Влияние динамического нагружения на прочностные и деформативные свойства бетона при одноосных и двухосных напряженных состояниях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Влияние динамического нагружения на прочностные и деформативные свойства бетона при одноосных и двухосных напряженных состояниях

Специальность: 01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела

На правах рукописи

Цветков Константин Александрович

Москва - 2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Малашкин Юрий Николаевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Савостьянов Вадим Николаевич;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Пятикрестовский Константин Пантелеевич.

Ведущая организация - Федеральное государственное унитарное предприятие «Атомэнергопроект».

Защита состоится «06» ноября 2007г. в 15-30 на заседании диссертационного совета Д 212.138.12 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу:115114, Москва, Шлюзовая наб., д.4, ауд.608.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГСУ.

Автореферат разослан « » _____________ 2007г.

Ученый секретарь диссертационного совета АНОХИН Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

прочность бетон двухосный сжатие

? Актуальность темы.

Для совершенствования расчетов строительных конструкций на особое сочетание нагрузок, а также при выполнении поверочных расчетов для оценки последствий аварийного динамического воздействия на конструкции, необходимо иметь достоверные сведения о прочностных и деформативных характеристиках конструкционных материалов.

Установлено, что для материалов с неоднородной структурой, к которым относится в первую очередь бетон, прочностные и деформативные характеристики зависят от вида напряженного состояния и скорости приложения нагрузки.

При этом можно отметить, что поведение бетона при динамическом нагружении как в условиях одноосных, так и сложных напряженных состояний остается мало изученным. Несмотря на то, что данная проблема в разное время рассматривалась в работах многих исследователей, до сих пор до конца не решенным остается целый ряд вопросов: описание диаграммы деформирования бетона с учетом влияния скорости нагружения, нет единого мнения о влиянии скорости нагружения на коэффициент поперечных деформаций и предельные деформации и др.

Следует отметить, что исследования бетона при динамическом воздействии в большинстве случаев проводились при одноосном сжатии. О поведении бетона при динамическом нагружении в условиях напряженных состояний отличных от одноосного сжатия имеются ограниченные и противоречивые сведения.

Кроме того, данные о влиянии динамического нагружения на свойства

бетона относятся, в основном, к прочностным характеристикам. Объем исследований, касающихся изучения деформативных свойств ограничен, что

вызвано известными сложностями экспериментального определения деформаций при быстропротекающих процессах.

Таким образом, для оценки влияния скорости нагружения и вида напряженного состояния на прочностные и деформативные характеристики бетона представлялось необходимым осуществить проведение экспериментально-теоретических исследований, которые позволили бы развить существующие представления о поведении бетона при динамическом нагружении в условиях различных напряженных состояний.

? Цель диссертационной работы.

На основании результатов экспериментальных исследований выявить основные закономерности влияния динамического нагружения на свойства бетона в условиях различных напряженных состояний: одноосном сжатии, одноосном растяжении, двухосном сжатии и напряженном состоянии «сжатие-растяжение». Разработать зависимости для критерия прочности и границ микротрещинообразования с учетом скорости нагружения и вида напряженного состояния. Записать универсальные для различных скоростей нагружения и вида напряженного состояния зависимости между главными напряжениями и деформациями в объемной постановке. На основании решения тестовой задачи оценить практическую значимость использования в расчетах уточненных зависимостей.

? Метод исследования.

Основные результаты работы получены на основании осуществленных автором экспериментальных исследований. При обобщении результатов экспериментальных исследований математическими зависимостями за основу был взят аппарат теории пластичности. При этом в известные зависимости были внесены корректировки, отражающие особенности поведения бетона под нагрузкой с учетом скорости нагружения и вида напряженного состояния.

? Достоверность результатов.

Достоверность результатов экспериментальных исследований обеспечена глубиной проработки методических вопросов, значительным объемом идентичных экспериментов с получением близких результатов. Кроме того, где это было возможно, полученные результаты были сопоставлены с данными предыдущих исследователей, при этом было отмечено близкое совпадение результатов.

? Научная новизна.

1. Разработаны и изготовлены испытательные стенды, позволяющие производить статические и динамические испытания бетона.

2. Предложена методика испытаний и регистрации нагрузок и деформаций при быстропротекающих процессах с использованием авторских установок и современных электронных средств.

3. Экспериментальным путем получены прочностные и деформативные характеристики при статическом и динамическом нагружении в условиях одноосного сжатия, одноосного растяжения, двухосного сжатия и напряженного состояния «сжатие-растяжение».

4. Результаты испытаний обобщены в зависимостях для прочности, границ микротрещинообразования и физических уравнениях связи напряжений с деформациями, учитывающих вид напряженного состояния и скорость роста напряжений.

5. Был произведен расчет толстостенной бетонной трубы, загруженной динамически приложенным внутренним и внешним давлением, с использованием уточненных зависимостей.

? Практическая ценность.

1. Разработанные и выполненные в натуре стенды могут быть использованы для испытаний бетона при статических и повышенных скоростях нагружения в условиях различных напряженных состояний;

2. Предложенная методика проведения динамических испытаний и регистрации усилий и деформаций может быть рекомендована к дальнейшему использованию с целью унификации методов постановки динамических экспериментальных исследований;

3. Полученные уточненные зависимости для критерия прочности, значений микротрещинообразования и физические уравнения связи главных напряжений и деформаций, могут быть использованы для уточнения методов расчетов бетонных и железобетонных конструкций при динамическом воздействии с учетом фактических характеристик бетона.

? Апробация работы.

Основные результаты диссертации были доложены на заседании кафедры «Сопротивление материалов» Московского Государственного Строительного Университета в июне 2007г.

?Публикации.

Результаты работы опубликованы в 4-х статьях.

?Объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы, включающего 112 наименований. Работа состоит из 262 страниц компьютерного текста, содержит 56 рисунков и 64 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко представлены сведения о целях диссертационной работы, предполагаемых методах исследования, обеспечении достоверности получаемых результатов, перечислены результаты, защищаемые автором.

В первой главе приводится обзор и анализ экспериментально-теоретических исследований, посвященных изучению поведения бетона при статическом и динамическом нагружении в условиях различных напряженных состояний, проводится анализ имеющихся решений испытательного оборудования и методик экспериментальных исследований.

Отмечается, что согласно современным представлениям бетон принято рассматривать как сложный композиционный материал с неоднородной структурой. Макроструктура бетона обуславливает основные особенности его поведения под нагрузкой: существенное различие в прочности на сжатие и растяжение, способность к значительным пластическим деформациям при сжатии, зависимость упруго-пластических свойств от уровня нагружения, влияние скорости нагружения на прочностные и деформативные свойства бетона, а также определяет причины микротрещинообразования в бетоне и характер развития микротрещин. Разработанные в настоящее время теории прочности не способны в достаточной мере учесть связь между изменениями макроструктуры бетона и его свойствами, особенности динамического нагружения усиливают сложность разработки и совершенствования теорий прочности. Поэтому в настоящей работе оценку структурных изменений в бетоне предлагается рассматривать обобщенно, анализируя изменение параметрических точек, объема образца и коэффициентов поперечных деформаций. Исходные данные для такого анализа получены на основании тензометрических измерений деформаций.

Анализ исследований бетона, находящегося в условиях сложных напряженных состояний показал, что результаты существенно зависят от методики проведения эксперимента (прежде всего от способа передачи усилий: жесткого или гидростатического). Отмечается, что динамические испытания бетона при сложных напряженных состояниях проводились, главным образом, применительно к трехосному непропорциональному сжатию.

Анализ существующего испытательного оборудования выявил некоторые его несовершенства, связанные с центрированием образцов по физической оси и с обеспечением стабильности режимов нагружения.

В первой главе формулируются цели и задачи исследования.

Во второй главе описаны использованные испытательные установки и основные принципы их конструирования, приведены сведения о применяемых средствах и способах измерения усилий и деформаций, предложена методика экспериментальных исследований.

Автором совместно с инж. И.М.Безгодовым были разработаны установки, позволяющие осуществлять статические и динамические испытания образцов из бетона реального состава при одноосном сжатии и одноосном растяжении. Дополняя эти стенды одноосными мембранными устройствами, возможно осуществлять эксперименты в условиях сложных напряженных состояний. Благодаря применению мультипликатора (устройства для повышения давления в гидродомкрате) установки способны создавать значительные усилия (30-35т) при относительно небольшой массивности (200-400кг). Также, благодаря использованию шарнирной системы, достигается центрирование образца по физической оси пробной нагрузкой.

Установки позволяют осуществлять динамическое нагружение в режиме постоянства скорости роста напряжений . При этом напряжения возрастают от нуля до разрушающих значений.

Было реализовано динамическое нагружение со следующими характеристиками. При одноосном и двухосном сжатии: -соnst, среднее время разрушения ?=0,08с; при одноосном растяжении и напряженном состоянии «сжатие-растяжение»: , ?=0,05с, что по имеющейся классификации позволяет отнести эти режимы нагружения к динамическому воздействию общего вида с повышенной скоростью роста напряжений. В литературе отмечается, что при таком воздействии не возникает местное разрушение бетона и при анализе напряженно-деформированного состояния допускается не учитывать волновой характер распространения напряжений в материале.

Регистрация усилий, продольных и поперечных деформаций осуществлялась по мостовой схеме с использованием внутренних тензодатчиков, усилителя, АЦП, ЭВМ и специального программного обеспечения. При этом регистрация усилий производилась с точностью до 0,08 МПа, а точность измерения относительных деформаций составила 1*10-6 е.о.д. Дискретность измерений была выбрана 40мкс.

Методика испытаний при двухосном сжатии и напряженном состоянии «сжатие-растяжение» заключалась в предварительном нагружении образцов в направлении ?2 до некоторого уровня от призменной прочности. После чего, поддерживая постоянной величину ?2, образец доводился до разрушения статической или динамической нагрузкой, действующей в направлении ?1.

Таким образом, испытания при двухосном сжатии производились по

траектории сложного нагружения.

На каждый уровень ?2 при статическом и динамическом нагружении было испытано от двух до пяти образцов. Всего в ходе исследований было испытано 46 образцов.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования прочностных и деформативных свойств бетона при статическом и динамическом нагружении в условиях одноосного и двухосного сжатия, произведена оценка влияния на свойства бетона скорости нагружения и вида напряженного состояния. Предложен критерий прочности, учитывающий вид напряженного состояния, уровень напряжения ?2 и скорость роста напряжений.

Результаты экспериментальных исследований обобщены в зависимостях между главными напряжениями и главными деформациями, а также между интенсивностями напряжений и деформаций.

? Влияние вида напряженного состояния и скорости нагружения на прочность.

Как при статическом, так и при динамическом нагружении вид напряженного состояния существенно влияет на прочность бетона (рис.1). Наиболее заметное увеличение прочности происходит при переходе от одноосного сжатия к двухосному, даже при небольшом значении второго главного напряжения . При повышении уровня бокового обжатия до значений не превышающих значений верхней границы микротрещинообразования тенденция к увеличению прочности сохраняется.

Вид напряженного состояния и уровень бокового обжатия влияют на коэффициент динамического упрочнения, однако в значительно меньшей степени, чем скорость нагружения .

? Критерий прочности.

Для критерия прочности бетона с учетом скорости роста напряжений, вида напряженного состояния (одноосное или двухосное сжатие) и уровня второго главного напряжения была предложена следующая зависимость:

(1)

где, - прочность бетона с учетом вида напряженного состояния, уровня ?2 и скорости нагружения;

- коэффициент динамического упрочнения бетона при

одноосном сжатии (- скорость роста напряжений, MПа/с);

=1 - коэффициент запаса на влияние уровня напряжения на изменение коэффициента динамического упрочнения бетона;

- функция, характеризующая влияние уровня напряжения на изменение прочности бетона при статическом нагружении (определена на основании аппроксимации экспериментальных данных с использованием средств MS Exell);

- прочность бетона при одноосном сжатии при статическом нагружении (призменная прочность).

Предложенный критерий прочности учитывает экспериментальные данные, согласно которым при двухосном сжатии, разрушение происходит в условиях повышения прочности, при условии, что значение ни одно из главных нормальных напряжений не превышает верхней границы микротрещинообразования.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 - нижняя граница микротрещинообразования (статика); 2- то же (динамика,=470МПа/с); 3 - верхняя граница микротрещинообразования (статика); 4- то же (динамика,=470МПа/с); 5- предел прочности (статика); 6 - то же (динамика,=470МПа/с)

Рис.1 Влияние вида напряженного состояния, уровня напряжения ?2 и скорости нагружения на границы микротрещинообразования и прочность бетона при одноосном и двухосном сжатии

? Оценка границ микротрещинообразования.

Как известно, помимо прочности поведение бетона под нагрузкой принято характеризовать параметрическими точками - нижней и верхней границами микротрещинообразования. Верхнюю границу микротрещинообразования R иногда рекомендуют принимать за предельное состояние бетона. Нижняя граница микротрещинообразования R определяет максимальное напряжение, соответствующее условно упругой работе бетона. При оценке результатов воздействия аварийной динамической нагрузки R можно принимать за максимальное динамически приложенное напряжение, последствие действия которого после разгрузки не оказывает влияние на прочностные и деформативные характеристики бетона конструкции при дальнейшей работе на основное сочетание нагрузок.

Параметрические точки не только определяют этапы микротрещинообразования, но также позволяют произвести разделение диаграммы деформирования бетона на участки, соответствующие этапам деформирования с преобладанием тех или иных компонентов деформаций (упругие, пластические 1-го и 2-го вида, псевдопластические) в составе полной деформации бетона. При анализе влияния скорости нагружения на модуль продольных деформаций такое представление диаграммы имеет особое значение. Можно сделать предположение, которое находит экспериментальное и теоретическое подтверждение, что модуль деформаций наиболее чувствителен к скорости нагружения на этапе деформирования с преобладанием пластических деформаций.

Границы микротрещинообразования бетона были определены на основании анализа диаграмм «?1-?1», «?1-?2», значений дифференциального коэффициента поперечных деформаций ?, по графикам изменения объемных деформаций Q.

В экспериментах было зафиксировано, что с увеличением скорости нагружения нижняя граница микротрещинообразования повышается несколько более существенно, чем призменная прочность, т.е. k=> kb,v. При этом вид напряженного состояния и уровень напряжения ?2 не влияют на изменение коэффициента k.

В то же время было зафиксировано, что изменение верхней границы микротрещинообразования при динамике по сравнению со статикой при

одноосном сжатии соответствует повышению прочности: k== kb,v.

При этом k повышается с увеличением уровня напряжения ?2 (рис.1).

Выражение для R с учетом вида напряженного состояния, уровня напряжения ?2 и скорости роста напряжений запишем следующим образом:

) (2)

где - коэффициент динамического упрочнения;

- относительный уровень нижней границы микротрещинообразования при одноосном сжатии при статическом нагружении. По данным многочисленных экспериментов ?=0,4?0,5;

- коэффициент, учитывающий влияние скорости роста напряжений на изменение относительного уровня нижней границы микротрещинообразования. Может быть получен по результатам одноосных испытаний при различных скоростях нагружения, либо принят за единицу (при этом занижение значений не превысит 10%) ;

Rb - призменная прочность бетона;- относительный уровень напряжения ?2.

Выражение для R с учетом вида напряженного состояния, уровня напряжения ?2 и скорости роста напряжений запишем следующим образом:

, (3)

где - коэффициент динамического упрочнения;

- функция, учитывающая влияние уровня напряжения ?2 на изменение

верхней границы микротрещинообразования при повышении скорости роста напряжений.

где А, В - коэффициенты, назначаемые в зависимости от скорости роста напряжений (Определены для всего диапазона повышенных скоростей на основании специального расчета по результатам настоящего экспериментально-теоретического исследования).

- функция, учитывающая влияние уровня напряжения ?2 на изменение верхней границы микротрещинообразования при статическом нагружении. Коэффициенты в (2), (3) определены по результатам аппрокимации результатов экспериментальных данных с использованием программы MS Exell при величине достоверности аппроксимации 0,95;

; Rb - призменная прочность бетона.

? Результаты экспериментальной оценки влияния вида напряженного состояния и скорости нагружения на деформативные свойства бетона.

В работе показано, что как при статическом, так и при динамическом нагружении вид напряженного состояния и уровень напряжения ?2 не влияют на начальный модуль продольной деформации. Диаграммы деформирования для различных ?2/Rb cовпадают до определенного уровня ?1, зависящего от ?2/Rb. Затем кривые расходятся, но при этом стремятся сохранить параллельность между собой характерных участков диаграммы (для данной скорости роста напряжений). В то же время, с увеличением уровня ?2 изменяется протяженность этих участков и величины напряжений и деформаций, соответствующие их границам, которые определяются значениями нижней и верхней границей микротрещинообразования.

Кроме того, с увеличением ?2/Rb отмечено повышение предельных продольных деформаций. Так, например, увеличение предельной деформации

при ?2=0,6Rb по сравнению с одноосным сжатием доходит до 60%.

Основной особенностью динамической диаграммы деформирования по сравнению со статической является увеличение продолжительности начального прямолинейного участка, что свидетельствует о расширении диапазона квазиупругой работы бетона. Кроме того, наблюдается в целом спрямление динамической диаграммы. Такое изменение вида диаграммы свидетельствует об изменении по мере увеличения скорости нагружения соотношения между компонентами полной деформации: упругой, пластической и псевдопластической. Возрастает доля упругих деформаций в ущерб развитию пластических.

Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что скорость нагружения не влияет на начальный модуль продольной деформации. В то время как, в интервале между границами микротрещинообразования влияние скорости нагружения на дифференциальный модуль деформации существенно. Отношение Еd/E может достигать 1,5 и более. За верхней границей микротрещинообразования значения дифференциального модуля деформации при динамике стремятся сравняться со значениями, полученными при статике.

При сравнении ? и ?d на этапах нагружения, соответсвующих одинаковому (величина напряжения, отнесенная к прочности для данной скорости нагружения) они оказываются практически одинаковыми. Иными словами, соотношение поперечных и продольных деформаций для схожих этапов деформирования и разрушения, не зависят от скорости нагружения.

Известно, что при сложном нагружении в условиях двухосного сжатия развитие деформаций в направлении действия ?2 и в свободном направлении происходит с разными коэффициентами поперечных деформаций (?31>?21), а величины предельных поперечных деформаций в свободном направлении больше, чем в направлении действия ?2 (?3,u> ?2,u).

В целом, качественно повторяя картину деформирования при статике, процесс развития поперечных деформаций при динамическом нагружении двухосным сжатием характеризуется меньшим различием в величинах коэффициентов ?21 и ?31 и предельных поперечных деформаций. Проявление при динамическом воздействии данной особенности соответствует представлениям о том, что при высоких скоростях не реализуется в полной мере перераспределение усилий в процессе нагружения, благодаря которому при статике поперечные деформации более интенсивно развиваются в свободном направлении.

При силовом воздействии с высокой скоростью, процесс деформирования протекает с меньшей полнотой учета существующего поля напряжений, чем при статическом нагружении, и происходит выравнивание поперечных деформаций.

Рис.2. Аппроксимация результатов экспериментальных



Рис.3 Аппроксимация результатов экспериментальных исследований выражением (4) для статического и исследований выражением (5) для статического и динамического нагружения при разных уровнях динамического нагружения при разных уровнях напряжения ?2 (диаграмма «?1-?1»). напряжения ?2 (диаграммы «?1-?2» и «?1-?3»)

Экспериментальные исследования позволили назвать величины, независящие от скорости нагружения: предельную продольную деформацию, деформацию, соответствующую верхней границе микротрещинообразования, и суммарные объемные деформации. При этом следует понимать, что на образование одинакового объема микроразрушений с увеличением скорости нагружения требуется прикладывать большие напряжения. В то время как объем этих микроразрушений, соответствующих одинаковым этапам деформирования и потери прочности, не зависит от скорости нагружения.

? Обобщение результатов экспериментальных данных в зависимостях между деформациями и напряжениями.

Объем, проведенных экспериментальных исследований, позволил записать зависимость между главными напряжениями и деформациями, учитывающую вид напряженного состояния (одноосное или двухосное сжатие), уровень напряжения ?2 и скорость нагружения:

(4)

?1,v - относительная деформация в направлении действия напряжения для данного уровня напряжения ?2 и скорости нагружения, е.о.д. *10-5;

- напряжения от действия нагрузки на втором этапе сложного нагружения двухосным сжатием (либо напряжения при одноосном сжатии), МПа;

- деформация от предварительной статической нагрузки на первом этапе сложного нагружения двухосным сжатием, е.о.д.*10-5;

- нижняя граница микротрещинообразования бетона для данного уровня напряжения и скорости роста напряжения, МПа. Вычисляется по (2);

- верхняя граница микротрещинообразования бетона для данного уровня напряжения и скорости роста напряжения, МПа. Вычисляется по (3);

-прочность бетона для данного уровня напряжения и скорости роста напряжений, МПа. Вычисляется по (1);

Е0 - начальный модуль продольной деформации бетона (не зависит от скорости нагружения), МПа;

Еv* - секущий модуль продольной деформации бетона для данной скорости роста напряжений, вычисленный по значениям напряжений и деформаций, соответствующих нижней и верхней границам микротрещинообразования, МПа;

Е** - дифференциальный модуль продольной деформации на участке диаграммы: , МПа (не зависит от скорости нагружения).

Еv*=?vE0 , ?v - коэффициент характеризующий влияние скорости нагружения на модуль деформаций (в работе аналитически определен для всего диапазона статических и повышенных скоростей).

E**=0,15Е0*(, n=-4,5. E**- не зависит от скорости нагружения.

Ветви диаграмм поперечных деформаций были аппроксимированы следующими выражениями:

(5)

,

где ?2,v , ?3,v - относительная поперечная деформация для данного уровня напряжения ?2 и скорости роста напряжений, е.о.д. *10-5;

,- деформация от предварительной статической нагрузки на первом этапе сложного нагружения двухосным сжатием, е.о.д.*10-5;

- относительная деформация в направлении напряжения для данного уровня напряжения ?2 и скорости роста напряжений (без учета деформаций на первом этапе нагружения), е.о.д. *10-5;

?2-1, ?3-1 - интегральные коэффициенты поперечной деформации в направлении. ?2-1, ?3-1 - функции следующих параметров ,,.

Связь между напряжениями и деформациями можно также представить в виде зависимостей между интенсивностями напряжений ?i и интенсивностями деформаций ?i.

В работах Ю.Н.Малашкина показано, что применительно к бетону при статическом нагружении можно говорить о так называемой «единой кривой деформирования», позволяющей диаграмму деформирования бетона при разных видах напряженного состояния (одноосное, двухосное и трехосное сжатие) описывать одной и той же зависимостью между интенсивностями напряжений ?i и интенсивностями деформаций ?i в форме . При этом следует принимать в зависимости от этапов деформирования (их границы определяются положением параметрических точек), но не зависящим от вида напряженного состояния. Проведенные исследования показали, что понятие о «единой кривой деформирования» можно расширить и на случай динамического нагружения.

Используя понятие о «единой кривой деформирования», можно записать универсальную для различных видов напряженного состояния и скорости нагружения зависимость:

(6)

где, , - интенсивность деформаций и соответствующая ей интенсивность напряжений;

, ,- интенсивности напряжений, соответствующие нижней, верхней границам микротрещинообразования и пределу прочности соответственно; остальные обозначения те же, что и в (4).

В четвертой главе по результатам экспериментальных исследований при статическом и динамическом нагружении в условиях одноосного растяжения и напряженном состоянии «сжатие-растяжение» сделаны выводы о влиянии вида напряженного состояния, уровня напряжения и скорости нагружения на прочность бетона, записан критерий прочности, учитывающий указанные факторы. Также произведена оценка влияния на деформативные свойства бетона (модуль продольной деформации и величину предельных продольных деформаций) скорости нагружения.

? Прочность.

Экспериментально установлено, что как при статике, так и при динамике вид напряженного состояния и уровень напряжения ?2/Rb оказывают влияние на прочность бетона при напряженных состояниях с наличием растягивающих напряжений (рис.4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.4. Влияние вида напряженного состояния, уровня напряжения ?2 и скорости нагружения на границы микротрещинообразования и прочность бетона при одноосном растяжении и напряженном состоянии «сжатие-растяжение»

Вид напряженного состояния и уровень бокового обжатия не оказывают существенного влияния на коэффициент динамического упрочнения, иными словами, изменение прочности бетона в зависимости от скорости роста напряжений при напряженном состоянии «сжатие-растяжение» с разным уровнем ?2 происходит пропорционально коэффициенту динамического упрочнения, соответствующему одноосному растяжению.

Значения коэффициента динамического упрочнения kbt,v составили 1,32-1,39, что свидетельствует о более существенном повышении прочности с ростом скорости нагружения при растяжении по сравнению со сжатием.

Критерий прочности при одноосном растяжении и «сжатии-растяжении» записан в форме аналогичной выражению (1). При этом коэффициент динамического упрочнения при одноосном растяжении kb,t,v по литературным данным был записан в виде:

(7)

Аппроксимация функции , характеризующей влияние на прочность бетона принята в виде: =1+0,22-()2.

? Деформативные характеристики.

При статическом нагружении вид напряженного состояния и уровень ?2 не оказывают ощутимого влияния на величину модуля деформации бетона. В то же время, с увеличением скорости нагружения значение динамического модуля снижаются с ростом ?2/Rb.

Для динамического нагружения со скоростью 70МПа/с предложены следующая зависимости для начального модуля:

Е=Е0,dе-0,4 (8)

Коэффициенты в степени е корректируются в зависимости от скорости нагружения.

В экспериментах на одноосное растяжение было получено Е0,d/E0=1,21.

Предельные деформации только от действия растягивающих усилий ?1,u,t мало зависят от вида напряженного состояния и уровня ?2/Rb. Так, при ?2/Rb=0,15 наблюдается некоторое увеличение величины деформаций ?1,u,t (на 10-13% по сравнению с одноосным растяжением), при дальнейшем повышении величины ?2 наблюдается тенденция к незначительному снижению деформаций ?1,u,t (при ?2/Rb=0,6 ?1,u,t меньше аналогичных деформаций, вычисленных при одноосном растяжении, на 10%). Такое положение справедливо как для статического, так и динамического нагружения.

Полные предельные продольные деформации ?1,u увеличиваются с ростом ?2/Rb. При этом, увеличение ?1,u происходит, главным образом, за счет деформаций от действия сжимающей нагрузки на первом этапе нагружения, доля которых в полной предельной деформации по мере роста ?2/Rb повышается и при уровне ?2/Rb=0,6 даже превышает величину деформаций ?1,u,t.

При анализе влияния скорости нагружения на предельные деформации отмечаем, что деформации ?1,u,t и ?1,u при динамике оказываются на 10-15% выше аналогичных деформаций при статике.

В пятой главе на примере расчета толстостенной бетонной трубы, загруженной внешним и внутренним динамически приложенным давлением, продемонстрированы различия между оценкой прочности и границ микротрещинообразования без учета влияния на их значения вида напряженного состояния и скорости нагружения и оценкой в соответствии с предложенными зависимостями (1), (2) и (3). Также, проанализированы различия в оценке напряженно-деформированного состояния в конструкции по величинам ?i, полученным из упругого расчета, и с использованием понятия о «единой кривой деформирования» и ее аппроксимации выражением (6).

Задача решена в нескольких вариантах:

1) в упругой постановке;

2) как для бетона без учета влияния вида напряженного состояния и скорости нагружения;

3) с учетом влияния вида напряженного состояния и без учета скорости нагружения;

4) с учетом влияния вида напряженного состояния, и скорости нагружения.

Результаты наглядно демонстрируют существенные отличия в определении положения сечений, соответсвующих пределу прочности и границам микротрещинообразования, а также значений ?i, вычисленных для сечений равноудаленных от центра трубы, в зависимости от полноты учета факторов, влияющих на свойства бетона.

В заключении приведены общие выводы, полученные в ходе работы. Дана оценка научной новизны и практической значимости работы. Намечаются перспективы дальнейшего изучения влияния скорости нагружения на прочностные и деформативные свойства бетона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы:

1) На основании анализа литературы намечены основные направления исследования, призванного расширить представления о работе бетона при динамическом нагружении в условиях одноосного сжатия и растяжения, двухосного сжатия и напряженного состояния «сжатие-растяжение»;

2) Совместно с инж. И.М.Безгодовым разработаны установки, позволяющие проводить испытания бетона реального состава при статическом и динамическом воздействии со стабильными характеристиками нагружения при одноосных и двухосных напряженных состояниях. Разработанный стенд обладает определенными преимуществами по сравнению с известными решениями.

3) Предложена методика проведения экспериментальных исследований при динамическом нагружении в условиях одноосных и двухосных напряженных состояний. Методика включает в себя предложения по конструкции датчика силы и датчиков деформаций, схемам регистрации усилий и деформаций, рациональном подборе дискретности измерений, указания по использованию современных электронных средств измерений, способов уменьшения помех, а также собственно предложения по осуществлению испытаний бетонных образцов с использованием авторских установок.

3) Проведены экспериментальные исследования бетонных образцов при статическом и динамическом нагружении в условиях одноосного сжатия и растяжения, двухосного сжатия и напряженного состояния «сжатие-растяжение». В ходе испытаний регистрировались усилия, продольные и поперечные деформации.

4) На основании результатов экспериментальных исследований выявлены особенности влияния скорости роста напряжений и вида напряженного состояния на прочность и деформативные характеристики бетона (вид диаграммы «?-?», модуль деформации, коэффициент поперечных деформаций, предельные деформации, суммарные объемные деформации), а также на границы микротрещинообразования.

5) Влияние скорости нагружения на деформативные характеристики бетона объяснены с позиций реализации упруго-пластических свойств бетона.

6) Записаны выражения для критерия прочности и границ микротрещинообразования бетона с учетом вида напряженного состояния, уровня напряжения ?2 и скорости роста напряжений.

7) Записаны физические уравнения связи главных напряжений с главными деформациями, а также их интенсивностей, учитывающие основные особенности поведения бетона под нагрузкой в условиях различных напряженных состояний и скоростях нагружения.

8) Решена тестовая задача, позволяющая оценить практическое значение полученных результатов, связанное с более точной оценкой напряженно-деформированного состояния и предельных состояний бетона.

Основное содержание диссертации отражено в работах

1. Малашкин Ю.Н., Безгодов И.М., Цветков К.А. Методические особенности исследования деформативно-прочностных характеристик бетона при динамическом нагружении в условиях сложных напряженных состояний// Естественные и технические науки. -2007.№1.- С.182-190.

2. Цветков К.А. Результаты экспериментальных исследований прочности и микротрещинообразования бетона при динамическом воздействии в условиях одноосного и двухосного сжатия//Техника и технология. -2007.№2. С.57-67.

3. Цветков К.А. Основные результаты экспериментально-теоретических исследований прочностных и деформативных свойств бетона при динамическом нагружении в условиях одноосного и двухосного сжатия//Вестник МГСУ.-2007.№3.-С.109-120.

4. Цветков К.А. Влияние динамического нагружения на прочность и деформативные характеристики бетона при одноосном растяжении и напряженном состоянии «сжатие-растяжение»//Естественные и технические науки. -2007.№4.- С.294-298.

Размещено на Allbest.ru

...