Свая винтовая

Полезная модель относится к области промышленного и гражданского строительства и может быть использована как при возведении новых, так и при усилении фундаментов ранее возведенных зданий и сооружений, а также при сооружении опор, воспринимающих знакопеременные нагрузки, или при устройстве шпунтового ограждения котлована из труб.
В последние годы в строительстве фундаментов широко применяются стальные винтовые сваи с литыми наконечниками. Конструкции таких свай хорошо описаны в RU 81971, 110763 и 131387.
В этих патентах описаны технические решения, в соответствии с которыми литой наконечник приваривается к стальной трубе сплошным кольцевым швом. Теоретически прочность кольцевого сварного шва должна быть равна прочности основного металла, однако на практике требуемое качество сварного шва в состояние обеспечить далеко не все производители винтовых свай, что приводит к тому, что при завинчивании свай возможно разрушение сваи по линии сварного шва и отделение наконечника от сваи. В таком случае свая не будет иметь требуемой несущей способности, что может в процессе эксплуатации привести к падению или разрушению стоящей на такой свае строительной конструкции.
Подобной ситуации возможно избежать, установив в области сварного шва усиливающие накладки. Однако в этих патентах, также как и в технической документации остальных производителей винтовых свай, используются литые наконечники, внешняя форма которых не позволяет установить такие накладки, т.к. первый виток лопасти расположен близко к краю наконечника. Очевидно такое техническое решение вызвано желанием снизить массу, а следовательно, и стоимость литого наконечника.
Так, известна свая винтовая, содержащая полый ствол трубчатой формы, к которому кольцевым швом приварен литой наконечник, продольная ось которого совпадает с продольной осью полого ствола и на поверхности которого расположена винтовая лопасть, при этом со стороны сварного шва литой наконечник выполнен с участком цилиндрической формы, которая на противоположном конце оканчивается участком конической формы (RU 81971, E02D 5/56, опубл. 10.04.2009). Это решение принято в качестве прототипа.
Недостаток этого решения повторяет недостатки всех свай с кольцевым сварным швом в части ненадежности и возможности отрыва наконечника от ствола. Несмотря на то, что на иллюстрации к этому патенту наконечник выполнен с удлиненной цилиндрической частью, то есть имеет свободный участок между краем винтовой лопасти и самим кольцевым сварным швом, но этот участок не используется в силу того, что это удлинение выполнено не для посадки каких-либо усилительных элементов, а для высвобождения зоны проварки соединяемых швов частей для возможности использования автоматизированных или роботизированных сварных аппаратов, которым необходимо свободное место для размещения сварочной руки аппарата в зоне сварки.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении эксплуатационной надежности и несущей способности сваи за счет исключения отрыва литого наконечника от трубчатого тела сваи.
Указанный технический результат достигается тем, что в свае винтовой, содержащей полый ствол трубчатой формы, к которому кольцевым швом приварен литой наконечник, продольная ось которого совпадает с продольной осью полого ствола и на поверхности которого расположена винтовая лопасть, при этом со стороны сварного шва литой наконечник выполнен с участком цилиндрической формы, которая на противоположном конце оканчивается участком конической формы, на участке цилиндрической формы литого наконечника верхняя часть винтовой лопасти расположена на расстоянии от верхнего обреза наконечника в месте прохождения кольцевого сварного шва, при этом винтовая свая снабжена усиливающими накладками, расположенными поперек кольцевого сварного шва вдоль продольной оси полого ствола и приваренными к этому стволу и к цилиндрической формы литому наконечнику в зоне, расположенной между кольцевым сварным швом и верхней частью винтовой лопасти.
При этом усиливающие накладки могут быть выполнены из сегментов стальной трубы или из отрезков стальных швеллеров, или из отрезков стальных уголков.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретными примерами исполнения, которые наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - общий вид сваи с литым наконечником по первому примеру исполнения;
фиг. 2 - сечение А-А по фиг. 1;
фиг. 3 - общий вид сваи с литым наконечником по второму примеру исполнения;
фиг. 4 - сечение Б-Б по фиг. 3;
фиг. 5 - общий вид сваи с литым наконечником по третьему примеру исполнения;
фиг. 6 - сечение В-В по фиг. 5.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция винтовой сваи с литым приваренным наконечником, сварное соединение которых усилено для повышения повышении эксплуатационной надежности и несущей способности сваи за счет исключения отрыва литого наконечника от трубчатого тела сваи.
Предлагается техническое решение по исключению случаев отрыва литых наконечников винтовых свай, состоящее в том, что при изготовлении свай с литыми наконечниками, используются наконечники с удлиненной верхней частью, в которых верхняя лопасть начинается на расстоянии от верхнего обреза наконечника, позволяющем установить в области кольцевого сварного шва, соединяющего наконечник со сваей, дополнительные усиливающие накладки.
Таким образом, в рамках настоящей заявки речь идет о свае винтовой, представляет собой полый ствол 1 трубчатой формы (например, стальная труба), к которому кольцевым сварным швом 2 приварен литой наконечник 3, продольная ось которого совпадает с продольной осью полого ствола и на поверхности которого расположена винтовая лопасть 4.
Со стороны кольцевого сварного шва литой наконечник выполнен с участком 5 цилиндрической формы, которая на противоположном конце оканчивается участком 6 конической формы. В этом наконечнике на участке цилиндрической формы верхняя часть винтовой лопасти расположена на расстоянии от верхнего обреза наконечника в месте прохождения кольцевого сварного шва. То есть, цилиндрический участок выполнен удлиненным. Винтовая свая снабжена усиливающими накладками 7, расположенными поперек кольцевого сварного шва вдоль продольной оси полого ствола и приваренными к этому стволу и к цилиндрической формы литому наконечнику в зоне, расположенной между кольцевым сварным швом и верхней частью винтовой лопасти.
Для всех примеров исполнения конструкция ствола и наконечника и их соединение с применением кольцевого сварного шва одинаковы.
По первому примеру, представленному на фиг. 1 и 2, усиливающие накладки 5 выполнены из сегментов стальной трубы, по второму примерку исполнения (фиг. 3 и 4) усиливающие накладки 5 выполнены из отрезков стальных швеллеров, а на фиг. 5 и 6 показан третий пример исполнения, в котором дополнительное укрепление сварного соединения осуществлено за счет использования накладок из отрезков стальных уголков.
Настоящая полезная модель промышленно применима и может быть изготовлена в промышленных условиях. Такая винтовая свая обладает повышенной прочностью, что обеспечивает ее не разрушение и исключается отсоединение литого наконечника от трубчатого ствола.
Результаты всесторонних исследований усталостных характеристик кольцевых сварных швов стальных труб [Newman, R. P.: The influence of weld faults on fatigue strength with re- ference to butt joints in pipelines, Trans. Inst. Marine Engineers, Vol. 68, No. 6, 1956, pp. 153/172], служат главной отправной точкой при создании норм проектирования по выполнению односторонних стыковых сварных швов без подкладки. При исследовании образцов на резонансном испытательном стенде, где применяется переменный (коэффициент асимметрии цикла R=-1) вращающий изгибающий момент, установлено, что высококачественные сварные швы с полным проплавлением могут демонстрировать приемлемые усталостные характеристики.
2
Но для качественной проварки кольцевого сварочного шва необходимо обеспечить доступ к месту стыка как с наружи, так и изнутри трубы, что практически невозможно для длинномерных винтовых свай. Для этого вида изделий возможно наложение только наружного кольцевого шва. В ходе подобных исследований было установлено, что даже мелкие дефекты проплавления корня, находящиеся в труднодоступной области, могут иметь существенное значение. Важной особенностью кольцевых сварных соединений является необходимость их выравнивания (подгонки). Любой перекос в данном случае приведет к возникновению локального вторичного изгиба в случае нагрузки на соединение в поперечном направлении относительно сварного шва. В отдельных случаях перекос становился причиной сравнительно низких усталостных характеристик, но изображения поперечного сечения позволяли сделать вывод, что он являлся не основной проблемой. Другим существенным моментом сварки кольцевых швов является характер остаточного напряжения. Не существует жестких и установленных правил, определяющих природу остаточного напряжения в сварных кольцевых швах, но практический опыт, основанный на результатах измерений, совместно с анализом, проводимым методом конечных элементов [Leggatt, R. Н.: Residual stresses at girth welds in pipes, WIC/ISC Int. Conf. Welding in Energy-Related Projects, Toronto, 1983], показывает, что оно будет растягивающим в прикорневой зоне кольцевых сварных швов и достаточно большим (>200 Н/мм). В этом случае, даже если бы внешнее напряжение циклически изменялось от растяжения до сжатия, фактический диапазон напряжений был бы растягивающим. Полученные данные свидетельствуют о том, что прочность стали и диаметр трубы не оказывали существенного влияния. Метод сварки также не играл практически никакой роли. В качестве существенной переменной в данном случае выступает толщина стенки. Результаты усталостных испытаний, которые были получены после исследования сварных соединений с дефектами кромки лицевой поверхности шва, в целом показывают снижение усталостной прочности по мере увеличения толщины листа. Ширина наплавленного валика сварного шва также играет существенную роль при выполнении стыкового сварного соединения [Maddox, S. J.: The effect of plate thickness on the fatigue strength of fillet welded joints Abington Publishing, Cambridge, 1987]. Размеры не имеют особого значения, если ширина наплавленного валика сварного шва меньше толщины стенки листа, что имеет место практически всегда при работе с конструкциями с большой толщиной стенки. Во всех описанных выше случаях важными условиями являются достижение полного проплавления при выполнении сварного шва и допуски (при расчете на стадии проектирования напряжения, действующего на соединение) на вторичный изгиб, который может возникнуть при малейшем перекосе соединения.
Таким образом, достаточно затруднительно выполнить гарантированно качественный кольцевой сварной шов по наружной поверхности стыка, что и приводит к проявлению дефектов при переменных изгибных напряжениях, приводящих к разрушению сварного шва и отрыву литого наконечника. Применение накладок с направлением линий сварного шва 8 поперечно линии кольцевого сварного шва приводит к тому, что часть изгибных нагрузок, приходящихся на наконечник и передаваемых через кольцевой сварной шов, передается на накладки, которые выступают в функции ребер жесткости и компенсаторов напряжений. Таким образом, уровень напряжений в кольцевом сварном шве серьезно уменьшается, что приводит к исключению отрыва наконечника даже в случаях частичного (локального) разрушения кольцевого сварного шва. Таким образом, повышается эксплуатационная надежность и, соответственно, несущая способность винтовой сваи за счет исключения отрыва литого наконечника от трубчатого тела сваи.