Сварные конструкции. Расчет и проектирование

А.С. Куркин, В.Ф. Лукьянов

Сварные конструкции
Расчет и проектирование

Учебник для вузов

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

УДК 624.014:621.791 
ББК 30.4
          К93

Издание доступно в электронном виде по адресу 
https://bmstu.press/catalog/item/7112/

Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н. Э. Баумана в качестве учебника

Куркин, А. С.
Сварные конструкции. Расчет и проектирование: учебник для вузов /  
А. С. Куркин, В. Ф. Лукьянов. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Бау- 
мана, 2021. — 264 с. : ил.

ISBN 978-5-7038-5526-3

Рассмотрены основы проектирования различных элементов сварных конструкций с учетом условий прочности и устойчивости; материалы, применяемые в сварных конструкциях; напряжения, деформации и перемещения, возникающие при 
сварке; причины хрупкого разрушения; методы повышения несущей способности. 
Представлен расчет прочности сварных соединений при статических и циклических 
нагрузках. Приведены контрольные вопросы для самопроверки и примеры решения задач. 
Для направления подготовки специалистов 15.05.01 «Проектирование технологических машин и комплексов» (специализации: «Проектирование технологичес- 
ких комплексов в сварочном производстве», «Диагностика и продление ресурса 
сварных конструкций», «Контроль и управление качеством в сварочном производстве»).
УДК 624.014:621.791 
ББК 30.4

ISBN 978-5-7038-5526-3

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2021
© Оформление. Издательство 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2021

К93

Учебное издание

Куркин Алексей Сергеевич, Лукьянов Виталий Федорович

Сварные конструкции. Расчет и проектирование

Оригинал-макет подготовлен в Издательстве МГТУ им. Н.Э. Баумана.

В оформлении использованы шрифты Студии Артемия Лебедева.

Подписано в печать 05.05.2021. Формат 70×100/16.

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. 105005, Москва, улица 2-я Бауманская, д. 5, к. 1.
press@baumanpress.ru     https://bmstu.press

Отпечатано в типографии МГТУ им. Н.Э. Баумана.  
105005, Москва, улица 2-я Бауманская, д. 5, к. 1. baumanprint@gmail.com

Усл. печ. л. 21,45. Тираж 150 экз. Изд. № 713-2019. Заказ

Предисловие

Данный учебник написан на основе учебника Г.А. Николаева, В.А. Винокурова «Сварные конструкции. Расчет и проектирование» (1990) в соответствии с программой специальных дисциплин по направлению подготовки 
специалистов 15.05.01 «Проектирование технологических машин и комплексов — специалитет» (специализации 15.05.01_07 «Проектирование технологических комплексов в сварочном производстве», 15.05.01_08 «Диагностика 
и продление ресурса сварных конструкций», 15.05.01_11 «Контроль и управление качеством в сварочном производстве»).
При его написании использованы материалы лекционных курсов авторов, 
читаемых на кафедрах сварки МГТУ им. Н.Э. Баумана и Донского государственного технического университета (Ростов-на-Дону).
Изложение материала построено в рамках предшествующего курса  
«Сопротивление материалов». Терминология соответствует принятой в машиностроительной практике. Представлены также подходы, используемые  
в строительной отрасли и в зарубежных стандартах.
В настоящее время к категории сварных относится подавляющее большинство металлических конструкций. В учебнике подробно рассмотрен 
процесс проектирования конструкций с учетом дополнительных возможностей и трудностей, которые вносит применение сварки. Специалист должен 
не только выполнить дополнительные требования по обеспечению прочности 
и жесткости конструкции, но и создать условия для реализации эффективной 
технологии сварочных процессов.
Выбор для подробного рассмотрения, главным образом, строительных 
конструкций (стоек, балок, ферм, трубопроводов) связан с относительной 
простотой расчетных схем этих объектов и наличием единого нормативного 
документа, регламентирующего их расчет и проектирование. Задачей учебного курса является обеспечение понимания основных принципов расчетов, 
которые могут быть применены при проектировании более сложных и разно- 
образных машиностроительных конструкций. 
Материал между авторами распределен следующим образом: введение  
и главы 1–3 написаны профессором В.Ф. Лукьяновым, главы 5, 7–12 — профессором А.С. Куркиным, главы 4 и 6 написаны совместно.

Введение

Конечной целью инженерной деятельности специалиста сварочного производства является обеспечение требуемого качества сварных конструкций 
и снижения затрат на их производство при безопасных условиях труда.  
Эффективность принимаемых технических решений существенно зависит от 
того, на каком этапе жизненного цикла конструкции они принимаются. 
Жизненный цикл конструкции включает в себя несколько этапов: проектирование; разработка технологии изготовления; изготовление; эксплуатация (рис. В.1). 

Наибольшая эффективность технических решений может быть достигнута на этапе проектирования конструкции, когда можно предусмотреть и 
исключить негативное влияние технологии сварки на свойства сварного соединения. На этом этапе материальные затраты на внесение изменений  
в конструкцию минимальны, а принятые решения во многих случаях определяют эффективность производства и эксплуатации конструкции. По мере 
продвижения по жизненному циклу возрастает цена устранения ошибки  
в решении, принятом на этапе проектирования, и, соответственно, затраты. 

Рис. В.1. Эффективность технических решений  
на различных этапах жизненного цикла конструкции:

1 — проектирование; 2 — разработка технологии;  
3 — изготовление; 4 — эксплуатация

Введение

Поэтому основными целями, которые должен ставить перед собой специалист 
сварочного производства при проектировании сварных конструкций, являются обеспечение требуемого качества и максимально возможное без потери 
качества снижение затрат на производство.
При проектировании сварных конструкций должны быть решены следующие задачи:

 • обеспечение прочности и долговечности сварных соединений с учетом 
условий эксплуатации конструкции;

 • обеспечение технологичности конструкции на всех этапах ее жизненного цикла;

 • удовлетворение специальных требований к сварным соединениям  
и конструкциям (например, требований к магнитным свойствам, температурному расширению металла шва и основного металла и др.).
Во многих случаях специалист-сварщик выступает в роли технолога и не 
принимает непосредственного участия в проектировании сварных конструкций, но может и должен оказывать влияние на принятие конструктором 
решений, чтобы предотвратить возможные ошибки, которые ему придется 
устранять на более поздних этапах — при разработке технологии и при изготовлении конструкции. Он также должен понимать, к каким последствиям 
в отношении прочности и надежности сварной конструкции могут привести 
его неправильные действия как технолога. 
Именно в этом состоит основная цель изучения студентами дисциплины 
«Сварные конструкции. Расчет и проектирование». Решить эти проблемы 
может только специалист, хорошо подготовленный теоретически и умеющий 
применять полученные знания на практике, поскольку «увлекающийся практикой без науки — словно кормчий, ступающий на корабль без руля и компаса, он никогда не уверен, куда приплывет» (Леонардо да Винчи).
После изучения дисциплины будущий инженер будет иметь знания и 
умения, необходимые для участия в проектировании сварных конструкций 
в качестве эксперта, способного дать оценку технологических возможностей 
изготовления конструкции и обеспечения требуемых характеристик прочности и надежности сварных соединений.
Специалист будет обладать следующими компетенциями:
 • знать область применения, технические и экономические преимущества 
сварных конструкций; материалы, применяемые для сварных конструкций 
и возможные изменения их механических свойств под влиянием термодеформационного цикла сварки; методы расчета сварных соединений в зависимости от условий их работы в конструкции; методы оценки напряженнодеформированного состояния различных зон сварного соединения; механизм 
образования напряжений и деформаций при сварке и приемы устранения их 
негативного влияния на работоспособность конструкции; методы оценки  
и приемы обеспечения заданного уровня прочности и надежности сварных 
соединений; приемы обеспечения технологичности конструкции на стадии 
ее проектирования; компьютерные методы моделирования и анализа при 
проектировании сварных соединений;

Введение

•• уметь выполнять расчет прочности сварного соединения и составлять 
технологическую часть задания на проектирование сварной конструкции; 
оценивать принятые при проектировании конструкции решения с позиции 
обеспечения прочности, надежности и технологичности сварных соединений 
и вносить обоснованные предложения, направленные на их совершенствование; проводить исследования работоспособности сварных соединений.
Изучение дисциплины «Сварные конструкции. Расчет и проектирование» 
базируется на материале предшествующих курсов: «Сопротивление мате- 
риалов»; «Детали машин и основы конструирования»; «Теория сварочных 
процессов»; «Технологические основы сварки плавлением и давлением». 
Полученные при изучении данной дисциплины знания послужат основой 
для дальнейшего формирования специалиста сварочного производства  
и будут углублены при последующем изучении дисциплин «Производство 
сварных конструкций» и «Материалы и их поведение при сварке». 
Учебный курс опирается на подходы к проектированию сварных соединений, используемые в различных отечественных и международных нор- 
мативных документах: СНиП II-23–81*, «Еврокод 3», DNV, DIN 18800,  
AWS D1.1 и других.

Часть 1. Сварные соединения 

1. История развития сварки

Кузнечная сварка для получения неразъемных соединений деталей была 
известна людям еще в глубокой древности. Она применялась не только для 
укрупнения заготовок и ремонта, но и для соединения разнородных металлов. 
Сочетание в конструкции режущего оружия или инструмента твердой сердцевины и мягкого поверхностного слоя способствовало повышению прочности и обеспечивало эффект самозатачивания лезвия. Таким образом, было 
реализовано главное преимущество сварки — возможность получения конструкции, в которой свойства отдельных участков соответствовали эксплуатационному назначению. 
С момента становления сварки как технологического процесса она была 
направлена на решение основных задач, актуальных и в настоящее время: 

 • получение крупных конструкций из мелких компонентов; 
 • соединение материалов с различными свойствами; 
 • ремонт и восстановление отдельных участков конструкций.
В конце XIX–начале XX века на основе достижений в области физики  
и электротехники был создан ряд новых способов сварки, являющихся основой современной сварочной техники. 
Явление электрического разряда было открыто русским ученым академиком В.В. Петровым. Возможность практической реализации технологического процесса дуговой сварки появилась благодаря работам двух других русских 
изобретателей. 
Н.Н. Бенардос предложил и осуществил в 1880–1890 годах дуговую сварку неплавящимся электродом дугой прямого и косвенного действия. В 1887 г. 
он разработал основные виды контактной сварки — точечную и роликовую.
Н.Г. Славянов в конце 1880-х годов осуществил и широко внедрил дуговую отливку металлических изделий и сварку плавящимся металлическим 
электродом, разработал основы металлургии сварочного процесса и, в частности, предложил вести сварку под шлаковой защитой. Он создал первый  
в мире автомат для дуговой сварки металлов плавящимся электродом — плавильник Славянова.
С 1890 по 1892 г. в мастерских Пермских пушечных заводов с применением сварки было отремонтировано 1631 изделие общей массой 16 953 пуда. 
Масса наиболее тяжелой детали достигала 425 пудов. 
К началу XX века промышленно развитые страны Европы и США стали 
опережать Россию по объему применения сварки. В Германии были запатен

Часть 1. Сварные соединения

тованы кислородно-ацетиленовая сварочная горелка и способ сварки покрытым электродом. В Швеции появилась плавучая сварочная мастерская 
для ремонта морских судов, в США был проложен сварной трубопровод,  
а на одном из автомобильных заводов применили точечную контактную 
сварку. 
Широкому применению сварных конструкций в Советском Союзе способствовали работы Д.А. Дульчевского, Е.О. Патона, В.П. Вологдина,  
Г.А. Николаева, Н.О. Окерблома. В 1930-х годах сварка начала успешно вытеснять другие способы соединения деталей, особенно соединения на заклепках, в крупных строительных конструкциях, таких как авто- и железнодорожные мосты. 
Дальнейшее развитие сварочной отрасли требовало разработки специальных правил проектирования и изготовления сварных конструкций и неразрушающих методов контроля качества сварных соединений. В США и  
Великобритании появляются стандарты по правилам сварки и по сварочным 
материалам.
Во второй половине XX века сварка заняла одно из лидирующих мест 
среди технологических процессов благодаря уникальной возможности соединять практически любые металлы и неметаллические материалы. Сваркой  
в мире занято не менее 5 млн человек, из них 70...80 % на электродуговых 
процессах.
Более половины валового национального продукта промышленно развитых стран создается с помощью сварки и родственных технологий, к которым относят наплавку, пайку, резку, нанесение покрытий, склеивание 
разных материалов. Различные способы соединения деталей и доли их применения в промышленности и строительстве представлены на рис. 1.1.
До 2/3 мирового потребления стального проката идет на производство 
сварных конструкций и сооружений. Толщина свариваемых деталей колеб- 
лется от микрометров до нескольких метров, масса — от долей грамма до 
сотен и тысяч тонн. Зачастую сварка является единственно возможным или 

Рис. 1.1. Распределение различных способов 
соединения деталей по отраслям промышленности

1. История развития сварки

наиболее эффективным способом создания неразъемных соединений конструкционных материалов и получения заготовок, максимально приближенных к оптимальной форме готовой детали или конструкции. 
В мире проложено около 1 млн км сварных газопроводов. Так, протяженность сухопутной части газопровода «Голубой поток» (Россия — Турция) 
составила 1140 км, диаметр 1220 мм. По дну Черного моря проходят две 
нитки газопровода из труб диаметром 596 мм, протяженность каждой нитки 
морской части 396 км. Самым протяженным в мире является морской газопровод «Северный поток» (введен в эксплуатацию в 2011 г.) — длина трубы 
составляет 1224 км. Протяженность нефтепровода Восточная Сибирь — Тихий океан около 4200 км. 
Примером гигантских сварных конструкций, работающих в сложных 
условиях нагружения, являются раздвижные крыши и навесы над стадионами. Над трибунами Большой спортивной арены в Лужниках (Москва) на  
72 колоннах укреплен козырек массой 15 тыс. т. 
Сварные конструкции работают при сверхвысоких и сверхнизких температурах, при высоких давлениях и в условиях космического вакуума.
В последние десятилетия наметились существенные изменения объемов 
применения различных способов сварки в производстве сварных конструкций. 
Резко возросли объемы использования сварки в защитных газах (в углекислом газе, аргоне, смеси активных газов) в основном за счет сокращения 
объемов ручной дуговой сварки. В связи с интенсивным развитием электронной промышленности и компьютерных технологий во всем мире растет применение промышленных роботов в сварочном производстве. В 2019 г. мировой парк промышленных роботов (по данным лаборатории роботехники 
Сбербанка РФ) составлял около 2 млн ед. Промышленные роботы в настоящее время стали неотъемлемой частью сварочного производства в автомобильной промышленности. 
Широкое использование механизированных и автоматизированных методов сварки требует разработки специальных методов проектирования 
сварных конструкций и соединений, учитывающих специфику данных методов. Например, электрошлаковая сварка выполняется при вертикальном 
расположении свариваемых соединений; применение автоматической сварки под флюсом определяет необходимость расположения швов в нижнем 
положении; при использовании неадаптивных промышленных роботов для 
дуговой сварки конструктор должен просчитывать размерные цепи, чтобы 
гарантировать движение робота по стыку и т. д.
Несмотря на то что к началу XXI века сварочное производство достигло 
значительных успехов в обеспечении как уровней механизации и автоматизации работ, так и качества выпускаемой продукции, сварное соединение 
по-прежнему остается слабым звеном конструкции.
На долю сварных соединений, как правило, приходится несколько сотых 
долей массы всей металлической конструкции, но именно сварные соединения нередко (по некоторым данным, до 10–35 % случаев) являются источником разрушения конструкций. Одна из основных причин разрушения сварных 

Часть 1. Сварные соединения

конструкций — образование дефектов при выполнении сварных соединений, 
создающих концентрацию напряжений. 
Следует отметить, что присутствие в конструкции дефектов сварки не 
всегда является единственной причиной ее разрушения. Благодаря тому, что 
современные материалы обладают достаточно высокой пластичностью, концентрация напряжений вблизи дефектов существенно снижается, что уменьшает их опасность. Известны случаи достаточно длительной службы сварной 
конструкции, содержащей наиболее опасные дефекты — трещины. Разрушение конструкций, как правило, является следствием сочетания нескольких 
неблагоприятных факторов, к числу которых можно отнести ошибки проектировщика, недостаточную изученность условий эксплуатации, изменение 
механических характеристик металла с течением времени, а также технологическую наследственность сварных соединений, выражающуюся в ухудшении механических свойств металла в результате протекания термодеформационных процессов при сварке. 
На отрицательную роль технологической наследственности сварных соединений обратили внимание еще на стадии формирования сварки как самостоятельного технологического процесса. Проведенные в 1920–1930 годы 
научные исследования показали, что контакт кислорода и азота с расплавленным металлом может привести к охрупчиванию металла шва и появлению 
пористости, а наличие водорода в сварочных электродах способствует обра- 
зованию трещин при сварке.
Прочность сварной конструкции не всегда соответствует прочности материала, из которого она изготовлена. Чем выше прочность конструкционного материала, тем выше вероятность такого несовпадения. Повышение 
прочности конструкционного материала, как правило, сопровождается снижением его пластичности. Теоретическое и экспериментальное изучение 
этого эффекта привело к разработке теории конструкционной прочности 
сварных соединений1. 
На этапе проектирования необходимо и возможно создать предпосылки 
сведения к минимуму неблагоприятной роли технологической наследственности. Опытный специалист по проектированию сварных конструкций, используя методы конструктивно-технологического проектирования2 и решая 
одновременно с проектированием сварных соединений вопросы оптимизации 
технологического процесса, может активно влиять на принятие технологических решений.
Именно идеология конструкционной прочности сварных соединений и методы конструктивно-технологического проектирования должны стать основой при 
изучении дисциплины «Сварные конструкции. Расчет и проектирование».

1Теория конструкционной прочности сварных соединений разработана школой 
МВТУ им. Н.Э. Баумана под руководством профессора С.А. Куркина. 

2Методология конструктивно-технологического проектирования была заложена 
работами профессора Н.О. Окерблома в 1970-х годах.