книги из ГПНТБ / Ахвердов И.Н. Моделирование напряженного состояния бетона и железобетона

что

п л а с т м а с с а

о б л а д а е т

механическими

характеристи ­

к а м и , близкими к требуемым,

а

именно

Ясж/Rp

=16,5—

14,5, м а т е р и а л

жесткий,

упругий

на всем

протяжении

кривой

е = / ( о ) ,

модули

упругости при

р а с т я ж е н и и

Е —

= 50 000 кгс/см2

и с ж а т и и

Есж

= 5 5 000

кгс/см2.

Процесс р а з р у ш е н и я

кубов

и призм

из полимера

по

своему

х а р а к т е р у аналогичен

р а з р у ш е н и ю

о б р а з ц о в

бе­

тона высоких

марок. Поверхность ж е излома

пластмас ­

с ы

имеет

сходство

с поверхностями р а з р у ш е н и я

а м о р ф ­

ных

полимеров . Р а з р у ш е н и е

начинается,

как

правило,

из - за поверхностного или

внутреннего дефекта

с

после­

д у ю щ и м

развитием

вторичных

трещин

в

объеме

мате­

р и а л а

(схема

р а з р у ш е н и я

по

С м е к а л у

[ 1 6 6 ] ) .

О п т и м а л ь н ы м и прочностными и упругими

свойства­

ми

м а т е р и а л

о б л а д а е т

в

интервале температур

/ = 1 9 —

24 °С. Н а и б о л ь ш а я

прочность

на

р а с т я ж е н и е

и

модуль

упругости

получены

при / = 1 9 ° С . С увеличением

темпе­

р а т у р ы

прочность

и

модуль

упругости

понижаются .

П р о в о д и т ь

опыты

вне температурного

интервала

(/ =

= 19—24 °С) не рекомендуется,

та к как при / = 24 °С ма­

т е р и а л

теряет

свою

хрупкость,

а

при / = 1 9 ° С

не

дости­

гается

необходимое

соотношение

м е ж д у Rcx

и

Rp.

В случае необходимости м а т е р и а л может быть под­

вергнут

механической

обработке

на

м е т а л л о р е ж у щ е м

ности:

м и н и м а л ь н а я подача

о б р а з ц а и скорость

враще ­

ния фрезы 100—150 об/мин,

температура

при обработке

22—24 °С.

Б е з р а з м е р н ы е

отношения,

вычисленные

по

данным

т а б л .

7:

J ^ ! L

1 6 , 5 - 1 4 , 5 ;

4 г " = 13,7 ~ 11,5; JlL^

= 4

15.

ѣб

П о л о ж и т е л ь н ы м

свойством

м а т е р и а л а

является низ­

к а я н а ч а л ь н а я

температура

отжига остаточных

напря ­

ж е н и й

+ 4 0 ° С .

Особенность

эта позволяет

почти

полно­

стью устранить

н а п р я ж е н и я ,

в о з н и

к а ю щ и е от усадки и

температурных

д е ф о р м а ц и й .

Столь

ж е эффективно от­

ж и г а ю т с я

н а п р я ж е н и

я и в случае армированной модели.

Н и з к у ю температуру

отжига остаточных

напряжений,

вероятно,

м о ж н о объяснить наличием в м

а т е р и а л е боль-

13. Зак. 376

193

шого

количества

линейного низкомолекулярного

поли­

мера,

не связанного пространственной

структурой.

П л а с т м а с с а

о б л а д а е т оптической

постоянной

(S =

1 т

кзс

.

„

,

видов

= 17 — — — - - с м ) ,

более низкой, чем дл я обычных

см2 • пор

сидная смола, б а к е л и т о в а я с м о л а ) .

Тем не

менее

опти­

ческие свойства ее достаточны дл я

оценки

н а п р я ж е н н о ­

го состояния по картине изохром.

П л а с т м а с с у с

такой

При хранении более 3—4

месяцев на поверхности

м а т е р и а л а образуется сетка из

микротрещин . Это явле­

риода

хранения

остаются

стабильными .

Р е

з у л ь т а т ы

испытания

а р м а т у р ы модели соответст­

лопластиковой

а р м а т у р ы

на

р а с т я ж е н и е

соизмерима

с

прочностью

стальной

а р м а т у р ы ,

что позволяет

модели­

ровать

н а п р я ж е н н о е

состояние

натуры,

близкое

к

пре­

дельному. Упругие

свойства

а р м а т у р ы относительно

по­

стоянны

для

всего

интервала

нагрузок.

Значения Еа

=

= 160 000—500 000

кгс/см2

и Е'т

= 2 8 500-4-55 000

кгс/см2

удовлетворяют

равенству

(81).

обязательно, чтобы р/ =

ц,

так

как

усилия,

воспринима­

емые арматурой модели,

могут

быть

переданы на

любой

материал

при условии, что

г'а — еа, где га

—

относительное

удлинение

арматуры модели;

еа — то ж е для материала, его

заменяющего. Следствием

этого

являются

отношения

оа =

Е

,

= nF"a или Fa

F

= поа и п = —~ . Тогда

F'a

= ~ .

Еа

п

Анализируя

возможность

замены

стеклопластиковой

ар­

матуры

другим

материалом,

в

частности

сталью (при Rä

—

= 3500

кгс/см2

и Е'а = 30 000

кгс/см2)

с Е"а = 2-106

кгс/см2,

что п —

2 - Ю 6

видно,

^

^ 5

^ 7 ,

а а = 7-35000=24500

/сг; ом2

с "

И £ А =

— .

Следовательно,

при достижении

предельного

состоя­

ния модели

н а п р я ж е н и я в

а р м а т у р е

превысят

предел

прочности дл я

обычно

применяемых

видов сталей,

а

с е м и к р а т н о е

уменьшение

п л о щ а д и

а р м а т у р ы

вызовет

уменьшение

п л о щ а д и

сцепления с

м а т е р и а л о м

модели.

тельных

экспериментальных

трудностях,

преодоление

которых

в о з м о ж н о л и ш ь при

наличии

высокопрочных

свойствах

модельных м а т е р и а л о в и их

способности при

з а д а н н о м

сочетании объективно отобразить работу же ­

лезобетона

под

нагрузкой .

Конструкция

железобетонной б а л к и

хорошо

изучена

к а к экспериментально,

та к и

теоретически,

в а ж н о , что

расчет ее нормирован . И м е я

достаточную

информацию

об объекте

моделирования и сопоставляя ее с соответст­

в у ю щ и м и

результатами

модельных испытаний,

м о ж н о

оценить свойства и особенности модели

с

точки

зрения

ее идентичности

натуре

и на

основании

сравнения дл я

тодики

в общем случае.

В опытах

исследована работа

железобетонной

бал ­

ки на двух

опорах, загруженной

в четвертях пролета

д в у м я

сосредоточенными силами. Эта конструкция

явля -

13'

195

ется наиболее х а р а к т е р н ы м примером совместной рабо ­

ты бетона и стали, она позволяет исследовать

поведение

м а т е р и а л а в сложном н а п р я ж е н н о м состоянии,

обуслов­

поперечной

силы

на участках м е ж д у

силой

и

опорой.

Так как условия

подобия у с т а н а в л и в а ю т

связь

м е ж д у

в а ж н е й ш и м и дл я

железобетона х а р а к т е р и с т и к а м и

на

основании

соответствия

механических

свойств

материа ­

лов натуры

и модели,

а не конструкции,

то м о ж н о

за­

других

случаях .

В соответствии с поставленной задачей

р а з р а б о т а н

комплекс

методических приемов,

позволяющих

получить

достаточный объем информации

дл я оценки

результатов

исследований. Д л я этого

необходимо было: в ы б р а т ь

мар ­

ку бетона

и стальную а р м а т у р у

на

основании

результа ­

тов испытания пластмассы и стеклопластиковой

арма ­

туры и

соответствующих

условий

подобия;

испытать

опытные

о б р а з ц ы м а т е р и а л о в :

пластмассы

(бетона),

стальной

стеклопластиковой

а р м а т у р ы ;

вычислить

мас ­

ш т а б н ы е коэффициенты

ß и у по фактическим

значениям

прочностных и

упругих

характеристик;

в ы б р а т ь

геомет­

рию натурного

о б р а з ц а — железобетонной

балки,

схему

ее а р м и р о в а н и я

и способ

изготовления с учетом

в о з м о ж ­

ности экспериментальной проверки

несущей

способно­

сти балки; рассчитать конструкцию по нормативным

дан ­

ным на прочность, жесткость

и величину

раскрытия

тре­

ным геометрическим м а с ш т а б о м подобия а и

р а з р а б о ­

тать способ ее изготовления с учетом ранее

проверен­

ных

технологических приемов

формирования

пластмас ­

совых образцов;

испытать натурные о б р а з ц ы

и

модели

д л я

измерения

параметров,

х а р а к т е р и з у ю щ и х

работу

конструкции

под

нагрузкой.

Испытания

пластмассы и стеклопластиковой

арматуры

ности, значения R'np = 480—520 кгс/см2,

R'p =35—45

кгс/см2,

Re* = 580—650 кгс/см2,

полученные

для пластмассы, и

Ер = 35 000-^50 000 кгс/см2

для стеклопластиковой

армату.

ры при отношении ( — —

— 16,5—14,5 гарантируют ма-

V Я р

/

рок бетона (400—600) и стальной

арматуры

с пределом

прочности при растяжении не ниже

3100

кгс/см2.

В опытах использованы бетон

марки

600

(табл. 8) на

ходе цемента

500 кг

и а р м а т у р а

из

стали кл. А - Ш (го-

Т а б л и ц а

8

Нормативные

и расчетные

характеристики

бетона

Характеристика

Численные

значения

Призменная

прочность,

кгс/см2:

нормативная

R^p

420

расчетная

Rnp

кгс/см2:

230

Сжатие

при изгибе,

нормативное

520

расчетное

Rn

кгс/см2:

280

Прочность на растяжение,

нормативная

Rp

30

расчетная

Rp

15

Модуль

упругости

300000

(при а =

0,2р"р ) Е,

кгс/см2

р я ч е к а т а н а я , периодического

профиля 25Г2С)

с

расчет­

ной характеристикой

на

р а с т я ж е н и е

Р а = 3400

кгс/см2

и

модулем

упругости

£ 3

= 2 000 000

кгс/см2.

Д л я

выбранных

м а т е р и а л о в

отношения

(79а)

и (81)

равны

-

^

-

=

20

и

- ^ - =

6,7.

могут быть использованы

д л я изготовления опытных об­

р а з ц о в железобетонных

балок.

кой подход о п р а в д а н

целью

эксперимента, сущность ко­

т о р о г о — д о к а з а т ь возможность

использования пласт­

массы

и стеклопластиковой

а р м а т у р ы д л я

построения

модели

железобетона .

Прочность бетона

и стальной

а р м а т у р ы

определена

таны о б р а з ц ы : кубы с ребром

200 мм

и

100 мм,

призмы

100X100X400 мм и кубы со скошенными

гранями

д л я *

определения

предела

прочности

на

р а с т я ж е н и е с

реб­

ром

100

мм.

Упругие

свойства

бетона

определялись

на

призмах,

продольные

и поперечные деформации з а м е р я л и с ь

инди­

к а т о р а м и

часового

типа с точностью отсчета

1 мкм на ба­

зе 150

мм

и

тензодатчиками

сопротивления. Д л я

опре­

деления предела

прочности

а р м а т у р ы

и ее модуля

упру­

гости

испытаны

с т е р ж н и

д и а м е т р о м

10 мм

и

6

мм,

длиной

/=500 мм.

Удлинения

а р м а т у р ы

фиксировались

тензометром

типа

М К - 3 на

б а з е 120 мм

с

точностью

отсчета

0,01

мм.

Н а г р у ж е н и е

образцов

бетона

и

стали

выполнено

на

гидравлических

прессах

ИПС - 1000,

ИПС - 100,

И П С - 5 0

ступенями

1/20

от

р а з р у ш а ю щ е г о

усилия .

П о аналогии с бетоном и сталью определены прочно­

стные

и упругие

характеристики

пластмассы

и

стекло-

пластиковой

арматуры . В соответствии с принятым

мас ­

ш т а б о м подобия

а = 1/10 были

испытаны: кубы

Ю х Ю Х

Х Ю мм; призмы

10X10X40

мм;

плоские

о б р а з ц ы

с за­

ления

предела

прочности

на

р а с т я ж е н и е .

Предел проч­

ности

и

модуль

упругости

стеклопластиковой

а р м а т у р ы

получены в результате испытания стержней

диаметром

0,6 и

1 мм, длиной

/ = 300

мм.

П о

р е з у л ь т а т а м

испытания материалов натуры и мо­

дели

построены

графические

зависимости .

Последние

использованы д л я

вычисления ß и у в

соответствии с

(79а)

и

(796):

,

_ ß

Р а з м е р ы опытных о б р а з ц о в железобетонных

б а л о к

приняты следующими: длина / = 2300

мм,

поперечное се­

чение

150X100 мм. Б а л к и

а р м и р о в а л и с ь

объемным кар ­

касом

из прямолинейных

стержней .

Р а б о ч а я

армату ­

ра 0

10 мм,

остальная 0

6 мм. Схема

армирования и

расположение

а р м а т у р н ы х

стержней

у к а з а н ы на рис. 55.

рительном

расчете

в соответствии

со С Н и П

П-В. 1-62.

Расчет

натуры

з а к л ю ч а л с я в

определении

несущей

способности, жесткости (величины прогиба

при

норма ­

полнителе)

и стали м а р к и 25Г2С.

По аналогии с натурой конструировалась ее модель.

Геометрический масштаб моделирования

был принят: а =

= -JQ-, /' =

-JQ-1- Значение а выбрано

исходя из удобст­

тической установке дл я И М А Ш - К Б - 2

с диаметром

поля

130 мм.

Конструкция ф о р м ы дл я отливки

армированной мо­

дели в основных своих д е т а л я х повторяет

конструкцию,

и з о б р а ж е н н у ю на рис. 53 дл я о б р а з ц о в

пластмассы

пря ­

моугольного сечения. Дополнительные

элементы — фик­

саторы продольных стержней по торцам

ф о р м ы

(рис.

56). Н и ж н и е фиксаторы неподвижные, верхние

поддер­

ж и в а ю т с я мягкими п р у ж и н а м и дл я компенсации

темпе­

Внутренние

р а з м е р ы

ф о р м ы

соответствовали р а з м е р а м

поперечного

сечения

модели

и были равны 25 X10 мм.

резался

по торцам

(рис. 57). О б ъ е м н ы й

к а р к а с собирал ­

ся

в специальном кондукторе. С т е р ж н и

а р м а т у р ы

соеди­

нялись м е ж д у собой эпоксидным

клеем

состава:

эпок­

сидная смола ЭД - 5 — 100

вес. ч., полиэтиленполиамин —

12 вес. ч., д и б у т и л ф т а л а т

5 вес. ч.

Д л я

измерения

параметров, х а р а к т е р и з у ю щ и х

рабо ­

ту

железобетонных б а л о к

под нагрузкой,

использованы

приборы: тензометры системы

Гугенбергера на базе

ПО

мм с точностью отсчета 1 мкм, прогибомеры

систе­

мы

М а к с и м о в а и

датчики

сопротивления

(рис. 58, а ) .