СПОСОБ ОЦЕНКИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТОНКОСТЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ И СЖАТИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01N3/08 

Заявляемое изобретение относится к испытательной технике, а именно к способам и устройствам для оценки механических свойств при растяжении и сжатии тонкостенных железобетонных конструкций, в частности пологих и цилиндрических оболочек, призматических складок. Известно, что плоское напряженно-деформированное состояние испытывают железобетонные конструкции пластин, дисков, балок-стенок, отдельные зоны оболочек и складок, для которых требуется оценка плоского напряженного состояния в местах образования сквозных трещин, а также оценка трещиностойкости этих зон.

Широко известен способ испытания прямоугольных железобетонных пластин, заключающийся в том, что на образец воздействуют как центрально-растягивающими силами, равномерно передающимися на четыре точки верхней и нижней сторон пластины, так и горизонтальными силами, возникающими в боковых динамометрах в процессе растяжения образца [1] Однако, при этом способе испытаний невозможно обеспечить высокую центровку приложения на образец растягивающих усилий, к тому же велико влияние граничных условий, что искажает представление о работе образца в реальных условиях.

Наиболее близким по технической сущности является способ оценки механических свойств железобетонных дисков. Согласно этому способу, взятому в заявляемом изобретении за прототип, сжимающую и растягивающую нагрузки прикладывают вдоль срединной поверхности тонкостенного железобетонного диска. Растяжение образца осуществляется в горизонтальном направлении на захватах. В вертикальном направлении создается сжатие верхней и нижней сторон образца через обжимающее устройство. Нагружение проводят ступенчато с выдержкой на каждой ступени для измерения деформаций арматуры и бетона, ширины раскрытия трещин и расстояния между ними, по которым оценивают механические свойства материала образца [2]
Недостаток указанного способа заключается в том, что закрепление образца на захватах и в обжимающем устройстве, на его краях после нагружения из-за сильного влияния граничных условий вследствие малых размеров железобетонного диска, возрастает погрешность в измерении деформаций арматуры и бетона, которая отрицательно сказывается на результатах исследования.

Устройство для осуществления способа оценки механических свойств железобетонных дисков при действии растяжения и сжатия состоит из нагрузочного устройства, включающего захваты и обжимающее устройство. К захватам через распределительные траверсы прикреплены четыре анкера, горизонтально выпущенные за пределы диска по двум боковым сторонам образца. Обжимающее устройство опирается через резиновые прокладки на нижнюю и верхнюю стороны железобетонного диска [2]
Недостаток данного устройства заключается в том, что в то время как сжимающая нагрузка прикладывается от обжимающего устройства по всему периметру нижнего и верхнего концов железобетонного диска, растягивающая нагрузка прикладывается к образцу за четыре арматурных анкера, закрепленных горизонтально в теле диска и выпущенных за его пределы. Такое приложение растягивающей нагрузки на образец не отражает его реальной работы из-за сильного влияния граничных условий и высокой погрешности в центрировании образца, которую невозможно устранить при данном способе испытаний.

Известное устройство для создания бокового давления при испытаниях тонкостенных конструкций, выбранное в качестве прототипа заявляемого устройства, содержит основание, включающее две параллельные плиты с узлами жесткого крепления торцов испытуемой оболочки, выполненной в виде полого тонкостенного цилиндра, внутри которой установлен сердечник в виде оправы, состоящей из снабженных фланцами верхней и нижней обечаек, соединенных между собой через упругую прокладку двумя шарнирными стяжками, расположенными диаметрально. В зазоре между фланцами размещено нагружающее устройство, содержащее замкнутую тороидальную эластичную камеру, полость которой подсоединена к источнику давления [3]
Недостаток известного устройства заключается в том, что хотя оно и создает комбинированное напряженное состояние мембранное с изгибным с учетом изгиба с кручением, однако, не позволяет получить нормируемые физико-механические характеристики на образцах, выполненных в железобетоне в условиях плоского напряженного состояния из-за неоднородности железобетона. Создать же только мембранное двухосное напряженное состояние оно не позволяет. Таким образом, данное устройство не подходит для оценки плоского напряженного состояния. Кроме того, конструктивное решение, при котором нижний и верхний торцы цилиндрической оболочки жестко закреплены, не обеспечивает возможности свободного смещения образца в радиальном направлении, перпендикулярно образующей цилиндра, необходимого для достижения высокой точности равномерного приложения растягивающей нагрузки по всей площади внутренней боковой поверхности цилиндрического образца, влияющей на точность измерения.

Задача изобретения создание способа и конструкции для оценки механических свойств тонкостенных образцов, которые позволяли бы значительно увеличить точность данных измерений.

Поставленная задача решается тем, что в способе оценки механических свойств тонкостенных железобетонных конструкций при растяжении и сжатии, по которому на испытуемый образец воздействуют растягивающей и сжимающей нагрузкой, при приложении сжимающей нагрузки вдоль срединной поверхности образца и ступенчатом нагружении с выдержкой на каждой ступени для измерения деформаций арматуры и бетона, ширины раскрытия трещин и расстояния между ними, согласно изобретению, в качестве образца используют тонкостенный полый цилиндр, растягивающей нагрузкой воздействуют равномерно по всей площади внутренней поверхности цилиндра, а перпендикулярно ей, а сжимающую нагрузку создают посредством воздействия системы распределительных балочных опор.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для испытания тонкостенных железобетонных конструкций при растяжении и сжатии, состоящем из основания, установленных на основании жестко связанного с ним сердечника, одетого на последний, с зазором к его наружной поверхности образца в виде полого цилиндра, размещенного в зазоре нагружающего устройства, выполненного в виде эластичной замкнутой тороидальной камеры и соединенного с ее полостью источника давления, согласно предлагаемому решению, устройство снабжено жестко связанной с сердечником и основанием рычажно-гидравлической системой, выполненной в виде распределительных балочных опор, шарнирно-подвижно сопряженных между собой, гидродомкрата для воздействия на балочные опоры, двумя кольцевыми прокладками из материала с низким модулем деформации, каждая из которых размещена на соответствующем торце полого цилиндра, парой жестких распределительных кольцевых штампов, установленных на кольцевой прокладке со стороны свободного торца полого цилиндра и шаровыми опорами, размещенными между поверхностями последних, обращенных друг к другу, при этом диаметр каждого штампа равен диаметру образца, нижний пояс балочных опор рычажно-гидравлической системы установлен на свободной поверхности жесткого распределительного кольцевого штампа, а высота Н образца выбрана из соотношения Н (1/2 1/4)D, где D диаметр срединной поверхности полого цилиндра.

На фиг.1 представлено заявляемое устройство для осуществления способа.

На фиг.2 устройство в разрезе А-А.

Устройство состоит из основания 1, на котором установлен жестко связанный с ним сердечник 2. На сердечник, с зазором к его наружной поверхности, одет образец 3 в виде полого цилиндра. В зазоре между сердечником 2 и образцом 3 размещено нагружающее устройство, выполненное в виде эластичной замкнутой тороидальной камеры 4, с полостью которой соединен источник давления 5. Устройство снабжено жестко связанной с сердечником 2 и основанием 1 при помощи, например, упорно-силовой рамы 6, рычажно-гидравлической системой, выполненной в виде распределительных балочных опор 7, шарнирно-подвижно сопряженных между собой, гидродомкрата 8, через соединительные шланги 9 связанного с масляным насосом (на чертеже не показан).

Две кольцевые прокладки 10 из материала с низким модулем деформации размещены на соответствующем торце полого цилиндра 3. Шаровые опоры 11 размещены между поверхностями двух жестких распределительных кольцевых штампов 12, обращенных друг к другу и установленных на кольцевой прокладке 10 со стороны свободного торца полого цилиндра 3. Диаметр каждого штампа 12 равен диаметру образца 3. Нижний пояс балочных опор 7 рычажно-гидравлической системы установлен на свободной поверхности жесткого распределительного кольцевого штампа 12.

Способ оценки механических свойств тонкостенных железобетонных конструкций при действии растяжения и сжатия заключается в одновременном нагружении образца в виде полого цилиндра как сжимающей нагрузкой на систему распределительных балочных опор от гидродомкрата, так и растягивающей нагрузкой путем нагнетания воздуха источником пневматического давления в полость замкнутой эластичной камеры, которая, опираясь на бетонный сердечник, оказывает равномерное давление на внутреннюю поверхность полого цилиндра, перпендикулярно ей. Нагружение осуществляют ступенчато с выдержкой на каждой ступени для измерения текущих значений деформаций арматуры и бетона, ширины раскрытия трещин и расстояния между ними. Растягивающуюся и сжимающую нагрузки можно прикладывать независимо друг от друга. Это позволяет варьировать соотношением величин нагрузок обоих направлений для каждого режима нагружения, исходя из конкретных задач исследования.

Устройство работает следующим образом. От масляного насоса через соединительные шланги 9 в гидродомкрат 8 подается под давлением масла. Гидродомкрат 8, как один из компонентов рычажно-гидравлической системы, жестко связан с сердечником 2 и основанием 1, при помощи, например, упорно-силовой рамы 6, на которую он, опираясь, оказывает давление на систему распределительных балочных опор 7. Силовым основанием 1 в заявляемом устройстве служит металлический поддон. Равномерное распределение нагрузки от гидродомкрата 8 по всему периметру верхнего торца образца в виде полого цилиндра 3, установленного на силовое основание 1, обеспечивают как шарнирно - подвижное соединение балочных опор 7, так и шаровые опоры 11, разделяющие два жестких штампа 12, диаметр которых равен диаметру полого цилиндра 3.

При заявляемом способе испытаний, исходя из конкретных задач исследований возможны два варианта режима нагружения одновременное приложение и растягивающей, и сжимающей нагрузки, или сначала растягивающей нагрузки, и, через некоторое время, при действии растягивающей, приложение сжимающей, либо наоборот.

Шаровые опоры 11 и жесткие штампы 12 способствуют также строго вертикальной передаче на полый цилиндр 3 сжимающей нагрузки и исключают сдвиг системы распределительных балочных опор 7 в плоскости, перпендикулярной образующей цилиндра.

Для устранения трения при контакте между нижним штампом 12 и торцом полого цилиндра 3 с одной стороны, а также между силовым основанием 1 и основанием полого цилиндра с другой стороны, установлены кольцевые прокладки 10 из материала с низким модулей деформаций. Кроме того, при шарнирном закреплении нижнего и верхнего торцов полого цилиндра 3, принятого в заявляемом изобретении, кольцевые прокладки 10 обеспечивают возможность свободного смещения полого цилиндра 3 в радиальном направлении, перпендикулярно образующей цилиндра. Этим достигается высокая точность равномерного приложения растягивающей нагрузки по всей площади внутренней боковой поверхности полого цилиндра 3, чего не удается добиться при традиционных способах испытаний.

Одновременно со сжимающей, образец в виде полого цилиндра 3 нагружается и растягивающей нагрузкой. Источник пневматического давления 5 нагнетает воздух в полость замкнутой эластичной камеры 4, надетой на бетонный сердечник 2, жестко связанный с силовым основанием 1. Эластичная камера 4 под действием сжатого воздуха, изменив свою первоначальную тороидальную форму, расширяется в объеме и, опираясь на бетонный сердечник 2, оказывает равномерное давление на внутреннюю поверхность полого цилиндра 3, перпендикулярно к его боковой поверхности. Высота эластичной камеры должна быть равной высоте полого цилиндра 3. В противном случае не удается достичь равномерности приложения растягивающей нагрузки по всей площади внутренней поверхности полого цилиндра, которая сказывается на точности измерений. Если высота полого цилиндра 3 будет меньше 1/2 1/4 диаметра срединной поверхности полого цилиндра, имеет место значительное влияние местных граничных условий на криволинейных краях полого цилиндра, что уменьшает точность измерений. При больших соотношениях высоты к диаметру срединной поверхности в тонкостенном полом цилиндре из-за неоднородности бетона, начальных несовершенств образца (разрешенных допусками отклонений от первоначальной формы), практически всегда существующего эксцентриситета приложения сжимающей нагрузки возможны неравномерные отклонения перемещений образца в виде полого цилиндра от его срединной поверхности и далее потеря устойчивости. Принятие указанных соотношений исключает такие явления при испытании полого цилиндра.

Растягивающая нагрузка прикладывается не вдоль срединной поверхности цилиндра, а перпендикулярно к ней. Это дает возможность уменьшить влияние граничных условий и повысить точность центровки при приложении нагрузки, которую при обычных способах для растягивающих усилий обеспечить невозможно.

При заявляемом способе высокая точность центровки достигается равенством усилий растяжения, приложенных к каждой малой в плане пластинке с конечной длиной граней, мысленно выделяемой из конструкции образца в виде полого цилиндраа в любой точкеа на его боковой поверхности.

Так как нагружение полого цилиндра осуществляется ступенями, с выдержкой на каждой ступени для измерения текущих значений деформаций арматуры и бетона, а система распределительных опор 6 в заявляемом устройстве принята по балочной схеме, то каждая балочка нижнего пояса системы предполагает две шаровые опоры 11. Возрастание величин деформаций арматуры и бетона приводит к появлению трещин на поверхности полого цилиндра. Расположение нагрузочных устройств не препятствует осмотру наружной поверхности полого цилиндра, что создает удобство при фиксации ширины раскрытия трещин. О механических свойствах полого цилиндра судят как по ширине раскрытия трещин и расстоянию между ними, так и по изменению значений деформаций арматуры и бетона в процессе нагружения полого цилиндра, причем нагружение доводят либо до необходимого уровня, достаточного для решения поставленной задачи исследования, либо до разрушения образца в виде полого цилиндра. Разрушение двухосного растянуто-сжатого образца может происходить при достижении растянутой арматурой по линиям трещин предела текучести или при исчерпании прочности полос бетона между трещинами.

Полученные опытные данные позволяют анализировать имеющиеся расчетные физические модели деформирования тонкостенных железобетонных конструкций с трещинами при плоском напряженном состоянии.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство позволяют получить нормируемые физико-механические характеристики на железобетонных образцах в условиях плоского напряженного состояния. Высокая точность измерений достигается благодаря существенному снижению влияния граничных условий, погрешностей в измерении деформаций арматуры и бетона, а также погрешности при центрировании образца в виде полого цилиндра за счет высокой точности равномерного приложения растягивающей нагрузки по всей площади внутренней боковой поверхности полого цилиндра.

Сущность изобретения: одновременно нагружают образец в виде полого цилиндра, как сжимающей нагрузкой на систему распределительных балочных опор от гидродомкрата, так и растягивающей нагрузкой путем нагнетания воздуха источником пневматического давления в полость замкнутой эластичной камеры, которая, опираясь на бетонный сердечник, оказывает равномерное давление на внутреннюю поверхность полого цилиндра, перпендикулярно ей, причем нагружение осуществляют ступенчато с выдержкой на каждой ступени для измерения текущих значений деформаций арматуры и бетона, ширины раскрытия трещин и расстояния между ними. Устройство для осуществления способа состоит из основания 1, на котором установлен жестко связанный с ним сердечник 2. На сердечник с зазором к его наружной поверхности одет образец 3 в виде полого цилиндра. В зазоре между сердечником 2 и образцом 3 размещено нагружающее устройство, выполненное в виде эластичной замкнутой тороидальной камеры 4, с полостью которой соединен источник давления 5. Устройство снабжено жестко связанной с сердечником 2 и основанием 1 рычажно-гидравлической системой, выполненной в виде распределительных балочных опор 7, шарнирно-подвижно сопряженных между собой, гидродомкрата 8, через соединительные шланги 9 связанного с масляным насосом. Две кольцевые прокладки 10 из материала с низким модулем деформации размещены на соответствующем торце образца в виде полого цилиндра 3. Шаровые опоры 11 размещены между поверхностями двух жестких распределительных кольцевых штампов 12, обращенных друг к другу и установленных на кольцевой прокладке 10 со стороны свободного торца полого цилиндра 3. Диаметр каждого штампа 12 равен диаметру полого цилиндра 3. Нижний пояс балочных опор 6 рычажно-гидравлической системы установлен на свободной поверхности жесткого распределительного кольцевого штампа 12. 2 с.п.ф- лы,2 ил.

1. Способ оценки механических свойств тонкостенных железобетонных конструкций при растяжении и сжатии, по которому на испытуемый образец воздействуют растягивающей и сжимающей нагрузками, сжимающую нагрузку прикладывают вдоль срединной поверхности образца, нагружение осуществляют ступенчато с выдержкой на каждой ступени для измерения деформаций арматуры и бетона, ширины раскрытия трещин и расстояния между ними, по которым оценивают механические свойства тонкостенных конструкций, отличающийся тем, что в качестве образца используют тонкостенный полый цилиндр, растягивающей нагрузкой воздействуют равномерно по всей площади внутренней поверхности цилиндра перпендикулярно ей, а сжимающую нагрузку создают посредством воздействия системы распределительных балочных опор. 2. Устройство для испытания тонкостенных железобетонных конструкций при растяжении и сжатии, содержащее основание, установленные на основании жестко связанный с ним сердечник, надетый на последний, с зазором к его наружной поверхности, образец в виде полого цилиндра, размещенное в зазоре нагружающее устройство, выполненное в виде эластичной замкнутой тороидальной камеры, и соединенный с ее полостью источник давления, отличающееся тем, что сердечник выполнен из бетона, а устройство снабжено жестко связанной с сердечником и основанием рычажно-гидравлической системой, выполненной в виде распределительных балочных опор, шарнирно-подвижно сопряженных между собой, гидродомкрата для воздействия на балочные опоры, двумя кольцевыми прокладками из материала с низким модулем деформации, каждая из которых размещена на соответствующем торце образца, парой жестких распределительных кольцевых штампов, установленных на кольцевой прокладке со стороны свободного торца образца и шаровыми опорами, размещенными между поверхностями последних, обращенных друг к другу, при этом диаметр каждого штампа равен диаметру образца, нижний пояс балочных опор рычажно-гидравлической системы установлен на свободной поверхности жесткого распределительного кольцевого штампа, а высота H образца выбрана из соотношения H (1/2 1/4) D, где D диаметр срединной поверхности полого цилиндра.