Технология изготовления металлических конструкций

Екатеринбург

Издательство Уральского университета

2017

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

В. Г. Крохалев, А. А. Чебыкин

ТЕХНОЛОГИЯ  ИЗГОТОВЛЕНИЯ

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

КОНСТРУКЦИЙ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом УрФУ для студентов,
обучающихся по программам бакалавриата и магистратуры

по направлению подготовки 08.03.01, 08.04.01 «Строительство»

УДК 624.14(075.8)
ББК 38.54я73
        К83

В учебном пособии изложены все этапы изготовления металлических

конструкций в технологической последовательности: подготовка металлопроката, 
изготовление деталей, сборка и сварка конструкций, защита от коррозии 
и транспортировка. Отражены современные достижения в области обработки 
металлопроката (робототехника, лазерная и гидроабразивная резка
стали и пр.), описано поточное изготовление металлоконструкций, дана методика 
технико-экономической оценки процессов.

Для студентов бакалавриата, изучающих дисциплину «Технология изготовления 
металлических конструкций»; будет полезно при выполнении расчетно-
графических работ и проектов, а также выпускных квалификационных работ.

Крохалев, В. Г.

Технология изготовления металлических конструкций :

учеб. пособие / В. Г. Крохалев, А. А. Чебыкин ; [науч. ред.
В. Х. Куршпель] ; М-во образования и науки Рос. Федерации, 
Урал. федер. ун-т. – Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та,
2017. – 180 с.

ISBN 978-5-7996-2193-3

К83

ISBN 978-5-7996-2193-3

Р е ц е н з е н т ы:

Р. Г. Губайдулин, доктор технических наук,

профессор кафедры строительных конструкций и сооружений

(Южно-Уральский государственный университет);

Х. М. Ягофаров, доктор технических наук,

профессор кафедры строительных конструкций

и строительного производства

(Уральский государственный университет путей сообщения)

Н а у ч н ы й  р е д а к т о р

В. Х. Куршпель, кандидат технических наук, доцент

УДК 624.14(075.8)
ББК 38.54я73

© Уральский федеральный университет, 2017

Иллюстрации на обложке с сайтов:

http://metallzavodd.ru/proizvodstvo--metallokonstruktcij/;

http://gibka-rezka-svarka.ru/; http://stellastroy.ru/

Посвящается

светлой памяти нашего учителя
заслуженного строителя России,

доктора технических наук, профессора

Бориса Александровича Сперанского

Предисловие

Для внедрения в практику строительства современных технологичных 
металлоконструкций необходимы обширные знания
в области проектирования, изготовления, монтажа и эксплуатации
металлических конструкций.

Настоящее учебное пособие посвящено технологии изготовления 
металлических конструкций. Оно состоит из семи глав, двух
приложений. В них изложены основные этапы современных технологических 
процессов изготовления металлических конструкций,
приведены основные характеристики станочного оборудования
отечественного и зарубежного производства. В пособии описаны
современные эффективные методы обработки металлопроката –
лазерная и гидроабразивная резка, а также использование робототехники 
при сборке и сварке. Приведена методика оценки трудоемкости 
изготовления отдельных конструкций, построения поточных
линий обработки металлопроката.

При подготовке пособия использованы работы кафедры металлических 
и деревянных конструкций Челябинского политехнического 
института имени Ленинского комсомола, института
«ЦНИИПроектстальконструкция», Челябинского и Нижне-Исетского 
заводов металлических конструкций института «ВНИКТИ-
стальконструкция».

Авторы благодарны доктору технических наук, профессору

Р. Г. Губайдуллину (ЮУрГУ) и доктору технических наук, профес-
сору Х. М. Ягофарову (УрГУПС) за ценные советы и пожелания
при написании данного учебного пособия, а также кандидату техни-
ческих наук З. В. Беляевой и бакалавру А. И. Кивокурцеву за оказан-
ную помощь при подготовке и оформлении материалов пособия.

Авторы выражают глубокую признательность и благодарность

бывшему главному инженеру Нижне-Исетского завода металличес-
ких конструкций Виктору Ивановичу Москалеву за помощь в подго-
товке первого издания учебного пособия «Технология изготовления
металлических конструкций» и в организации выпуска специалис-
тов специализации «Промышленное и гражданское строительство.
Металлические конструкции» в УПИ им. С. М. Кирова.

Глава 1

ОСНОВЫ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО  ПРОЦЕССА

ИЗГОТОВЛЕНИЯ

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ  КОНСТРУКЦИЙ

1.1. Номенклатура

строительных металлических конструкций

Номенклатура изготавливаемых строительных металлических

конструкций весьма разнообразна, поэтому производство их в ос-
новном универсальное (серийное), в отдельных случаях – индиви-
дуальное.

При изготовлении элементов металлических конструкций ис-

пользуют главным образом два вида соединений – сварное и бол-
товое.

В номенклатуру строительных металлических конструкций

входят:

а) сплошностенчатые конструкции: колонны из прокатных про-

филей и сварные из листовых элементов, листовые конструкции
(резервуары, бункера, силосы, трубопроводы, вытяжные трубы, ко-
жухи доменных печей и других металлических агрегатов, мембран-
ные покрытия, подкрановые балки, элементы балочных клеток);

б) плоские и пространственные стержневые конструкции (стро-

пильные и подстропильные фермы, сквозные колонны, различного
типа опоры, ветровые и связевые фермы, отдельные связевые эле-
менты, секции, структурные покрытия и стены, мачты и башни,
пространственная обвязка вытяжных труб, элементы градирен, све-
тоаэрационных фонарей, каркасы шахтных копров, эстакады, фер-
мы транспортерных галерей);

в) несущие и ограждающие конструкции покрытий (прогоны,

стальные и алюминиевые профилированные листы, каркасы кро-
вельных панелей, каркасы подвесных потолков, щиты покрытий
и т. д.).

1.2. Материалы и изделия, применяемые

при изготовлении металлических конструкций

Стальные конструкции. При изготовлении стальных и алю-

миниевых конструкций применяют сталь, алюминиевые сплавы
и изделия из них (металлопрокат, гнутые и холоднотянутые тонко-
стенные профили, канаты), а также сварочные материалы (электро-
ды, флюсы, сварочная проволока, защитные газы и газы, поддер-
живающие горение, – кислород, водород, ацетилен), соединитель-
ные элементы (болты, гайки, шайбы).

Набор типов профилей, отличающихся размерами, геометри-

ческими характеристиками, линейной плотностью, называют сор-
таментом профилей.

При разработке и изготовлении несущих конструкций зданий

и сооружений следует руководствоваться документом «Сокращен-
ный сортамент металлопроката для применения в строительных
стальных конструкциях», введенным в действие с января 1987 г.
Постановлением Госстроя СССР от 21 ноября 1986 г. № 28.

Листовая прокатная сталь для строительных конструкций по-

ставляется по четырем группам: листовая, универсальная, широко-
полосая, рифленая и просечно-вытяжная.

Сокращенным сортаментом предусмотрено применение стали

толщиной 2,5, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 30, 32, 36,
40, 45, 50, 60, 80, 100, 120, 140, 160, шириной 1000, 1200, 1400, 1500,
1600, 1800 и 2000 мм, длиной 6000 и 8000 мм. Для фланцевых соединений 
в сокращенном сортаменте предусмотрена поставка горячекатаной 
стали толщиной 25, 30, 40, 50 мм марки 14Г2АФ-15
по ТУ 14-105-465-82 и О9Г2С-15. Эта сталь имеет гарантированный 
показатель – относительное сужение поперек волокон.

Сталь листовую разделяют по прочности прокатки (повышенной 
прочности – А, нормальной прочности – В), по плоскостности
(особо высокой плоскостности – ПО, высокой плоскостности – ПВ,
увеличенной плоскостности – ПУ, нормальной плоскостности – ПН),
по характеру кромки (с необрезанной кромкой – НО, с обрезанной
кромкой – О), по размерам – форма 1…4.

Наиболее часто применяется универсальная сталь толщиной

8, 10, 12, 14, 16, 20, 25 и 30 мм, шириной 300, 400, 500, 600 и 800 мм,
длиной 6000, 8000 и 12 000 мм.

Сталь прокатная универсальная широкополосная в сокращенном 
сортаменте не предусмотрена.

Сталь горячекатаная, швеллеры (ГОСТ 8240-97*), различается 
номерами, которые соответствуют высоте стенки в сантиметрах. 
Швеллеры могут быть как с уклоном внутренних граней полок,
так и с параллельными гранями (номера от 5 до 40).

Сталь горячекатаная, балки двутавровые (ГОСТ 8239-89*), так-

же различается номерами, соответствующими высоте балки в сан-
тиметрах. Балки поставляются длиной 4000…13 000 мм.

Сокращенным сортаментом предусмотрены балки № 10, 12,

14, 18, 20.

Двутавры стальные горячекатаные с параллельными гранями

полок типа Б, К и ДБ по ГОСТ 20020-83 предусмотрены сокращен-
ным сортаментом.

Тавры получают путем роспуска двутавров продольным ре-

зом на две части.

Алюминиевые конструкции. В чистом виде алюминий мало-

пригоден в строительных конструкциях, так как имеет низкую ме-
ханическую прочность. В строительных конструкциях обычно при-
меняют алюминиевые сплавы. Повышенную прочность сплавов
получают путем добавления к алюминию легирующих добавок:

а) технического алюминия (чистого, без добавок) – А1, А2,

А0, АД1;

б) алюминиево-марганцовистых сплавов – АМц;
в) алюминиево-магниевых сплавов – АМг;
г) алюминия – магния – кремния (авиаль) – АД;
д) алюминия – меди – магния (дюралюминий) – Д1, Д16 и др.;
е) алюминия – магния – кремния – меди (ковочные, жаропроч-

ные сплавы) – АК2, АК4 и т. д.;

ж) алюминия – цинка – магния – меди (высокопрочные спла-

вы) – В92, В95 и др.;

з) сплавов с преобладанием магния – МА1, МА2 и т. д.

Сплавы четырех групп «г» – «ж» упрочняют термической об-

работкой, сплавы групп «а» – «в» термически неупрочняемые.

Характеристики алюминиевых сплавов как строительно-

го материала. Физические свойства для всех сплавов принято счи-
тать одинаковыми (объемный вес, коэффициент температурного
расширения и др.).

Объемный вес сплавов изменяется от 2,64 до 2,9 т/м3.
Модуль продольной упругости Е = 7100...7300 кг/мм2, модуль

сдвига G = 2700 кг/мм2.

Коэффициент Пуассона составляет  = 0,3...0,36 для различных

сплавов, рекомендуемое значение  = 0,3 [1, табл. 2, прил. 1].

Коэффициент температурного расширения (в интервале

20…100 °C) равен (22…24)  106.

Для строительных конструкций применяются сплавы следую-

щих марок и состояний:

– АД1М, АМцМ, АМг2М, АМг2П – термически не упрочняе-

мые;

– АД31Т, АД31Т1, 1925Т, 1915Т – термически упрочняемые,

хорошо свариваемые (кроме 1925Т).

Все приведенные  выше сплавы хорошо сопротивляются воз-

действию коррозии.

Алюминиевые сплавы разделяются на деформируемые, обраба-

тываемые давлением и литейные.

По состоянию поставки алюминиевые сплавы делятся:
– на отожженные мягкие (М);
– полунагартованные (П);
– нагартованные (Н);
– закаленные и естественно состаренные (Т);
– закаленные и искусственно состаренные (Т1);
– не полностью закаленные и искусственно состаренные (Т5).
Термическая обработка сплавов состоит из двух стадий – за-

калки и старения. Закалка выполняется при температуре 45...520 °С
с последующим быстрым охлаждением в воде при температуре
не ниже 20 °С.

Процесс старения происходит:
а) при естественном старении – при комнатной температуре,

продолжительность от 4 до 30 суток;

б) при искусственном старении – при температуре 150 °С в те-

чение нескольких часов.

Сплавы марок АД31, 1915 и 1925 проходят закалку в прессе

без охлаждения в воде.

Повышение прочности термически не упрочняемых сплавов

достигается за счет химозной обработки – нагартовкой и полуна-
гартовкой;

В связи с пониженным значением относительного удлинения

нагартованные листы не рекомендуется подвергать гибке и свар-
ке во избежание появления разрывов и трещин. Для изготовления
защитно-декоративной отделки следует использовать сплав алюми-
ния АД31, обладающий достаточно высокой прочностью и плас-
тичностью.

Алюминиевые профили (полуфабрикаты) условно можно раз-

делить на две группы – листовые и профильные.

Листовые полуфабрикаты включают гладкие и профилиро-

ванные листы и используются в качестве ограждающих конструк-
ций. Толщина листов (по ГОСТ 12592-67) 0,3…4 мм, ширина
1000…1600 мм, длина (АМц – М, АМг2М) – 2000…4000 мм,
(АМцП, АМг2П) – 2000…7000 мм. Листы изготавливаются тол-
щиной до 10 мм с модульной шириной 500 мм.

Алюминиевые ленты в рулонах (по ОСТ 1-92006-71) поставля-

ются толщиной 0,3…3,0 мм, шириной 321…2000 мм. Ленты изго-
тавливаются толщиной до 10,5 мм.

Профилированные алюминиевые листы применяют для устрой-

ства кровель, перегородок, стен, подвесных потолков.

Профилированные листы изготавливают без отделки лицевых

поверхностей. Но при необходимости возможны их анодирование
или окраска.

Фасонные профили применяются для витражей, перегородок,

окон, дверей.

В строительных конструкциях применяют следующие профили:
а) швеллеры (П300);
б) равнобокие уголки (П50);
в) зетовые профили (П500);
г) неравнобокие уголки (П52);
д) разнополочные двутавры (П200);
е) шляповидные профили (П460);
ж) тавры (П130);
з) составные элементы комбинированных профилей для окон;
и) основные профили витражей, окон, перегородок;
к) штапики, нащельники и другие комплектующие профили.

1.3. Структура завода

металлических конструкций

Завод по изготовлению металлических строительных конст-

рукций (ЗМК) состоит из подразделений (цехов) основного произ-
водства и вспомогательно-подсобного производства.

Цеха основного производства завода выполняют непосред-

ственно технологические операции по подготовке металлопрока-
та (МП) и его обработке, изготовлению конструкций, защите их
от коррозии, хранению и погрузке в транспортные средства. В сфе-
ру основного производства входят цеха:

а) подготовки металлопроката (открытые и закрытые склады

МП, участки приемки и сортировки; на некоторых ЗМК в цех под-
готовки МП входят участки очистки, консервации и правки);

б) изготовления деталей конструкций;
в) сборки конструкций;
г) сварки;
д) маляропогрузки готовых конструкций.
Цех подготовки металлопроката производит разгрузку, сорти-

ровку, маркировку, складирование, хранение и выдачу его для даль-
нейшей отработки. На некоторых ЗМК в цех подготовки входят
участки очистки, правки и консервации МП. В цех подготовки