Разработка научных основ теории выносливости железобетонных конструкций при совместном действии изгибающих моментов и поперечных сил тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.01, доктор наук Мирсаяпов Илшат Талгатович
Мирсаяпов Илшат Талгатович
доктор наук
2018
- Специальность ВАК РФ05.23.01
- Количество страниц 394
Оглавление диссертации доктор наук Мирсаяпов Илшат Талгатович
стр.
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Анализ экспериментальных исследований и существующих методов
расчета выносливости наклонных сечений железобетонных изгибаемых элементов
1.2. Общие выводы о современном состоянии проблемы. Цель и основные задачи 43 исследований.
ГЛАВА 2. УСТАЛОСТНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ПРИ МНОГОКРАТНО
ПОВТОРЯЮЩИХСЯ НАГРУЗКАХ
2.1. Поведение бетона при многократно повторяющихся нагрузках
2.1.1. Построение линий выносливости бетона
2.1.2. Деформативность бетона при многократно повторяющихся н агрузках
2.1.3. Выносливость бетона и железобетона при местном приложении многократно повторяющихся нагрузок
2.2. Поведение арматуры при многократно повторяющихся нагрузках
2.3. Усталостное сопротивление сцепления арматуры с бетоном при
многократно повторяющихся нагрузках
2.3.1. Выносливость сцепления арматуры с бетоном
2.3.2. Закон сцепления арматуры с бетоном при многократно повторяющихся нагрузках
2.3.3. Усталостное сопротивление анкеровки арматуры 103 Выводы по главе 2 110 ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ТЕОРИИ ВЫНОСЛИВОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ
КОНСТРУКЦИЙ ПРИ СОВМЕСТНОМ ДЕЙСТВИИ ИЗГИБАЮЩИХ МОМЕНТОВ И ПОПЕРЕЧНЫХ СИЛ ПРИ МНОГОКРАТНО ПОВТОРЯЮЩИХСЯ НАГРУЗКАХ
3.1. Классификация расчетных случаев выносливости железобетонных конструкций при совместном действии изгибающих моментов и поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках
3.2. Теория выносливости железобетонных конструкций при малых пролетах среза 120 3.2.1. Анализ напряженно-деформированного состояния в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил
3.2.2. Расчетная модель усталостного сопротивления железобетонных элементов с малым пролетом среза совместному действию изгибающих моментов и поперечных сил
3.3. Теория выносливости железобетонных конструкций при больших пролетах среза
3.3.1. Анализ напряженно-деформированного состояния в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил
3.3.2. Расчетная модель усталостного сопротивления железобетонных элементов с большим пролетом среза совместному действию изгибающих моментов и поперечных сил
3.4.Теория выносливости железобетонных конструкций при средних пролетах среза
3.4.1. Анализ напряженно-деформированного состояния в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил
3.4.2. Расчетная модель усталостного сопротивления железобетонных элементов со средним пролетом среза совместному действию изгибающих моментов и поперечных сил 167 Выводы по главе 3 177 ГЛАВА 4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ ПРИ СОВМЕСТНОМ ДЕЙСТВИИ ИЗГИБАЮЩИХ МОМЕНТОВ И ПОПЕРЕЧНЫХ СИЛ
4.1. Методика расчета железобетонных конструкций с большим пролетом среза на выносливость при совместном действии изгибающих моментов и
поперечных сил (1-й расчетный случай)
4.1.1. Методика расчета напряженного состояния железобетонных элементов в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках
4.1.2. Методика расчета коэффициентов асимметрии цикла напряжений
в бетоне и арматуре
4.1.3. Методика расчета пределов выносливости наклонного сечения железобетонных элементов при больших пролетах среза
4.2. Методика расчета железобетонных конструкций со средним пролетом среза на выносливость при совместном действии изгибающих моментов и
поперечных сил (2-й расчетный случай)
4.2.1. Методика расчета напряженного состояния железобетонных элементов в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках
4.2.2. Методика расчета коэффициентов асимметрии цикла напряжений
в бетоне и арматуре
4.2.3. Методика расчета пределов выносливости наклонного сечения железобетонных элементов при средних пролетах среза
4.3. Методика расчета железобетонных конструкций с малым пролетом среза на выносливость при совместном действии изгибающих моментов и поперечных сил (3-й расчетный случай)
4.3.1. Методика расчета напряженного состояния железобетонных элементов в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках
4.3.2. Методика расчета коэффициентов асимметрии цикла напряжений
в бетоне и арматуре
4.3.3. Методика расчета пределов выносливости железобетонных элементов в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил при малых пролетах
среза
Выводы по главе
ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕОРИИ ВЫНОСЛИВОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ СОВМЕСТНОМ ДЕЙСТВИИ ИЗГИБАЮЩИХ МОМЕНТОВ И ПОПЕРЕЧНЫХ СИЛ
5.1. Опытные образцы и приборы
5.2. Методика проведения экспериментальных исследований
5.3. Характер образования и развития трещин и усталостного разрушения
5.3.1. Характер образования и развития трещин и усталостного
разрушения балок в зоне действия поперечных сил
5.3.2. Характер образования и развития трещин и усталостного разрушения
при местном циклическом сжатии бетонных и железобетонных пластин
5.4. Напряженно-деформированное состояние железобетонных элементов в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил
при различных пролетах среза
5.4.1. Выявление зон концентрации напряжений железобетонных элементов при
многократно повторяющихся нагрузках методом контроля гистерезисных энергопотерь
5.5. Экспериментальная проверка методики и методов расчета железобетонных элементов на выносливость при совместном действии
изгибающих моментов и поперечных сил при различных пролетах среза
Выводы по главе
ГЛАВА 6. ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ДЕЙСТВИЮ ПОПЕРЕЧНЫХ СИЛ
6.1 Численный анализ сопротивления железобетонных конструкций с использованием программного комплекса «Лира»
6.2 Численный анализ сопротивления железобетонных конструкций с использованием программного комплекса «Аnsys» 329 Выводы по главе 6 235 ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ ПРИ СОВМЕСТНОМ ДЕЙСТВИИ ИЗГИБАЮЩИХ МОМЕНТОВ И ПОПЕРЕЧНЫХ СИЛ
7.1. Метод функций накопления напряжений (Инженерный метод 1)
7.1.1. Инженерный расчет начальных напряжений
7.1.2. Инженерный расчет функций накопления напряжений и коэффициентов асимметрии цикла напряжений
7.1.3. Пределы выносливости бетона и арматуры
7.1.4. Экспериментальная проверка 1-го инженерного метода расчета железобетонных элементов на выносливость при совместном действии
изгибающих моментов и поперечных сил при различных пролетах среза
7.2. Метод предельных усилий (Инженерный метод 2) 355 7.2.1. Экспериментальная проверка 2-го инженерного метода расчета железобетонных элементов на выносливость при совместном действии
изгибающих моментов и поперечных сил при различных пролетах среза
Выводы по главе
ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕЙ РАЗРАБОТКИ ТЕМЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Приложение А - Патент на изобретение
Приложение Б - Акты внедрений
394
ВВЕДЕНИЕ
Железобетон является основным конструкционным материалом в современном капитальном строительстве. Поэтому повышение его эффективности имеет важное значение для экономики страны. Одним из основных путей решения этих задач является совершенствование методов расчета железобетонных конструкций.
В процессе эксплуатации многие железобетонные конструкции промышленных, энергетических, гидротехнических зданий и сооружений подвергаются воздействию многократно повторяющихся динамических нагрузок. При многократно повторяющихся нагрузках, из-за усталости бетона или арматуры, разрушение конструкции происходит при напряжениях значительно меньше статически разрушающих. При проектировании железобетонных конструкций в этих условиях необходимо рассчитывать на выносливость. Динамические нагрузки, развиваемые большинством промышленных установок непрерывного действия являются систематическими (многократно повторяющимися) и изменяются по гармоническому закону. В этой связи при ро к р и с р ит х к нс р й ас а ает я м иче кое н г а но повторяющееся динамическое нагружение. В настоящее время, с одной стороны увеличение мощностей станков, машин и оборудования, гидроагрегатов, паротурбогенераторов, центрифуг и т.д. ведет к увеличению интенсивности и частоты повторных нагрузок, а применение высокопрочных бетонов и арматуры ведет к уменьшению ве а к нс р й и к л дс ие к м ш ю к эф и нт в а ме и а внешней нагрузки, а с другой стороны, применение высокопрочных и менее пластичных бет н в и ат ы, а же п и иче й ро ь ат ы ют х о но ит ые
р д ы но вос и и п ют ч вс ит нос ь ж л зобет х к нс р й к
циклическим нагрузкам. Все это требует более точной оценки их выносливости, более точного определения и назначения пределов выносливости бетона и арматуры.
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Строительные конструкции, здания и сооружения», 05.23.01 шифр ВАК
Выносливость железобетонных изгибаемых элементов при совместном действии изгибающих моментов и поперечных сил1998 год, кандидат технических наук Ахметов, Фриль Мирзанурович
Исследование выносливости сборно-монолитных железобетонных изгибаемых элементов1982 год, кандидат технических наук Мирсаяпов, Илизар Талгатович
Прочность и выносливость плоских контактных швов сборно-монолитных железобетонных конструкций в зоне действия изгибающих моментов и поперечных сил2002 год, кандидат технических наук Хасанов, Рубис Раисович
Прочность железобетонных балок с жесткой арматурой из высокопрочных бетонов2019 год, кандидат наук Крылов Алексей Сергеевич
Выносливость железобетонных конструкций в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках2014 год, доктор технических наук Мирсаяпов, Илшат Талгатович
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка научных основ теории выносливости железобетонных конструкций при совместном действии изгибающих моментов и поперечных сил»
Актуальность темы
Повторные нагрузки, развиваемые большинством промышленных установок непрерывного действия, являются систематическими и изменяются по времени по гармоническому закону. Как известно, при многократно повторяющихся нагрузках с увеличением количества циклов нагружения происходит снижение уровня напряжений, при которых происходит усталостное разрушение, т.е. происходит снижение усталостной (остаточной) прочности бетона и арматуры. Таким образом, при расчете несущей способности, если не учитывать усталостные явления в бетоне и арматуре, в расчет вводятся более высокие значения пределов прочности. Отсутствие методов расчета на
выносливость в настоящее время чревато опасными последствиями. В связ и с этим уже давно ощущается острая необходимость в разработке современных научных основ теории выносливости железобетонных конструкций, в разработке современных расчетных м д л й ус лос н го с ро л я ж л зобет х к нс р й совместному действию изгибающих моментов и поперечных сил, в создании новых методики и методов расчета железобетонных конструкций на выносливость, учитывающих режимы р н го деф р я бет а и ат ы в сос ве ж л зобет х к нс р й и реальные механ изм ы и формы усталостного р аз рушения железобетонных конструкций.
Степень разработанности темы. В диссертации проанализированы труды отечес в х и руб х уч х по те и ус лос н го с ро л я и но вос и ж л зобет х к нс р й. Те и ус лос н го с ро л я и выносливости железобетонных конструкций при многократно повторяющихся нагрузках до сегодняшнего дня остаются весьма несовершенными. По уровню развития они но отс ют от те и с ро л я и ро нос и ж л зобет х к нс р й при статической нагрузке.
Обзор исследований выносливости железобетонных конструкций показывает, что в них основное внимание уделялось выносливости бетона и арматуры, деформативности бетона при повторных нагрузках, а также оценке выносливости и напряженно-деформированного состояния нормального сечения изгибаемых элементов. В результате накоплен огромный экспериментальный материал по данным вопросам, предложен ряд к иче х мет д в асче а н х сеч й а но вос ь. В то же р я не
п я р я э х ис л д й ос и ь ро л ы ус лос н го с ро л я железобетонных конструкций при совместном действии изгибающих моментов и
поперечных сил. Поэтому выносливость наклонных сечений вплоть до отмены СНиП
*
2.03.01-84 оценивалась по условной методике, основанной на упругом расчете железобетона. Такой подход не учитывает действительную работу, реальные механ из м и формы усталостного р аз рушения железобетонных конструкций при повторных н агру зк ах. С щес в ие мет ы асче а но вос и л х сеч й, в т м и ле и п зу ые в х и руб х н а х д к м н х ют я ве а
нес в ш и, не о ют особ ност й п в д я ж л зобет х к нс р й в
з не д йс я п п ре х л и н г а но п вт х я иче х
нагружениях; не отражают реального напряженно-деформированного состояния; не
учитывают неоднозначность восприятия поперечных сил различными элементами при различных пролетах срез а; существенные р азличия в их напряженно-деформированном состоянии, характере образования и ражития трещин и усталостного разрушения при различных пролетах срез а; не учитывают или учитывают весьма приближенно влияние целого ряда факторов; не в состоянии оценивать выносливость железобетонных конструкций в зоне действия поперечных сил с учетом изменения напряженно-деформированного состояния, прочностных и деформативных свойств, реальных режимов деф р я ат л в в сос ве к нс р и, что в к не н м ит ге в ит к а ит н му а х д ю м ду асчет м и ыт м. В р з ь ате, в х лу х это в ит к а ит н му п р а х ду ат л в и у л н ю р я, а в других - к недостаточной надежности проектируемых конструкций.
Эти обстоятельства в ыдвигают необходимость теоретических и к п м н х ис л д й ус лос н го с ро л я ж л зобет х
конструкций совместному действию игибающих моментов и поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках
Научно-техническая гипотеза состоит в предположении зависимости характера образования и развития усталостных трещин и усталостного разрушения железобетонных конструкций при совместном действии изгибающих моментов и поперечных сил от относительного пролета срез а.
Объектом исследований являются железобетонные конструкции зданий и сооружений, работающих в условиях совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках.
Предметом исследований является первое предельное состояние железобетонных конструкций, работающих в условиях совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках.
Методология и методы исследования. Методологической основой исследований л и р ы отечес в х и руб х вт р в в о ас и ау х ис л д й ус лос н го с ро л я и но вос и ж л зобет х к нс р й, сопротивления железобетонных конструкций совместному действию игибающих моментов и поперечных сил при статическом нагружении, сцепления арматуры с бетоном при статическом нагружении, механики твердого тела, расчетных технологий, реализующих многоэтапный конечно-элементный анализ, а также гипотезы, принятые в
теории железобетона, строительной механике, теории упругости, общепринятые численные методы расчетного ан ализ а.
Экспериментальные исследования выполнены с использованием средств испытаний и измерений, в том числе:
- испытательных машин, поз воляющих про из водить н агружение обр аз цов с обеспечением контроля усилий, передаваемых на образец;
- средств измерения деформаций, перемещений (индикаторы часового типа, тензометрические датчики, датчики перемещений индуктивного типа, акселерометры);
- программно-технический комплекс, из готовленный с применением промышленных микроконтроллеров, конструктивно и программно совместимых с IBM PC;
- портативный компьютерный термограф ИРТИС-2000 с ноутбуком для контроля гистерез исных энергопотерь при циклических н агрузк ах.
р в д ие к п м нт в и о або а р з ь ат в и п н ы в соответствии с требованиями и рекомендациями нормативных документов и ГОСТов. Научная новизна работы состоит в следующем:
- Разр аботаны основные положения теории выносливости железобетонных конструкций, отличающиеся от ранее существовавших тем, что позволяют учитывать в расчетах одновременное из менение напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций, прочностных и деформативных свойств и режимов деф р я бет а и ат ы в сос ве к нс р й в р цессе иче к го нагружения, а также реальные формы их усталостного р аз рушения.
- р л ж ые з ые п л ж я те и но вос и м ют в р й кт р и ют я, по с щес ву, о н в й пос ро я те и но вос и
железобетонных конструкций при различных видах напряженно-деформированного сост я.
- Разработаны экспериментально обоснованные методика и методы расчета железобетонных конструкций на выносливость, учитывающие одновременное из менение
ж но деф р н го сост я л м нт в, ро нос х и деф а х в йс в и р м в деф р я бет а и ат ы в сос ве к нс р й в р цессе циклического нагружения, а также реальные формы усталостного разрушения в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил.
- Установлены экспериментально обоснованные механизмы усталостного разрушения железобетонных конструкций при совместном действии изгибающих моментов и поперечных сил при р азличных пролетах срез а.
- Для моделирования всех возможных вариантов механизмов разрушения разработана ист а ит и в но вос и ж л зобет х к нс р й и д йс и п п ре х
л, о н я а ас х кт ис х но вос и бет а и ат ы, и у л й
х с мес н й або ы.
- Ус н л ы ме ы р д н го сост я ж л зобет х к нс р й и многократно повторяющихся нагрузках для р азличных пролетов срез а.
- Разработаны экспериментально обоснованные расчетные модели усталостного сопротивления железобетонных изгибаемых элементов действию поперечных сил при разлтных пролетах среза.
- Аналитические уравнения для оценки предела выносливости и описания изменений ус лос н й ро нос и бет а ат й з ы.
- Аналитические уравнения для описания изменений смещений арматуры в заделке при многократно повторяющихся нагрузках.
- Аналитические уравнения для оценки предела выносливости и описания из менений ус лос н й ро нос и ц л я ат ы с бет н м и ус лос н й ро нос и
к р и ат ы.
- Н ые, к п м н но обо н ые, те ре иче ие ые о но вос и, о характере образования, развития усталостных трещин при многократно повторяющихся нагрузках, усталостного разрушения бетонных и железобетонных элементов при местном сжатии и железобетонных изгибаемых элементов в зоне совместного действия игибающих моментов и п п ре х л.
- к п м н но обо н ые те ре иче ие р з ь а ы о кт ре распределения наибольших напряжений железобетонных изгибаемых элементов в зоне д йс я п п ре х л и и мес н м а и, п луч ые мет д м к н р я гистерез исных энергопотерь.
- р в д ы и л ый анализ с ро л я ж л зобет х л м нт в и различных пролетах срез а.
- По результатам численного анализа установлены:
• основные закономерности и особенности распределения напряжений в бетоне, в поперечной и продольной арматуре в зоне совместного действия изгибающих моментов и п п ре х л;
• основные закономерности и особенности образования и раз вития трещин в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил;
• пределы выносливости железобетонных элементов при р азличных пролетах срез а;
• теоретические линии выносливости железобетонных элементов .
Теоретическая значимость работы:
- Разработанная теория выносливости железобетонных конструкций при совместном действии игибающих моментов и поперечных сил учитывают в расчетах реальные р мы деф р я бет а и ат ы в сос ве к нс р й в р цессе циклического н агружения, а также реальные формы их усталостного р аз рушения.
- в р ость р л ж ых з ых п л ж й те и но вос и и совместном д йс и игибающих моментов и поперечных сил ет я о н в й построения теории выносливости железобетонных конструкций при различных видах
ж но деф р н го сост я.
- Предложенные н ые мет а и мет ы асче а ж л зобет х к нс р й а выносливость корректно отражают и в расчетах учитывают одновременное изменение
ж но деф р н го сост я л м нт в, ро нос х и деф а х свойств бетона и арматуры, а также реальные формы усталостного разрушения в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил.
- Выявленные механизмы усталостного разрушения и система критериев выносливости железобетонных конструкций определяют и обозначают предельные состояния железобетонных конструкций с р азличными пролетами срез а при совместном действии изгибающих моментов и поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках.
- Предложенные асче ые м д и ус лос н го с ро л я совместному д йс ю игибающих моментов и действию поперечных сил при различных пролетах среза отражают действительную работу и усталостное разрушение железобетонных конструкций при многократно повторяющихся нагрузках.
- Теоретические данные о выносливости, о напряженно-деформированном состоянии, о характере образования, развития усталостных трещин при многократно повторяющихся нагрузках, усталостного разрушения бетонных и железобетонных элементов при местном
сжатии и железобетонных изгибаемых элементов в зоне действия поперечных сил. Практическая значимость або ы:
- Установлены экспериментально обоснованные механизмы усталостного разрушения железобетонных конструкций при совместном действии изгибающих моментов и поперечных сил при р азличных пролетах срез а.
- Установлены особенности изменения напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций, прочностных и деформативных свойств и режимов деф р я бет а и ат ы в сос ве к нс р й в р цессе иче к го на! ружения.
- Разработана система критериев выносливости железобетонных конструкций при совместном действии изгибающих моментов и поперечных сил при различных пролетах сре з а.
- р д л ы р д ы но вос и бет а ат й з ы, р д н й и п п ре н й ат ы, а же к р и р д н й ат ы.
- Определены и обозначены научно обоснованные параметры предельного состояния железобетонных конструкций при совместном действии изгибающих моментов и поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках, что позволяет повысить
д нос ь ц и но вос и к нс р й и й в ц л м. На защиту выносятся:
- О н ые з ые п л ж я те и но вос и ж л зобет х к нс р й.
- ас и я расчетных случаев выносливости ж л зобет х л м нт в при совместном д йс и изгибающих моментов и п п ре х л.
- ас и я, ачес в я и к ичес в я ц а с й ж но-деформированного состояния железобетонных элементов в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках.
- О ие п л ж я и к ц я пос ро я асче а ж л зобет х конструкций на но вос ь и совместном д йс и изгибающих моментов и п п ре х л.
- Возможные механизмы усталостного разрушения железобетонных конструкций при совместном действии изгибающих моментов и поперечных сил при различных пролетах сре з а.
- ист а ит и в но вос и ж л зобет х к нс р й и совместном д йс и изгибающих моментов и п п ре х л.
- ме ы р д н го сост я ж л зобет х л м нт в и совместном д йс и изгибающих моментов и поперечных сил при р азличных пролетах срез а для многократно повторяющихся н агрузок.
- Новые методика и методы расчета железобетонных конструкций на выносливость, учитывающие одновременное из менение напряженно-деформированного состояния элементов, прочностных, деформативных свойств, а также реальные формы усталостного раз рушения в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил.
- Расчетные модели усталостного сопротивления железобетонных элементов совместному действию изгибающих моментов и поперечных сил при разлтных пролетах среза.
- Методы расчета напряжений в бетоне, арматуре и в заделке арматуры, а также их к эф и нт в а ме и а с учет м р м в р н го деф р я бет а и арматуры в составе конструкций при циклическом нагружении.
- Мет ы асче а р д л в но вос и бет а, ат ы и к р и ат ы с учетом изменения коэффициентов асимметрии цикла напряжений из-за развития деф й и р п зучес и бет а в сте н х у л х.
- Результаты численного анализа сопротивления железобетонных элементов при различных пролетах срез а методом конечных элементов с применением ПК Лира и Ansys.
- Результаты экспериментальных исследований усталостного сопротивления железобетонных балок при различных пролетах срез а по обоснованию основных положений теории выносливости железобетонных конструкций, юзможных вариантов механ из мов усталостного р аз рушения, систем критериев выносливости железобетонных конструкций при действии поперечных сил, разработанных расчетных моделей ус лос н го с ро л я, пот з, п л ж х в о н ву н х мет и и мет д в
асче а ж л зобет х к нс р й а но вос ь, а же по р в ке то нос и разр аботанных методов расчета.
Степень достоверности результатов исследования
р дс л ые в исс р и р з ь а ы ис л д й, в ы и юч я
подтверждаются использованием общепризнанных математических моделей, методов асче а, а же д ле в ит н й к р и й р з ь ат в и л х ис л д й и данных физических экспериментов, в том числе:
- проведенными экспериментальными исследованиями по изучению физических процессов упругого и неупругого деформирования и разрушения железобетонных балок в условиях совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил;
- к р к м м н и м мет д в те и железобетона, в д го деф ру м го т а, строительной механики и теории сооружений;
- проведенными теоретическими исследованиями по разработке метода моделирования неупругого деформирования бетона и усталостного разрушения железобетонных элементов;
- к р к м м н и м с р и р х асче х к л кс в;
- надежным метрологическим обоснованием экспериментальных исследований;
- применением при выполнении экспериментальных исследований современных контрольно-измерительных приборов и регистрирующего оборудования с автоматизированным про1раммно-математическим обеспечением обработки и анализ а р з ь ат в и ы й;
- р в д и те ре иче и ис л д и р цес а не р г го деф р я и разрушения железобетона, как процесса формирования и накопления микроразрушений с переходом к макрор аз рушению;
- сравнительным анализом и сходимостью результатов физических экспериментов и численных исследований, выполненных на основе разработанных методов моделирования неупругого деформирования и разрушения железобетона.
Реализация результатов исследований
Основные положения исследований и полученные результаты использованы:
- Казанским институтом «ГИПРОНИИАВИАПРОМ» в процессе проектирования реконструкции и технического перевооружения промышленных предприятий, для
р в и но вос и л х сеч й и у л и ж л зобет х к нс р й различных промышленных зданий.
- Научно-проектно-произ водственной фирмой «Фундаментспецремонт» в процессе проектирования строительства и реконструкции зданий различного назначения для
р в и но вос и ж л зобет х к нс р й и д йс и п п ре х л. При р азр аботке следующих нормативно-методических документов и патента:
- Патент на изобретение №2315271 / Способ определения зон концентрации напряжений в строительных конструкциях. // Мирсаяпов Ил. Т. - Москва, 2006.
- Р к м и по асчету и к нс р р ю сб но м н и х ж л зобет х элементов стен и перекрытий сооружений АЭС. Москва: «Атомэнергопроект. 1988. - 49с.;
Внедрение результатов исследований
Разработанная теория выносливости железобетонных конструкций при совместном действии изгибающих моментов и поперечных сил и параметры предельного состояния железобетонных конструкций при многократно повторяющихся нагрузках в виде алгоритмов расчета на выносливость в ОАО «ГИПРОНИИАВИАПРОМ» и Научно-проектно-производственную фирму «Фундаментспецремонт» для их практического и п з я, что р з но и ро к р и р к нс р и и т иче к го п р во р ж я р л х р я й, а же и с р ит ьс ве и реконструкции гражданских зданий:
- Казанский Авиационный завод им. С.П Горбунова - расчет неразрезных монолитных подкрановых балок на выносливость в связи с увеличением крановой нагрузк и с 5 т до 10т.
- ОАО «Ижсталь», г. Ижевск - расчет усиления неразрезных подкрановых балок пролетом 6м корпуса мелкосортно проволочного стана в с вяз и с образованием наклонных трещин и проверка выносливости после усиления.
- ФГУП «ОНПП «Технология» - расчет усиления разрезных подкрановых балок пролетом 12м корпуса №74 в с вяз и с образованием наклонных трещин и проверка
но вос и по ле у л я.
- ОАО «Гос рс в ное нос р ит ное к нс р кт р кое ро « п л», г. хту н к - асчет у л я сб х ж л зобет х с р х л к с п ве и
кранами пролетом 12 м, из готовленных по серии ПК-01-06 вып. 8Э в корпуса 27 в с вяз и с о з и м л х р н и р в а но вос и по ле у л я.
- При разработке проекта реконструкции жилого дома № 18 с трехэтажным подземным паркингом по ул. Татарстан в г. Набережные Челны - выполнен расчет
х и вт рост п х л к м н и х п р ы й и ду а а но вос ь по наклонным сечениям на циклические нагрузки от движения автогфанспорта и работы в н и н го об р д я.
- При проектировании реконструкции здания по ул. К.Наджми, 20 в г. Казани -выполнена проверка выносливости балок с большим пролетом срез а по наклонным сечениям, проверка выносливости консолей колон на действие вибрационных нагрузок от технологического оборудования.
Апробация результатов исследований:
О н ые п л ж я и р з ь а ы исс р и н й або ы р дс л ы, обс д ы и до р ы а м д р н й к нф р и по бет ну и ж л зобет ну « ж н ые
проблемы современного железобетона» (Плес, 1995 г); на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы формирования структуры, эксплуатационной надежности и долговечности строительных материалов» (Плес, 1996 г); на Всероссийской конференции «Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции» (Чебоксары, 2001 г); на научном семинаре общего собрания РААСН «Ресурсо-энергосбережение - как мотивация творчества в архитектурно-строительном творчестве» (Казань, 2003 г); на международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород, 2005 г); на международной научно-практической к нф р и « ц а и а и б з а нос ь с р ит х к нс р й» (В р н ж, 2006 г); на ежегодных конференциях КИСИ, КГАСА, КГАСУ и на республиканских конференциях (Казань, 1983-2010 г); на профильных кафедрах МГУ (Саранск, 2009 г), МГСУ (Москва, 2009, 2011 г), ПГУАС (Пенза, 2009 г), СПбГАСУ (Санкт-Петербург, 2009 г); а м д р н й ау но-т иче к й к нф р и « р л ное и н кое
строительство в современных условиях» (Москва, 2011 г); на международной научно-методической конференции «Железобетонные конструкции: исследования,
проектирование, методика преподавания», посвященной 100 -летию со дня рождения В.Н.Байкова (Москва, 2012 г), на международной научной конференции «Современные ро л ы асче а и ро к р я ж л зобет х к нс р й н г э х зданий», посвященной 100 -летию со дня рождения П.Ф.Дроздова (Москва, 2013 г); на 7 -х д иче х чт х РААСН - м д р н й ау н й к нф р и «М а
раз рушения бетона, железобетона и дру гих строительных материалов» (Воронеж, 2013 г);
а Вс рос й х ау х к нф р х « ро л ы ит кт ы и с р ит ьс а» (Казань, 2011- 2016 г); на 8 -х академических чтениях РААСН-Международной научно-технической конференции «Механика разрушения строительных материалов и конструкций (К аза нь, 2014); на III Всероссийской (II международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон - взгляд в будущее» (Москва, 2014 г); на международной научной конференции « Высокопрочный бетон - ВПБ 2016» (К аза нь, 2016); на международной научной конференции «Современные проблемы расчета железобетонных конструкций, зданий и сооружений на аварийные воздействия», посвященной 85 -летию кафедры железобетонных конструкций и 100 - летию со дня рождения Н.Н.Попова (Москва, 2016); на международной научной конференции «Проблемы архитектуры и строительства» (К аза нь, 2017).
В полном объеме работа заслушена и одобрена на заседании №2 НТС НИУ МГСУ (Москва, 2017)
Личный вклад автора состоит в:
- Разработке научных основ теории выносливости железобетонных конструкций, основных базовых положений теории выносливости железобетонных конструкций, новых методики и методов расчета железобетонных конструкций на выносливость при совместном действии изгибающих моментов и поперечных сил, расчетных моделей усталостного сопротивления железобетонных изгибаемых элементов действию поперечных сил при разлтных пролетах среза, системы критериев выносливости железобетонных конструкций при действии поперечных сил для моделирования всех возможных вариантов механизмов разрушения, метода контроля гистерезисных знергопотерь с помощью тепловизора и способа определения зон концетрации напряжений в строительных конструкциях, основанный на этом методе.
- р в д и к п м н х ис л д й ж л зобет х к нс р й и различных пролетах срез а, выявлении основных закономерностей усталостного сопротивления железобетонных конструкций и обосновании механизмов их усталостного раз рушения при совместном действии изгибающих моментов и поперечных сил.
- р д л и ау но обо н х ме р в р д х сост й железобетонных конструкций при совместном действии изгибающих моментов и п п ре х л, р д л в но вос и бет а ат й з ы, р д н й и п п ре н й
ат ы, а же к р и р д н й ат ы.
- Проведении численных исследований усталостного сопротивления и разрушения железобетонных конструкций при совместном действии изгибающих моментов и поперечных сил при различных пролетах срез а при многократно повторяющихся нагрузках с определением пределов выносливости и построением теоретических линий
но вос и.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 118 публикациях, 22 статьи из которых опубликованы в профильных журналах, рекомендованных ВАК РФ для докторских диссертаций, 3 - в реферируемых журналах Scopus и Web of Sciens.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности: в соответствии с формулой специальности в диссертации выполнены научно-технические исследования и разр аботки в области рационального проектирования конструктивных решений
железобетонных конструкций зданий, обеспечивающее повышение их конструкционной б з а нос и. П луч ые в исс р и н м ис л д и р з ь а ы соо ветс в ют следующему пункту паспорта научной специальности 05.23.01 «Строительные к нс р и, я и со р ж я»:
3. Создание и развигие эффективных методов расчета и экспериментальных исследований вновь юз водимых, восстанавливаемых и усиливаемых строительных конструкций наиболее полно учитывающих специфику воздействий на них, свойства материалов, специфику конструктивных решений и другие особенности.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и приложений общим объем ом 394 страницы машин описн ого текста, из них осн овн ого текста - 336 страниц, 240 рисунк ов, 9 та блиц, спис ок литературы из 299 наимен ований, в т ом числе 37 на иностранн ом языке.
Работа выполнена на кафедре «Железобетонные и каменные конструкции» НИУ Московский государственный строительный университет при научной консультации доктора технических наук, профессора А.Г.Тамразяна.
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
Подавляющее болылинство промышленных, гидротехнических и энергетических установок непрерывного действия развивают систематические динамические нагрузки, изменяющиеся по гармоническому закону. И в этой связи в отечественных и в зарубежных стандартах гармоническое нагружение принято в качестве основы для определения усталостных св ойств материал ов и конструкций.
Похожие диссертационные работы по специальности «Строительные конструкции, здания и сооружения», 05.23.01 шифр ВАК
Прочность и деформативность деревожелезобетонных изгибаемых элементов при статических и повторных нагружениях2009 год, доктор технических наук Абдрахманов, Идрис Сабирович
Прочность тонких стенок железобетонных балок на приопорных участках с учетом предыстории загружения2013 год, кандидат технических наук Тамов, Мурат Мухамедович
Прочность деревожелезобетонных изгибаемых элементов в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил2007 год, кандидат технических наук Шакиров, Илдус Фатихович
Совершенствование методики расчета на выносливость железобетонной плиты проезжей части автодорожных мостов2020 год, кандидат наук Новак Николай Юрьевич
Напряженно-деформированное состояние и прочность фиброжелезобетонных элементов круглого сечения при поперечном изгибе2013 год, кандидат наук Хегай, Максим Олегович
Список литературы диссертационного исследования доктор наук Мирсаяпов Илшат Талгатович, 2018 год
/ / / /
L
/ / / / /
Рисунок 5.32 - Схема испытаний бетонных и железобетонных пластин при местном циклическом сжатии
а) пластины 1ой, 2ой и 4 серий; б) пластины 3ей серии.
Усталостные испытания бетонных и железобетонных пластин при местном сжатии,
о
позволяют установить следующую картину образования и развития усталостных трещин и характер усталостного разрушения.
Даже при нагрузках выше предела выносливости бетонные элементы вплоть до усталостного разрушения работают без видимых трещин. Только незадолго до усталостного разрушения при тщательном исследовании бетонных образцов через микроскоп можно обнаружить волосяные трещины отрыва в средней зоне вдоль оси элемента! с! длиной! в! несколько! миллиметров! и! раскрытием! не! более! 0,01мм. Максимальная длина таких макротрещин, которые удалось обнаружить незадолго до
усталостного разрушения с помощью микроскопа, не более 10 -12 мм. Очевидно, когда макротрещина достигает определенного критического размера начинается динамическое развитие трещины. В дальнейшем трещина развивается неустойчиво за счет накопленной энергии деформации тела с большой скоростью и поэтому развитие сопровождается выделением шума. Дальнейшее поведение усталостной трещины отрыва и бетонного элемента зависит от ширины грузовых пластин. При относительной длине грузовых пластин 5 = /!Яф /Н = 0,2 в
бетонных элементах с соотношением размеров Н/Ь = 1,33 после начала динамического развития трещина отрыва мгновенно проскакивает до вершин уплотненных объемов (клина) под грузовыми пластинами и выходит к одной из кромок пластин вдоль грани клина (рисунок 5.33),! т.е.! происходит! мгновенное! разрушение,! которое! совпадает! с! началом динамического развития трещины отрыва в средней зоне. При этом поверхность клина, т.е.! поверхность! сдвига,! неровная.! Внутри! и! вне! клина! бетон! не! разрушен.! Угол внутреннего сдвига бетона в бетонных элементах с соотношением размеров Н/Ь = 1,33 при относительной длине грузовых пластин 5 = /^/Н = 0,20, т.е. угол наклона граней
клина уплотнения, составляет (р = 64о .
При относительной длине грузовых пластин 5 = /шр /Н = 0,325 в бетонных элементах с соотношением размеров Н/Ь = 1,33 после начала динамического развития трещина отрыва мгновенно проскакивает до грузовых пластин (рисунок 5.34), разделяя элемент на две части по оси элемента, но усталостного разрушения элемента не
Рисунок 5.33 - Характер образования и развития усталостной трещины и усталостного разрушения бетонного элемента при 5 = /шр/н = 0,2 и н/ь = 133
происходит и он| продолжает сопротивляться! циклической нагрузке.| Окончательное усталостное! разрушение| такого| элемента| происходит только| после| дополнительного количества циклов нагружения в результате сдвига вдоль границы уплотненного объема под грузовыми пластинами. Угол внутреннего сдвига бетона в бетонных элементах с соотношением размеров
Н/Ь = 1,33 при относительной длине грузовых пластин
угол
наклона граней клина уплотнения, составляет р = 56о.
В| высоких| бетонных элементах развитие усталостных трещин является| плавным,| а усталостное разрушение более
3 = ¡цр/Н = 0,325 ,| т.е.
■ЁЗЬ
Рисунок 5.34 - Характер образования и развития усталостной трещины отрыва а) и усталостного разрушения б; бетонного элемента при 3 = I /Н = 0,325 и Н/Ь = 1,33
пластичным. В зависимости от уровня нагрузки либо уже при первом нагружении либо в процессе циклического нагружения происходит образование макротрещин отрыва вдоль
Рисунок 5.35 - Характер образования и развития усталостной трещины (а), (б) и усталостного разрушения (в) бетонного элемента с размерами н/ь = 3,67
вертикальной оси элемента (рисунок 6.48а), которые можно обнаружить невооруженным
глазом. При высоких уровнях нагрузки образование этих трещин начинается уже при первом нагружении, вблизи грузовойпластины на расстоянии от неё примерно раной ее ширине и получает развитие на длину примерно равной ширине бетонного элемента Ь. При увеличении уровня нагрузки при первом нагружении и в дальнейшем с увеличением количества циклов нагруженияпроисходит развитие этих трещин по высоте элемента и соединение отдельных макротрещин между собой. Увеличение трещины отрыва происходит вплоть до усталостного разрушения и суммарная её длина перед разрушением достигает (1,4-1,5)Ь(рисунок 5.35б). Одновременно с развитием трещин отрыва по длине в процессе циклического нагружения происходит также и их раскрытие. Наибольшее раскрытие наблюдается на начальном участке макротрещины с длиной примерно Ь. С приближением усталостного разрушения у кромки грузовой пластины образуются также сдвиговые трещины под углом к пластине. Очевидно возникают поверхности скольжения, идущие от краев площадки смятия (грузовой пластины). Усталостное разрушение высоких бетонных элементов при местном сжатии заканчивается сдвигом уплотненного объема бетона под грузовой пластиной вдоль его границ. При этом, в отличие от элементов с размерами Н/Ь = 1,33, уплотненный объем рассыпается после того как трещина раскалывания полностью разделяет бетонный элемент пополам в момент окончательного усталостного разрушения (рисунок 5.35в). Очевидно, что внутри уплотненного объема возникают очень большие напряжения, а вокруг него развивается зона пластичности и происходит внутризерновой сдвиг бетона. Угол внутреннего сдвига бетона в высоких элементах, т.е. угол наклона граней клина уплотнения, составляет р = 63о.
5.4. Напряженно-деформированное состояние железобетонных элементов в зоне
совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил при различных
пролетах среза
При различных пролетах среза, 0,9к0<с0<3к0, при первом нагружении до уровня максимальной нагрузки цикла Qmаx■> до образования наклонных трещин, при наличии нормальных трещин, распределение нормальных £/ах и сдвиговых у/* деформаций в зоне действия поперечных сил не отличается от традиционных как в элементах с поперечной арматурой, так и без нее. Деформации е/а по высоте сечения распределяются по закону, близкому к линейному с максимумом у верхней грани, а на верхней грани - повторяет закон изменения изгибающих моментов. Деформации сдвига у/ах в сечениях между нормальными трещинами распределяются по пологим кривым с нулевыми значениями у верхней и нижней граней. В сечениях с нормальной трещиной
деформации сдвига
-Рисунок 5.36 - Распределение нормальных деформаций ех по высоте сечений в балках с поперечной арматурой при со = 3ho:
---N = 1:
N = 2 -104 циклов; в эпюрах 1см
ГШ
/ ху
сосредотачиваются! в нетреснутой! части бетона, что приводит к увеличению! значений деформаций сдвига гХУщ бетона,! а, следовательно,! и касательных напряжений. При больших! пролетах среза с0 >2,1 к0, после появления наклонных трещин и по мере их развития происходит существенное перераспределение деформаций еХ^ и
Рисунок 5.37 - Распределение нормальных деформаций 6Х по высоте сечений и вдоль пролета среза в балках с поперечной арматурой при
V
х
в зоне действия
= 2,15К:---N = 1
-1-10-
N = 4 -104 циклов; в эпюрах 1см тотеретньк! отл.Шта
изменения более
существенны! в! элементах! без! поперечной! арматуры! и! менее! резки! в! элементах! с поперечной арматурой.Распределение деформаций еХ"ах по высоте сечения в нормальных сечениях балок с поперечной арматурой в конце пролета среза сохраняется таким же, как до образования наклонных трещин, примерно по линейному закону, а с удалением вглубь пролета среза эта закономерность нарушается, особенно в нормальных сечениях, близких к опоре. В этих сечениях верхняя грань испытывает слабое растяжение, а максимальные деформации сжатия еХах наблюдаются в районе критической наклонной трещины (Рисунок 5.37).
На! верхней! грани! балок! с! поперечной! арматурой! наблюдается! некоторое
1 ~ „ тах
нарушение закономерности развития нормальных деформаций ех по длине элемента
с
о
3
Рисунок 5.38- Распределение нормальных деформаций ех на верхней грани и е19 вдоль линии, имеющей угол наклона у = 19о к продольной оси элемента-:— N = 1; --N = 2 ■ 104 циклов; в эпюрах 1см = 1,8 ■ 10~3
Рисунок 5.39 - Распределение деформаций сдвига у по высоте сечений:-----N=1;— N=2•104 циклов; в эпюрах 1см=0,7510-3.
(Рисунок 5.38).| В| процессе развития критической наклонной трещины, в конце пролета среза, над ее вершиной формируется участок концентрации
1 ~ „тах
деформаций ех ,| за пределами которого последние} убывают, переходя в районе опоры иногда в слабые деформации растяжения! Датчики, наклеенные в направлении, параллельном направлению развития критической трещины в сжатой зоне (угол наклона к| продольной оси элемента ~19°), показывают,
что нормальные деформации в бетоне е!^ в этом направлении значительны и на длине, равной примерно имеют постоянное значение, несмотря на то, что в направлении к опоре происходит практически линейное уменьшение изгибающего момента и продольных деформаций (рисунок 5.38). В сечениях без нормальных трещин
деформации сдвига в бетоне у™х при
Г^ | - первом нагружении распределяются по всей высоте сечения, а их максимальные значения находятся на уровне критической наклонной трещины (рисунок 5.39). В сечениях с нормальными трещинами основная часть деформаций сдвига у"
Рисунок 5.40-Распределение продольных деформаций концентрируется в пределах сжатой
е в бетоне при N = 1 в балке БСМ1-6 без х зоны,| а| их| максимальные| значения
поперечной арматуры при пролете среза Со = 2-1Н0 :
д° образования И---п°сле °браз°вания смещаются к критической наклонной
критической наклонной трещины; в эпюрах
1 см = 0,85 ■ 10 3
тах ху
трещине. Увеличение! количества циклов нагружения! приводит лишь к увеличению
полноты эпюр деформаций б'Х™' и уХ^, сложившихся после образования наклонных
трещин при первом нагружении, не меняя их общей формы (рисунки 5.36-5.39). При больших пролетах среза в элементах без поперечной арматуры в результате образования и развития критической наклонной трещины в процессе увеличения нагрузки до уровня максимальной! нагрузки! цикла Qmа\ уже! при! первом! нагружении! распределение продольных деформаций е™* и деформаций сдвига у™* по высоте сечения и вдоль
пролета среза претерпевает не только количественные, но и качественные изменения.
При первом нагружении до образования наклонной трещины продольные деформации по высоте сечения распределяются по закону, близкому к линейному с максимумом у верхней грани (рисунок 5.40), а на верхней грани - по длине пролета среза возрастают по закону, близкому к линейному от нулевого значения над опорой до максимума у груза. Уже при первом нагружении после образования критической наклонной трещины эпюры меняют свою форму (рисунок 5.41).
Циклическое нагружение не приводит к новым качественным изменениям, а приводит лишь к количественным изменениям деформаций и изменению полноты их эпюр распределения.
Рисунок 5.41 - Распределение продольных деформаций ех при циклическом нагружении в балке БСМ 1-6 без поперечной арматуры при пролете среза с = 2.1 h : N = 1;
N = 2-10, . N = 2-106 - эпюрах 1см = 0.8 -10 —.
В
Рисунок 5.42 - Распределение деформаций сдвига утах
при циклическом нагружении в сечении с трещиной в
конце пролета среза в балке бсм 2-4: N = 1; --- . N = 1.5 -106; в эпюрах 1
--см = о,б -10-3
В нормальном сечении с трещиной в конце пролета среза деформации сдвига ут,ах
сосредотачиваются в! нетреснутой части бетона (рисунки 5.42, 5.43), что приводит к увеличению значений деформаций сдвига, а, следовательно, и касательных напряжений. При увеличении количества циклов нагружения происходит увеличение объема эпюры
Рисунок 5.43 - Распределение деформаций сдвига / ™х при циклическом нагружении в балке Б СМ 2-5:
Рисунок 5.44 - Распределение нормальных деформаций
„шах
а2 при Со = 1.6ho в сечении, проходящем через внутреннюю кромку опорной и внешнюю кромку грузовой пластин:---N = 1; N = 2 ■ 104; 1см -1,4■ 10—4.
/\ ! I
БЗ-4 /X //у /
¿Г (
\ \ к. -г 1
деформаций! сдвига.! В промежуточных! вертикальных сечениях между грузом и опорой деформации сдвига описываются кривой с нулевыми значениями у верхней и нижней граней и максимумом! вблизи! наклонной трещины.! Циклическое
нагружение! приводит лишь к увеличению! полноты! эпюр сдвига.
В железобетонных балках со! средним! пролетом! среза, пролет среза которых составляет с0=(1,55-1,бб)к0 уже при первом нагружении образуется, как правило, только одна нормальная трещина, расположенная в конце пролета среза.! Характер распределения нормальных деформаций а/т™ и деформаций сдвига ГтХ в этом нормальном
сечении с нормальной
трещиной и в других нормальных сечениях в приопорной зоне такой же, как в элементах с большим пролетом среза , а на верхней грани балок до образования наклонной трещины нормальные! деформации! а/
^шах
тах _
2 при
Рисунок 5.45 - Распределение деформаций сдвига у\ со = 1.бк0 в сечении, проходящем через внутреннюю кромку
опорной и внешнюю кромку грузовой пластин: - - - до образования наклонной трещины (N = 1); — после образования наклонной трещины (N = 1);___N = 2 ■ 104; 1см —1,4 ■ 10 —.
распределяются по закону, близкому к линейному (рисунок 5.47).В усталостных испытаниях
железобетонных! балок! со! средним пролетом среза исследовалось также деформированное состояние в бетоне в! наклонном! сечении,! проходящем через! переднюю! кромку! опорной! и внешнюю! кромку! грузовой! пластин (рисунок 5.44-5.451 и 1в наклонном сечении, проходящем по оси наклонного сжимающего силового потока между опорной и грузовой площадками 1(рисунки 5.46-5.48)! В наклонном сечении, проходящем через кромки опорной и грузовой
1 „max
пластин,! деформации s2BH в поперечном! направлении этого сечения! имеют! двухзначную! эпюру распределения, как до образования наклонной трещины, так и после, как при первом нагружении, так и в процессе циклического нагружения (рисунок 5.44).
Деформации сдвига у?тГ в этом сечении при первом нагружении до образования наклонной трещины имеют одинаковый знак по всей длине! (рисунок 5.45).! При! этом! от внутренней кромки опорной пластины! и до! ~0,5h деформации
max
сдвига у12 незначительны, а начиная от 0,5h в! направлении к! внешней кромке грузовой пластины происходит резкое увеличение этих деформаций. После образования наклонной трещины, развивающейся
Рисунок 5.46 - Распределение деформаций сжатия е т°х, развивающихся вдоль оси наклонного
сжимающего силового потока при c = 1.6h :---
N=1 ; N = 2 ■ 104 ; 1см - 14 ■ 10.
Рисунок 5.47 - Распределение деформаций sf" sf" sf" в балках при c0=1„6h0: N=1 ; N=2104; в эпюрах 1см = 0,610-3
Рисунок 5.48- Распределение деформаций сдвига ут^ вдоль оси наклонного сжимающего силового потока при
со = 1,6к0: - -N=1;-N=2•104; в эпюрах 1см -1,5 -10-.
от внутренней кромки опорной пластины к внешней кромке грузовой, при дальнейшем увеличении! нагрузки! до! максимальной нагрузки цикла! QmaM (#=1),| происходит
перераспределение деформаций сдвига в этом наклонном сечении, и их эпюра
становится двухзначной.
Деформации e1max, направленные вдоль оси наклонного сжимающего силового потока, имеют однозначную эпюру распределения - они по всей длине указанной оси являются сжимающими и при первом нагружении на большей длине оси распределяются равномерно,! только! с! приближением! к! грузовой! пластине! происходит! существенное увеличение! этих! деформаций! сжатия.! При! циклическом! нагружении! равномерность распределения деформаций e1max на большей части в основном не нарушается, но с приближением к грузовой пластине происходит резкое увеличение этих деформаций. Поперечные деформации smax имеют двухзначную эпюру распределения по длине потока. На значительной длине оси потока, начиная от места пересечения оси опоры с осью продольной! арматуры! примерно! на! 80-90%! длины наклонного! силового! потока, деформации s2"ax являются деформациями растяжения и распределяются более-менее равномерно! Только! с! приближением! к! грузовой пластине! при первом! нагружении,
1 „ max ~
поперечные! деформации s2HH растяжения! резко! возрастают и! в| непосредственной близости от грузовой пластины переходят в деформации сжатия значительной величины.
Уменьшение пролета среза до (O,9-1)h0 приводит к тому, что точки приложения груза к опорной реакции оказывают превалирующее влияние на формирование напряженно-деформированного состояния и усталостного разрушения железобетонных изгибаемых элементов в зоне действия поперечных сил! Как! было! показано! в! 5.3.1 усталостное разрушение изгибаемых элементов при таких пролетах среза происходит в пределах наклонной полосы между опорной и грузовой пластинами. Это является результатом образования концентрированной полосы напряжений, связанной с точками приложения опорной реакции и груза. Деформации s™^, направленные вдоль оси наклонной полосы (линии, проходящей через
1 / \
Б!-3 V" «Л // V ./>> „ %/J? у
f / / / ж
/ ! rf \7
I/ . \\
Рисунок 5.49 - Распределение деформаций £1™ах вдоль оси наклонного сжимающего силового потока в балке 1-3: ——— N = 1; N = 5 104;
N = 105 циклов; в эпюре 1см — 2,0 ■ 10~3 .
точку пересечения оси продольной растянутой арматуры с осью реакции опоры и через центр! грузовой! площадки)! между! опорой! и грузом! имеют! однозначную! эпюру распределения! -! они! по! всей! длине! полосы концентрации! напряжений! являются деформациями! укорочения! (рисунок 5.49),! т.е.! между! опорой! и грузом! формируется наклонный сжимающий силовой поток. При первом нагружении на большей части длины наклонного силового потока (в средней части) деформации сжатия е^ распределяются равномерно,! а! с! приближением! к! опорной и грузовой площадкам! происходит
существенное! увеличение! этих деформаций.Распределение деформаций сжатия е^ по ширине наклонного сжимающего силового потока при первом нагружении имеет неравномерный характер! В! точках, расположенных по ширине полосы вблизи оси потока, т.е. в пределах ядра сжатия наклонного сжимающего силового потока
Рисунок 5.50 - Распределение деформаций Ех по ширине наклонного сжимающего силового потока в балке 1 -3:
---N = 1;
. N = 5 ■ 10
4-
N = 105 циклов; в
эпюрах 1см - 2,0 ■ 10
Рисунок 5.51 - Распределение деформаций по длине наклонного сжимающего силового потока в балке 1 -3:
---N = 1;
■ -Ж = 5 ■ 10
4-
= 105 циклов; в
эпюрах 1см - 0,6 ■ 10
Образование! и развитие! наклонных! трещин,
деформации сжатия е^ имеют максимальные значения. В направлениях к краям потока, т.е. за пределами ядра сжатия эти деформации уменьшаются (рисунок 5.50)! С! увеличением количества циклов нагружения из-за виброползучести сжатого бетона происходит непрерывное увеличение деформаций сжатия ешсхс по всей длине силового потока и поэтому происходит непрерывное увеличение полноты эпюры этих деформаций. характерных для изгибаемых
железобетонных элементов с малым пролетом среза, не вносит принципиальных
изменений в! напряженно-деформированное! состояние! элемента в! зоне! действия поперечных сил. Трещины лишь выделяют сформировавшийся на начальных стадиях нагружения! наклонный! поток! сжимающих! напряжений.! поэтому! с! увеличением количества циклов нагружения деформации сжатия е™00 внутри потока, выравниваясь по его! ширине,! возрастают! значительно! активнее,! чем! за! его! пределами.!Поперечные деформации е™0 имеют двухзначную эпюру распределения по длине наклонного сжимающего силового потока с первых циклов нагружения. По длине силового потока поперечные деформации е™0 распределяются неравномерно как при первом нагружении, так и в процессе циклического нагружения. В средней части на значительной длине силового потока деформации еявляются деформациями растяжения, а с приближением к опорной и грузовой площадкам они переходят в деформации сжатия и резко! увеличиваются! с! приближением! к! этим! площадкам! (рисунок 5.51).[Из! анализа деформированного состояния бетона в зоне действия поперечных сил железобетонных изгибаемых элементов с малым пролетом среза следует, что в этой зоне между точками приложения опорной реакции и груза образуется полоса концентрации деформаций (напряжений) в виде наклонного сжимающего силового потока, в пределах которой впоследствии и происходит усталостное разрушение железобетонного элемента при действии поперечных сил; внутри наклонного! сжимающего! силового! потока, вблизи опорной и грузовой площадок бетон работает в условиях двухосного сжатия, а между этими двумя зонами двухосного сжатия, в средней части наклонного сжимающего силового потока бетон работает в условиях сжатие-растяжение; в процессе циклического
1114 5 6
Рисунок 5.53 - Увеличение осевых напряжений в Рисунок 5.52 - Выравнивание осевых усилий в проденет арматуре в месте шр^четия с продольной арматуре по длине приопорной наклонной трещиной - и в сечении с
з°ны при циклическ°м нагружения при максимальным моментом „<7: в балках без
с = 2h :в балках без поперечной арматуры 1- , т-.™™-51 ~ г™», ,
° ° у у ^ поперечной арматуры 1- БСМ2-4; 2- БСМ1-1; 3-
БСМ1; 2- БСМ2-4; 3-БСМ3-4; в балках с БСМ3-4 и с поперечной арматурой 4- БСМ4-1
поперечной арматурой 4-БСМ4-1 дри с =2Ь
нагружения деформации сжатия е™00 в зоне сжатие-растяжение, выравниваясь по ширине
потока, возрастают значительно интенсивнее, чем за его пределами, и максимальные их значения наблюдаются в пределах ядра сжатия наклонного сжимающего силового потока; деформации растяжения е^ в процессе циклического нагружения вначале выравниваются по длине зоны сжатие-растяжение, а затем с увеличением количества циклов нагружения происходит непрерывное увеличение полноты эпюры деформаций растяжения.
Продольная! арматура! при! всех! пролетах! среза!0,9 с0<3 \ ^деформируется совместно с окружающим бетоном, значения деформаций незначительны вплоть до
Рисунок 5.54 - Увеличение деформаций в продольной арматуре в месте пересечения с наклонной трещиной в процессе циклического нагружения при с = 3Н : 1 - Б2-4; 2 - Б2-5; 3 - Б2-6; 4
Рисунок 5.55 - Изменение коэффициента асимметрии напряжений в продольной арматуре в месте пересечения с наклонной трещиной при с = 2к : 1 - БСМ1; 2 - БСМ1-5; 3 - БСМ2-4; 4 - БСМ2-5; 5 - БСМ3-4; 6 - БСМ4-1
образования трещин и распределяются в соответствии с эпюрой изгибающих моментов. Образование! и! развитие! наклонных! трещин! сопровождается! существенными качественными изменениями в напряженно-деформированном состоянии продольной арматуры при всех пролетах среза.
Одной из особенностей работы продольной растянутой арматуры является выравнивание осевых деформаций удлинения и напряжений растяжения в зоне действия переменных! изгибающих! моментов. Выравнивание! деформаций! и! напряжений! в элементах с большим пролетом среза (с0>2И0) начинается уже при первом нагружении после образования нормальных трещин в зоне действия поперечных сил, но особенно, при всех пролетах среза, усиливается после образования и развития наклонных трещин (рисунок 5.52)1 После! развития! наклонных трещин! происходит интенсивный рост деформаций и напряжений в местах пересечения продольной арматурой наклонных трещин, так что разница между деформациями и напряжениями по длине арматуры в
пределах проекции наклонной трещины уменьшается. Циклическое нагружение приводит
Однако полного выравнивания напряжений не
происходит,! причем выравнивание для балок! с! хомутами происходит в меньшей степени, чем для балок без хомутов. При этом в процессе
циклического нагружения в
продольной арматуре в
месте! пересечения! ею! наклонной! трещины возникают! и! накапливаются! остаточные деформации и напряжения, что является следствием виброползучести сжатого бетона, развития и раскрытия нормальных и наклонных трещин в приопорной зоне, уменьшения сил зацепления по наклонной трещине и т.д. В! результате! происходит непрерывное увеличение деформаций и напряжений в продольной арматуре в месте пересечения ею наклонной трещины (рисунки 5.53, 5.54). Увеличение текущих (суммарных) напряжений в основном происходит за счет накопления их остаточной части, т.е. за счет накопления дополнительных! напряжений! в! продольной! арматуре! из-за! виброползучести! бетона сжатой зоны. При этом знак дополнительных напряжений такой же, что и напряжений при первом нагружении. Поскольку увеличение напряжений происходит при минимуме и максимуме циклической нагрузки, а степень их возрастания различная, то это приводит к непрерывному увеличению фактического коэффициента асимметрии цикла напряжений рs(t) = c^mm(t)|<^lmac(t\ в| продольной! арматуре! в! месте! пересечения! ею! наклонной трещины! в! процессе! циклического! нагружения! (рисунки 5.55, 5.56).! Поэтому! с увеличением! количества циклов! нагружения! р8 (^ > р,! где! р -
к дальнейшему выравниванию осевых усилий (Рисунок 5.52).
в продольной арматуре в месте пересечения с наклонной трещиной: при
Со = ho : 1 - Б1-2; 2 - Б1-5; 3 - Б1-6; при с = 1,6^ : 4 - Б3-4; 5 - Б3-10; 6 - Б3-6; 7 - Б3-8; при с = 3ho : 8 - Б2-3; 9 - Б2-6; 10 - Б2-7; 11 - Б2-5; 12 - Б2-4.
Рисунок 5.57 - Характер изменения момента, воспринимаемого продольной арматурой в месте пересечения с наклонной трещиной, в процессе циклического нагружения в балках без хомутов: 1-БСМ1-1, 2- БСМ2-4, 3- БСМ3-4 и в балках с поперечной арматурой 4- БСМ4-1
Рисунок 5.58 - Характер изменения нагельных сил, воспринимаемых продольной арматурой в месте пересечения с наклонной трещиной в процессе циклического нагружения в балках без хомутов: 1- БСМ1-1, 2- БСМ2-4, 3- БСМ3-4 и в балках с поперечной арматурой 4- БСМ4-1
коэффициент! асимметрии! цикла! внешней! нагрузки.Щругой! особенностью! работы продольной! арматуры является! возникновение! резкой! разницы! в! деформациях! и напряжениях крайних волокон стержня в месте пересечения с наклонной трещиной. Это указывает на наличие не только растяжения, но и изгиба продольного стержня, т.е. в зоне пересечения с критической наклонной трещиной продольная арматура вместо осевого растяжения! начинает! испытывать! продольно-поперечный! изгиб,! в! ней! возникает нагельное усилие, обусловленное способностью арматуры препятствовать перемещениям частей элемента, разделенных наклонной трещиной. В результате, по мере увеличения
Рисунок 5.59 - Распределение деформаций в хомутах в Б1-1 в пределах наклонной сжатой полосы в процессе циклического нагружения:--N = 1; -
5 • 104 ; в эпюрах 1см - 1,4 • 10 2
1
4 / 1 г /з н\ М—^ / £ 1 \ 1—V 1
и" ,
1 С„=]1„ . л ' V
хомутах в Б1-2 в пределах наклонной сжатой полосы в процессе циклического
нагружения:--N = 1; - N = 5 • 104;
N'=1,5 • 106; в эпюрах 1см - 1,410-
количества циклов! нагружения! из- за! виброползучести сжатого! бетона,!раскрытия
наклонных трещин,1 уменьшения! сил! зацепления! и! т.д.! происходит непрерывное увеличение не только осевых усилий Nsm(XC(t) в продольнойарматуре, но и изгибающего момента Ы^ф и нагельных сил QГа (t) в месте пересечения ею критической наклонной трещины (рисунки 5.57, 5.58)
До образования наклонных трещин деформации стержней поперечной арматуры при всех пролетах среза незначительны и равномерно распределены по их длине. Образование! и! развитие! наклонных! трещин! сопровождается! существенными качественными! изменениями! в! напряженно-деформированном! состоянии! поперечной арматуры при всех пролетах среза. Стадия образования и развития наклонных трещин характеризуется интенсивным ростом деформаций растяжения поперечной арматуры и формированием зон их концентрации в местах пересечения стержней с трещинами (рисунки 5.61-5.65). Максимальные! деформации! по! длине! стержней при! первом нагружении наблюдаются при малых пролетах среза (с0< И0) - в местах пересечения с 1ой
и 2ой наклонными трещинами, при большихпролетах среза (с0 > 2И0)! и! средних! пролетах! среза (1,2И0 <с0< 2И0) - в местах пересечения стержней с критической наклонной
трещиной. По длине критической наклонной трещины при средних и больших пролетах среза максимальные деформации при первом нагружении наблюдаются у нижнего конца трещины, а при малых пролетах среза распределяются равномерно по длине 1ой и 2ой трещин. По мере увеличения количества циклов нагружения! происходит
интенсивный рост деформаций поперечной арматуры в местах пересечения с наклонными трещинами.! Вследствие
сечении по длине наклонного сечения с трещиной при циклическом нагружении:--N = 1;
N = lot; N = 7■ 105; в эпюрах 1см -1,8 ■ 10~2
Рисунок 5.63 - Распределение деформаций в хомутах Б 2-3 в процессе циклического нагружения---N = 1 ; _
N = 104 ;
в эпюрах 1см - 6 ■ 10
ослабления связей между поперечной арматурой и бетоном в процессе циклического нагружения происходит вы равнивание деформаций и напряжений в поперечной арматуре по длине стержней при малых пролетах среза- на участке между 1ой и 2ой наклонными трещинами, а при больших и средних пролетах среза - на участке от места пересечения с критической наклонной трещиной до продольной растянутой арматуры.
Характер распределения деформаций поперечной арматуры по длине наклонной трещины с увеличением количества циклов нагружения в элементах с малым и большим пролетом среза сохраняется таким же, как при первом нагружении, т.е.! в! первых! -равномерным, а во вторых - с максимальными значениями у
нижнего конца критической наклонной трещины. В! элементах! со средним пролетом среза с увеличением количества циклов нагружения деформации поперечной арматуры
Рисунок 5.64 - Распределение деформаций в хомутах при циклическом
нагружении в Б2-6: N =1;
N = 1о5;в эпюрах 1см
= 2 ■ 10
Рисунок 5.65 - Распределение деформаций в процессе циклического нагружения в хомутах Б 2-4 по длине наклонного сечения, проходящего по критической
трещине:---N = 1 ;-----N = 2 ■ 10
4 .
N = 105 ; в эпюрах 1см - 4 ■ 10
выравниваются! по! длине! критического! наклонного! сечения! и! распределяются практически равномерно. Увеличение деформаций и напряжений поперечной арматуры происходит за счет накопления их остаточной части, которые возникают вследствие
0 1 2 3 4 5 6
Рисунок 5.66 - Изменение коэффициента асимметрии цикла напряжений в поперечной арматуре при циклическом нагружении при Со = 3Ио: 1 - Б2-1; 3 - Б2-7; 3 - Б2-7; 4 - Б2-3; при
С = 1 6А : 5 - Б3-4; 6 - Б3-6; при с = И : 7 - Б1-5; 8 - Б1-2; 9 - Б1-6.
0^0 7 1 о о
виброползучести сжатого бетона. Остаточные напряжения в поперечной арматуре имеют тот же знак, что и напряжения при первом нагружении. Поэтому, так как увеличение напряжений происходит при минимуме и максимуме циклической нагрузки, а степень их возрастания различная, то это приводит к изменению фактического коэффициента
асимметрии напряжений рт= —т- в поперечной арматуре (рисунок 5.66), т.е.
)
фактический коэффициент асимметрии напряжений поперечной арматуры не совпадает с коэффициентом! асимметрии! внешней! нагрузки! р.! Для! всех! режимов! циклической нагрузки и при различных пролетах среза он возрастает по мере увеличения количества циклов! нагружения! и! всегда! больше,! чем! р,! который! в! процессе! испытаний поддерживается постоянным.
5.4. 1 Выявление зон концентрации напряжений железобетонных элементов при многократно повторяющихся нагрузках методом контроля гистерезисных
энергопотерь
Учитывая, что при пассивной тепловой стимуляции, например, многократно повторяющееся нагружение с большой частотой, для любой i- ой точки конструктивного элемента температура является функцией от диссипированной энергии в единице объема твердого тела, специально для выявления положений, форм и размеров зон концентрации напряжений в зоне действия поперечных сил, автором впервые был разработан и применен метод определения зон концентрации напряжений в строительных конструкциях, основанный на контроле гистерезисных энергопотерь (теплопотерь) с помощью тепловизора. Суть метода состоит в регистрации температурного поля на поверхности строительных конструкций, полученного в результате гистерезисных энергопотерь в процессе циклического нагружения, тепловизионной аппаратурой и последующем анализе термограмм с использованием ПЭВМ для обработки результатов и принятия решения.
В соответствии с предлагаемым методом определения зон концентрации напряжений, тепловидеоизображения поверхностей конструкций после циклического нагружения, полученные в невидимом человеческому глазу тепловом диапазоне (инфракрасном диапазоне волн) позволяют без соприкосновения с опытными образцами (это особенно важно при усталостных испытаниях) получать полную информацию о распределении температуры на поверхности образцов, выявлять температурные аномалии, несущие информацию о внутренних процессах строительной конструкции, потому что температура, как количественный показатель внутренней энергии конструкции, является её универсальной характеристикой. Имея информацию о распределении температуры на поверхности образцов, учитывая функциональные зависимости между температурой и энергией, между энергией и напряженно-деформированным состоянием можно получить качественную картину распределения наибольших напряжений, форму, размеры и положения зон, областей этих наибольших напряжений, крайне необходимых при разработке новых физических моделей усталостного сопротивления и новых методов расчета на их основе.
Для пояснения сути и основных принципов разработанного метода в первом приближении покажем функциональную зависимость температуры от параметров напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов. Поскольку зависимость между напряжениями и деформациями в бетоне нелинейная, то при
однократном кратковременном загружении полные деформации бетона можно представить в виде sb = sel + £pl, где se! и epl - соответственно упругие и неупругие
(пластические) деформации бетона. Деформирование сопровождается расходом энергии. При многократно повторяющихся нагрузках максимальный уровень действующих напряжений намного меньше предельного значения <7ь < <Jbu и в процессе циклического нагружения происходит неоднократное нагружение-разгружение. При N=1, вследствие развития мгновенных пластических деформаций, при первой загрузке и разгрузке образуется петля гистерезиса, например, при сжатии линия ОСС1 (рисунок 5.67). Площадь петли гистерезиса численно равна необратимой работе деформирования в каждом цикле. Основная часть этой работы переходит в тепло и рассеивается путем теплообмена.
Снятие (или уменьшение) нагрузки с неразрушившейся конструкции сопровождается мгновенным и запаздывающим восстановлением деформации и восстановлением затраченной энергии. Мгновенное восстановление деформаций обеспечивается упругими, как правило, линейными, свойствами сопротивления материалов; запаздывающее — упругим последействием.
По мнению В.М.Бондаренко, оба вида деформаций восстанавливаются не полностью — проявляется необратимость деформации. Значительная часть затраченной на первоначальное деформирование энергии не
восстанавливается, рассеивается. В этом суть явления
диссипирования энергии при деформировании твердых тел. Причем на теплообразование уходит до 80% диссипированной энергии. Количество диссипированной в единице объема
твердого тела энергии за один полный цикл нагружения-разгружения определяется площадью петли гистерезиса диаграммы материала [25-28].
Количество диссипированной в единице объема твердого тела энергии за один полный цикл нагружения—разгружения определяется площадью петли гистерезиса диаграммы материала [26]
smax s max < max <max
Awi1 = ds- ds = ^Sdai - ^Sdai , (5.4)
smin smin <min <min
где <Ji - нормальное напряжение в i- ой точке; s - реологическое уравнение
механического состояния материалов; ^ и ^ - значки, обозначающие соответственно нагружение и разгружение. Для упрощения записей индекс «b» при а и s для бетона не указаны. Представляя зависимость между деформациями и напряжениями в виде [25-28]
s = <0)So, (5.5) Eo
(< Т
So = 1 + v < , (5.6)
I Rb J
— = — - \ C(t,r)dT, (5.7) Кр Eo J <t) 5r V ^
to
площадь петли гистерезиса за один полный цикл нагружения—разгружения определяется как
vi 1 - 1 ^
Ам?п + »), (5.8)
Кркъ
где V, т - параметры нелинейности бетона; Е° - начальный модуль упругости бетона; С(г, т) - мера простой ползучести бетона.
Эта энергия переходит в тепло. Согласно закона сохранения энергии
А = Ам>„ = , (5.9)
где А - работа деформирования бетона в каждом цикле; J - механический эквивалент теплоты (джоулев эквивалент).
Количество теплоты Qil, необходимое для нагревания единицы объема твердого тела в пределах одного цикла пропорционально изменению температуры А Тп = Т п — Т0, где Т 0, Тп - соответственно температура ой точки до приложения и после приложения одного полного цикла нагрузки:
01 = сАТи, (5.10)
где с- удельная теплоемкость.
Из совместного решения (5.8) - (5.10) имеем
И 1 — 1
ЛТ п = - у -ст,
Е°°р • Жь • Ь •с
\Е°вр • Яь • Ь • с . (5 12)
2 + т ) . (5.11)
ст = ---лЛТп
1 2+т ( 1 Л 11
т И1 ——
\1 У 2 + т
Таким образом, на основании (5.11) температура в конкретной точке элемента повышается пропорционально уровню действующего в этой точке напряжения. С другой стороны, на основании (5.12), на полученных термограммах поверхностей конструкций, чем больше температура в данной точке должно быть, тем больше напряжение, действующее в данной точке. В этой связи распределение температуры нагрева перенапряженных участков на поверхности конструктивных элементов при циклическом нагружении необходимо использовать для нахождения зон концентрации напряжений, так как температура в этих зонах будет больше, чем в менее напряженных местах, тем самым эти зоны должны выделиться на термограммах поверхностей конструкций. Это один из тезисов, на котором базируется предлагаемый автором способ определения зон концентрации напряжений, основанный на методе контроля гистерезисных энергопотерь с помощью тепловизора.
Принимая во внимание, что за некоторый промежуток времени t , в течение
которого произошло N циклов равноциклового нагружения-разгружения гистерезисное поглощение энергии составляет ^ , для определения температуры в г- ой
N
У = 1
точке через N циклов нагружения имеем
N И | 1 — 1
Л Т1М = ? —-2 ' т ) • ст
Е° • Ж • Ь • с
У =1 ер Ль
2 + т ) (2 + т) (5.13)
При этом за этот промежуток времени t из-за теплопроводности бетона
происходит также рассеивание части тепла равного Q0 = q • t , где д - теплопроводность
бетона. В связи с тем, что бетон имеет высокую теплопроводность, в результате происходит быстрое остывание нагретых в результате циклического деформирования бетона зон концентрации напряжений, т.е. если бы теплопроводность бетона была бы мизерной (или нулевой), то температура внутри зон концентрации напряжений была бы гораздо выше, чем наблюдаем в опытах. В этой связи, чем больше циклов нагружения прикладывается за короткий промежуток времени (т.е. чем больше частота нагружения),
тем больше температура внутри зон концентрации напряжений и тем четче и нагляднее получаются термограммы поверхностей конструкций после циклического нагружения. Это другой тезис, на котором базируется предлагаемый метод определения зон концентрации напряжений.
Очевидно, что параметры динамики температурных полей на поверхности конструкций при циклическом нагружении зависят от уровня максимальной нагрузки цикла, частоты нагружения и пластического ресурса материала.
Методика проведения испытаний, опытные образцы, приборы и оборудование, которые применялись при выявлении зон концентрации напряжений в зоне действия поперечных сил железобетонных балок на основе предлагаемого метода были описаны выше в начале этого раздела.
Проведенные усталостные испытания железобетонных элементов на действие поперечных сил с применением тепловизионного контроля с помощью тепловизора-радиометра ИРТИС-2000 подтверждают достоверность предложенного автором способа определения зон концентрации напряжений и выдвинутое предположение о том, что в процессе циклического нагружения происходит определенный нагрев конструкции в зонах концентрации напряжений и за счет этого зоны концентрации напряжений четко выделяются на поверхности экспериментальных железобетонных балок и пластин (рисунки 5.68 - 5.76).
В результате этого установлены положение, форма и размеры зон концентрации напряжений, в железобетонных элементах в зоне действия поперечных сил при различных пролетах среза при многократно повторяющихся нагружениях. Как следует из полученных термограмм балок, области концентрации напряжений в зоне действия поперечных сил имеют четко выделенные области с превышением температуры на 0,3 -3 °С (после рассеивания существенной части энергии за счет теплопроводности бетона), по сравнению с температурой поверхности менее нагруженных областей (где нет концентрации напряжений, но в эти зоны также поступило часть тепла из зон концентрации напряжений). При этом в пределах самих зон концентрации напряжений распределение превышения температур имеет неравномерный характер, от 0,3°С в средних точках зон концентрации напряжений до 3°С и более - вблизи опорных и грузовых пластин (рисунки 5.68 - 5.75).
Таким образом, циклическое нагружение является тепловой стимуляцией материала конструкции в определенных областях, а именно, в областях, где возникают наибольшие напряжения и поэтому усиленно развиваются неупругие (пластические)
деформации,! что| повышает температуру! этих! областей материала! Поэтому! при циклическом нагружении, в местах концентрации напряжений, вследствие неупругого деформирования материала! конструкции, происходит определенный нагрев! этих зон. Определение! этих! температурных! аномалий! с! помощью! тепловизора позволяет установить форму, очертание и размеры зон концентрации напряжений в конструктивных элементах.
Анализ полученных термограмм позволяет установить главное - положение и форма зон концентрации напряжений в зоне совместного действия поперечных сил и моментов существенно зависят от относительного расстояния с0 между опорой и
грузом (относительного пролета среза), где с0 - расстояние от оси опоры до оси груза. Очевидно, это связано с тем, что в зоне совместного действия поперечных сил и изгибающих моментов! изменение параметра с0 ^Л приводит к изменению величин составляющих плоского напряженного состояния сгх,ау,тху в бетоне! и соотношения между ними. Поэтому, как следствие, изменение параметра с0 приводит к изменению траектории, форм, положений и размеров зон концентрации напряжений, что явно видно из указанных термограмм. В результате меняются механизм работы, механизм и форма усталостного разрушения элемента и расчетная схема.
Как! следует! из!рисунка! 5.68,
особенностью работы изгибаемых элементов! при! с0^Л < 1,2! является образование локальных полос напряжений, связанных с точками приложения сосредоточенных внешних усилий, в пределах которых и происходит усталостное! разрушение! Поэтому! при с0^0 < 1,2, в процессе циклического
нагружения, между опорной и грузовой пластинами выделяется полоса с более высокой температурой, что является
следствием концентрации сжимающих напряжений в пределах этой наклонной локальной полосы, в пределах которой из-за виброползучести бетона происходит усиленное развитие неупругих деформаций.
Jгiu•э
Г16'"
15.6
15.2
14.8
14.3
13.9 13-5
13.1 12-7
12.2 11.8 11. Ч
11. е <п с
Рисунок 5.68 - Термограмма железобетонной балки при с0/к0 = 0,96
При с0 /И0 > 2,5, еще до образования наклонных трещин, на термограммах балок
выделяется траектория наибольших главных сжимающих напряжений, положение которой связано не с точками приложения действующих на элемент внешних усилий и реакций опор (местное возмущение напряженного состояния ощутимо только вблизи этих точек и они незначительны), а с внутренними силовыми факторами, действующими в рассматриваемых по длине опорной зоны сечениях
Рисунок 5.69 - Термограмма железобетонной балки при с0/к0 > 2,5 перед образованием наклонных трещин
(моментами! и! поперечными! силами).!Еще! до! образования! наклонных! трещин! в приопорной зоне, в бетоне сжатой зоны зеленым цветом выделяется полоса более высоких напряжений, т.е. область, в пределах которой происходит концентрация напряжений в сжатой зоне балки (Рисунок 5.69). Высота этой полосы составляет примерно 0,20ко, т.е. концентрация напряжений в сжатой зоне балки происходит не в пределах всей высоты сжатой зоны, а только в пределах её определенной части, равной примерно (0,4 — 0,5)• х, где х- высотасжатой зоны балки. С увеличением количества циклов нагружения в
Рисунок 5.70 - Термограмма железобетонной балки при с01Ъ0 > 2,5 после образования наклонных
трещин
Рисунок 5.71 - Термограмма железобетонной балки при с0/к0 > 2,5 перед усталостным разрушением
растянутой зоне балки, внутри зоны наибольших напряжений, которая выделилась зеленым цветом, образовалась критическая наклонная трещина (рисунок 5.70) траектория критической наклонной трещины показана красной пунктирной линией, по которой в
конечном итоге и произошло усталостное разрушение балки по наклонному сечению. После образования критической наклонной трещины вдоль траектории наибольших главных сжимающих напряжений происходит концентрация напряжений в стержнях поперечной арматуры в местах пересечения с критической наклонной трещиной, а в бетоне сжатой зоны размеры полосы концентрации напряжений остаются такими же, как до образования критической наклонной трещины. Поэтому на термограммах балок с относительным пролетом среза|с0/^ > 2,5, полученной после приложения циклической нагрузки (рисунки 5.70 и 5.71) эти места в поперечной арматуре и область концентрации напряжений в бетоне над критической наклонной трещиной нагреваются и за счет этого выделяются от менее нагруженных областей. При этом следует отметить, что температурные аномалии в поперечной арматуре проявляются даже сквозь толщу защитного слоя бетона, т.е. внутри элемента (на поверхности арматуры) температура гораздо выше, чем на поверхности балок. Полоса концентрации напряжений в зоне чистого изгиба и под грузовой площадкойгоризонтальна, а с перемещением в область совместного действия изгибающего момента и поперечных сил - имеет угол наклона к горизонтали.
Как показывает сравнение термограмм с фотографиями характера образования и
развития усталостных трещин и усталостного разрушения, усталостное разрушение формируется и
происходит внутри зон наибольших
напряжений, установленных методом контроля гистерезисных энергопотерь с помощью тепловизора на самых ранних стадиях
нагружения. Усталостное разрушение балок с большим пролетом
характер усталостного разрушения (б) в зоне действия поперечных сил при среза т е при с0 !Нп > больших пролетах среза. ' 01
2,5, начинается в результате усталостного разрыва стержней поперечной арматуры в тех местах, где зафиксирована максимальная температура для каждого стержня поперечной арматуры! на! термограмме! балки.! Усталостное! разрушение! балок! завершается усталостным раздроблением сжатой зоны над критической наклонной трещиной в пределах локальной полосы максимальных напряжений в сжатой зоне, которая проявлялась на термограмме (рисунок 5.72). При с0/И0 < 1,2 усталостное разрушение происходит внутри локальных полос напряжений, связанных с точками приложения сосредоточенных внешних усилий (рисунок! 5.73). При! 1,2! <! с0/ИЛ <! 2! элементы
находятся на границе двух предыдущих расчетных случаев и поэтому в них проявляются особенности, как первых, так и вторых. В результате усталостное разрушение происходит с образованием критической наклонной трещины, но в то же время на напряженно-деформированное состояние и характер усталостного разрушения существенное влияние оказывают местные возмущения (концентрации) напряжений вблизи опорной и особенно грузовой! площадок (рисунок! 5.74).
Рисунок 5.73 - Термограмма балки после циклического нагружения (а) и характер усталостного разрушения (б) в зоне действия поперечных сил при со /Н0 = 1
Как показывает анализ! термограмм! бетонных! и! железобетонных! плоских элементов, при нулевом пролете среза (при местном сжатии) под грузовыми пластинами уже при первых циклах нагружения вначале! образуются! наиболее напряженные уплотненные объемы. Предлагаемый! автором! способ определения зон концентрации напряжений! позволил! выявить точное очертание уплотненных объемов под опорным и грузовым пластинами! (рисунок 5.75а). Действительно! на! основе! анализа этой термограммы можно констатировать, что под опорным и грузовым пластинами формируются уплотненные объемы бетона виде клина, контуры и размеры которых в начальной стадии нагружения четко проявились на термограмме зеленым цветом, т.е. впервые воочию удалось увидеть клин и сфотографировать под площадками загружения уже на начальной стадии загружения. В результате впервые экспериментально удалось доказать гипотезу клина, которую многочисленные исследователи принимают за основу при! разработке! различных! моделей! раскалывания! и! местного! сжатия.! Анализ! этих термограмм показывает, что под грузовыми пластинами возникают области с высокой температурой, так как уровень напряжений внутри этих областей намного выше, чем уровень напряжений в остальных точках элемента.! Очевидно такое резкое отличие, практически на порядок, связано не только с высоким уровнем напряжений сжатия а1с вдоль оси полосы,! а! также! возникновением! сжимающих! напряжений в
ортогональном направлении из-за эффекта обоймы под опорным и грузовым пластинами, возникающего из-за трения. Поэтому усиленное развитие деформаций виброползучести
max m x
под высокими сжимающими напряжениями а1с и а с в двух взаимно перпендикулярных направлениях, суммарная накопленная энергия в двух направлениях которой переходит только в тепло, приводит к резкому увеличению приращения температуры ATiN внутри этих зон.
Рисунок 5.75 - Термограммы плоских элементов с соотношением размеров Н/Ь = 1,33 в начальной стадии нагружения (а) и перед усталостным разрушением (б)
6.5. Экспериментальная проверка методики и методов расчета железобетонных элементов на выносливость при совместном действии изгибающих моментов и поперечных сил при различных пролетах среза
Для оценки достоверности разработанных методов расчета железобетонных элементов на выносливости при совместном действии изгибающих моментов и поперечных сил выполнено сопоставление результатов расчета с опытными данными. Сопоставление результатов расчета по разработанным методам расчета выносливости железобетонных изгибаемых элементов в зоне действия поперечных сил с опытными данными представлено на рисунках 5.76 - 5.80. Теоретические результаты удовлетворительно согласуются с экспериментальными. Об эффективности разработанных методов расчета свидетельствуют результаты статистической обработки. Наиболее наглядным сопоставление становится, если на основе разработанных методов расчета построить теоретические линии выносливости и на них нанесены опытные точки. На рисунках 5.81 - 5.85 построены теоретические линии выносливости железобетонных балок на основе новой методики расчета на выносливость, на основе упругого расчета, на основе методики Еврокода 2, по результатам расчета методом конечных элементов в ПК
Лира и ПК Ansуs и нанесены опытные точки усталостных испытанийжелезобетонных балок на действие многократно повторяющихся нагрузок. Как видно из рисунков 5.81 - 5.85 результаты испытаний
железобетонных балок с различными пролетами среза плотно ложатся на теоретические линии выносливости,
построенные на основе новой методики расчета на выносливость, что
Рисунок 5.76 - Сопоставление расчетных и опытных значений выносливости железобетонных балок с свидетельствует о хорошей пролетом среза со = 0,93к° при I ¡к > 0,3
сходимости результатов расчета с экспериментальными данными.
1,2
1,1
1,0
0,9
Q О
■^теор /
> т 5 42
^теор
ОТ
= 1,01
и = 0,1
1,2
1,1
1,0
0,9
^^теор ! ^^о
42 с* «ч >
<<теор Ооп = 0,987 и= 0,1
1,2
1,1
1,0
0,9
<2теор
> "ч оо оо
«ч «ч «ч «ч «ч
<<теор
= 1,03
и = 0,1
Рисунок 5.77 - Сопоставление расчетных и опытных значений выносливости железобетонных балок с пролетом среза Со = 0,93К при г5ир/К < 0,3
Рисунок 5.78 - Сопоставление расчетных и опытных значений выносливости железобетонных балок с пролетом среза при
Со = 1,6 • К
1,2
1,1
1,0
0,9
О <
С
а
8
и
и
ч2
Отеор
= 1,04
и = 0,1
1,2
1,1
1,0
0,9
О <
■^теор / о.
«ч > "ч 42 оо с*
<<теор
= 0,97
и = 0,1
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.