уголков обычно не менее 1/10—1/20 ширины полки, то для труб эта величина уменьшается до а/20—1/60 диаметра.

Замкнутые профили при одной и той же площади сечения имеют меньшую внешнюю поверхность, подверженную действию коррозии, что сокращает расходы на окраску.

Помимо того, в результате уменьшения боковой поверхности и лучшей обтекаемости снижается ветровая нагрузка, что имеет для башенных кранов существенное значение. Для многих башенных кранов из профильного проката вес противовеса и балласта определяется действием ураганного ветра, тогда как для трубчатых кранов вследствие уменьшения ветровой нагрузки почти в 2 раза ураганный ветер не имеет решающего значения и вес противовеса определяется условиями грузовой устойчивости. Проводившиеся в ФРГ наблюдения и специальные опыты (1949—1952 гг.) показали, что при хорошем качестве сварных швов влага не проникает внутрь труб и коррозия здесь практически не наблюдается. При наличии пор в швах или отверстий в трубе замечалась незначительная коррозия вблизи мест входа сырого воздуха.

Единственной опасностью является накопление влаги в нижней полости вертикальных труб, так как замерзание воды может вызвать их разрыв. В связи с этим DIN 4115 рекомендует: предусматривать отверстия для стока воды. По данным Хенхена, трудоемкость сварки трубчатых решетчатых конструкций на 40% выше, чем уголковых. Можно также пояса выполнять из уголков, а решетку — из труб, при этом трудоемкость сварки снижается на 25% по сравнению с конструкцией из одних труб.

Трудоемкость снижается при выполнении поясов из труб прямоугольного сечения. В этом случае решетку можно сделать из одного зигзагообразного стержня.

Стоимость труб в Советском Союзе примерно на 30—40% выше стоимости уголков, но стоимость конструкций, сваренных из труб, вследствие снижения числа вспомогательных элементов всего на 10—20% выше, чем конструкций из уголков. Если учесть влияние уменьшения веса конструкций башенного крана на остальные его элементы (ходовые тележки, портал, противовес, механизмы подъема стрелы, поворота и передвижения, подкрановые пути), то эффективность замены уголков трубами станет очевидной, если снижение веса даже меньше 10%. В ГДР существуют аналогичные стоимостные соотношения.

Как видно, рассматриваемый пример подтверждает эффективность применения труб. Следует указать, что она будет увеличиваться с увеличением высоты крана и расчетного напора ветра. В то же время для низких кранов решетчатая конструкция из труб может оказаться дороже уголковой. Но в таких случаях необходимо уточнить расчеты, проведя также сопоставление эксплуатационных затрат, которые для более легкого, хотя и более дорогого, трубчатого крана могут оказаться ниже.

Для кранов малой высоты взамен решетчатых конструкций могут быть успешно применены сплошные конструкции типа оболочек свальцованные, гнутые или штампованные из листовой стали.

Они обладают лучшими аэродинамическими качествами, благодаря чему снижается ветровая нагрузка. В них обеспечивается

Аналогичные требования предъявляются также к стыкам труб. На рис. 94 показаны различные случаи стыкования труб.

Стык на прокладке (рис. 94, а) допустим в том случае, если стержень испытывает только сжимающее усилие. При растяжении допускаемая нагрузка на стык не должна превышать (по DIN 4115) 65% допускаемой сжимающей нагрузки на стыкуемый стержень. Более прочными являются стыковые соединения на ниппеле (рис. 94, б). Для них допускаемая сжимающая нагрузка равна 100%, а растягивающая — 90%. При малой толщине кромок труб, соединяемых на ниппеле, их не разделывают, как показано на рис. 94, б, а для наложения шва оставляют зазор, равный толщине стенки. Для соединения труб различного диаметра применяются те же способы, причем если разность диаметров велика, то при использовании прокладки ее усиливают ребрами (рис. 94, д).

Рис. 94. Стыки труб:
а — одного диаметра на прокладке; б — одного диаметра на ниппеле; в — одного диаметра с муфтой; г — одного диаметра, сварка сопротивлением;- д — разного,диаметра на прокладке; е — разного диаметра на ниппеле; ж — разного диаметра с закаткой конца трубы

Целесообразно соединение на ниппеле (рис. 94, е), в котором свариваются элементы одного диаметра и обеспечивается плавный переход от большего сечения к меньшему. Стыки, показанные на рис. 94, ж, применяются для труб больших размеров.

Рис. 95. Монтажные стыки:
а — с крестовыми вставками; б — с наваренными ребрами; в — с напряженными болтами; г — быстроразъемные с накидными болтами

Монтажные стыки выполняют так, как показано на рис. 95. При большом диаметре (D > 150 мм) труб концы их не закатывают, а закрывают заглушками. Для труб больших диаметров предпочтительнее стык, показанный на рис. 95, б. При этом нужно учитывать эксцентричность передачи нагрузки от ребер к трубе.

Хорошее центрирование достигается в стыках с напряженными болтами (рис. 95, в); здесь гайки прикрепляют сваркой внутри труб и болты затягивают, вращая головку. Такие стыки хорошо работают при динамических нагрузках, но дороги.

Если соединение должно быть быстроразъемным, то удобнее всего накидные болты (рис. 95, г).

Плавность изменения силового потока в узловых соединениях достигается центровкой примыкающих к узлу стержней и уменьшением числа и размеров вспомогательных элементов (косынок, планок и т. п.).

Однако не всегда можно центрировать стержни. Например, в легких конструкциях, пояса которых выполнены из одного уголка (рис. 96, а), обычно раскосы приваривают непосредственно к поясу. В этом случае можно нарушить центровку, так как важнее исключить близкое расположение швов приварки соседних раскосов. Расстояние между швами не должно быть менее 2а, где — а толщина шва.

В сильно нагруженных конструкциях (рис. 96, б) стержни решетки необходимо центрировать. В этом случае почти всегда неизбежно применение фасо-нок. Здесь следует еще более раздвинуть стержни, чтобы расстояние между соседними сварными швами было не менее 5а. По опытам Института электросварки прочность узла соединения труб увеличивается с ростом относительной толщины их стенок.

Чтобы избежать перенапряжений у концов швов, необходимо или выводить кратеры на подкладки, или не доводить швы до края уголка или фасонки не менее чем на 2а.

В конструкциях, испытывающих переменные нагрузки, переход от фасонки к поясу должен быть плавным, без соединения элементов разного сечения (рис. 97).

В месте стыка ширина фасонки должна быть равна ширине пояса, а затем на расстоянии не менее 50 мм делают плавный переход (рис. 97, в).

Если нельзя избежать приварки фасонок к поясу, то конец шва должен быть обработан, как показано на рис. 98, в, причем ширина срезаемой кромки s фасонки должна быть не менее ее толщины, а радиус г не менее 0,25/г.

Рис. 96. Узлы ферм из уголков:
а — с приваркой раскосов к боковой поверхности “ пояса; о — с фасонкой, врезанной в пояс

Вообще переход от одного сечения к другому следует делать возможно более плавным с минимальным количеством всяких связующих элементов (косынок, ребер).

Выполнение этих требований увеличивает трудоемкость изготовления узлов. Они являются обязательными только для сильно нагруженных конструкций. При малых нагрузках можно отступать от них, обосновав выбор сечений расчетом.

Рис. 97. Крепление фасонки к поясу:
а — плохо, б — лучше; е — хорошо

В узловых соединениях трубчатых конструкций следует избегать косынок и приваривать стержни решетки непосредственно встык к поясам. Всегда желательно центрировать стержни фермы. Однако при больших нагрузках на стержни решетки элемент пояса между раскосами оказывается слабым местом. Кроме того, здесь при плохом качестве сварки всегда может иметь место пережог основного металла. Поэтому в фермах с тяжелонагруженными элементами решетки рекомендуется по DIN 4115 сбивать оси, как показано на рис. 99, а. Этого можно избежать, если концы раскосов сплющить, как показано на рис. 99, б. При этом они будут соединяться непосредственно друг с другом. Такое соединение удобно для трехгранных ферм, так как позволяет избежать пригонки раскосов двух соседних плоскостей (раскосы примыкающей плоскости показаны на рис. 99, б штрих-пунктиром); однако при этом требуется дополнительная обработка концов труб.

Рис. 98. Переход от пояса к фасонке:

Взаимной пригонки раскосов можно избежать, сплющив их концы в поперечном направлении (рис. 99, в). Такие соединения успешно применяются во многих странах, хотя их прочность ниже, чем соединения по рис. 99, а. Но во многих случаях последнее не существенно, гак как часто раскосы выбираются по предельной гибкости.

Рис. 99. Узел подхода трубчатых раскосов к поясу из трубы:
а — со сбивкой осей; б — со сплющиванием кондов раскосов вдоль пояса; в — со сплющиванием в поперечном направлении; г — с плавным переходом от пояса к поперечному стержню; д — с приваркой косынки

В месте приварки элементов решетки к поясу всегда есть концентрация напряжений из-за резкого перехода, чего можно (если это требуется), избежать, выполняя соединение по рис. 99, г.

Рис. 100. Сварные узлы трубчатых пространственных конструкций:
а — при подходе к поясу большого диаметра тонких раскосов; б — на шаре при подходе к узлу стержней, близких по диаметру

Если приварка встык не обеспечивает необходимой прочности или в узле сходится слишком много стержней, приходится вваривать между раскосами перемычки или ставить косынки (рис. 99, г). При этом желательно не разрезать основных поясов и приваривать косынки к ним встык. Длинные свободные края косынок целесообразно закруглять (пунктир на рис. 99, г).

Сварные узлы трубчатых пространственных конструкций легко выполнимы, если к поясу большого диаметра примыкают сравнительно тонкие раскосы (рис. 100, а). Если площади сечений элементов, сходящихся в узле, отличаются незначительно, то целесообразны соединения на шарах (рис. 100, б).

Рис. 101. Конструкция опорной подушки:
а — плохая; б — хорошая; 1 — место возникновения трещин

Следует избегать концентрации сварных швов и их пересечения. DIN 4100 рекомендует делать крестовые соединения только при толщине сопрягаемых листов не менее 7 мм. Следует изберать пересечения швов, например, в местах установки ребер жесткости (рис. 101, а). Такие пересечения следует выполнять, как показано на рис. 101, б.

По нормам ГДР (ТГЛ 13500) поперечные ребра можно приварить к стенке только в том случае, если ее толщина превышает толщину шва не менее чем в 1,5 раза (рис. 102, а). При меньшей толщине ребра ставят вразбежку, как показано на рис. 102-; б. Если же необходимо привариваемые элементы располагать друг против друга, то с одной стороны вводят прокладку (рис. 102, в).

Ребра к поясам балок следует приваривать так, как показано на рис. 103. В углах делают закругленные вырезы для пропуска продольных швов балки, а швы, связывающие ребра с поясами и стенкой балки, не прерывают и переводят с одной стороны на другую. Если конструкция находится под воздействием знакопеременной нагрузки, следует применять соединение, показанное на рис. 102, б, обладающее большей усталостной прочностью.

Рис. 102. Приварка поперечных ребер и стенок:
а — к толстому листу; б — к тонкому листу вразбежку; в — к тонкому листу в одной плоскости с прокладкой

Рис. 103. Поперечный разрез по сварной балке в месте установки ребра жесткости:
а—обычное соединение; б — соединение, обладающее повышенной усталостной прочностью

Рис. 104. Конструкция узлов сильно нагруженных рам:
а — без накладок; б — с накладками; 1 — наклонная накладка

Балки к стойкам присоединяются встык. При приваривании прокатных балок следует по DIN 4100 оставлять свободными внутренние закругления. При больших изгибающих моментах в углах рам, когда длина швов в местах примыкания оказывается недостаточной, необходимо расширять узел, делая плавный переход сопрягаемых элементов. При этом стенку следует-делать более толстой и укреплять ее ребрами для предохранения от выпучивания (рис. 104, а).

По данным опытов, углы рамы с усиленными переходами имеют в 1,5 раза, а при закругленном переходе в 2 раза большую прочность, нежели соединение без уширения. Узлы разрушаются обычно вследствие выпучивания полок. Поэтому следует признать удачной конструкцию угла рамы (рис. 104, б), где края полок связаны приваренными наклонно накладками /, входящими в расчетное сечение и значительно повышающими устойчивость поясов.

Угловые соединения двух элементов желательно усиливать вставками, как показано на рис. 105, даже в тех случаях, когда они не воспринимают больших моментов. При соединении двутавровых элементов полки следует не доводить до угла, вставив между ними уширенную косынку, очерченную с внутренней стороны по дуге (рис. 105, в).

При пересечении балок, находящихся под воздействием переменных нагрузок, также следует обращать внимание на плавные переходы в местах стыков (рис. 106).

Разъемные соединения элементов металлоконструкций чаще всего осуществляются на болтах. Наиболее удобны фланцевые стыки, в которых сжимающие нагрузки передаются непосредственно фланцами, а растягивающие усилия воспринимаются болтами.

При этом необходимо следить, чтобы усилия в стыке передавались по осям и не вызывали изгиба примыкающих к узлу стержней. Кроме того, болты должны быть хорошо затянуты, что необходимо учитывать при их расчете. По ТГЛ 13501 раскрытие фланцевого стыка труб не должно превышать 0,3 мм при действии расчетного растягивающего усилия.

Стыки с накладками менее удачны, так как из них всегда выступают концы соединяемых стержней, которые при перевозке могут быть легко погнуты. В таком стыке ближайший к Нему должен быть присоединен болтами. Наконец, что самое важное, при частой сборке и разборке, характерной для строительных башенных кранов, болтовые соединения расшатываются, поэтому применение чистых болтов нецелесообразно, а при переходе на черные болты число их значительно увеличивается.

Рис. 105. Углы легких рам:
а — из уголков: б — из швеллеров; в — из двутавров

Рис. 106. Пересечения двутавровых балок:
а — одной высоты; б — разной высоты

Если разъемный фланцевый стык должен передавать значительные крутящие моменты, то необходимо сделать его на точеных болтах или, учитывая сказанное выше, предусматривать обработанные упоры, привариваемые при сборке узла.

Рис. 107. Стык решетчатой трубчатой стрелы:
а — на фланцах уменьшенного диаметра; 6 — на проушинах (пояса из труб квадратного сечения, решетка из труб зигзагообразная сплющенная в местах присоединения к поясам)

Для уменьшения размеров фланцев во фланцевых стыках труб целесообразно высаживать края трубы, как показано на рис. 107, а, и помещать болты во впадинах. При этом благодаря приближению болтов к стенке трубы уменьшается изгибающий момент во фланцах и тем самым податливость стыка.

Быстроразъемные и подвижные соединения элементов металлоконструкций осуществляются на пальцах или осях, для чего в местах присоединения предусматриваются проушины (рис. 107, б). Удобнее, но сложнее быстроразъемные соединения на штырях (рис. 108).

Конструкция проушины зависит от степени подвижности соединения. В случаях частых поворотов пальца (оси) относительно проушины, например в каждом цикле крана, применяют подшипники (предпочтительнее всего подшипники качения) и подают смазку. Если повороты происходят редко, то для надежной работы соединения достаточно ограничить удельное давление величиной 300 кг/см2.

Рис. 108. Стык на штырях:
а — гладких; б — нарезанных; в — соединенных пальцем; г — соединенных замком

Исследования ВНИИПТМАШа указывают на целесообразность применения втулок из полимеров (капрон, полиамидные смолы, текстолит), для которых допустимы давления 1300-1000 кг/см2.

Если шарнир связывает две близко расположенные фермы или стенки, то удобнее всего выполнить это сочленение на одной общей оси, так как иначе обеспечить соосность трудно. При большой длине ось становится тяжелой и целесообразно заменить ее двумя отдельными пальцами. В этом случае необходимо для обеспечения соосности шарниров растачивать обе группы отверстий совместно пли предусмотреть возможность регулировки при сборке, что, конечно, менее удобно.