Усиление и оценка механизма разрушения зоны среза конструкций мостов
Существующие методы оценки несущей способности наклонного сечения железобетонных балок и основные принципы их усиления. Рассмотрение методики экспериментальных исследований прочности и жесткости зоны среза железобетонных балок пролетного строения мостов.
| Рубрика | Строительство и архитектура |
| Вид | диссертация |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 24.05.2018 |
| Размер файла | 3,0 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Практическое решение возникших проблем стало возможным благодаря ускоренному развитию химической промышленности. В практике уже используется предварительное натяжение неметаллической арматуры.
Еще в конце 80_х годов XX века в мировой практике широкое распространение получил способ усиления строительных конструкций путем внешнего армирования с применением полимерных композиционных материалов на основе углеродных, арамидных, полиэфирных волокон, а также стекловолокна. Усиление мостовых конструкций композиционными материалами заключается в приклеивании последних на специально подготовленную поверхность железобетонных конструкций, что придает им необходимую прочность практически без увеличения веса.
Второй, более современный, подход получил название «композитное усиление несущей способности конструкций из железобетона, кирпича и дерева от изгибающих и сдвиговых нагрузок». Здесь усиление железобетонных конструкций производится композиционными материалами, как заводского изготовления (ламинаты), так и создаваемыми непосредственно на строительном объекте из тканей (лент, холстов) за счет пропитки и наклейки их специальными полимерными составами (в основном на эпоксидной основе).
Композитное усиление несущей способности железобетонных конструкций, по сравнению с традиционным способом усиления металлом, позволяет экономить до 20% средств, выделяемых на ремонт мостовых сооружений.
Область применения этих материалов распространяется на железобетонные конструкции, не имеющие повреждений, но требующие усиления. Это связано с увеличением расчетных эксплуатационных нагрузок в результате реконструкции сооружений (в том числе перепрофилирования). Кроме того, нагрузки могут возрастать из-за изменения схем работы конструктивных элементов промышленных объектов.
Композиционные материалы можно также использовать при восстановлении железобетонных конструкций, поврежденных в ходе эксплуатации («отстрел» защитного слоя, коррозия арматуры и бетона, наличие трещин, непроектных прогибов и так далее.). В результате такого восстановления сохраняются эксплуатационные свойства этих конструкций, и повышается их долговечность.
Это объясняется сравнительно высокой прочностью полимербетонных композитов, низкой влагопроницаемостью, устойчивостью к воздействию многих химических факторов.
В мировой практике также применяются усиления с помощью холстов. Это является актуальной задачей, способной повысить их эксплуатационную надежность. Иногда приходится комбинировать традиционные методы усиления с методами усиления углеволокном. Приходится применять также методы строительной химии для восстановления и ремонта бетона.
Можно сказать, что усиление строительных конструкций композиционными материалами является менее трудоемким и энергозатратным процессом по сравнению со всеми другими аналогичными способами.
В связи с этим применения внешних фиброармированных пластик (ФАП) используются для продольного и поперечного армирования стержневых элементов, для создания армирующих, усиливающих оболочек на колоннах и опорах мостов, эстакад, консолях колонн, для усиления плит, оболочек, элементов ферм и других конструкций.
К настоящему времени в отечественной и зарубежной практике накоплено множество различных способов и конструктивных приемов усиления, выбор которых обусловливается рядом конкретных требований /1-3/. Обычно выделяют три наиболее важных фактора, влияющих на выбор проекта реконструкции: сроки производства работ по усилению; минимум трудозатрат при изготовлении и монтаже усиливающих элементов; надежность и долговечность усиленной конструкции. Традиционные способы усиления с использованием металлических профилей, стержней и стальных листов недостаточно эффективны, так как эти элементы легко подвергаются коррозии. Наряду с наращиванием сечений путем использования железобетонных рубашек этот способ весьма трудоемок и связан с рядом технических трудностей: внешнее усиление увеличивает собственный вес конструкции; стальные листы не защищены бетоном и легко подвергаются коррозии; необходимо специальное оборудование для установки тяжелых стальных листов; ограничивается их длина (6…10 м) из-за собственного веса, необходимы стыковые соединения; трудно изготавливать стальные листы для сложных сечений неправильной формы; при загружении конструкций может произойти отделение стальных листов от бетонных поверхностей; установка стальных листов очень трудоёмка.
Накопление дефектов в железобетонных конструкциях, приводящее к снижению их несущей способности - серьезная проблема, связанная с увеличением сроков и ухудшением условий их эксплуатации, неудовлетворительным проектированием, коррозией арматуры в бетоне, трещинообразованием и т. п. Большинство существующих конструкций давно превысило сроки службы, а при реконструкции сооружений они предназначены нести нагрузки значительно превышающие первоначальные расчетные. Вопросы оценки технического состояния и усиления железобетонных мостов и сооружений являются основными при их эксплуатации, так как во многих из них при обследовании обнаруживаются серьёзные повреждения от совместного действия эксплуатационных нагрузок и окружающей среды. Эти повреждения, накапливаясь и развиваясь со временем, снижают их несущую способность и могут привести к катастрофическим последствиям. Наиболее опасными дефектами являются сокращения площади сечения арматуры в результате её коррозии и трещины, развивающиеся в приопорных наклонных сечениях балочных пролетных строений мостов. В связи с этим конструктивные системы должны непрерывно диагностироваться во время эксплуатации и при необходимости быть усилены при помощи доступных средств. При этом имеется два варианта решения проблемы - (а) полная замена конструкции, что связано с большой трудоемкостью и затратами; (б) её реабилитация (то есть её усиление, ремонт или восстановление), что является более реальным, позволяя при восстановлении конструкций увеличить также и её грузоподъемность.
За последнее десятилетие внимание исследователей сосредоточено на применении полимерных композитов для внешнего усиления железобетонных элементов, в частности, так называемых тканевых полимерных материалов (ТПМ), обладающих такими преимуществами как легкость, высокая прочность и стойкость к коррозии, способность легко закрепляться на конструкциях с различной геометрией поверхности и сечений, сокращение сроков ремонта [6-7]. Внешне усиление композициями из ТПМ используется для увеличения несущей способности нормальных и наклонных сечений железобетонных конструкций, дополнительно обеспечивая их герметизацию и упругие свойства. Большинство проведенных исследований по усилению зоны среза железобетонных балок были произведены только с помощью листами однонаправленных углепластиковых волокон. Случаев усиления двунаправленными (то есть ортогонально ориентированными) ТПМ очень мало.
Первое применение листов ТПМ для усиления и реабилитизации поврежденных конструкций было выполнено в 1991 году, в Швейцарии и успешно продолжены в США, Японии, России. Уже к 1997 году более 1500 бетонных конструкций в мире были внешне усилены ТПМ [20, 25, 26, 64-70, 84, 99, 100-114]. Использование листа ТПМ резко возросло за последнее десятилетие и в настоящее время, требование к ТПМ увеличивается во всем мире. Их широко использовали во всех отраслях промышленности, в частности в космосе, морском транспорте и строительной промышленности. Наиболее эффективно ТПМ может быть использован при реабилитации, усилении и восстановлении существующих конструкций мостов. Соединения ТПМ стали более популярными из-за разнообразия комбинаций уникальных особенностей: легкий вес; высокая удельная прочность; антикоррозийный; антимагнитный; атмосферостойкий; низкая теплопроводимость; низкий коэффициент теплового расширения; низкие эксплуатационные расходы; долговечность; хорошая поверхностная полировка; неограниченная длина.
Следует отметить, что методы усиления железобетонных конструкций, разрушающихся от среза являются более сложными, чем при изгибе. Поэтому использование тканевых полимерных материалов (ТПМ) в качестве внешнего армирования является перспективной альтернативой при усилении и продлении срока службы существующих железобетонных пролетных строений мостов, имеющих наиболее серьезные дефекты в зоне действия поперечных сил [20, 25, 26, 64-70, 84, 99, 100-114]. Современные нормативные документы не учитывают сложный механизм разрушения таких конструкций при срезе, а расчетные формулы носят эмпирический характер. При усилении конструкций механизм их разрушения ещё более усложняется. В настоящее время методы расчета, связанные с реабилитацией железобетонных элементов композициями из ТПМ разработаны недостаточно.
1.3 Выводы. Цель и задачи исследования
В связи с вышеизложенным возникла необходимость проведения экспериментально-теоретических исследований механизма разрушения усиленных железобетонных конструкций мостов и оценки их несущей способности зоны среза, усиленных ТПМ с применением нового подхода к моделированию реального процесса контактного взаимодействия берегов трещин в железобетонных образцах при сдвиге с применением нового программного комплекса Lira 9.6, а также разработка практических предложений по усилению конструкций ТПМ.
Анализ отечественного и, главным образом, зарубежного опыта указывает на явную целесообразность и экономическую эффективность применения композитных полимерных материалов при усилении несущих конструкций. Технология имеет все шансы занять ведущее место на нашем рынке и потеснить традиционные методы усиления.
2. Методика экспериментальных исследований механизма разрушения зоны среза железобетонных балок пролетного строения мостов и их усиления ТПМ
2.1 Методика экспериментальных исследований прочности и жесткости зоны среза железобетонных балок пролетного строения мостов, усиленных ТПМ
Цель работы состоит в исследование механизма передачи напряжений через трещины в железобетонных образцах-дисках, усиленных тканевым углепластиковым волокнистым материалом (ТПМ) при действии усилий и деформаций среза. По результатам испытаний железобетонных образцов, проведенных доц. Рауповым Ч.С. на сдвиг, были предложены соответствующие соотношения для оценки несущей способности и жесткости этого механизма.
Испытанию подвергались специальные образцы, в которых предварительным раскалыванием образовывалась трещина. Её берега взаимно сдвигаясь, зацепляются друг за друга из-за их шероховатости, обеспечивая передачу через них возникающих в трещине напряжений. Был изучен характер зависимости между этими напряжениями и соответствующими им смещениями в трещинах образцов от начальных ступеней загружения и вплоть до разрушения, а также влияние на эту зависимость внутреннего армирования образцов стальными хомутами и их внешнего усиления тканевым полимерным материалом.
Специальные образцы были сгруппированы в три серии PO, P и PF и испытаны на срез. Серия РО имела два образца РО1 и РО2, которые не были армированы хомутами. А серии Р и PF имели по три образца P1/PF1, P2/PF2 и P3/PF3, которые были армированы соответственно 2, 4 и 6 стержнями-хомутами диаметром 6 мм из мягкой стали (Rs=660,82МПа) перпендикулярно плоскости среза. Процент армирования стальными хомутами образцов P1 и PF1, P2 и PF2, P3 и PF3 было соответственно 0,14 %, 0,28 % и 0,42 %. Кроме того, образцы серии PF были усилены внешне приклеенными листами ТПМ размером 150x340 мм на передней и задней стороны каждого образца в зоне среза (рис.2.1.) по методике, приведенной в [4].
Рис. 2.1 Полная структура серий специальных образцов
Прочность бетона для всех образцов R=45,0 МПа. Образцы серии P были предварительно расколоты линейной нагрузкой до испытания на срез. Образцы серии PF были предварительно расколоты и усилены приклеенными двунаправленными листами ТПМ с подобным количеством и ориентацией под 0/90є перед испытанием на срез. Все смещения измерялись реперами, а деформации в стальных хомутах-тензодатчиками на каждой ступени нагрузки.
Описания и размеры специальных образцов. Поперечное сечение специальных образцов серий показано на рис. 2.2 и 2.2,а. Специальные образцы были сгруппированы в три серии, называемые как PO, P и PF. Каждая серия имела по три образца. Серия РО не имела поперечных арматур, тогда как серии P и PF были армированы поперечной арматурой среза поперек плоскости среза (см. рис.2.2). Серия P была подразделена в образцах, называемая как P1, P2 и P3. Поперечное армирование серий PF было таким же, как серия P. Однако, обозначения образцов не то же самое, потому что эти образцы были усилены внешне с полосами ТПМ, представленной как PF1, PF2 и PF3. На рис. 2.2,а показан специальный образец с усилением среза поперек плоскости сдвига.
Рис. 2.2 Поперечное сечение специальных образцов (серия РО)
Рис. 2.2,а Поперечное сечение специальных образцов (серий P и PF)
Изготовление специальных образцов. Для заливки специальных образцов, арматурный каркас был помещен должным образом в изготовленной деревянной форме. На рис. 2.3 (a) и (b) показаны размещения арматур в специальных образцах с и без поперечных хомутов поперек плоскости среза в деревянной форме. Две алюминиевые угловые прокаты длиной 340 мм были помещены в плоскости среза сжимаемых образцов. Первый угловой прокат был помещен твердо у основания деревянной форме в перевернутой форме V, чтобы развить нарез. После уплотнения литой бетонной смеси, второй другой алюминиевый угловой прокат был помещен наверху влажного бетона, чтобы сделать углубление по плоскости среза и поверхность была выровнена оштукатуриванием при помощи совок, не нарушая угловую секцию. Бетонной смесь уплотняли с помощью вибростола.
Рис. 2.3 (a) Размещение арматур специальных образцов без хомутов поперек плоскости среза
Рис. 2.3 (b) Размещение арматур, положение нареза у основания специальных образцов с поперечными арматурами поперек плоскости среза
Сорт мягкой стали использовался для армирования среза серий P и PF. На рис. 2.5, 2.6, и 2.6, a показаны специальные образцы с армированием поперек плоскости среза.
Рис. 2.4. Схема армирования специальных образцов без внутреннего армирования среза (серия Р)
Рис. 2.5 Схема внутреннего армирования среза специальных образцов (P1 и PF1)
Рис. 2.6 Схема внутреннего армирования среза специальных образцов (P2 и PF2)
Рис. 2.6. (а) Схема внутреннего армирования среза специальных образцов (P3 и PF3)
Свойства тканей эпоксидной смолы и волокна. В этом исследовании, витками Sika 160C были использованы двунаправленняя ткань ТПМ (0/90 градус) как внешнее упрочнение или упрочнение системы. В этой системе ткани, волокна ориентируются в продольном и поперечном направлениях, поэтому их называют как двусторонней системы ткани. Эта укрепляющая система состоит из двух основных компонентов, эпоксидной смолы и листов волокна. Система эпоксидной смолы Sikadur-330 также использовалась как пластырь в сложной укрепляющей системе. Листы волокна соединены (приклеены) эпоксидной смолой на поверхности бетона, используя двухкомпонентной системы. Свойства эпоксидной смолы приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1
Свойства эпоксидной смолы (Основанные на руководстве изготовления)
|
Эпоксидная смола |
|||
|
Связывающая прочность клея (MПa) |
Предел прочности (MПa) |
Модуль упругости (MПa) |
|
|
4 MПa |
30 MПa |
3,800 MПa |
Углеродистые волокна, используемые в этой программе исследования были в форме сухого двунаправленнего листа, на который волокна ориентированы в (направлениях) координатах x и y. Листы обеспечивались в рулоне шириной 600 мм и длиной 5,000 мм. Толщина двунаправленнего листа ТПМ - меньше чем универсального листа волокна и его материальные свойства сведены в таблице 2.2. Значения предела прочности, модуля упругости были определены испытанием образцов при растяжении ТПМ Научно-исследовательской лабораторией EMPA Швейцария (лист данных Sika)
Подготовка поверхности. Подготовка поверхности- первый (передовой) предварительный шаг в монтаже тканей ТПМ на поверхности бетона. Неподходящая подготовка поверхности может привести к нарушению сцепления и разрушению усиленной балки. Этого можно избегать, если обратить серьезное внимание на подготовку поверхности перед приклеиванием обратить серьезное внимание на подготовку поверхности перед приклеиванием ткани волокна на поверхности бетона. Поверхность образцов была шлифована однородно без любых волнистостей или неравномерностей с помощью механической дробилки для удаления частицы заполнителей. На рис. 2.7. показана шлифовка бетонной балки с помощью механической дробилки.
Таблица 2.2
Свойства углеродистой ткани волокна (Основанные на Руководстве изготовления)
|
Завод Sika |
||||
|
Ориентация волокна |
Толщина (мм) |
Предел прочности (MПa) |
Модуль упругости (MПa) |
|
|
0/90 (двунаправленней) |
0.09 мм |
3,800 MПa |
230,000MПa |
Аналогично, острые грани или углы конструкции были округлены с радиусом по крайней мере 10 мм. Поверхность бетона должна быть очищена от всякого нефтяного или сального вещества. Залитые частицы пыли и материалы должны быть раздроблены и удалены от поверхности бетона продуванием и также с чистящим проводом от частицы заполнителей. Поверхность балки должна быть высушена должным образом до применения листов ТПМ. Области трещины, осколки и коррозируемой арматурной стали нужно обрабатывать перед применением системы ТПМ. Все трещины, шириной раскрытия больше чем 0.25 мм и большие поры или отверстия должны быть заделаны эпоксидной смолой.
Подготовка эпоксидной смолы. При подготовке два компонента Sikadur-330 пропитывались с помощью эпоксидной смолы для обертывания полосы ТПМ на поверхности бетона. Сначала компонент A был смешан отдельно с помощью мешалкой типа весла (см. рис. 2.7 (a)). А потом таким образом был смешан компонент B с помощью совка прежде, чем добавляет к компоненту (см. рис. 2.7 (b)). Далее взвешивали тщательно компонентов A и B в отношении 1:4 и смешивали согласно техническим условиям изготовителя (см. рис. 2.7 (c)). Соединение перемешивали в течение 3 минут на низкой скорости, используя миксер типа весла до появления однородного серого цвета (см. рис. 2.7 (d)). Иногда несмешанную часть эпоксидной смолы у основания посуды перемешивали с помощью инструмента типа лопатки (см. рис. 2.8). После тщательного перемешивания обоих компонентов эпоксидная смола была пригодна к применению. В низкой окружающей температуре, пригодность будет больше, чем высокой температуре. Максимальный срок годности готовой эпоксидной смолы 25 минут.
Применение полос ткани ТПМ. Поры и раковины (дырки) на готовой поверхности бетона должны быть заполнены готовой эпоксидной смолой при помощи совка (см. рис. 2.9). Слой эпоксидной смолы был нанесен толщиной приблизительно 1 мм щеткой или роликами. На рис. 2.10 показано нанесение покрытия эпоксидной смолы на поверхности бетона. Функция влажной смолы состоит в пропитке сухих волокон, поддержке волокна в намеченной ориентации, распределять напряжение по волокнам и предотвращать волокна от износа и экологических эффектов.
(a) Смешивание компонента А с помощью мешалки типа весла
(b) Смешивание компонента B с помощью совком (scrapper)
(c) Взвешивание компонентов A и B
(d) Смешивание компонента A и B
Рис. 2.7 Порядок подготовки эпоксидной смолы
Рис. 2.8 Смешивание компонента A и B при помощи лопатки
Рис. 2.9 Выравнивание поверхности и заполнения маленьких пор и раковин
Рис. 2.10 Применение грунтовку эпоксидной смолой на намеченном месте
Листы ТПМ можно отрезать в любой форме и размере. Полосы были помещены на поверхности бетона слегка покрытой эпоксидной смолой. Ткани ТПМ были применены в необходимой форме и размере, чтобы предотвратить перерасход ткани. Впоследствии, лист или ткани перекатывали при помощи ребристого ролика, чтобы отжать избыток эпоксидной смолы (см. рис. 2.11). В конце заключительный слой эпоксидной смолы был применен на поверхность тканей или листов. На рис. 2.12 изображен заключительный вид обернутых полос.
Рис. 2.11 Применение ребристого ролика согласно руководству волокна
Рис. 2.12 Последняя стадия обернутой полосы балки
Усиление специальных образцов. Образцы серии PF были усилены с тканями ТПМ по передней и задней стороны плоскости среза. Лист ТПМ ориентировался в одном направлении под 0/90 градуса на плоскости среза. Ориентация листа ТПМ показана на рис. 2.13. Серия P была хранена как контрольный образец без усиления (без обертывания листами волокна). Внутреннее укрепление оставалось такой же, как для двух серий.
Рис. 2.13 Усиление специальных образцов с листами ТПМ (Ориентация: 0/90) для образцов PF1, PF2 и PF3
Установка инструментов. В P и PF сериях электрические датчики с базой измерения 10 мм использовались для внутренних хомутов. Тензорезисторы были наклеены на внутренних стальных хомутах, которые расположены перпендикулярно плоскости среза. Эти датчики использовались для измерения деформации в закрытых стальных хомутах. Схема расположения датчиков в образцах группы P, P1 и P2 показана соответственно на рис. 2.14 (a), 2.14 (b) и 2.14 (c). В образцах P1/PF1, P2/PF2 и P3/PF3 использовали соответственно два, три и четыре датчика. Различие между образцами серий P и PF заключалось в том, что передние и задние стороны образцов серии PF были усилены внешними укрепляющими полосами-листами ТПМ. Образцы серии РО не были усилены никакими внутренними закрытыми стальными хомутами поперек плоскости среза. Но эти образцы были размешены во внешних ограничителях. Эти внешние ограничители, имеющие приспосабливаемые пруты для поддержания образцов неповрежденными и поддержания постоянную первоначальную ширину. Датчики приклеивались также по внешним стержням для измерения деформации бетона (см. рис. 2.14 (b)).
Репера были помещены с обеих сторон пролета среза для измерения смешения и первоначальную ширину раскрытия трещин на каждой ступени загружения. Схема размещения реперов была принята такой же, как во всех образцах серий P и PF. Схема расположения датчиков и реперов показана на рис. 2.14 (a), 2.14 (b) и 2.14 (c).
Установка и испытание специальных образцов. Все образцы серий P были предварительно расколоты по плоскости среза перед испытанием. Образец был установлен горизонтально так, как показан на рис. 2.15. Верхней и нижней поверхности нареза (пазы) снабжались пластиной из мягкой стали. Образец был внимательно установлен в рамку для загружения по линии нареза гидравлическим домкратом. Нагружение увеличивали до образования трещин в плоскости среза. Впоследствии расколотый образец был перевернут в вертикальном направлении для повторного испытания на срез. Испытание на срез было выполнено в той же самой рамке испытания.
Рис. 2.14. (a), (b) и (c) Схема расположения тензорезисторов и реперов на специальных образцах серий P1, PF1, P2, PF2, P3 и PF3
Экземпляры были подперты на ролике, позволяющей верхние и нижние половинки образца перемещаться свободно в горизонтальном направлении при вертикальном нагружении. Образец был загружен центрально (концентрически) как показано на рис. 2.16. Нагружение увеличивалось до наступления разрушения. После каждой ступени нагружения измеряли смещения по плоскости среза с помощью реперов с точностью до 0.001мм. Датчики были соединены с регистрирующими приборами для измерения деформации по стальным стержням. На каждой ступени нагружения измеряли деформации через компьютеризированную систему для получения и накопления данных. Разрушение считается тогда, когда образец перестает сопротивляться дальнейшей нагрузке.
Все образцы серий PF были усилены с помощью листов ТПМ по передним и задним сторонам образцов после раскола горизонтальной нагрузкой по плоскости среза. Приклеивание листов ТПМ приведено выше, в гл. (Установка листа ТПМ). Усиленные образцы были испытаны так же, как серии P. В таблице 2.3. приведены количества арматуры железобетона, количества слоев и ориентации листов ТПМ.
Таблица 2.3
Ведомость образцов для испытаний (Специальные образцы серий P и PF)
|
Описание образцов |
fc (MПa) |
Стальные хомуты поперек плоскости среза |
Усиление ТПМ |
||
|
Количество слоев |
Ориентация |
||||
|
P1 |
2 шт. 6mm Ш |
--- |
--- |
||
|
P2 |
4 шт. 6mm Ш |
--- |
--- |
||
|
P3 |
6 шт. 6mm Ш |
--- |
--- |
||
|
PF1 (Усиленный) |
2 шт. 6mm Ш |
1 слой |
0/90 градус |
||
|
PF2 (Усиленный) |
4 шт. 6mm Ш |
1 слой |
0/90 градус |
||
|
PF3 (Усиленный) |
6 шт. 6mm Ш |
1 слой |
0/90 градус |
Рис. 2.15 Специальный образец, подвергнутой линейной нагрузке по плоскости среза
Рис. 2.16 Экспериментальная установка специальных образцов под прямым грузом среза
2.2 Прочность и жесткости зоны среза железобетонных балок пролетного строения мостов, усиленных ТПМ
По результатам измерений были получены диаграммы зависимости между касательными смещениями берегов трещины д, её раскрытием а и соответствующими им касательными и нормальными напряжениями, возникающими в сечении с трещинами при срезе, рис. 2.17.
а)
б)
в)
Рис. 2.17 Зависимости: а) «-»; б) «-acrc»; в) «-» в стальных хомутах поперек плоскости среза образцов серий P и PF
Результаты показывают, что смещение при сдвиге усиленных образцов на начальных стадиях загружения значительно меньше, чем у образцов без ТПМ. Однако в предельной стадии перед разрушением наблюдалось резкое увеличение сдвигающих смещений в усиленных образцах, что можно объяснить пластическим характером разрушения волокон ТПМ. Испытание на срез показывают, что напряжение сдвига увеличивается с увеличением процента внутреннего армирования стальными стержнями-хомутами. Однако в усиленных образцах вклад ТПМ в несущую способность уменьшается с увеличением процента внутреннего армирования.
Жесткость всех усиленных образцов была больше чем не усиленных, кроме образца PF2. Его жесткость была меньше по сравнению с образцом Р2 из-за меньшей начальной ширины раскрытия трещин. Жесткость железобетонных образцов с большой начальной шириной раскрытия трещин была меньше, чем образцов с меньшей начальной шириной раскрытия трещин.
Увеличение процента внутреннего армирования влияло на нормальное и касательное смещение в образцах P1 и P3 в предельной стадии несущественно.
В образцах наблюдалось уменьшение вклада напряжения сдвига, обеспеченный внешним усилением ТПМ при увеличении процента внутреннего армирования поперек предрасколотой плоскости среза. Наблюдалось, что на начальных стадиях загружения касательное смещение сдвига и ширина раскрытия трещин усиленных образцов ТПМ были меньше, чем у образцов без ТПМ. Однако, эти же значения смещения или ширины раскрытия трещин в усиленных образцах резко возрастали при разрушающей нагрузке по сравнению с образцами без ТПМ. Увеличение нагрузки приводит к увеличению смещения сдвига и ширины раскрытия трещин в образцах без ТПМ, а в усиленных образцах ТПМ, увеличение уровня смещения было постоянно до разрушающей нагрузки.
Характер разрушения образцов показан на рис. 2.18 и 2.19.
Максимальная деформация хомутов образцов без ТПМ (серий P) изменяется в пределах (2447-3052)х10-5, тогда как у образцов с ТПМ (серий PF) увеличивается в пределах (2805-7770)х10-5. Увеличение нагрузки приводит к увеличению значения деформации в усиленных образцах ТПМ.
Рис. 2.18 Разрушение по плоскости среза образца P1 (слева).
Рис. 2.19 Отслаивание листа ТПМ от поверхности бетона образца PF3 (справа)
А фактическая деформация в стальных хомутах была меньше предельной деформации. В усиленных образцах, расколотые поверхности имели признак разделения, далее происходило разрыв листа ТПМ по плоскости среза или отслоения листа ТПМ от поверхности бетона. Внешнее усиление листами ТПМ предотвратило смешения сдвига так же как расширение трещин. При испытании на срез, образцы PF1 и PF2 разрушились разрывом листов ТПМ по плоскости среза, однако, образец PF3 был разрушен отслоением от поверхности бетона (табл.2.4.).
Таблица 2.4
Результаты эксперимента не усиленных и усиленных специальных образцов
|
Детали образцов |
Количество и диаметр стальных хомутов, мм |
с (%) |
Разрушаю-щая нагрузка, кН |
Напряже-ние сдвига, MПa |
Вклад листов ТПМ, кН |
Повыше- ние (%) |
|
|
P1 |
2 D 6 |
0,14 |
85,50 |
2,09 |
--- |
--- |
|
|
PF1 |
131,82 |
3,23 |
46,32 |
54,17 |
|||
|
P2 |
4 D 6 |
0,28 |
135,38 |
3,30 |
--- |
--- |
|
|
PF2 |
167,45 |
4,10 |
32,07 |
23,68 |
|||
|
P3 |
6 D 6 |
0,42 |
213,87 |
5,24 |
--- |
--- |
|
|
PF3 |
228,02 |
5,58 |
14,15 |
6,62 |
Выводы по главе II
Методология обеспечила детали экспериментального исследования, выполненного для достижения цели и задачи исследования, как заявлено в главе I. Были представлены детали изготовления и методика усиления полосами ТПМ. Схема расположения внутренних датчиков на стальных стержнях и полосах ТПМ, расположение реперов на поверхности бетона для каждого образца была описана подробно.
Результаты показывают, что смещение при сдвиге усиленных образцов на начальных стадиях загружения значительно меньше, чем у образцов без ТПМ.
Жесткость железобетонных образцов с большой начальной шириной раскрытия трещин была меньше, чем у образцов с меньшей начальной шириной раскрытия трещин. В образцах наблюдалось уменьшение вклада напряжения сдвига, обеспеченные внешним усилением ТПМ при увеличении процента внутреннего армирования поперек предрасколотой плоскости среза. Наблюдалось, что на начальных стадиях загружения касательное смещение сдвига и ширина раскрытия трещин усиленных образцов ТПМ были меньше чем образцов без ТПМ.
3. Совершенствование методов расчета несущей способности зоны среза железобетонных балок пролетного строения мостов, усиленных ТПМ
3.1 Теоретическое исследование несущей способности усиленных железобетонных балок пролетного строения мостов ТПМ
Теории разрушения и теории прочности. Наличие структурных образований типа зерен, микротрещин, дислокаций, пачек молекул и приближенности гипотез, принятых в основу линейного расчета приводит к тому, что их прочность в реальных условиях эксплуатации оказывается на два-три порядка меньше теоретической, соответствующей идеальному молекулярному порядку. При этом, чем больше дефектность материала, отклонение его структуры от идеального порядка, тем меньше прочность при прочих равных условиях.
Для различных классов материалов характерны те или иные типы структурных образований, определяющие особенности их деформирования и разрушения. Наряду с физическим исследованием микроструктуры и микроразрушения материалов целесообразно проводить также феноменологический анализ явления разрушения на основе некоторых моделей, отражающих наиболее существенные стороны этого явления. Поскольку, по-видимому, в настоящее время еще рано говорить о возможностях построения какой-то общей теории разрушения, более предпочтительным представляется развитие частных теорий, более или менее хорошо описывающих поведение некоторых классов материалов в определенных условиях. При этом возникает необходимость достаточно полной и общей классификации основных типов поведения твердых тел и соответствующих теорий. Разрушение твердого тела почти всегда происходит вследствие развития в нем некоторых поверхностей разрыва смещений. При этом, если реализуется разрыв нормального к поверхности смещения, то говорят о трещине нормального разрыва (отрыва) или просто трещине; если же реализуется разрыв касательного к поверхности смещения, то говорят о трещине сдвига или дислокации. Роль указанных двух типов разрывов различна в различных конкретных условиях. С уменьшением прочности материала, увеличением температуры, при сжатии, как правило, возрастает роль трещин сдвига и дислокаций. С увеличением прочности, уменьшением температуры, при наличии циклических нагрузок, агрессивных сред, облучения, как правило, возрастает роль трещин нормального разрыва.
Развитие поверхностей разрыва начинается с несовершенств структуры материала, которые приходится рассматривать в начальный момент как некоторые заданные конечные возмущения, всегда присутствующие в системе. Эти возмущения обычно рассматривают в виде некоторых начальных трещин или дислокаций, что хорошо согласуется с прямыми экспериментальными наблюдениями. Дальнейшее развитие начальных возмущений при нагружении может быть самым различным.
Для роста дислокаций характерно почти одновременное и стабильное развитие сразу многих дислокаций, образующих полосы скольжения и целые пластические области. Поэтому теория дислокаций является физической основой феноменологической теории пластичности. Заметим, что модель идеального упруго-пластического тела и теории предельного состояния (типа теории Мора) дают ответ на вопрос о предельных нагрузках и несущей способности конструкций в рамках самой реологической модели без привлечения каких-либо дополнительных критериев прочности.
Для роста трещин характерно преимущественное развитие одной наиболее опасной трещины (однако есть исключения, например рост трещин в условиях сжатия, близкого к всестороннему), способность ее к быстрому неустойчивому росту, обычно вызывающему разделение тела на части. При составлении критерия прочности на основе теории трещин оказывается, что в большинстве случаев получаются обычные теории прочности, однако фигурирующие в них константы следует считать уже зависящими от размеров начальных трещин, а также от их формы и местоположения. Впрочем, для широкого круга явлений разрушения микронеоднородных тел прочность не зависит от величины начального возмущения (начальной трещины) и определяется характерными параметрами структуры тела, например величиной зерна (на это обстоятельство обратил в 1939 г. внимание Г. Нейбер; см. также Г. П. Черепанов, 1967). Таким образом, формально к этому вопросу можно подойти как к простейшему обобщению обычных теорий прочности введением одного дополнительного внутреннего структурного параметра, не участвующего в формулировке реологической модели. Такой подход созвучен идее о введении в уравнения состояния дополнительных структурных параметров, развиваемой Л. И. Седовым. Не следует забывать также о том, что исследование процесса разрушения весьма часто представляет самостоятельный интерес вне связи с вопросом о несущей способности.
Исторически теория дислокаций и теория трещин сложились отдельно; различие формального аппарата этих теорий объясняется тем обстоятельством, что в теории дислокаций рассматривают непосредственно разрывы смещений и поэтому в линейной теории имеют дело с логарифмическими особенностями, а в теории трещин на поверхности разрыва обычно задают силовые условия и поэтому имеют дело со степенными особенностями. Однако между этими теориями имеется глубокое внутреннее сходство, заключающееся в том, что коэффициентам при этих особенностях в обеих теориях придается смысл основных параметров системы, ведущих процесс.
В теории трещин наиболее принципиальным моментом является формулировка условия локального разрушения в рассматриваемой точке контура трещины. Для решения вопроса о развитии трещины это так же важно, как, например, выбор правильного критерия разрушения для гладкого образца. Наиболее просто формулируется условие локального разрушения в теории так называемых квазихрупких трещин, когда наибольший размер области пластических деформаций в рассматриваемой точке контура трещины мал по сравнению с расстоянием этой точки до ближайшей границы тела. Простейший вариант этого условия на основе физических идей А. А. Гриффита и Г. Нейбера был предложен в 1957 г. Дж. Р. Ирвином. Он заключается в том, что коэффициент при особенности напряжений в рассматриваемой точке в момент локального разрушения (и продвижения трещины в этой точке) считается равным некоторой постоянной материала; при этом напряжения вычисляются в предположении идеальной упругости тела. Поскольку указанный коэффициент представляет собой некоторую функцию внешних нагрузок, длины трещины и геометрии тела, находимую из решения упругой задачи в целом, условие локального разрушения на контуре трещины в принципе позволяет определить ее развитие и, в частности, отыскать ту комбинацию внешних нагрузок, которая разделяет области устойчивости и неустойчивости [44, 45, 47].
Если рассматривать эти внешние нагрузки как некоторые независимые параметры, вполне определяющие состояние системы, то полученная комбинация нагрузок будет аналогична поверхности предельного равновесия для этого же тела без трещины из некоторого гипотетического идеального упруго-пластического материала. Однако при изменении пути нагружения разрушающая комбинация нагрузок, вообще говоря, будет другой. Таким образом, аналогия поведения идеально упругого тела с трещиной некоторому идеальному упруго-пластическому телу без трещины справедлива лишь для каждого заданного пути нагружения (в частности, для пропорционального нагружения или при монотонном увеличении одного внешнего параметра нагрузки). Были предложены различные модели детального механизма разрушения в конце квазихрупкой трещины. Модель Леонова - Панасюка (1959), предложенная независимо от зарубежных авторов, наиболее проста и универсальна. Согласно этой модели принимается, что на продолжении трещины имеется область ослабленных связей; толщина этой области в рамках теории малых деформаций считается равной нулю. Кроме того, предполагается, что противоположные берега этой области притягиваются один к другому некоторым напряжением, представляющим собой константу материала, а в начале этой области, совпадающей с концом трещины, скачок нормального смещения в момент разрушения становится равным некоторой другой константе материала. Этот критерий может быть применен также к трещинам в упруго-пластических телах, если пластическая область не мала, но пластические деформации сосредоточены вдоль некоторого тонкого слоя на продолжении трещины. Последний случай реализуется, например, в тонких пластинах из малоуглеродной стали.
В дальнейшем было показано, что все известные модели (а их в настоящее время насчитывается около десяти), отличающиеся детальной схемой описания локального разрыва в конце хрупкой трещины, эквивалентны в том смысле, что всегда приводят к условию Гриффита - Ирвина. Подход к описанию развития трещин в произвольных сплошных средах был предложен Г. П. Черепановым (1967). Он основан на энергетической концепции и на представлении о сверхтонкой структуре конца трещины, размер которой мал сравнительно с размером пластической области вблизи вершины трещины.
Теория предельного равновесия и теория хрупких трещин составляют основу современной механики разрушения. На основе этих теорий было решено много конкретных проблем большого практического значения. Эти теории дают идеализированное описание свойств пластичности и хрупкости, которые присущи в разной мере всем твердым телам. Однако не следует противопоставлять феноменологические теории прочности и теорию трещин, которая расшифровывает феноменологическое понятие сопротивления отрыву, объясняет снижение последнего по сравнению с бездефектным кристаллом и придает ему статистический характер.
В реальных условиях прочность твердого тела может зависеть от следующих основных факторов: материала, формы и размеров тела, времени, способа приложения нагрузки, числа циклов нагрузки, температуры, параметров, определяющих степень агрессивности внешней среды, скорости и предыстории деформирования.
Некоторые обобщения упомянутых выше теорий на случай влияния этих факторов (простейшие обобщения состоят, например, в указании зависимости постоянных, фигурирующих в этих теориях, от некоторых параметров). На практике оказывается, что существует некоторая переходная зона изменения указанных факторов, которая отделяет область вязкого разрушения от области хрупкого разрушения, причем в последней эксплуатации конструкции, обычно считается недопустимой. В области вязкого разрушения расчет прочности производят либо по теории предельного равновесия, либо по теориям прочности.
Вывод о недопустимости работы конструкции в области хрупкого разрушения связан с трудностью обнаружения заранее, методами неразрушающего контроля, трещиноподобных дефектов, могущих привести к разрушению и фигурирующих в формулах хрупкой прочности. Следует иметь в виду, что типы таких дефектов многообразны - могут быть, например, различного рода непровары в сварных конструкциях, зоны окисленного или охрупченного металла, загрязнения, инородные включения металлургической или технологической природы и так далее. Во многих ответственных конструкциях зачастую не удается избежать даже весьма больших по размерам дефектов. Это связано, прежде всего, с общей тенденцией использования все более прочных (и, как правило, более хрупких) материалов и со специфическими условиями работы некоторых конструкций. Следует принять также во внимание, что разрушение кристаллов, близких к идеальным, носит хрупкий характер. На подобных кристаллах, пока еще в лабораторных условиях, достигнуты весьма большие значения прочности, в десятки и сотни раз превосходящие техническую прочность.
Вывод о недопустимости работы конструкции в области хрупкого разрушения имеет временный характер, и в будущем, по-видимому, его придется пересмотреть. В некоторых конструкциях уже в настоящее время допускается наличие контролируемых трещин, размеры которых не превышают критические.
Отметим два важнейших круга задач, когда вопрос о предельных нагрузках может быть в принципе решен без привлечения механики разрушения, на основании решения задачи в рамках реологической модели. Это - случаи, когда тело способно испытывает произвольные конечные деформации, и задачи на потерю устойчивости.