Работы бетона при малоцикловом и однократном динамическом нагружении в условиях сложных напряженных состояний тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАННО

ЮСКОВСКШ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ им. В.В.КУЙБЫШЕВА

На правах докописи

КОРОБЦЕВА Ольга Владимировна

УДК 539.374

РАБОТА БЕТОНА ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ И ОДНОКРАТНОМ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕШИ В УСЛОВИЯХ СЛОЖНЫХ ■ НАПРЯДЕННЫХ СОСТОЯНИЙ

01.02.04, - Механика деформируемого твердого тола

Автореферат

диссертации на соискание учено!! степота кандидата технических ноу к

Москва - 1992

Работа выполнена в Московском инженерно-строительном ннстм им. В.В.Куйбышева

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ШАБЛИНСКИЙ г.э.

Официальные оппонента: доктор технических наук

ШАРАФ/ТданОВ Г.З.

кандидат технических кеук ЕРУСАЛИМСКИЙ Ю.З.

Вепущая организация: Научно-исследовательский институт

энергетических сооружений

Залога диссертации состоится " /у? _ 1992;

в _ ¿2. _часов на заседании специализированногосовета Д 053.11.02 при ШСИ им. В.В.Куйбышева по адресу: Москва, Шлюзовая каб.,8 ауд. УоЭ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Институ"

Автореферат разослан " /2. 1.

Отзыв на автореферат,заверенный гербовой печатью учрежх ния.просим направлять в адрес Института.

Ученый секретарь специализированного совета, профессор, ^у/Л.ь/ докт.техн.наук ■ г>э>шшинш

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации.

Бетон ¡шляется важнейшим строительным материалом. Проектиро-шие бетонных конструкций и сооружений должно опираться на ^основанные расчета, вкполненныв на современном научном уровне, настоящее время бистро развиваются п соьергаенствуются расчет-га методы, позволяющие достаточно полно и точно учитывать как !обенности работы конструкций, так и физико-механические свойст-I (прочностное и деформативныо) конструкционных материалов, иду тем оти расчетное методы могут давать удовлетворительные >зультати только в том случае, если они будут опираться на ¡пользование характеристик работы материала, максимально приблинных тс его работе з конструкциях. Такие характеристики могут !ть получена только при проведении специальных экспериментов.

Прочностные и.деформатишые свойства бетона при однократном 1груяенш1 изучены достаточно полно, Мекяу тем во многих ксмст-'кциях з условиях реальной работы бетон подвергается неоднократ->г<у нагруяенип. Часто возникает и вопрос о сохранении сооруяо-1вм несутдеЛ способности после перенесенных чрезвычайных перегру->я. Если для бетона, работящего в условиях одноосного сжатия ¡ептся некоторою экспорименгальнио цашше, позволяющие учесть юцисторив загр/жения к влияние немногократного повторного эаг-■жошгт, то. для условий слояного напряженного состояния, соотват-■вухмщх работе бетона во многих ответственных сооружениях, имеет-[ лть очень ограниченное количество даннах. В связи с этим тал вопрос о проведении экспериментов, дающих возможность спи-лъ работу бетона а условиях повторного и малоциклового загруже-:п и сложного напряженного состояния.

Мало изучен вопрос о влиянии скорости нагругсемия на прочност-:о и деформатиошю характеристики бетона, работающего в условиях одного напряженного состояния. Эти характеристики нообходимн и расчете моссиптгх ботоншх конструкций, работающих а услови-: сейсмических и одугих динамических перегрузок.

Работа выполнялась в рамках общесоюзной прографи важнейших Р на 1036-1990 гоци по проблеме 074.0Э.06.02, этап Н1 "Провос-: экспорнмснталыые исследования работа бетона в условиях слотх-х нолряяотпх состолкиЯ применительно к расчетам бетотт пло-н в услооиях близких х предельно^ состотг.по".

Цель работа. Получение экспериментальным цутем прочностных и деформативных характеристик бетона, работающего о условиях сложного напряженного состояния при повторном и малоцикловом напряжении, а также при однократной динамическом нагру-жении, дня дальнейшего использования отих характеристик в расчетах реальных бетонных сооружений.

Научная новизна -работы. Получены экспериментальные даннае о деформативных характеристиках бетона в условиях разгрузки и повторной нагрузки» а также при малоцикловых (до.ЮОО циклов) нагрузках в условиях одно-, двух- и трехосного скатия; получены коэффициенты динамического упрочнения и диаграммы деформирования для одно- и двухосного сжатия при скоростях нагруяе-ния,характерных для сейсмических воздействий; на основе экспериментальных данных получена расчетные зависимости, позволяющие учитывать изменения деформативных характеристик бетона о процессе повторного нагружения при его работе в сооружениях; приведены примеры расчета сооружений с использованием полученных деформативных характеристик. Результаты вксперимейтов использованы для построения модели бетона на основе теории пластического течения.

Достоверность результатов. Все эксперимента проводились с использованием оборудования и приборов, атестованных специальными метрологическими службами. Проводились тестовые »кспе-рименты по стандартной методике для сравнения с известными результатами исследования.

Практическая ценность работы. Получен большой объем вкспо-риментальиого материала, описывающего поведение бетона в условиях сложных напряженных состояний н различных траекторий и скоростей нагружения. Эти материалы использованы для построения модели бетона, которая может быть эффективно применено к расчету массивных конструкций внергетических сооружений.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на XIУ Научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ Московского инженерно-строительного института (Москва, 1986г.); на Всесоюзной научно-техническом совеааиии 'Предельные состояния бетонных и железобетонных конструкций

норротических сооружений'' (г.Нарва, 1986г.); на Всесоюзном юучно-техтмеском совещании по проектированию и строительству 1Норготстоскнх объектов в сейсмических районах (г.Нарва,1988г.); т Всесоюзном научно-техшмеском совещании "Расчетные предельно состояния бетонных и нелезоботонкых конструкций энергети-юских сооружении" (г.Усть-Нарва, 1990г.).

Публикации. Основные результаты работы нашли отражение в юети публикациях.

Струтпура и объем работы. Диссертация состоит из введения, !еыи глав и заклотення. Ео содержание изложено на 221 страниц о, ¡оцерки? 82 рисунка, И таблиц, список литературы из 118 наиме-

¡ой&ипй,

СОДЕРЗШМЕ РАБОТЫ 3

• Во введении указана значимость- выполненной работы, кратко сложено содержание работа по главам.

В порроП главе приводен обзор литературы по рассматриваема! проблеме.

Иаучетя физических процессов, происходящих в ботона при [агруяонии, изучению его доформативности, построен!® математи-:еских моделей посвящена обширная литература. Обобщение и анаша имсэдихся экспериментальных данных, а также результаты мно-'очнеленных собственных исследований приведены п работах О.Я.Вер-'а, Е.И.Щербакова, А.А.Гвоздева, О.В.Зайцева, Н.И.Карпенко, 1.П,Кириллова, Ю.Н.Налйякина, Л.В.Яаина, Х.Ионшда, К.Х.Герстли, '.В.Купфоро, И.Б.Ньюманиа и др. Во всех работах особое внимание ■долялосъ позедонта бетона а условиях сложных напряженных состо-гний, влияний вида напряженного состояния на прочностные и де-юрматившо характеристики бетона.

Изучения процессоз рхзгруэки, повторного ногрубения, нзмно-■огратиого циклического нагружигал посвящены работы Г.В.Бечеле-юЯ, О.Н.Кардовского, Т.С.Каранфлдова, Е.Л.КузовчикопоП, Ю.С.Ку-отина, Л.Е.ШеЯкинп, Д.З.Янкеловского, Г.Рейнхардта, Г.Шиксрта, '.Винклора, С.Ыаха и др. Отмечается,что дето в условиях одно-сного яяпруястгля датгыо об изменении деформативнмх характерие-■ик бетона противоречит!, В условиях сложного магруяенил данных

мало, затруднено их сранение, г.к. исследования проводились для разных вариантов траекторий наг руления- и разгрузки,с прим« нением различных методик испытаний.

Накоплен большой экспериментальный материал по изучению влияния скорости нагружения на прочностные и деформативные характеристики бетона. Обобщение этих данных имеется в работах D.M.Баженова, О.Я.Берга, А.П.Кириллова, Н.И.Попова, В.А.Рахманова и др. Вместе с тем имеется крайне мало работ, посвященны> изучению влияния скорости нагружения на свойства бетона в услс виях сложного напряженного состояния. На отсутствие данных укг зывает Гран - автор немногих экспериментальных работ в этой области.

Во всех работах, посвященных разгрузке и повторно^ norjry жению отмечается искривление диаграммы "б - 6 " при разгрузке, уменьшение модуля деформаций, увеличение коэффициента поперечных деформаций. При этом большинство работ основывается на исл таниях без изменения максимальной нагрузки цикла, что затрудня широкое применение полученных результатов. Противоречивы также и данные об уровне критического нагружения, приводящего к стру турным изменениям бетона. Большинство авторов приходит к выводам, что пока не накоплен достаточный экспериментальный матери ал, описывающий поведение бетона при такого рода нагружениях.

Вместе с тем,во многих сооружениях бетон работает в услов ях сложных напряжениях состояний и подвергается действия разно го рода переменных воздействий, например, сейсмических.

Анализ литературы по проблеме позволяет сформировать сл дующие цели исследований: изучение экспериментальным цутем про1 костных и ц©формативных характеристик бетона, работающего в ус. виях сложного напряженного состояния при повторном и малоцикло' вом нагружении, а также при динамическом нагружении; дальнейле использование этих характеристик для построения математической модели бетона и расчетов реальных бетонных сооружений. Для дос-жения указанных целей необходимо разработать методику экспертам талькых исследований, которая отвечала бы и следующим требован: результаты экспериментов должны рассматриваться совместно с накопленным экспериментальным материалом по исследованию бетона

гл однократном статотослом иагруиении в условиях сложных напряжных- состояний. Экспериментальные исследования работа бетона условиях сложного напряженного состояния должны проводиться сопоставлении с аналогичными исследованиями одноосного кагру-

!НИЛ,

Вторая глава диссертации посвшцона разработке методики :спаршонтальных исследований богоиа на малоцикловые нагрузки условиях ОЯ.НО-, дгух- и трехосного сжатия.

Всо испытания проводились на образцах-призмах размером хЮх40 см. Состагы батона приведены з Таблице I. Всего на мало-кловиэ нагрузки было испытало 217 образцов. Образцы испитавесь в эозрасто от 4 до б месяцев. В диссертации приведена под-бная методика изготовления, хранения образцов, подготовки их испытаниям.

Таблица I

Составы бетонов в расчете на I и5

Й„7

Ша

К»

эста-а

Цемент (кг)

Песок <кг)

Щебень 5-10мм (кг)

Щебень 10-20км <кг)

Вода (лУ

1.

2. 3.

220

(Шлакопортланд цемент марки 400)

430« (Портландцалвнт

Ш)ото а"ца

1201п! (Шяакопортланд цемент марки 100)

654

605

660

220

3-10

630

657

750

660

189

195

120

24,0 65,0 17,0

300

700

200

" Пластифнциругацал добавка СЭ составляла 0,25$ 'от массы е!гга в поросчето на сухоо гецветсо,

Пласт1ф:ци15'иг;р-я добавка СДВ составляла 0,?.% от массы ента а переспето на сухое й^сстпо.

- в -

Для исследования работы бетона в условиях сложного напряж ного состояния на циклические нагрузки была принята следующая схема нагружения: осевая (вертикальная) нагрузка на образцы-призмы задавалась стандартными непитательными машинами, а для обеспечения сложного нагружения - создания нагрузок на боковые грани образцов - использовалось специальное приспособление,обе* печивающее гидростатическую передачу нагрузки. Причем цикличес! изменялась в опытах осевая нагрузка, а боковая оставалась посте янной в течение всего опыта. Принятая схема нагружения обеспеч! ла выбор аппаратуры для создания нагрузок.

Для создания осевых (вертикальных нагрузок на образцы использованы испытательные машины типа Е1/-Ю0, П-250 и УРС 50/50,

В работах Ю.Н.Малашкина содержится сравнение и анализ различных экспериментальных установок для создания сложного напряженного состояния. В данной работе била использована установка, позволяющая передавать гидростатическое давление на боковые гр« ни образца, разработанная в лаборатории МИСИ им. В.В.Куйбышева под руководством С.Н.Малашкина. В ходе работы эта установка потребовала дальнейшего усовершенствования. Была разработана специальная технология изготовления резиновых камер высокого давле ния, внесены изменения в конструкцию установки. Принципиальная схема использованной установки приведена на рис.1.

Деформации образцов измерялись проволочными тенэорезисто-рами базой 50 мм и сопротивлением 400 ОМ. По три тензорезистора в капсулах из специально подобранного состава эпоксидно-песчано смеси помещались вцутри образца по направлению главных осей. Тензорезисторы клеились также на наружные грани образцов. Была проведена методическая работа по усовершенствованию системы регистрации нагрузок и деформаций при динамическом напряжении.

Наибольшее количество опытов было проведено на образцах состава № I, На рис.2 приведены траектории нагружения в координатах "интенсивность напряжения - среднее напряжение". Для трех осного нагружения был принят уровень бокового обжатия 0,211^. В главе приведены методические обоснования выбранного значения. Для двухосного сжатия опыты проводились при уровнях бокового на ружения 0,2 и 0,4ЯПр.

Схема конструкции установки для создания гидростатического давления

А

етонныЯ образец, 2-металлическив плиты, З-силовыо болты, еталлические голопки, 5-реэиновыа камеры,заполненный том, б-прикимныя планки, 7-штуцера

Траектории нагрутвтя

Рис. 2

1-оцнооснов сжатие; П-двухосное сжатие " II -двухосное сжатие (62 " Ш-трехосное сжатие (С>2 "

-предельная разрушающая нагруака для каждого вида нагруления.

При каддом выбранном уровне гидростатического обжатия как /Ял трехосного .так и для двухосного нагружения по три образца вводились до разрушения однократным статическим нагружением тупенями нагрузки, составляющими 0,1 от разрушающей, с 5-ти инутной выдержкой на каждой ступени и со снятием отсчетов в :ачало и а конце каждой ступени. Результаты этих опытов поз вопли уточнить разрушающие нагрузки, положение параметрических очек, получить эталонов кривую деформирования при однократен нагружонии, Большинство образцов испытывались на цикличес-:ие нагрузки. Цикл нагрузка-разгрузка повторялся до 1000 раз если разрушение образца не происходило раньше - в процессе амого циклического нагружения). Сначала осуществлялось одно-ременноо нагруженне осевой и боковой нагрузкой для трехосного яатия от точки 0 до точки I; для двухосного - от точки 0 до очки 2, затем нагружение только осевой негрузкой до её максимального значения - для трехосного сжатия от точки I до точки 3; ,лл двухосного - от 2 до 4, затем разгрузка - трехосное - 3-1} .вухосное 4-2. Цикл нагрузка-разгрузка повторялся до 1000 раз ли вплоть до разрушения образца. Максимальная нагрузка цикла стапалась постоянной на протяжении всего испытания для данно-о образца. Положение точек 3, 4, 5 на траекториях нагружения т.о. максимальная нагрузка цикла) выбиралось таким образом, тобы возможно полнее описать все области работы бетона, разгра-иченныо параметрическими точка).™. При эгоы для различных испы-аний максимальная нагрузка выбиралась с шагом, но превышавшим ,2 от продельной нагрузки. Поело завершения заданного коли-естаа циклов нагружения образец полность» разгружался {от точи I до точки 0 для трехосного, для дгухосного - 2 - 0),и затем рводился до разрушения одноосным нагр/хониеи со стандартной коростьп приложение нагрузки - траектория I на рис,2. Для боль-инства испытанных образцов частота циклической нагрузки была ринята равной 0,1 Гц.

Кроме нагруясткш по траектории П (рио.2), для двухосного датия были проводеш опыты для уточнения диаграммы разгрузки, лкличпекио испытания были проведены но только для бокового дая-с-шш б 2иО,2Й 110 " я®1 Уровня бокового давления (>2-0,4Я -

- траектория п' на рис.2. Кроме того, для различных точек на траектории П вше точки 2 проводилось одновременное пропорций нальное уменьшение вертикальной и горизонтальной нагрузок (пу тир на рис.2). Другие траектории нагружания для двухосного oat тия представлены на рис.3.

Траектории нагружения при двухосном пропорциональном сжатии

Рис. 3

1,2,3-гочки,из которых производилась разгрузка; -предельная разрушающая нагрузка для каждого вида наг лужения.

Траектории П и Ш на »том рисунке соответствуют пропорцно-шьнокф нагружен™ при в£-0,2^ - траектория П и б;5»0,40 | траектория Ш. Выли проведены следующие опыты: I) образец сгружался по траектории П до т,2, затем разгружался и дово.дил-1 до разрушения одноосным сжатием - траектория I; 2) образец згружался двухосным сжатием по траектории Ш, разгружался до ^ля, затем доводился цо разрушения одноосным сжатием; 3) обра-щ вначале нагружался одноосным сжатием до некоторого уровня, зотаотствующего точке I, разгружался до нуля, а затем доводил-I до разрушения пропорциональным двухосным сжатием -

траектория нагружения Ш. В втих испытаниях цикл нагрузка -разгрузка повторялся только один раз, задавался со стандарт->Я скоростью нагруяения, с выдержкой на каждой ступени нагру-энил и со снятием отсчетов в начале и в конце каждой ступени игр/иеншт.

• Третья глава по с пятнена изучении бетона в процессе раэгруз-цля различных еидоя напряженного состояния. При анализе про-сссов раз груз ют за оснооу принято разделение диаграммы дофор-ирования параметрическими-точками деформационного процесса на частиц деформирования. Такой подход принят п работах О.Я.Верга получил дальнейшее развитие в работах Ю.НДалшшша при ана-:по диаграммы деформирования на вотвях нагрузки.

, Выделяются слоиугащиа параметрические точки деформационного роцесса: 5М - момент появления деформаций на выдержке; Я ° -шганяя граница трещинообразопания; - порхнлл граница трещи-эобразовашп. Параметры, описьгаащга диаграмму рая грузки привезли о зависимости от уровня тгружения, с которого производись разгрузка. При о том магссималъшэ урошш погружения для йследовалних видов напряженного состояния выбирались таким обмой, чтобы приходилось по несколько значс'ПЛ их на кй"щь;Я частой деформирования, разграничении^ парсг.отрнч ес1сими точками, олучены значешт са^щсго иопуля разгрузки в зависимости от апсимальной нагрузки цпкла'и вида нотрл:,тсппого состояния рис.4).

Кусочно-линейная аппроксимация диаграммы разгрузки

Рис.4

Для более подробного описания диаграммы разгрузки предлагается кусочно-линейная аппроксимация. Диаграмма разгрузки разбивается на три участка: $1та, - 0,75б,та„; 0,75 б,„а> -0,25 0",„о, ; 0,25 б,„«„ - 0, где С,то.* максимальное значение продольного напряжения (вдоль оси образца) к моменту качала разгрузки (см.рис.4). На каждом из этих трех участков диаграмма разгрузки предполагается линейной, но со своим вначением модуля продольных деформаций при разгрузке.

Предложенные зависимости были получены при испытании образцов в условиях сложного напряженного состояния, когда в ходе опыта менялось значение лишь одного из главных напряжений -0'Два .других в ходе опытов оставались постоянными (см.траектории нагружения на рис.2). Для проверки полученных зависимостей были проведены опыты для двухосного пропорционального нагружения и разгрузки при значениях главных напряжений 62* «.0,262 и 62 = 0,4бОпыты показали хорошее совпадение расчетных и экспериментальных значений продольных деформаций. Разница не превыаала 10 % .

Далее п работе приведены значения коэффициента поперечных еформаций при раз груз ко:

П/

зависимости от максимального уровня нагружения ¿Г р Отмечается, то для трехосного сжатия значения больше,чем для одноосного.

В диссертации рассмотрены также "особые" траектории нагручсе-ш и разгрузки, которые могли бы дополнить приведенные выше дан-но. Для трехосного сжатия это одновременное уменьшение всех глав-гых напряжений на величину гидростатического обжатия б0» б^3" ^з3 0,2ЯПр для различных значений С^/0,55Ипр; 0,73^^; 0,91Я.пр./

|тмечено,что при этом разгрузка происходила упруго.Для двухосного якатия "особые" траектории разгрузки приведены на рис. 5, где

Особые траектории погружения при двухосном сжатии

и - тсчки, соответствующе момр1пу гчлпгзс'няя

Г'.,с. Г)

стрелками показаны направления нагружения и разгрузки. Эти опыты включали одновременное уменьшение двух главных напряжений, уменьшение 'второго главного напряжения, пропорциональное уменьшение напряжений для "упругой" стадии работы бетона и^работе бетона при превышении верхней границы трещинообраэования Ат« В диссертации приведены соответствующие диаграммы деформаций, значения остаточных деформаций, изменение модулей деформаций, В работе даны значения модулей деформаций при повторном нагружении в зависимости от максимальной нагрузки предыдущего погружения.

В четвертой главе анализируется изменение прочностных и дэ-формативных характеристик в процессе малоцшслового нагружения для различных видов напряженного состояния. В этом случае т^о параметрические точки деформационного процесса имели решающее знамение при анализе происходящих в процессе малоцмклового нагружения изменений деформационных характеристик бетона. Их роль в зависимости от вида напряженного состояния различна. Так,для одно- и двухосного сжатия верхняя, гррница трещинообразования РЦ, сдушиа пределом малоцикловой усталости - образцы, нагруженные цшеличвеко!! нагрузкой с максимумом цикла, прввьтагщим Яу разрушались в процессе циклического погружения. Для трохосного сжатия всо образцы, нагруженные циклической нагрузкой с б,гп(ц<> й, выдеряали тысячу циклов нагружения без разрушения, Наибольшие изменения могуля продольных деформаций наблюдались дал одноосного скатил и составляли - .для образцов, шдерковшк тысячу циклов без разрушения цо 18%, для образцов, разрушившихся в процессе циклического наг-рукення - до 30$. Для сяохтого напрякоиного состояния изменение модуля продольных деформаций происходило уко на нескольких первых циклах нагрудешш. Пос^егуюцпо цтиш нагрукония приводили к умапь-гаеншо мо.вуля на 5-10$.'

Для одноосного сжатия был отмечен резкий рост значений коэффициента поперечной деформации иеяосредствешю пород раэруаенши образца. При трехосном сяатии для высоких уровней циклической нагрузки (превосходящих значение а!) характерны большие он$исния коэффициента поперечных деформаций (до 0,42), причем образцы вычеркивали до тысячи циклов нагружэния боэ разрушения. Для двух-

зсного сжатия рост коэффициента поперечной деформации наблюдался ягсзь s направлении, свободном от нагрузки. Вид графика козффицк-знта поперечной деформации подобен одноосному нагружению,указыва-зт на преобладавшее направление трещин при разрушении.

Получены данные о накоплении остаточных деформаций в прочес-39 циклического нагружения. Для одноосного сжатия наблюдался зкартельный рост остаточных деформаций на последних циклах перед разрушением. Для образцов, выдержавших тысячу циклов (нагруженных »гае верхней границы трещинообразования R-^,) основная часть оста-гочных деформаций била получена после первого цикла нагружения, за тысячу циклов дополнительные деформации составили порядка [ОхЮ o.e. Для трехосного сжатия остаточные деформации для всех шачений максимальной нагрузки цикла предлагается описывать эави-:имостьо вида

/2/

«де £ I - остаточная деформация после первого цикла нагружения, £j/ - остаточная деформация после цикла нагружения с номером N,

Для всех проведенных опытов получены значения коэффициента к. В диссертации приведена эмпирическая'зависимость К f(6trno,/R) Показано,что для двухосного сжатия можно пользоваться зави-Ммостьо /2/ для вычисления остаточных деформаций,но эта зависи-юсть дает зненительныэ погрешности на последних циклах перед раз-утаением. Получены также значения максимальных зафиксированных »статочных деформация для различных видов напряженного состояния.

Для полных деформаций, соответствующих максимальной натруз-:в цикла (см.схецу на рис.б) предлагается следующая зависимость:

г„п. •<- VW, w

'до ßQ - мо.цуль деформаций (продольных),соответствующих максимальной нагрузке первого цикла негружения. Коэффициент К зависит от отношения максимальной нагрузки цик-:а к предельной разрушающей нагрузке для данного вида напряженного юстояния 9 э /ft • Ha основе анализа экспериментальных данных становле)ю,что зга зависимость имеет вид:

■ к - < /СЛ /V

Изменение модуля полных деформаций в процессе циклического нагружения

Рис. 6

где А и В - эмпирические коэффициенты, определяемые длл данного бетона видом напряженного состояния. Их значения приведены в таб лице.

Все образцы,выДержавине тысячу циклов нагружения, доводилис до разрушения однократным одноосным сжатием. При предварительном одноосном циклическом нагружении диаграмма приобретает и5-образ .ное" очертание, точка перегиба соответствует максимальной нагруа ке цикла. Эта особенность изменения диаграммы была отмечена еще в работах А.В.Яшина и некоторых других исследователей. При одноосном погружении поело предварительного двухосного циклического испытания также наблюдался Л -образный характер диаграмму 6-6 , Точка перегиба в этом случае соответствовала,в основном,верхней границе трещинообразования Для образцов, доводившихся до разрушения одноосным сжатием после предварительного циклического трехосного нагружения отмечалось изменение направления кривизны диаграммы б - £ »значительное уменьшение деформаций на выцофяке, увеличение коэффициента поперечных деформаций. В диссертации про; ставлены диаграммы б-<£ для различных видов напряженного состоя-

ния и графики зависимости коэффициентов поперечной деформации и модуля деформаций для образцов, нагружавшихся после предварительного циклического воздействия.

Пятая глава посвящена изучению влияния марки бетона на ого поведение при циклическом воздействии при различных видах наряженного состояния. Описашгые в главах три и четыре результаты испытаний относились к бетону средней прочности (бетон состава № I- см.таблицу I). Для выявления характера влияния прочности бетона на результаты испытаний опыты с циклическим нагружением для различных видов напряженного состояния проводились также для высокопрочного бетона (состав 7? 2 в таблице I), а опыты по изучению диаграммы разгрузки та юте и .для низкопрочного бетона (состав № 3 в таблице I). Для этих бетонов испытания проводились по той же схеме,что и для нормального бетона, параметра,характеризующие дефор-мативкость приведены в диссертации в сравнения с аналогичными величинами для нормального бетона.

Установлено,что бетоны,близкие по дефсрмативности,относящиеся 1С группам низкопрочных и нормальных бетонов, несмотря на существенные отличия призкенной прочности, имеют близкие деформатнвто параметры по разгрузке.

Поведение высокопрочного бетона в условиях малоциклового погружения по некоторым параметрам существенно отличается от поведения нормальных и низкопрочных бетонов. Наиболее значительные отличия, характеризующие поведете высокопрочного бетона, заключаются о более линейной диаграмме нагрузки-разгрузки, весьма незначительном изменении упругих характеристик в процесса малоциклового иаг-ружснип в сравнении с нормальным бетоном, в преобладании хрупкого ралрутаения Для всех исследолшншх видов напряженного состояния.

В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследований бетона при однократном динамическом нагружонии п условиях одноосного и двухосного сжатия. Выла разработана методика подготовки и проведения экспериментов по испытании образцов в условиях двухосного сжатия и скоростей нпгкужения, близких к сейсмическому воздействию. Проведены методические испытания, позволившие пмбратг.

режим нагружения, характер передачи нагрузки на образец. Испытания проводились на образцах, изготовленных из состава № I (табл.1), всего было испытано 3 серии (72 образца).

В условиях двухосного сжатия при динамических и при статических испытаниях образцов, нагружение их осуществлялось по следующей схеме. Вначале прикладывалась вертикальная (осевая) нагрузка, равная 2 т. Затем ступенями, с проведением измерений деформаций прикладывалась боковая (горизонтальная) нагрузка до того уровня, который выбирался для данного опыта. Эта нагрузка $ % поддерживалась постоянной на протяжении всего опыта. После приложения боковой нагрузки осуществлялось нагружение вертикальной нагрузкой с заданной скоростью до разрушения образца.

При динамических испытаниях вертикальная нагрузка задавалась с пульта управления испытательной машины с фиксированной частотой. Частота приложение,нагрузки составляла от 3 до 10 Гц, что соответствует частотам, характерным для сейсмических воздействий. Специально проведенные методические опыты, в которых замерялась нагрузка, передаваемая на образец, показали,что скорость приложения нагрузки остается постоянной на начальном этапе нагружения,но падает при интенсивном развитии пластических деформаций. Поэтому в опытах нагрузка характеризовалась ддумя величинами - скорость» приложения нагрузки на начальном етапе и временем до разрушения - временем возрастания нагрузки до её максимального значения. Условия испытаний приведены в Таблице 2.

Таблица 2

Условия динамических испытаний бетона

и серии Величина Скорость шг Время до разрушения

I 0 0,20 500+600 500*600 0,05 б;о7

П 0 0,24 900+1000 900+1000 0,03 о; 045

Ш 0,40 о;бо 500+600 500+600 0,05 о;о5

Вторая серия образцов испытывалась при больших значениях скорости приложения нагрузки; для третьей серии было увеличено значение бокового напряжения^ для установления влияния этих величин на прочностные и деформатиэные характеристики. В ходе опытов велась непрерывная регистрация нагрузки деформаций об'" гз-цов в трех главных направлениях. Для получения коэффициентов динамического упрочнения для каждого вида напряженного состояния, параллельно с динамическими испытаниями проводились аналогичные статические испытания образцов.

Для одноосного сжатия коэффициент динамического упрочнения составил 1,16. Для двухосного сжатия при б£=0,2+0,4Яп -1,21 - 1,23; при б2-0,6Япр - 1.38.

Установлено,что в данном диапазоне скоростей нагружения коэффициент динамического упрочнения не зависел от скорости нагружения, но существенно зависел от вида напряженного состояния. Получено близкое совпадение диаграмм деформирования для статического и динамического нагружения, отнесенных к продельной нагрузке для данного вида нагружения как для одноосного,так и для двухосного сжатия. Испытания для двухосного и одноосного сжатия проводились по единой методике, что позволяет сопоставить их с данными других авторов.

Подученные результаты в целом хорошо согласуются с имеющимися в литературе данными.

Седьмая глава посвящена использованию результатов экспериментальных исследований для построения математической модели бегона. В этой жо главе приведены примеры расчета двух массивных конструкций: бетонной гравитационной плотины и железобетонного корпуса высокого давления с учетом реальных свойств бетона.

Математическая модель бетона разработана под руководством и при непосредственном участии к.т.н. М.Е.Грояева. В её основу положены следующие концепции: связь между напряжениями и деформациями определяется соотношениями теории пластического точечия с упрочненном; она конкретизируется заданием функций погружения, определяемых на основе обработки данных лаборатории исследовать прочностных и информативных свойств конкретных бетонов. Рассматривался случай двухосного напряженного состояния.

Б расчетах бетонных гравитационных плотин учитывались все основные факторы, влияющие на напряженно-деформированное состояние сооружения в строительный период и последующее изменение втого состояния в зксплуатационный период. К таким факторам относятся: последовательность возведения сооружения; режим заполнения водохранилища, образование и развитие трещин в сооружении. В качества предельной нагрузки иа сооружение предполагалось принимать такой её уровень, при котором происходят незатухающие деформации, развитие которых сопровождается смещением одной части расчетной области относительно другой.

В диссертации приведены сравнительные результаты расчета фрагмента плотина-основание на статическую нагрузцу и нормированную акселерограмму, выполненные о учетом реальных свойств бетона и в предположении его линейно-упругой работы. Разработанная методика и вычислительная программа позволяла учесть образование и раскрытие трещин.

При расчете корцуса высокого давления в основу была положена диаграмма зависимости напряжений от интенсивности деформаций б, »/(£/) . полученная .для реального бетона в условиях трехосного сжатия на ветвях нагрукешл и разгрузки. Диаграмма «шпроксими-ровал&сь зависимостью

/б/

I • о

где константы ^¿ определялись из условия равпнства некоторых определенных значений напряжений экспериментальной и аппроксимирующей зависимости. Задача напряженно-деформированного состояния корпуса высокого давления решалась методом конечных олементов. Результат расчетов сопоставлялись с упругим решением задачи. В результате учета нелинейности диаграмма уменьшение напряжений в отдельных точках зон концентрации напряжений достегало ЙОД. Выявлено такхч существенное перераспределение напряжений при раэгруако.

ОСНОВШЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ШВОДО

Изучение работы бетона в условиях сложных напряженных состо-тний остаетсл актуальной проблемой механики деформируемого твер-деготела в связи с появлением новых конструкций и совершенствованием методов расчета сооружений.

Необходимой составной частью тагах исследований являются жеперименты на образцах натурного материала. Такие эксперимента зесьма трудоемки и требуют решения сложных методических вопросов.

В настоящей работе решен ряд вопросов по испытаниям бетона э условиях сложных напряженных состояний на базе нагрузочного гстройства, предложенного д.т.н. проф. Малапкиным D.H.:

а) усовершенствованы камеры давления нагрузочного устройст-эа, позволяющие повысить боковую нагрузку на образец, при одновременном повышении надежности и долговечности;

б) усовершенствована система регистрации динамических нагрузок на образец синхронно с его деформациями;

в) разработана система подготовки и проведения экспериментов то испытанию образцов бетона на динамические нагрузки.

На основании проведенных экспериментов по изучению работы 5етона в условиях сложных напряженных состояний получены слодпо-цио новые результаты:

- построены диаграммы разгрузки для различных видов напряженного состояния бетона и установлены эмпирические зависимости, юзволящие описать полученные диаграммы;

- установлено влияние уровня нагружения на деформативньгэ характеристики бетона при разгрузке;

- построены диаграммы деформаций при "особых" траекториях нагружения и разгрузки;

- установлены диапазоны изменения деформативных характеристик и остаточных деформаций в зависимости от уровня нагружения

и вида напряженного состояния для циклического нагружения;

- получены эмпирические зависимости, характеризующие изменение модуля полных деформаций с ростом номера цикла нагружения; описаны количественные и качественные изменения диаграммы в результате циклического воздействия нагрузки;

- изучено влияние марки бетона на его информативнее и прочностные свойства при циклическом нагруженш;

- получена коэффициенты динамического упрочнения бетона в условиях одно- и двухосного сжатия и скоростях приложения нагруз ки, характерных для сейсмических воздействий; установлено влняни вида напряженного состояния на динашчоскоо упрочнение и деформа тивность ботона.

На основе полученных в работе экспериментальных данных разработана математическая модель деформирования бетона а условиях сложного напряженного состояния. Эта модель бетона апробирована при расчетах напряженно-деформированного состоят!« бетонной гравитационной плотины на осиошше эксплуатационные* (статические) и сейсмтескиа нагрузки, результаты экспериментов использованы также в расчете железобетонного корпуса высокого цявлония для случая первоначального н&грукеиия в^троншм давлением до нормативного значения и последующей частичной разгрузки.

Основное результаты "диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Малин кип Ю.Н., ШаблинскиЯ Г.Э., Коробцева О.В. Исследование работы бетона при ыалоцикловых нагрузках о условиях двухосного шатия. Известия ВУЗов. Строительство и архитектура, 1905г.,

№ 4 с.I16-119.

2. ШаблимскиЯ Г.Э., Коробцева О.В. Нзучеиио работы бетона при разгрузке и повторной нагрузке в условиях сложных напряженных состояний, // Материалы конференций и совещаний по гидротехнике: Прецелыше состояния бетонных и келезобетоншх конслрукцкЯ энергетических сооружений.-1987 - с.213-216.

3. Грошев М.Е., Шаблииский Г.Э., Степанова Н.Л., Коробцева О.В. Математическая модель для расчетных исследований бетонных гидротехнических сооружений на статические и сейсмические воздействия. // Сейсмостойкость энергетических сооружений./ Межведомственный сборник научных трудов. Л., 1990г., с.16-22.

4. Малаакин Э.Н., Коробцева О.В, Изменение деформаций бетона в условиях сейсмического воздействия к сложного напряженного состояния. // Сейсмостойкость энергетических сооружений./ Межведомственный сборник научных трудов. Л., 1990г., с.40-43.

5. ШаблинскиП Г.Э., Коробцева О.В., Везгодов И.М. Динами-зкоо упрочнение батона при однократном нагружвтш в условиях юосного и двухосного статия. Экспресс-информация. Строитель-

зо и архитектура. Серия сейсмостойкое строительство, М., 1991г., т. З.с.2-5.

6. Шаблинский Г.Э., Грошев И.Е., Коробцева О.В., Степано-Н.Л. Применение теории пластического течения для описания [юрматишости и прочности бетона п условиях двухосного нагруже-гг. Экспресс-информация. Строительство и архитектура. Серия 1смостойкое строительство, Ы., 1991г., вып. 4, с.24-31.

(писано к печати 22.01,92. Формат 60x84 /16 [ать офсетная И-16. Объем I п.л. Т.100. Заказ ¡платно

'апринт ШСИ им. В.В.Куйбыиева