автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Выносливость нормальных сечений изгибаемых железобетонных элементов при переменных режимах многократно-повторной нагрузки

П

> ; и

ОД

на правах рукописи

ЛОПАТИН Андрей Николаевич

УДК 624.012.45

ВЫНОСЛИВОСТЬ НОРМАЛЬНЫХ СЕЧЕНИЙ ИЗГИБАЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ПЕРЕМЕННЫХ РЕЖИМАХ МНОГОКРАТНО-ПОВТОРНОЙ НАГРУЗКИ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново 1998

Работа выполнена в Московском государственном строительном университете (МГСУ) и Ивановской государственной архитектурно-строительной академии (ИГАСА).

Научный руководитель: - доктор технических наук,профессор

А.П.Кириллов

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Ю.А.Павлов

- кандидат технических наук, доцент Джингвелашвили Г.А.

Ведущая организация - АО "Проыграхданпроект" г.Иваново

Защита состоится 19 мая 1998 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 114.09.01 при Российском государственном открытом техническом университете путей сообщения по адресу: 125808, г. Москва, ГСП-47, ул. Часовая, д. 22/2, ауд.337

Автореферат разослан 16 апреля 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, профессор

Б.В.Зайцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Широкое развитие промышленного строительства приводит к увеличению количества железобетонных конструкций, их типоразмеров, возрастанию конструктивных форм и разнообразию условий работы материала. Эти факторы значительно повышают требования к обеспечению надежности конструкций. В решении задач повышения качества строительных конструкций одной из важнейших является предотвращение их разрушения, выявление фактической несущей способности и создание качественного аппарата расчета несущей способности конструкций, работающих в различных условиях.

Наиболее неблагоприятные нагрузки действуют на конструкции энергетических объектов. Наряду со статическими, эти конструкции подвергаются весьма значительным динамическим воздействиям, параметры которых в процессе работы меняются в широком диапазоне. В качестве примера таких конструкций можно назвать подкрановые балки, опорные и пролетные конструкции перегрузочных машин, все железобетонные элементы, на которые передаются динамические нагрузки от технологического оборудования. Поэтому для выполнения своего назначения такие конструкции должны быть рассчитаны и запроектированы соответствующим образом. Такая постановка задачи требует установления, во-первых, всего разнообразия нагрузок, действующих на конструкцию как в процессе монтажа, так и в процессе работы конструкции. Во-вторых, необходимо знать те пределы напряжений, которые железобетон может безопасно выдерживать. Множество подобных типов нагрузок ставит вопрос о способности материала выдерживать эти воздействия.

Цель работы; Разработка на основе проведенных экспериментальных исследований методики расчета на выносливость железобетонных элементов по нормальным сечениям, учитывающей изменчивость характеристик цикла многократно-повторной нагрузки во времени.

Основные задачи исследования:

- вывести уравнения для определения напряжений в бетоне и арматуре железобетонного элемента от действия многократно-повторной нагрузки переменного типа;

- оценить остаточную прочность бетона сжатой зоны с позиций механики разрушения;

- установить зависимости изменения остаточной прочности бетона сжатой зоны в процессе работы конструкции при действии многократно-повторных нагрузок, изменяющихся во времени;

- установить зависимости изменения остаточной прочности растянутой арматуры в процессе работы конструкции при действии многократно-повторных нагрузок, изменяющихся'во времени;

- установить зависимости изменения модуля упругости бетона, коэффициента интенсивности напряжений при действии многократно-повторных нагрузок, изменяющихся во времени;

- установить закономерности развития трещин в бетоне сжатой зоны железобетонного изгибаемого элемента;

- провести экспериментальные исследования, позволяющие подтвердить особенности изменения остаточной прочности (выносливости) бетона и арматуры при действии переменных многократно-повторных (циклических) нагрузок;

- разработать инженерную методику оценки выносливости железобетонных изгибаемых элементов при действии многократно-повторных нагрузок с переменными характеристиками цикла.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана методика определения напряженно-деформированного состояния нормальных сечений железобетонного изгибаемого элемента при расчете на выносливость от действия внешней нестационарной многократно-повторной (циклической) нагрузки блочного типа;

- выведены уравнения для определения деформации ползучести при нестационарной многократно-повторной (циклической) нагрузке блочного типа;

- выведены уравнения для определения модуля упругости бетона

и коэффициента интенсивности напряжений в вершине усталостной трещины, возникающей в результате действия сжимающих напряжений в сжатом бетоне от нестационарной внешней нагрузки:

- выведены уравнения, описывающие развитие суммарной микротрещины в бетонном теле и рассмотрены критерии ее развития;

- выполнено экспериментальное исследование, подтверждающее особенности изменения остаточной прочности бетона и арматуры при действии переменных многократно-повторных (циклических) нагрузках блочного типа.

Практическое значение работы состоит в том, что в ходе теоретических исследований определены уравнения напряженно-деформированного состояния, уравнения изменения модуля упругости бетона и коэффициента интенсивности напряжений в вершине усталостной трещины при расчете на выносливость нормальных сечений железобетонных изгибаемых элементов от действия внешней нестационарной циклической нагрузки блочного типа. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы при разработке рекомендаций по расчету на выносливость железобетонных изгибаемых элементов при действии нестационарной циклической внешней нагрузки, а так же при составлении проектов, дополнений и редакций соответствующих нормативных документов.

Апробация работы. Результаты исследований доложены:

- на шести областных научно-технических конференциях, состоявшихся в Ивановской ГАСА (1987, 1989, 1990, 1991,1992,1996 гг.);

- на научном семинаре кафедры "Строительные конструкции энергетики" Московского государственного строительного университета (1990 г);

- на научном семинаре кафедры "Строительные конструкции" Ивановской государственной архитектурно-строительной академии (1994 г);

Публикации.По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения с основными выводами, двух приложений. Она содержит 175 страниц машинописного текста, включая 24 таблицы, 37 рисунков, список литературы из 157 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и изложено краткое содержание работы.

Первая глава диссертации посвящена анализу экспериментальных исследований прочностных и деформативных характеристик бетона и арматуры при воздействии многократно повторных внешних нагрузок, обзору современных предложений по расчету усталостной прочности нормальных сечений железобетонных изгибаемых элементов при переменных режимах циклической нагрузки,анализу усталостного разрушения железобетонных элементов при действии нестационарной циклической нагрузки, обоснованию необходимости дальнейших исследований, определению целей и задач диссертационной работы.

Известно, что железобетонные конструкции промышленных сооружений энергетического строительства подвержены воздействию многократно-повторных внешних нагрузок, имеющих широкий диапазон изменения своих характеристик в процессе работы.

Работы, посвященные совершенствованию уравнений напряженно-деформированного состояния конструкций при динамическом воздействии, в различное время были выполнены A.A. Гвоздевым, Г.К. Евграфовым, О.Я. Бергом, А.И. Ивановым-Дятловым, И.А. Матаровым,

A.n. Кирилловым, В.Н. Байковым, H.H. Поповым, Б.С. Расторгуевым,

B.Я. Бачинскиы, E.H. Пересыпкиным, И.Т. Мирсаяповым, В.П. Крамским и другими авторами.

По мере накопления результатов экспериментальных исследований предлагались различные модели расчета железобетонных элементов на выносливость. Почти все они относятся к случаю действия внешних циклических нагрузок с постоянными характеристикими цикла и не учитывают возможность изменения параметров внешней нагрузки во времени.

Однако, в реальных условиях конструкции подвержены в основном нестационарному циклическому воздействию, т.е. при рассмотрении напряженно-деформированного состояния во времени необходимо учитывать по крайней мере три различных этапа работы конструкции во времени: начальный режим циклического нагружения, основной ре-

жим и режим остановки. Кроме того, И.Т.Мирсаяповым установлено, что даже при действии стационарной циклической нагрузки с постоянными Мпах и Рм, бетон сжатой зоны и растянутая арматура испытывают действие напряжений с переменным режимом.

В свою очередь, многочисленными исследователями показано, что характеристики внешней циклической нагрузки в значительной мере влияют на пределы выносливости бетона и арматуры.

При действии циклических нагрузок в теле бетона накапливаются усталостные повреждения. Одним из методов учета усталостных повреждений является принцип линейного суммирования повреждений, заключающийся в том , что каждый остающийся неизменным цикл добавляет к повреждению одну и ту же величину, т.е. повреждения суммируются от цикла к циклу. Считается, что если образец при заданной амплитуде напряжений б способен выдержать N циклов, то после п циклов в нем накопится повреждение, равное N/n. Если амплитуда останется неизменной, то разрушение произойдет тогда, когда накопленное суммарное повреждение станет равным единице или:

i

E(ni/Ni)=l (1)

1

Однако, теория линейного накопления повреждений имеет ограниченные пределы применимости. Она позволяет точно определить долговечность образца при переменных режимах многократно-повторной нагрузки (нестационарных режимах), где все амплитуды превышают уровень предела выносливости и отсутствуют резкие всплески перегрузок (амплитуд). Но для таких спектров, когда наряду с малыми амплитудами присутствуют амплитудные значения много большие, чем предел выносливости, необходимо учитывать последовательность приложения переменных амплитудных напряжений.

При действии циклических нагрузок наиболее частой причиной разрушения конструкций является развитие в них усталостных трещин. Причем эти трещины, например в изгибаемых элементах, могут возникнуть как в растянутой, так и в сжатой зоне бетона.

С точки зрения теории механики разрушения большинство иссле-

дователей относят бетон к квазихрупким телам, поэтому вопросам изучения поведения усталостной трещины при циклических нагрузках, изменения усталостной прочности материала и напряженно-деформированного состояния тел при действии циклических нагрузок в зависимости от количества циклов нагружения, геометрических размеров и максимальной амплитуды напряжений цикла уделяется большое внимание. При этом составляются различные модели разрушения, в основе которых лежат те или иные критерии (коэффициент интенсивности напряжений, критическое раскрытие трещины в ее конце, предельное напряжение в концевой области, критическая длина трещины, энергетический критерий и другие).

Эти вопросы применительно к железобетонным элементам конструкций нашли свое отражение в работах А.А.Каминского, Л.П.Трапе зникова,Е.Н.Пересыпкина, В.В.Панасюка, Г.П.Черепанова,И.Т.Мир-саяпова и др.

В заключении главы определяются задачи и цели работы.

Во второй главе приводятся теоретические исследования напряженно-деформированного состояния железобетонного изгибаемого элемента при расчете на выносливость нормальных сечений при действии нестационарной циклической нагрузки.

Режим многократно-повторной нагрузки, при котором характеристики текущего цикла (амплитуда, коэффициент асимметрии, уровень нагрузки и др.) в общем случае не совпадают с характеристиками предыдущего и последующего циклов, назван нестационарным.

Для выявления напряженно-деформированного состояния нормальных сечений железобетонных конструкций при нестационарном режиме внешней многократно-повторной нагрузки случайный процесс заменяется блочным. Блоки нагружения формируются произвольно (рис.1),причем в пределах одного блока нагружения в интервале N1 внешний момент М|"1ак и коэффициент асимметрии Рш цикла остаются постоянными.

За основу для вычисления напряжений в бетоне и арматуре принята трапециевидная эпюра напряжений в сжатом бетоне в предположении , что она изменяется от треугольной к трапециевидной с переменной высотой участков постоянных напряжений (рис.2).

Поэтому полные значения напряжений в бетоне и арматуре в

Mea* MR

Мя

г

м Т"

Mf

Ir

I I I I I I

i_i

N

Ni

N,

Ni

Рис.1 Блочная модель изменения внешней нагрузки

Рис. 2 Схема усилий и эпюра напряжений при расчете на выносливость по нормальным сечениям

конце каждого ¡-го блока нагружения представлены в виде суммы напряжений в начальной стадии нагружения ¡-го блока и

остаточных напряжений бд°п:

= + д°л

(2)

бы»" = бъ1"*(и) + бы*оп

Начальные напряжения в х-том блоке нагружения б81"а*^о) и бы*ах(1о) определены в виде:

бы"аз[(1о) = ВМ1""(1о)

(3)

ба1"а*(1:о) = СОМ1»а* (и ) ,

где

СС( 1 - (,) 2

с = - ; 1) = -

(1 - хк АьЬо4[1 + X - 0,334(1 + х + Хз)]

Остаточные напряжения представлены в виде:

б„1Доп = ; было» = (-2/3)МЕ £1 , (4)

где £1 - вычисляется по формулам (5) или (6) в зависимости от соотношения М1"ах(1о) и М1-1"х(1о):

-для режимов блочного нагружения с постоянно повышающимися уровнями внешней нагрузки, т.е. при М1тах > М|-1"ах (1 = 1...п):

Г /п\ п г /п лм

Е1 = Си и ) |бы"" ТI Е N4 | + Е |Лбы ^ | Е N1 | | | (5)

4 = 1 > 1=2^ ^ = 1 >>>

-для режимов, когда внешняя нагрузка снижается от блока к блоку, т.е. М1"ах<М1-1"ах Ц=п...п+т):

I /-п+т \ r n / n \

Ei = Cr (t,to ){6bi«« 'f I E Ni | + | E Абы ■ f | I Nj | +

4 4 = 1 ' 4 = 2 4 = 1 '

n+m /n+m м\

+ £ (6k - A6k)-f| E Nj ||> - £*,пс' , (6)

k=n 4 = 1

где Дбк - сумма всех приращений напряжений, действующих на нисходящей ветви нагружения, за исключением предыдущего ((i-l)-ro) блока; Ех.пс1 - деформация последствия (обратной ползучести ).

Коэффициент асимметрии цикла при расчете на выносливость при переменных режимах нагружения так же меняет свое значение в процессе нагружения. Если при первых циклах нагружения Pst = Ры = Рм, где pst, Pbt - коэффициенты асимметрии цикла в растянутой арматуре и в сжатом бетоне,а Рм = M®in/Mnax, то при увеличении количества циклов нагружения и, как следствие, накоплении неупругих (остаточных) деформаций в бетоне и арматуре величины Pst и ры становятся отличными от Рм:

Ч

б8 (to )Рм1 + 6siXou J

P.t» = - f

бе ( to ) + бе |

> (7)

6bi»a*(to)Pui + бы «on j Pbt' = - |

бы«" ( to ) + бы*оп |

!

Выносливость железобетонных конструкций будет обеспечена, если максимальные напряжения в бетоне бы"а* и арматуре б„¡т&х в любой момент времени не будут превышать остаточную прочность бетона и арматуры при переменных режимах многократно повторной циклической нагрузки.

Однако отметим , что для целого ряда железобетонных конструкций, работающих в условиях циклического нагружения, определя-

ющей является прочность бетона. Поэтому, в данной работе теоретическое исследование касается только определения остаточной прочности бетона.

Остаточная прочность и характер ее изменения при переменных режимах внешней нагрузки бетона оценивалась с позиций механики разрушения и представлена в виде функционала, зависящего от коэффициента интенсивности напряжений в вершине трещины, возникающей в бетоне при действии напряжений бы«®*.

Учитывая то, что коэффициент интенсивности напряжений определяется исходя из размера возникающих в бетонном теле, трещин, за основной критерий разрушения принята условная критическая длина магистральной трещины, выраженная в виде суммы трех составляющих:

l(í,t) = lo(to) + ln(t) + ly(t), (8)

где lcn(to) - суммарная длина трещины от действия длительной статической нагрузки до приложения циклической нагрузки, -1п (t) -длина усталостной трещины, обусловленной ползучестью, материала, ly(t) - длина усталостной трещины, обусловленной усталостью материала.

В целях упорядочения рассмотрения изменения усталостной прочности бетона при переменных режимах циклической внешней нагрузки , в модели нагружения выделялись участки с последовательно повышающийся режимом работы (бы■»»<бы♦i) и последовательно понижающимся режимом работы (быяах>бы»1ва*) , впервые введено понятие эквивалентного режима, соответствующего варианту с усредненным уровнем нагрузки в течение всего времени работы конструкции, при котором справедливы законы изменения усталостной прочности, разработанные для циклического нагружения с постоянными характеристиками цикла.

Далее, в результате проведенных теоретических исследований установлено, что изменение усталостной прочности, рост.магистральной трещины при переменных режимах циклической нагрузки существенным образом отличаются от тех же процессов, происходящих при постоянных характеристиках цикла.

Рассмотрены зависимости изменения меры ползучести C(t,to),

модуля упругости бетона, коэффициента интенсивности напряжений.

Разработан критерий роста суммарной трещины в течение всего времени нагружения в бетонном теле и рассмотрены особенности процесса ее развития при изменении уровня нагрузки.

Теоретически доказано, что при некоторых условиях, например, снижении уровня нагрузки, в зависимости от отношения Ní-i/Ní (Ni-количество циклов i-ro блока нагружения), может происходить замедление (временная остановка) роста суммарной трещины, а, следовательно, увеличение остаточной прочности бетона, по сравнению с эквивалентным режимом циклической нагрузки.

Для выяснения правильности теоретических выводов проведены экспериментальные исследования по определению остаточной прочности бетона и арматуры при переменных режимах многократно-повторной внешней нагрузки.

В третьей главе приводится методика проведения экспериментальных исследований.

Экспериментальные исследования состояли из следующих этапов: изготовление опытных образцов,исследование физико-механических свойств бетона и арматуры,наклейка и изоляция тензодатчиков сопротивления ,загружение экспериментальных образцов, контроль нагрузки в течение опыта, измерение деформаций бетона и арматуры, изучение образования и развития силовых усталостных трещин и трещин, обусловленных ползучестью бетона в сжатой и растянутой зонах, обработка результатов испытания.

Образцы проектировались и изготавливались с учетом особенностей исследования, целью которого было изучение выносливости сжатого бетона, растянутой арматуры и железобетонных изгибаемых элементов. Для этого были изготовлены три типа образцов:

- железобетонные балки (100Х200Х1600 мм);

- бетонные призмы (100х100*400 мм);

- образцы арматуры (016 AIII и 020 AIII).

Изготовленные образцы имели следующие конструктивные особенности:

- количество рабочей арматуры в балках назначалось таким образом. чтобы получить вид разрушения по сжатому бетону;

- для изготовления образцов использовались наиболее расп-

ространенные в настоящее время классы бетона и арматуры;

- конструкция моделей с точки зрения относительных геометрических размеров Ь/1 и Ь/1 в наибольшей степени отвечала реальным конструкциям. Общее количество образцов - 73.

Образцы изготавливались на комбинате производственных предприятий (производство N2) ПО "Ивановожелезобетон" г. Иваново.

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории кафедры "Строительные конструкции" Ивановского инженерно-строительного института на универсальной испытательной машине МУП-100 (динамика) и прессе П-125 (статика).

Прочностные и дефорыативные характеристики бетона и арматуры определялись при статических и повторяющихся нагрузках путем испытания образцов, изготовленных из тех же партий, что и рабочие образцы.

Оценка воздействия многократно-повторной нагрузки при постоянных и переменных характеристиках цикла проводилась путем сравнения несущей способности исследуемого образца при повторной нагрузке с ее статической несущей способностью. Поэтому перед испытаниями на динамическую нагрузку несколько образцов.лз каждой серии испытывались на статическое загружение. ,.

Образцы балок испытывались по схеме "свободно-опертая балка". Нагружение производилось в третях пролета двумя сосредоточенными силами, расчетным лролетом 120 см. Нагрузка на балку передавалась с помощью металлической траверсы в двух точках: в одной - через подвижный, а в другой - через неподвижный стальные катки.

Бетонные призмы испытывались равномерно распределенной сжимающей нагрузкой по торцам. Для создания более полной имитации равномерной нагрузки торцы призы выравнивались с помощью тонкого слоя из цементно-песчаного раствора.

Образцы арматуры испытывались на растяжение. Статические и начальные параметры многократно-повторяющейся нагрузки задавались и контролировались по показаниям измерительных приборов испытательной машины.

В процессе испытаний на действие циклической нагрузки принимались следующие значения отдельных параметров: 0) = 315 цикл/мин;

480 цикл/мин; р = 0.33; 0.4; 0.5; 0.6. Образцы испытывались по следующим режимам нагружения: стационарному (когда все параметры цикла оставались постоянными в период всего испытания) и нестационарному. Для определения предела выносливости при нестационарном режиме нагрухения случайный процесс заменялся блочным. Блоки формировали из десяти ступеней. Состав типовых блоков и порядок следования ступеней N1 при двух рехимах блочного нагрухения приведены на рис.3.

Результаты усталостных испытаний обрабатывались методами математической статистики.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований усталостной прочности бетона, арматуры и моделей железобетонных балок при переменных режимах циклической нагрузки.

Результаты испытания на выносливость бетонных призм при стационарном режиме нагружения приведены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты испытаний серии N 8

1 Площадь 1 1 1 |Количест- 1

| об— сечения, бъ-»1 , кря = | Р во циклов 1еЫ |

| раз- А, см2 кг/см2 кг/см2 бъ"*/Къ | |до разру-

| Ц& шения N

| 33 103.02 235.87 78.62 0.9396 | 0.33 1 | 480 2.68 |

1 34 100 204.0 68.0 0.8126 | 0.33 1 | 43680 4.64 |

| 35 100 180 60 0.716 | 0.33 1 | 93120 4.97 |

| 36 103.5 144.9 48.3 0.575 | 0.33 I | 2259600 1 6.354'|

| 37 93.38 176.68 58.89 0.704 | 0.33 1 ( 201408 5.30 |

| 38 92.5 233.5 77.84 0.93 | 0.33 1 | 1440 3. 15 |

| 39 100 166.2 55.4 0.662 | | 0.33 1 | 603360 5.78 | 1

к5

к4 I-1 к6

. к2 [¿8 к1 1—'

N

а).

к.

к

к,

з Г

±1

_Г

10

■кбГ

-7 Г

N

б).

Рйс.З Режимы блочного нагруження

а), первый режим блочного нагружения

б), второй режим блочного нагружения

к1 - уровень напряжений на ¡-том этапе N1 - продолжительность 1-го этапа в циклах

* - образец разрушен статической нагрузкой после указанного

количества циклов. После обработки данных эксперимента методом наименьших квадратов получено уравнение выносливости и величина предела выносливости на базе N=2"10* циклов для бетонных призм серий 8, 9. 10:

Испытания на усталость при блочном нагружении выявили, что предел выносливости образцов с последовательно повышающимся уровнем нагрузки (восходящая ветвь на рис.3), остался идентичным по сравнению с пределом выносливости эквивалентного стационарного режима. Т.е. для случая, когда уровень напряжений блоков нагруже-ния последовательно повышается, справедлив закон линейного накопления повреждений.

Пределы выносливости образцов, работавших по режимам, где имелись отрицательные Аб1 (т.е. имело место снижение уровня напряжений), оказались выше предела выносливости эквивалентного стационарного режима.

Данные по увеличению предела выносливости при переменных режимах приведены в таблице 2.

Величина возрастания предела выносливости после обработки экспериментальных данных записана в виде

1фн = 1.275 - 0. 1071^И;

(9)

0.2

Ць = 1 + - ЕДбы

65 к

N1-1

N1

(Ю)

где к - количество блоков нагружения, в которых бы"*<бъ 1 -1 "х ; N1-1, N1 - количество циклов нагружения в 1-1 и 1-том блоках нагружения .

Таблица 2. Увеличение предела выносливости при переменном режиме циклической нагрузки

1 1 N 1 N Уровень нагрузки эквива- 1 ------ " 1 Предел выносливости в % |

I серии образца лентного стационарного к эквивалентному стацио-|

режима, кэкв нарному режиму 1

40 0.666 99 0 |

41 0.676 101 0 |

43 0.667 99 0 |

1 9 44 0.680 100 0 |

45 0.685 101 0 |

48 0.663 102 3 |

49 0.667 98 4 |

1 10 46 0.607 138 0 |

47 ....... 0.637 139 | 0 |

Разрушение при динамическом нагружении происходило с образования пирамиды продавливания в торцевых областях призмы. Плоскости, по которым располагались разрушающие трещины от пирамиды продавливания, имели наклон к центральной трещине под углом 45°.

Испытания на усталость арматурных стержней также проводились по двум типам динамического блочного нагружения.

После статистической обработки результатов, полученных в ходе эксперимента, было выявлено увеличение выносливости арматурных стержней, работающих при блочном нагружении по сравнению с эквивалентным стационарным.

Отмечено, что при первом типе режима нагружения (при последовательном повышении и последовательном уменьшении параметров циклической нагрузки) подобное увеличение происходит в среднем на 16 %, во втором ( когда имелись значительные скачки в сторону уменьшения параметров нагружения) - на 26,5 %.

В итоге определена величина повышения предела выносливости арматуры при переменных режимах многократно-повторной блочной нагрузки:

0.3 N1-1

ть = 1 +-ЕЛб»! - , (ц)

440 к N1

где к - количество блоков нагружения, в которых 4«ах<6$4_,«ах. N1-1, N1 - количество циклов нагружения в 1-1 и 1-том блоках нагружения .

Усталостное разрушение арматурных стержней независимо от уровня и режима нагружения происходило хрупко без образования "шейки". Усталостный разрыв стержней происходил в средней части, чему способствовал предварительный наклеп, создаваемый в концевых (в зоне захвата) зонах. Разрушение арматурных стержней начиналось с образования усталостных трещин в местах пересечения продольных и поперечных ребер.

В сечениях обрыва наблюдались три характерные зоны: главная (пришлифованная) блестящая зона (пятна усталости); серая шероховатая зернистая зона; серая шероховатая крупнозернистая зона, имеющая неправильную поверхность, плоскость которой расположена под углом Л = 40° ...50° к плоскости усталостной трещины.

В данных исследованиях впервые отмечено, что перечисленные основные зоны в некоторых образцах состояли из нескольких участков. Так, пятна усталости в большинстве образцов были разделены на три участка в зависимости от цвета - темный, серый и светлый. Пятна усталости показывают места образования и начальные размеры усталостных трещин на I стадии разрушения.

Вторая характерная зона отображает развитие магистральной усталостной макротрещины. Размеры зерен (бороздков усталости) указывают длину скачка макротрещины на II стадии усталостного разрушения. Характерные размеры бороздков усталости 0,01...0,1 мм в зависимости от уровня максимальной нагрузки цикла.

Третья зона - это участок окончательного долома арматурного стержня. Обычно располагалась параллельно или перпендикулярно поперечным ребрам на поверхности стержня. Структура материала в этой зоне аналогична структуре при статическом разрушении в шейке ("рваная" поверхность).

Для подтверждения вывода об увеличении предела выносливости были проведены контрольные испытания моделей железобетонных балок на стационарную и переменную (нестационарную) внешнюю циклическую нагрузку.Испытания проводились по аналогичным режимам нагружения бетонных призм.

Результаты испытания опытных балок на динамическую нагрузку с постоянными характеристиками цикла представлены в таблице 3.

Таблица 3. Результаты испытания опытных балок

1 ■■ - ■■ 1 |Балка | Сечение, Длина, Уровень нагруз- "1 Ы'до I 1

1 1 см см ки, крм=м*вж /Мв разрушения| N |

1 1 | Б1(1)-2| 10.6*20 160 0.6110 356300 | 5. 55000 |

| Б1(1)-3| 11.5X20 160 0.5882 196850 | 5. 29000 |

| Б1(1)-4| 10.5X20 160 0.6148 620000 | 5. 79230 |

| Б1(2)-1| 10.6X20 160 0.9280 10612 | 4. 02579 |

| Б1(2)-2| " • 11.1X20 160 0.8922 420 | .1 2. 62325 | ......1

Отметим, что уравнение линии выносливости по балкам совпадает с уравнением линии выносливости бетонных призм.

После обработки результатов эксперимента по методу наименьших квадратов получено следующее уравнение линии выносливости:

кРн = 1.225 - 0.10305^, где кРн=М»"/Мя , (12)

при N = 2'106 циклов = 6.3) значение относительного

предела выносливости равно кр = 0,575.

Все балки, испытанные на выносливость при переменных режимах внешней циклической нагрузки, доводились до физического разрушения. Разрушение всех балок произошло также по сжатой зоне бетона. В процессе испытаний фиксировались значения полных и остаточных деформаций в бетоне сжатой зоны и растянутой арматуре.

Характеристики режимов нагружения, продолжительность ступеней многократно-повторной нагрузки приведены в таблице 4.

Таблица 4. Параметры режимов нагружения

[.............. | Балка 1 1 н | этапа 1 1 М"*, | кгс'см | 1 кгс-см 1 1 1 1 -к! |N1.цикл 1 Г "1 Ем | 1 Р1 |

| Б1(2)-3 1 | 1 1 2 1 3 | 4 1 1 58499.46 65980.90| 58499.46) 65980.90| 29249 32990 29249 32990 о о о о 1 6490) 7320) 6490 | 7320 | 350 55000 1200 59550| 0.5 |

| Б1(2)-4 1 | 1 1 2 1 3 1 1 59061.43| 83693.60 77628.92) 29530 41846 38814 1 |0. )0. |0. 1 1 6330| 8970 | 8320) 3000 300 3465 6765) 0.5 )

| Б1(3)-1 1 | 1 1 2 1 1 154287 | 132937 | 1 77143 66468 1 |0. |0. 1 1 8600 | 7410) 1 2000 45600 47600) 0.5 |

| В1(3)-3 1 | 1 | 2 1 3 1 1 143522.00) 127376.48| 130426.34) 1 71761 63688 65213 1 |0. |0. |0. 1 1 8000 | 7120 | 7270 | 1 8000 68000 320 76320| 0.5 |

| Б1(3)-4 1 | 1 1 2 1 106765.00) 149721.00 53382 74860 1 |0. |0. 1 1 5990 | 8400 | 12000 300 12300| 0.5 |

| Б1 (4) — 1 (...... | 1 1 2 1 3 1 97623.21| 123265.33| 134254.81| 48811 61632 67127 1 |0. |0. |0. 1 1 5330 | 67301 7 330 | 16000 36000 610 52610| 0.5 |

| Б1(4)-2 1 „ „ 1 | 1 1 2 1 3 ■ 1 95613.00) 115063.00| 126024.60| < 47956 57531 63012 1 |0. )0. |0. 1 1 5260) 6330| 6933) 1 15600 68400 6600 90600) , . _ ,. А 0.5 | 1

После фиксирования предела выносливости испытанных балок был определен опытный коэффициент увеличения предела выносливости

по сравнению с эквивалентным режимом нагружения при постоянных характеристиках цикла. Учитывая то, что разрушение балок произошло по сжатому бетону, увеличение предела выносливости балок Поп было расчитано по формулам, полученным при испытаниях бетонных призм Пъ . Полученное совпадение результатов (табл. 5) экперимен-тально подтверждает теоретический вывод о увеличении предела выносливости железобетонных изгибаемых элементов при переменных режимах циклического нагружения для случаев снижения уровня нагружения при разрушении по сжатому бетону и доказывает возможность применения выражений (10) и (11) в практических расчетах.

Таблица 5

X

1

| Образец | 1 в N | к»ив

■Дои /к»*»

по % |(Т1ъ-ПоП)100%/Т\ъ призмам |

| Б1(2)-3 | 4.776 | 0.731

| Б1(2)-4 | 3.830 | 0.830

| Б1(3)-1 | 4.678 | 0.742

| Б1(3 )-3 | 4.882 | 0.722

| Б1(3)-4 | 4.089 | 0.803

| Б1(4)-1 | 4.721 | 0.738

| Б1(4)-2 | 4.957 | 0.714

1.0020 1.0021 1.0000 1.0070 1.0450 0.9930 0.9710

1.000150| 1.002664| 1.003680| 1.006000| 1.000000| 1.000000| 1.0000001

-0.18470 +0.05625 +0.36600 -0.08000 -4.50000 +0.70000 +2.90000

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана методика определения уравнений напряженно-деформированного состояния нормальных сечений железобетонного изгибаемого элемента при расчете на выносливость от действия внешней нестационарной циклической нагрузки блочного типа.

2. Получены уравнения для определения деформации ползучести, модуля упругости бетона и коэффициента интенсивности напряжений в вершине усталостной трещины, возникающей в результате действия сжимающих напряжений в сжатом бетоне от нестационарной внешней нагрузки-

3. Получены уравнения, описывающие развитие суммарной микротрещины в бетонном теле и рассмотрены критерии ее развития.

4. Теоретически доказано, что при действии внешней нестационарной циклической нагрузки выносливость бетона и арматуры отличаются от выносливости бетона и арматуры при режиме циклической нагрузки с постоянными характеристиками цикла.

5. Проведено экспериментальное исследование по определению выносливости бетона, арматуры и моделей железобетонных балок при переменных режимах блочного типа, результаты которого подтверждают правильность теоретического решения.

6. Экпериментально подтверждено, что предел выносливости железобетонных изгибаемых элементов при переменных режимах циклического нагружения для случаев снижения уровня нагружения при разрушении по сжатому бетону увеличивается, и впервые найдены зависимости, по которым можно практически определить величину его возрастания.

7. Рассмотрен и описан характер разрушения сжатого бетона при переменных режимах циклической нагрузки блочного типа.

8. Рассмотрен и впервые дополнен новыми экспериментальными данными характер разрушения растянутой арматуры при переменных режимах циклической нагрузки блочного типа.

8. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы при разработке рекомендаций по расчету на выносливость железобетонных изгибаемых элементов при действии нестационарной циклической внешней нагрузки, а так же при составлении проектов, дополнений и редакций соответствующих нормативных документов.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Мирсаяпов И.Т.,Лопатин А.Н. Выносливость бетона при нестационарных режимах загружения. В кн:"Тезисы докладов обл. НТК "Науч-нотехнические и социально-экономические проблемы развития строительного комплекса в XXI пятилетке и совершенствование подготовки специалистов""./ИИСИ - Иваново,1987

2. Мирсаяпов И.Т.,Лопатин А.Н. Оценка усталостной прочности бетона при нестандартных режимах циклической нагрузки. В кн.:"Тезисы

докладов НТК по итогам научно-исследовательских работ института "Научно-технический прогресс в строительстве и подготовка специалистов" 11 . /ИИСИ - Иваново,1989

3. Мирсаяпов И.Т.,Лопатин А.Н. Исследование выносливости стальной арматуры при режимном нагружении. В кн. .-"Тезисы докладов 8-ой обл. НТК "Научно-исследовательский прогресс и подготовка специалистов" ". /ИИСИ - Иваново,1990

4. Лопатин А.Н. Исследование выносливости бетонных призм при многократно-повторном нагружении с переменными циклами. В кн. ^'Тезисы докладов 9-ой обл. НТК "Теория и практика капитального строительства и подготовка инженерных кадров"./ИИСИ - Иваново, 1991

5. Мирсаяпов И.Т.,Лопатин А.Н. Экспериментальные исследования усталостной прочности арматурной стали при нестационарном циклическом нагружении. деп. в ВНИИНТПИ. - N 11096. - М., 1991.

6. Лопатин А.Н. Исследование выносливости нормальных сечений железобетонных балок при многократно-повторном нагружении с переменными характеристиками цикла. В кн.:"Тезисы докладов 10-й обл. НТК "Проблемы строительства в новых условиях""./ИИСИ - Иваново, 1992.

7. Мирсаяпов И.Т.,Лопатин А.Н. Моделирование прочности и деформа-тивности бетона при сложных режимах нагружения. деп. в ВНИИНТПИ. - N 11304. - М., 1992.

8. Лопатин А.Н. Модуль упругости бетона при нестационарном режиме многократно- повторной нагрузки. В сб. тезисов докладов и материалов юбилейной научно-технической конференции Иваноской ГАСА, по-сященной 15-летию учреждения Ивановского инженерно-строительного института. 13-15 марта 1996 г./ИГАСА. - Иваново, 1996.