И.Т.МИРСАЯПОВ, канд. техн. наук (Казанский государственный архитектурностроительный ун-т), УСТАЛОСТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗГИБАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЕЙСТВИЮ ПОПЕРЕЧНЫХ СИЛ ПРИ МАЛЫХ ПРОЛЕТАХ СРЕЗА
Особенностью работы изгибаемых элементов при малых пролетах среза (С0 < 1,2h0) является образование локальных полос напряжений, связанных с точками приложения сосредоточенных внешних усилий, в пределах которых и происходит усталостное разрушение. Для выявления этих локальных зон в экспериментальных исследованиях наряду с традиционным методом электротензометрии был применен тепловизионный метод контроля.
При воздействии многократно повторяющейся нагрузки на железобетонный элемент из-за виброползучести бетона происходит непрерывное увеличение неупругих (остаточных) деформаций бетона. Это нарастание носит плавный характер и происходит на всем протяжении циклического нагружения. Наиболее заметные изменения циклических деформаций происходят примерно до 2105 циклов. Интенсивность увеличения деформаций зависит от уровня максимальных напряжений цикла и коэффициента асимметрии цикла напряжений.
Как известно, при циклическом нагружении накопленная энергия пластической (неупругой) деформации может превратиться только в тепловую. Площадь петли пластического гистерезиса численно равна необратимой работе деформирования в каждом цикле. Основная часть этой работы переходит в тепло и рассеивается путем теплообмена, а некоторая, относительно малая доля, расходуется на развитие повреждений усталости. Поэтому можно предположить, что в областях усиленного развития неупругих деформаций (в местах концентрации напряжений) в бетоне и арматуре должно происходить повышение температуры. Это распределение температуры нагрева перенапряженных участков на поверхности железобетонных балок при циклическом нагружении можно попытаться использовать для нахождени зон концентрации напряжений в бетоне и арматуре в зоне действия поперечных сил, так как температура в этих зонах должна быть больше, чем в менее напряженных местах, т.е. температурные аномалии должны возникать только в областях образования и развития зон пластической деформации.
В связи с этим в Казанском государственном архитектурно-строительном университете для качественной оценки напряженно-деформированного состояния железобетонных балок в зоне совместного действия поперечных сил и изгибающих моментов при многократно повторяющихся циклических нагружениях автором был применен тепловизионный метод контроля.
ИК (инфракрасная) термография как один из методов теплового контроля дает возможность дистанционной регистрации, визуализации и анализа температурных полей объектов . В настоящее время ИК диагностика и методы теплового неразрушающего контроля представляют собой высокотехнологичную область прикладных исследований, которая объединяет достижения в теории теплопередачи, ИК технологии и компьютерной обработки экспериментальных данных. Суть метода теплового контроля состоит в регистрации температурного поля на поверхности контролируемого изделия тепловизионной аппаратурой и последующем анализе термограмм с использованием ПЭВМ для обработки результатов и принятия решения.
В экспериментальных исследованиях был применен отечественный тепловизор-радиометр-компьютерный термограф - ИРТИС-2000, имеющий следующие основные технические характеристики: чувствительность к перепаду температур на уровне 30 0С - 0,05 0С; мгновенное поле зрения - 1,5 мрад.; погрешность измерения - ±1%; диапазон измерений - от -40 до 200 0С.
Управление аппаратурой и предварительная обработка термоизображений проводятся на портативном компьютере NOTEBOOK, входящим в состав тепловизора. В качестве опытных образцов были приняты железобетонные балки из тяжелого крупнозернистого бетона марок 400 размером 120х345х2000 мм, загруженные двумя симметрично расположенными грузами, размещенными на расстоянии от опоры, равном 0,96, где - рабочая высота сечения балок.
Испытания многократно повторяющейся нагрузкой с коэффициентом асимметрии цикла нагрузки р=0,33 проводились в заведомо жестком режиме с целью получения усталостного разрушения при заданных параметрах циклического нагружения. Измерение температурного поля поверхностей балок тепловизионной камерой ИРТИС осуществлялось в пределах первого цикла (N=1) нагружения до максимальной нагрузки цикла, а затем через определенное количество циклов нагружения N1 , N2 ...Nn многократно повторяющейся циклической нагрузкой для того, чтобы получить динамику развития зон концентрации напряжений в зоне действия поперечных сил. При этом проводилась синхронная регистрация параметров циклического нагружения и соответствующих тепловизионных изображений на жестком диске NOTEBOOK. Тепловизионные изображения фиксировались как в виде отдельных кадров, так и в режиме непрерывной съемки. Последний применялся при приближении момента усталостного разрушения балки.
Проведенные усталостные испытания железобетонных балок на действие поперечных сил с применением тепловизионного метода контроля с помощью тепловизора-радиометра ИРТИС-2000 подтверждают выдвинутое предположение о том, что в процессе циклического нагружения происходит определенный нагрев бетона и арматуры в зонах концентрации напряжений. Действительно, в процессе циклического нагружения происходит нагрев бетона и арматуры в местах концентрации напряжений, и вследствие этого зоны концентрации напряжений четко выделяются на поверхности экспериментальных балок (рис.1). В результате этого установлены области концентрации напряжений в железобетонных изгибаемых элементах в зоне действия поперечных сил при многократно повторяющихся нагружениях. Таким образом, при усталостных испытаниях циклическое нагружение является тепловой стимуляцией материала в определенных областях а именно, в областях, где развиваются неупругие (пластические) деформации, что повышает температуру этих зон материала. Параметры динамики температурных полей при циклическом нагружении зависят от уровня максимальной нагрузки цикла, частоты нагружения и свойств анизотропии.
Как следует из полученных термограмм балок, области концентрации напряжений в зоне действия поперечных сил имеют четко выделенные участки с превышением температуры на +0,3...+3 0С, по сравнению с температурой поверхности менее нагруженных областей (где нет концентрации напряжений). Оказалось, что в пределах самих зон концентрации напряжений распределение превышения температур имеет неравномерный характер: от +0,3 0С в средних точках зон концентрации напряжений до +3 0С и более вблизи опорных и грузовых пластин. При этом следует подчеркнуть, что обнаруженные зоны концентрации напряжений в приопорной зоне балок совпадают с теоретическими (рис. 2 и 3).
Как видно из рис.1, в процессе циклического нагружения в элементах с малым пролетом среза между опорной и грузовой пластинами выделяется полоса с более высокой температурой, что является следствием концентрации сжимающих напряжений в пределах этой наклонной локальной полосы, связанной с точками приложения внешних усилий, в пределах которой из-за виброползучести бетона происходит усиленное развитие неупругих деформаций. Очевидно, поэтому эта локальная полоса концентрации напряжений между опорой и грузом в процессе циклического нагружения выделяется двумя трещинами вдоль
Эти экспериментальные данные подтверждают выдвинутое предположение о том, что главной особенностью работы изгибаемых элементов при малых пролетах среза (С0 < 1,2hg) является образование локальных полос напряжений, связанных с точками приложения сосредоточенных внешних усилий, в пределах которых и происходит усталостное разрушение. Как показывают экспериментальные исследования, при опорных и грузовых пластинах с характеристикой lsup > 0,3h0 в процессе циклического нагружения происходит образование и развитие двух типичных наклонных трещин, выделяющих из тела элемента наклонную сжатую полосу между опорой и грузом (см. рис. 2), т.е. трещины выделяют сформировавшийся на начальных стадиях нагружения наклонный поток сжимающих напряжений. Первая наклонная трещина образуется и развивается уже в процессе первого нагружения до максимальной нагрузки цикла Qmax и следует параллельно и вблизи линии, соединяющей внутренние границы опорной и грузовой площадок. Направление развития этой трещины - от внутренней границы опорной площадки к внутренней границе грузовой площадки, т.е от опоры к грузу (см. рис. 2). Вторая наклонная трещина образуется гораздо позже, в процессе циклического нагружения, например при нагрузках, близких к пределу выносливости элемента, через (200- 500) тыс. циклов нагружения. При этом направление развития этой трещины противоположно направлению первой, и она следует от внешней границы грузовой площадки к внешней границе опорной, т.е. от груза к опоре. Незадолго до разрушения происходит резкое раскрытие обеих трещин, и усталостное разрушение в пределах наклонного сжимающего силового потока происходит из-за усталостного разрыва стержней поперечной арматуры в местах пересечения с этими двумя наклонными трещинами. Иными словами, усталостный разрыв поперечной арматуры при lsup > 0,3h0 происходит по двум плоскостям отрыва, проходящим вдоль границ ядра сжатия наклонной полосы (см. рис. 2). Уменьшение ширины опорных и грузовых площадок приводит к уменьшению ширины ядра сжатия наклонного сжимающего силового потока, а следовательно, и расстояния между наклонными трещинами, выделяющими этот силовой поток. При циклическом нагружении это приводит к нарушению сцепления между поперечной арматурой и бетоном в пределах ядра сжатия. Поэтому усталостное разрушение в пределах наклонного сжимающего силового потока, при lsup < 0,3ho, происходит либо с образованием только одной трещины отрыва (рис. 3, а), образующейся и развивающейся вдоль оси наклонного сжимающего силового потока, либо по одной плоскости отрыва, расположенной между первой и второй наклонными трещинами, параллельно им. Усталостное разрушение по растянутой зоне элемента происходит в результате усталостного разрыва продольной растянутой арматуры в месте ее пересечения с первой наклонной трещиной от совместного действия осевых Nsmax(t) и нагельных Qsmax(t) усилий. Другой возможной формой разрушения по растянутой зоне является нарушение анкеровки продольной арматуры из-за усталости сцепления между арматурой и бетоном.
Анализ напряженно-деформированного состояния и характера усталостного разрушения таких элементов показывает, что для практических расчетов усталостной прочности изгибаемых элементов в зоне действия поперечных сил при малых пролетах среза наиболее простой и приемлемой расчетной моделью является общеизвестная каркасно-стержневая система (КСС), состоящая из наклонной сжатой полосы и растянутого арматурного пояса, замыкающихся в местах приложения внешних нагрузок.
Поэтому усталостная прочность изгибаемого элемента в зоне действия поперечных сил при малых пролетах среза определяется выносливостью каждого элемента КСС: наклонных сжатых полос и продольного растянутого пояса.
Напряженное состояние внутри наклонного сжимающего силового потока аналогично напряженному состоянию в плосконапряженных элементах при действии местной нагрузки. Эту модель, по аналогии с [3], упрощенно можно представить в виде клиньев, расположенных под грузовыми и опорными площадками, распорные сжимающие усилия по боковым поверхностям которых вызывают растягивающие усилия в плоскости, соединяющей концы этих клиньев. В пределах клиньев уплотнения бетон работает в условиях сжатие-сжатие, между вершинами уплотнений, в средней части сжатой полосы, - в условиях растяжение-сжатие, вдоль граней клиньев уплотнений - в условиях сдвига. С момента, когда уровень сжимающих напряжений alcm“, действующих в пределах наклонного сжимающего силового потока, становится больше, чем нижняя граница микротрещинообразования, от микропор в теле бетона или усадочных микротрещин по линии действия растягивающих напряжений (рис. 2 и 3) в средней зоне растяжение- сжатие образуются и развиваются микро- и макротрещины отрыва. При этом в элементах без поперечной арматуры усталостное разрушение в пределах наклонной сжатой полосы происходит в тот момент, когда длина трещины отрыва, идущей вдоль оси силового потока, достигает критической длины lcr, а в элементах с поперечной арматурой - в результате усталостного разрыва стержней поперечной арматуры в месте пересечения с трещиной вдоль оси наклонного силового потока при lsup < 0,3hQ. При lsup > 0,3ho усталостное разрушение в пределах наклонного сжимающего силового потока происходит из-за усталостного разрыва стержней поперечной арматуры в местах пересечения с двумя наклонными трещинами, т.е усталостный разрыв поперечной арматуры при lsup > 0,3h0 происходит по двум плоскостям отрыва, проходящим вдоль границ ядра сжатия наклонной полосы. Поэтому физические модели усталостного сопротивления элементов при малых пролетах среза при lsup < 0,3h0 и lsup > 0,3h0 можно представить в виде (рис.2, в и 3, в).
Бетон и железобетон, 2008 №1