Болтовые соединения — один из самых распространенных видов разъемных соединений в строительных конструкциях, машиностроении и приборостроении. Правильный расчет такого соединения обеспечивает надежность, долговечность и безопасность всей конструкции. В данном пособии рассмотрены основные виды болтовых соединений, нормативная база, методики расчета на срез, смятие и растяжение, а также приведен практический пример.

Общие сведения и классификация болтовых соединений

Болтовое соединение состоит из болта, гайки и, как правило, шайб. В зависимости от характера работы и точности изготовления болты делятся на несколько классов:

• Болты нормальной точности (классы 4.6, 5.6, 5.8, 8.8) — изготавливаются из углеродистых сталей (марки 10, 15, 20, автоматные стали) холодной высадкой без последующей термообработки. Применяются в соединениях, работающих преимущественно на срез и смятие.
• Болты повышенной точности — устанавливаются в отверстия с минимальным зазором, работают на срез по цилиндрической поверхности стержня.
• Высокопрочные болты (классы 8.8, 10.9, 12.9) — изготавливаются из легированных сталей (например, сталь 40Х «селект») с термообработкой. Применяются во фрикционных соединениях, где усилие передается за счет трения между сжатыми поверхностями деталей.

По характеру воспринимаемой нагрузки соединения подразделяются на:

1. Срезные (сдвиговые) — болт работает на срез, детали — на смятие;
2. Растянутые — болт работает на растяжение;
3. Фрикционные — нагрузка передается силами трения, возникающими от затяжки высокопрочных болтов;
4. Комбинированные — одновременное действие срезающей и растягивающей сил, а также изгибающего момента.

Нормативная база

При расчете болтовых соединений следует руководствоваться действующими нормативными документами:

• СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции» (актуализированная редакция СНиП II-23-81*) — основной документ для расчета соединений строительных конструкций;
• ГОСТ Р 52857.4-2007 — расчет на прочность и герметичность фланцевых соединений сосудов и аппаратов;
• Р 50-54-90-88 — общие требования к расчетам на прочность резьбовых соединений;
• ГОСТ 22353-77, ГОСТ 22355-77, высокопрочные болты и шайбы;
• ГОСТ 2.315-68, условные обозначения крепежных деталей на чертежах (болты фрикционного соединения обозначаются треугольником).

Расчет соединения на срез и смятие

Несущая способность болта на срез

Условие прочности болта на срез записывается в виде:

N ≤ R_bs · A · n_s · γ_b · γ_c

где:

• N — расчетное усилие, приходящееся на один болт;
• R_bs — расчетное сопротивление болтового соединения срезу (принимается по таблицам СП 16.13330.2017 в зависимости от класса болта);
• A = πd²/4, площадь поперечного сечения стержня болта по наружному диаметру резьбы d;
• n_s — число расчетных срезов одного болта (односрезное, двухсрезное соединение);
• γ_b — коэффициент условий работы соединения, зависящий от числа болтов (например, γ_b = 0,9 при ожидаемом числе болтов до 5–10);
• γ_c — коэффициент условий работы конструкции.

Несущая способность на смятие

Условие прочности элементов соединения на смятие:

N ≤ R_bp · d · Σt · γ_b · γ_c

где:

• R_bp — расчетное сопротивление смятию;
• d — наружный диаметр стержня болта;
• Σt — наименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении.

Расчет на растяжение

При действии растягивающей силы условие прочности:

N ≤ R_bt · A_bn · γ_c

где A_bn — площадь сечения болта нетто (по внутреннему диаметру резьбы), R_bt — расчетное сопротивление болта растяжению.

Расчет фрикционных соединений

Во фрикционных соединениях с высокопрочными болтами нагрузка передается за счет трения. Несущая способность одного болта определяется по формуле:

Q_bh = R_bh · A_bn · μ · γ_b / γ_h

где μ — коэффициент трения, зависящий от способа обработки соединяемых поверхностей; γ_h — коэффициент надежности. Обязательным условием является контролируемая затяжка болтов с заданным усилием предварительного натяжения.

Расчет соединения при совместном действии сил и момента

Если на соединение действуют продольная сила N, поперечная сила Q и изгибающий момент M, усилие в наиболее нагруженном болте определяется как геометрическая сумма составляющих:

• от продольной силы: N₁ = N / n (n — число болтов);
• от поперечной силы: Q₁ = Q / n;
• от момента: M₁ = M · z_max / Σz_i², где z_i, расстояния от центра тяжести болтового поля до каждого болта.

Результирующее усилие в наиболее удаленном болте:

N_max = √( (N/n + M·z_max/Σz_i²)² + (Q/n)² )

Полученное значение сравнивается с несущей способностью болта на срез и смятие. При одновременном действии растяжения и среза проверяется условие совместного действия по методике СП 16.13330.2017.

Пример расчета

Рассмотрим соединение двух стальных деталей (фланцев) толщиной по 80 мм высокопрочным болтом М24×200 ГОСТ 22353-77 из стали 40Х «селект» с шайбами 24 ГОСТ 22355-77.

Исходные данные: расчетное усилие N = 400 кН, болт М24, класс прочности 10.9.

1. Площадь сечения стержня: A = π·2,4²/4 = 4,52 см².
2. Расчетное сопротивление срезу для болта класса 10.9: R_bs = 400 МПа (по таблицам СП).
3. Несущая способность на срез (один срез): N_bs = 400 · 4,52 · 0,9 ≈ 163 кН на один срез.
4. Проверка на смятие: R_bp · d · Σt — при больших толщинах деталей смятие, как правило, не является определяющим.
5. Требуемое количество болтов: n = N / N_bs с округлением в большую сторону.

Для уголкового профиля с фасонкой учитывается эксцентриситет приложения нагрузки: приведенное усилие вычисляется с учетом момента от внецентренного приложения силы, например по формуле вида N_red = √( (N/3)² + (N·e/(2a))² ), где e — эксцентриситет, a — расстояние между болтами.

Конструктивные требования

• Минимальные расстояния между центрами болтов, не менее 3d, от центра болта до края элемента — не менее 2d (при сдвиге вдоль усилия);
• Максимальные расстояния ограничиваются из условий обеспечения плотного прилегания деталей и устойчивости сжатых элементов;
• Диаметр отверстий принимается на 1–3 мм больше диаметра болта (для болтов нормальной точности);
• Под головку болта и гайку устанавливаются шайбы; для высокопрочных болтов, закаленные шайбы по ГОСТ 22355-77;
• В ответственных соединениях предусматривается контроль момента затяжки.

Автоматизация расчетов

В современной практике расчет болтовых соединений выполняется с помощью специализированных программ и таблиц Excel, а также встроенных модулей расчетных комплексов (SCAD, ЛИРА и др.). Программы позволяют быстро подобрать диаметр, класс прочности и количество болтов для соединений двух или трех пластин при действии среза, продольной силы и момента. Однако инженеру необходимо понимать физический смысл формул и уметь выполнять поверочный расчет вручную.

Расчет болтовых соединений сводится к определению усилия в наиболее нагруженном болте и сравнению его с несущей способностью по срезу, смятию или растяжению с учетом коэффициентов условий работы. Соблюдение требований СП 16.13330.2017, правильный выбор класса прочности болтов и конструктивных расстояний гарантируют надежную работу соединения в течение всего срока службы конструкции.