CC BY
9Научная статья УДК 624.21/.8
ПРОБЛЕМЫ ВНЕДРЕНИЯ НОВЫХ ВИДОВ И МАРОК СТАЛЕЙ В МОСТОСТРОЕНИИ. ВЫНОСЛИВОСТЬ СТАЛЕЙ. СТАЛЬ КЛАССОВ С420-С460
Игорь Сергеевич Сухов 1 Кира Владимировна Ляпина 2, Максим Сергеевич Наумов 3, Владислав Павлович Илюшин 4
1 2, 3, 4 Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), Москва, Россия
1 sukhov.mosti@mail.ru
2 kirulya@mail.ru
3 maxim.na2018@yandex.ru
4 il-vlad@mail.ru
Аннотация. В статье рассматриваются вопросы внедрения в мостостроение новых марок сталей с повышенными прочностными характеристиками, а также внедрения новых технологий прокатки стали. Данная тема особенно актуальна в последние несколько лет, в связи с повышающимся запросом от проектных организаций. При рассмотрении вводимых впервые материалов при их исследовании неизбежно встает вопрос об ожидаемых и минимально допустимых характеристиках.
Ключевые слова: высокопрочная сталь, стальной прокат, стальные мосты, выносливость стали, усталость стали, новые виды стали.
Для цитирования: Сухов И. С., Ляпина К. В., Наумов М. С., Илюшин В. П. Проблемы внедрения новых видов и марок сталей в мостостроении. Выносливость сталей. Сталь классов С420-С460 // Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли. 2023. № 3(8). С. 31-39.
Original article
PROBLEMS OF INTRODUCTION OF NEW TYPES AND GRADES OF STEEL IN BRIDGE CONSTRUCTION. ENDURANCE OF STEELS. STEEL GRADES C420-C460
Igor S. Sukhov 1 Kira V. Liapina 2, Maksim S. Naumov 3, Vladislav P. Ilyushin 4
1 2, 3, 4 Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI), Moscow, Russia
1 sukhov.mosti@mail.ru
2 kirulya@mail.ru
3 maxim.na2018@yandex.ru
4 il-vlad@mail.ru
Abstract. The article deals with the introduction of new steel grades with increased strength characteristics into bridge construction, as well as the introduction of new steel rolling technologies. This topic has been especially relevant in the last few years, due to the increasing
© Сухов И. С., Ляпина К. В., Наумов М. С., Илюшин В. П., 2023
demand from project organizations. When considering the materials introduced for the first time, the question of expected and minimum permissible characteristics inevitably arises during their study.
Keywords: high-strength steel, rolled steel, steel bridges, steel endurance, steel fatigue, new types of steel.
For citation: Sukhov I. S., Liapina K. V., Naumov M. S., Ilyushin V. P. Problems of introduction of new types and grades of steel in bridge construction. Endurance of steels. Steel grades C420-C460. Automotive and Road expert evaluation. 2023;3(8):31-39. (in Russ.).
Введение
В ранее опубликованной статье «Проблемы внедрения новых видов марок сталей в мостостроении», в выпуске № 110 журнала «Дороги. Инновации в строительстве», авторами приведен обзор существующих нормативных предпосылок к тенденции внедрения новых сталей в мостостроение [1]. За последние десятилетия высокопрочная сталь завоевала прочные позиции на мировом рынке мостовых металлоконструкций. Сталь класса С390, которая 20 лет назад считалась высокопрочной, в настоящее время является преобладающей маркой для производства проката. Кроме того, сегодня широкое распространение получили стали классов С420 и С460.
Проведенные исследования показывают, что увеличение класса прочности стали может привести к снижению конечной стоимости сооружения - исходя из предпосылки, что увеличение стоимости металлопроката обычно меньше, чем увеличение предела текучести, экономически выгодно применять высокопрочные стали в конструкциях [2].
Снижение затрат - не единственное преимущество применения высокопрочных сталей. В некоторых случаях снижение веса конструкции является важным преимуществом, поскольку может быть увеличена полезная нагрузка или снижены эксплуатационные расходы
В отечественной мостостроительной отрасли запрос на внедрение высокопрочных сталей является относительно новым. На данный момент стали классов С420-С460 не прошли полного комплекса исследований, соответствующего актуальным требованиям.
В качестве основных теоретических предпосылок далее принимаются данные, приведенные в первой редакции СТ0-01-41813749-001-2021, разработанного для ПАО «Северсталь» для стали класса С460, СТО 13657842-1-2009 «Изменение №3» АО «Уральская Сталь», а также данные исследований, проведенных авторами.
Справочные данные
При анализе усталостных характеристик той или иной стали обычно приводится кривая усталости или предельное значение напряжения, определенное на заданной базе испытаний при заданном коэффициенте асимметрии цикла.
Кривая усталости (кривая Велера) является наиболее распространенным способом оценки усталостной прочности при заданной асимметрии цикла. Если говорить об отечественной нормативной базе в целом и мостостроении в частности, то за определяющие значения асимметрии цикла можно принять р = -1; р = 0; р = 0,1; р = 0,4.
При этом с точки зрения исследований наиболее информативными являются кривые построенная при р = -1; р = 0, а р = 0,1; р = 0,4 - значения приближен-
ные к реальной работе мостовых сооружений, железнодорожных и автодорожных соответственно.
Если рассмотреть полную кривую усталости общего вида [3], то на ней выделяются несколько принципиальных участков (рис. 1). В исследованиях, проведённых авторами статьи, рассматривается только вопрос многоцикловой усталости, т.е. участок ВГД (примечание: на данном рисунке отмечена точка NG на участке ГД, в некоторых источниках точка NG объединяется с точкой Г).
Как правило в литературе термин «кривая усталости» подразумевает кривую, построенную по средним значениям, если не указано иного. Кривые усталости, построенные по средним значениям, соответствуют наблюдаемым типам поведения материалов при циклических нагрузках.
Число циклов нагружения N Рис. 1. Схема полной кривой усталости [3]
На рисунке 2 показаны различные типы кривых усталости в зависимости от исследуемого материала [4].
1дсга
\gNG Ig N
Ig N Ig Ng Ig N
б
ig<3a J ig<7a
V а \ N R = -1 IgiTa с V R = -1 V,a R = -1
Л \* • V aawN = CT-1W aamN = С \aamN = С
>> аа = а_1 \ \ OamN = Co \
i a0
Ig N
Рис. 2. Кривые усталости в двойных логарифмических координатах [4]
а
в
Кривые первого типа (рис. 2, а) характерны для сталей малой и средней прочности (ств < 1200 МПа) при нормальной температуре; кривые, изображенные на рис. 2, б - для легированных сталей и титановых сплавов; кривые третьего типа (рис. 2, е) - для алюминиевых сплавов и ряда жаропрочных сплавов при повышенных температурах.
Следовательно, из справочных данных получаем, что для конструкционных сталей с рассматриваемыми механическими характеристиками точка перелома Г (NG) является ключевой и усталостная прочность в дальнейшем не снижается.
Стоит отметить, что в случае с мостостроением предел выносливости определяется на базе 2-106 циклов.
Авторы изначальной методики [5] по определению предела выносливости приводят следующие тезисы:
«- на графике линий выносливости, построенном в полулогарифмических координатах, отчетливо выделяется круто падающая наклонная прямая и пересекающаяся с ней слабо наклонная линия. Для мостостроительных сравнительно мягких сталей точка пересечения этих прямых по большей части лежит недалеко от числа циклов N = 2-106;
- данное количество циклов примерно соответствует количеству поездов, проходящих по ЖД мосту за 55 лет при расчете, что один проход это 1 цикл, а в сутки проходит примерно 100 поездов» [5].
То есть принимая NG = 2-106 циклов можно сделать предположение о том, что в данном случае значения предела выносливости для N = 2-106 и N = 107 будет отличаться незначительно, либо не будет отличаться вообще.
Свойства строительных материалов (вероятностный подход) Механические свойства металлопроката должны иметь обеспеченность 0,95, данное требование изложено в п. 7.2 ГОСТ 27751-2014 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения» [6]. В случае со стальным прокатом определяющими характеристиками будут предел текучести, временное сопротивление и относительное удлинение.
Полное статистическое обоснование механических характеристик того или иного проката требует большого объема выборки образцов [7, 8]. Минимальный объем выборки для листового проката, который выпускается крупносерийно должен составлять 250 партий-плавок. Очевидно, что при выпуске нового проката обеспечить такое количество партий-плавок невозможно. В отсутствии четких перспектив по использованию нового продукта производителям невыгодно производство большого количества проката.
В таком случае допускается принять нормативное значение среднеквадра-тического отклонения, предусмотренного для случаев «пуска нового прокатного оборудования или после изменения технологических процессов и отсутствия, в связи с этим, статистических оценок свойств проката». Нормативное значение Sr принимается равным 28 МПа как для предела текучести, так и для временного сопротивления.
Ниже представлены характеристики сталей Sewerveld 460 (табл. 1) и 12Г2НДБ (табл. 2). Как видно, эти стали имеют класс прочности С460 и близкие показатели по временному сопротивлению.
Таблица 1
Характеристика стали Sewerveld 460_
Марка стали Обозначение нормативного документа Прокат Толщина проката, мм Нормативное сопротивление, МПа Расчетное сопротивление, МПа
По пределу текучести По временному сопротивлению По пределу текучести По временному сопротивлению
С460 СТО 00186217530-2020 Листовой 8-50 460 570 400 495
Таблица 2
Характеристика стали 12Г2НДБ_
Класс прочности Марка стали Толщина проката, мм Механические свойства Испытания на изгиб в холодном состоянии до параллельности сторон ^ - диаметр правки, Б - толщина проката)
Предел текучести стт, Н/мм2, не менее Временное сопротивление, ств, Н/мм2 Относительное удлинение, 55%, не менее
С345 12Г2СБД 8-50 345 490-685 21 1,5 Б*
14ХГНДЦ
15ХСНДА
С390 12Г2СФБД 390 530-685 19
14ХГНДЦ
10ХСНДА
С460 12Г2НДБ 460 560-570 17
Примечание. *- испытания на изгиб проводят на широком образце по ГОСТ 5521.
Как известно, предел выносливости зависит от временного сопротивления. Обе представленные стали имеют близкий показатель временного сопротивления. В данной главе примем ств_0'95 = 5 70 МПа. Тогда среднее значение ств ^ 615 МПа.
Здесь, исходя из справочных данных [9-11], а также сопоставления, сделанного авторами ранее, можно обосновать усталостные характеристики, которые допустимо принять в качестве ожидаемых (минимальных) для стали класса С460.
В таком случае, если во время испытаний будут меньшие значения усталостной прочности, то результаты испытаний можно считать условно отрицательными - таким образом необходимо доработать химический состав стали или технологию прокатки.
Воспользовавшись теоретической зависимостью [12] между механическими характеристиками и ст_г, получим следующие теоретические значения предела выносливости для сталей классов 345-460 в виде диапазона:
ст_1 = (0,2-0,3)ств(1 + ^2'^) (1)
ст^5 = 174 - 262 МПа; стзэо = 191 - 286 МПа; ст!6!0 = 224 - 336 МПа.
При анализе данных, приведенных в СП 35.13330.2011 при расчете предела выносливости для железнодорожного моста без учета концентрации напряжений
можно выделить следующую зависимость - для сталей класса С345-С390 ст_г ~ 0,4ств, ств принято, как среднее при Sr = 10 МПа. Т.е. для сталей класса С345 и С390 в соответствии с СП 35.13330.2011 приближенно получим следующие значения ст_г:
ст^5 = 203 МПа; ст^0 = 218 МПа.
И, воспользовавшись этой же зависимостью, но уже с Sr = 28 МПа:
ст!6!0 = 246 МПа.
Если формула (1) дает довольно большой диапазон значений, то зависимость, полученная из методики СП 35.13330.2011, позволяет его уточнить.
Экспериментальные данные
Очевидно, что приведенные теоретические данные требуют экспериментального подтверждения. Проводя исследование стали 15ХСНД, изготовленной по технологии КП+УКО, авторами было установлено, что данная сталь соответствует классу прочности С420-425 по пределу текучести (рис. 3). Временное сопротивление при этом гораздо выше нормативного значения, указанного в рассматриваемых СТО. Следовательно, конкретную партию стали возможно рассмотреть, как частный случай мостовой стали с повышенными прочностными характеристиками.
Номер образца Marking of specimen Диаметр (ujiipima и толщина) обрати, ИМ Diameter (width and thickness) of spec ¡тел. mm Предел прочности Rm, МПа Tensile Strength, Rm, M Pa Усилие разрыва, кН breaking force, kN Предел текучести, МПа Yield Strength, MPa Rt 0,2% Относительн ос удлинение, % Elongation, % Место разрушен» я Образца Placc of destruction sample
1.1-39-1В 25,26x29,97 646,43 489,38 473,06 15,83 В середине
I.1-39-2B 25,20x30,32 642,65 491,02 466,54 17,50 В середине
1.1-39-3 В 25,18x30,14 647,15 491,14 469,31 16,37 В середине
I.1-39-4B 25,08x30,02 644,69 485.39 471,89 16,89 В середине
Рис. 3. Результаты испытаний стали класса С420 (часть протокола)
Получены следующие значения:
ств = 645,2 МПа; ст02 = 470,2 МПа.
Отсюда, получаем класс с обеспеченностью Р = 0,95 при Sr = 28 МПа (как для нового проката) С420. По ранее приведенным зависимостям определена ст_г.
По формуле (1):
ст!2!0 = 223-334 МПа;
Применительно к СП 35.13330.2011: ст!2^ = 258 МПа;
Образцы данной стали были испытаны на выносливость при асимметрии цикла R = -1. Ниже представлена кривая усталость в полулогарифмических координатах (рис. 4). Т.к. испытанные образцы имели форму песочных часов и соответственно область концентрации напряжений, то на графике представлена зависимость количества циклов от разрушающей нагрузки. Определение действующих напряжений произведено отдельно.
Рис. 4. Результаты испытаний образцов стали класса С420 на выносливость
Значение предела выносливости, полученное по экспериментальным данным для N = 2-106 составляет: ст!^0 = 241,4 МПа, т.е. полученное экспериментально значение находится в диапазоне между минимальным значением зависимости, приведенной ранее и значением, полученным по зависимости применительно к СП 35.13330.2011.
Отсюда, для конструкционных сталей класса С420-С460 можно уточнить теоретическую зависимость и полученный диапазон значений, принять как ожидаемый:
ст_! = (0,2- 0,23)ств (1+^) (2)
Выводы
На основе справочных данных и результатов испытаний авторами был предложен подход к испытаниям на многоцикловую выносливость для мостовых сталей классов С420-С460, а именно определение минимальных ожидаемых параметров при проведении испытаний.
В результате анализа также были сделаны предположения о корректировке механических характеристик в последующих редакция рассмотренных СТО.
Список источников
1. Ляпина, К. В. Проблемы внедрения новых видов марок сталей в мостостроении /К. В. Ляпина, М. С. Наумов, В. П. Илюшин //Дороги. Инновации в строительстве. - 2023. - № 110. С. 46-51.
2. Bridges In High Strenght Steel. - URL: https://archive.org/details/BridgesInHighStrenghtSteelArticle/mode/1up (дата обращения: 12.09.2023).
3. Ерасов, В. С. Испытания на усталость металлических материалов (обзор) Часть 1. Основные определения, параметры нагружения, представление результатов испытаний / В. С. Ерасов, Е. И. Орешко / / Авиационные материалы и технологии. - 2020. - №4 (61). - С. 59-70.
4. Вахромеев, А.М. Определение циклической долговечности материалов и конструкций транспортных средств: методические указания / А.М. Вахромеев. - Москва: МАДИ, 2015. -64 с.
5. Евграфов, Г. К. Расчеты мостов по предельным состояниям: учебное пособие для вузов железнодорожного транспорта / Г. К. Евграфов, Н. Б. Лялин. - Москва: Трансжелдориздат, 1962. - 336 с.
6. ГОСТ 27751-2014. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения: межгосударственный стандарт: дата введения 01.07.2015 / Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации (МГС). - Москва: ФГУП «Стан-дартинформ», 2019. - 29 с.
7. Методика контроля и оценки механических свойств материалов конструкций зданий и сооружений (листовой и фасонный прокат, трубы, соединительные детали и др.) с нормативной обеспеченностью: методическое пособие /Федеральное автономное учреждение «Федеральный центр нормирования, стандартизации и оценки соответствия в строительстве». - Москва: Федеральное автономное учреждение «Федеральный центр нормирования, стандартизации и оценки соответствия в строительстве», 2017. - 107 с.
8. Степанов, М. Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний: справочник / М. Н. Степанов. - Москва: Машиностроение, 1985. - 232 с.
9. Гоц, А. Н. Расчеты на прочность при переменных напряжениях: монография / А. Н. Гоц; Владимирский гос. ун-т им. А. Г. и Н. Г. Столетовых. - Владимир: Изд-во ВлГУ, 2012. - 138 с. - ISBN 978-5-9984-0197-8.
10. Мыльников, В. В. Циклическая прочность и долговечность конструкционных материалов: монография / В. В. Мыльников, О. Б. Кондрашкин, Д. И. Шетулов; Нижегородский. гос. архитектур.-строит. ун-т. - Нижний Новгород: ННГАСУ, 2018. -177 с. - ISBN 978-5-52800289-7.
11. Биргер, И. А. Сопротивление материалов: учебное пособие / И. А. Биргер, Р. Р. Мавлю-тов. - Москва: Наука. Гл. ред. физ-мат. лит., 1986. - 560 с.
12. Орлов, П. И. Основы конструирования: справочно-методическое пособие в 3-х книгах / П. И. Орлов. - Кн. 1. - 2-е изд., перераб. и доп. -Москва: Машиностроение, 1977. - 623 с.
References
1. Liapina K. V., Naumov M. S., Ilyushin V. P. Dorogi. Innovacii v stroitelstve, 2023, no. 110, pp. 4651.
2. Bridges In High Strenght Steel, available at: https://archive.org/details/ BridgesInHigh-StrenghtSteelArticle/mode/ 1up (12.09.2023).
3. Erasov V. S., Oreshko E. I. Aviacionnye materialy i tekhnologii, 2020, no. 4(61), pp. 59-70.
4. Vakhromeev A. M. Opredelenie ciklicheskoj dolgovechnosti materialov i konstrukcij transportnyh sredstv: metodicheskie ukazaniya (Determination of cyclic durability of materials and structures of vehicles: guidelines), Moscow, MADI, 2015, 64 p.
5. Evgrafov G. K., Lialin N. B. Raschety mostov po predelnym sostoyaniyam: uchebnoe posobie dlya vuzov zheleznodorozhnogo transporta (Calculations of bridges by limit states: a textbook for universities of railway transport), Moscow, Transsheldorizdat, 1962, 336 p.
6. Nadezhnost stroitelnyh konstrukcij i osnovanij. Osnovnye polozheniya, GOST 27751-2014 (Reliability for constructions and foundations. General principles, State Standart 27751-2014), Moscow, FGUP Standartinform, 2019, 29 p.
7. Metodika kontrolya i ocenki mekhanicheskih svojstv materialov konstrukcij zdanij i sooruzhenij (listovoj i fasonnyj prokat, truby, soedinitelnye detali i dr.) s normativnoj obespechennostyu (Methods of control and evaluation of mechanical properties of materials of structures of buildings and structures (sheet and shaped rolled products, pipes, connecting parts, etc.) with regulatory security), Moscow, Federalnoe avtonomnoe uchrezhdenie «Federalnyj centr normirovaniya, standartizacii i ocenki sootvetstviya v stroitelstve», 2017, 107 p.
8. Stepanov M. N. Statisticheskie metody obrabotki rezultatov mekhanicheskih ispytanij (Statistical methods of processing the results of mechanical tests), Moscow, Mashinostroenie, 1985, 232 p.
9. Gotz A. N. Raschety na prochnost pri peremennyh napryazheniyah (Strength calculations at variable stresses), Vladimir, Izdatelstvo VlGU, 2012, 138 p.
10. Mylnikov V. V., Kondrashkin O. B., Shetulov D. I. Ciklicheskaya prochnosti dolgovechnost kon-strukcionnyh materialov (Cyclic strength and durability of structural materials), Nizhniy Novgorod, NNGASU, 2018, 177 p.
11. Birger I. A., Mavlyutov R. R. Soprotivlenie materialov (Resistance of materials), Moscow, Nau-ka, 1986, 560 p.
12. Orlov P. I. Osnovy konstruirovaniya (Fundamentals of design), Moscow, Mashinostroenie, 1977, book 1, 623 p
Информация об авторах И. С. Сухов - кандидат технических наук, начальник отдела ОИПИС ЦАДИ МАДИ. К. В. Ляпина - кандидат технических наук, ведущий инженер отдела ОИПИС ЦАДИ МАДИ. М. С. Наумов - ведущий инженер отдела ОИПИС ЦАДИ МАДИ. В. П. Илюшин - магистрант МАДИ.
Information about the authors I. S. Sukhov - Candidate of Sciences (Technical), head of the department OIPIS CADI MADI. K. V. Liapina - Candidate of Sciences (Technical), lead engineer of the department OIPIS CADI MADI.
M. S. Naumov - Candidate of Sciences (Technical), lead engineer of the department OIPIS CADI MADI.
V. P. Ilyushin - untergratuate MADI.
Рецензент: А.Ю. Малахов, кандидат технических наук, доцент кафедры ТКМ, начальник отдела инжиниринга и аддитивных технологий ЦАДИ МАДИ.
Статья поступила в редакцию 11.09.2023; одобрена после рецензирования 27.09.2023; принята к публикации 27.09.2023.
The article was submitted 11.09.2023; approved after reviewing 27.09.2023; accepted for publication 27.09.2023.
