Работа 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 ОБРАЗОВАНИЮ

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

На правах рукописи

КОРОБЦЕВА Ольга Владимирозна

УДК ¡339.374

РАБОТА БЕТОНА ПЕЛ МАЛОЦИКЛОВОЫ И ОДНОКРАТНОМ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ В УСЛОВИЯХ СЛОЖНЫХ НАПРЯДЕННЫХ СОСТОЯНИЙ

01.02.04. - Механика деформируемого тисрдого тола

Л в т о р 5 ф и р а т

диссертации на солсканиэ ученой степени кандидата тсхштческнх ипук

Мосмва - 199?.

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ШАМИНСКИЙ Г.Э.

Официальные оппоненты; доктор технических наук

ШАРАЙУТДИНОВ Г.З.

кандидат технических наук ЕРУСАЛШСКИЙ 0.3.

Ведущая организация:

Научно-исследовательский институт энергетических сооружений

Защита диссертации состоится в _ ¿Я^часов на заседании специализированного совета Д 053.11.02 при МИСИ им. В.В.Куйбшева по адресу: Москва, Шлюзовая наб.,8 ауд. 4^3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института.

Автореферат разослан " 12 _

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

Учений секретарь специализированного совета,профессор, Л/.//* Т~/ докт.техн.наук (//<Г.Э.ШАБЛШСКШ

/

» ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

I- |

' " л | Актуальность темы диссертации. -. /¡ -Л ! Бетон является важнейшим строительным материалом. Проектирование бетонных конструкций и сооружений должно опираться на обоснованные расчеты, выполненные на современном научном уровне. В настоящее время быстро развиваются п совершенствуются расчетные методы, позволяющие достаточно полно и точно учитывать как особенности работы конструкций, так и физико-механические свойства (прочностные и деформативные) конструкционных материалов. Между тем эти расчетные методы могут давать удовлетворительные результаты только в том случае, если они будут опираться на использование характеристик работы материала, максимально приближенных к его работе а конструкциях. Такие характеристики могут бить получены только при проведении специальных экспериментов.

Прочностные и .деформативные свойства бетона при однократном идгрудении изучены достаточно полно. Между тем во многих конструкциях в условиях реальной работы бетон подвергается неоднократно^ нагруженко. Часто возникает и вопрос о сохранении сооружением несущей способности поело перенесенных чрезвычайных перегрузок. Если для ботона, работающего в условиях одноосного сжатия имеются некоторые экспериментальные данные, позволяющие учесть прздисторип зогргужения и влияние немногократного повторного загружена, то для условий сложного напряженного состояния, соответствующих работе бетона во многих ответственных сооружениях, имеется лишь очень ограниченное количество данных. В связи с этим зстал вопрос о проведении экспериментов, даащнх возможность описать работу бетона в условиях повторного и малоциклового загруже-1шя и сложного напряженного состояния.

Мало изучен вопрос о влиянии скорости нагруления на прочностные и деформативныо характеристики ботона, работающего в условиях сложного напряженного состояния. Эти характеристики необходимы при расчете массивных бетонных конструкций, работающих в условиях сейсмических и других динамических перегрузок.

Работа выполнялась в рамках общесоюзной программы важнейших НИР на 1936-1990 годы по проблема 074.03.06.02, этап Н1 "Провести экспериментальше исследования работы ботона в условиях слок-гагх иопрпжонн1гх состояний применительно к расчетам бетонных плотни в условиях близких к предельно^ сосготгиэ".

' Цель работы. Получение экспериментальны* цутем прочностных и цеформативных характеристик бетона, работающего в условиях сложного напряженного состояния при повторном и малоцикловом нагдужении, а также при однократной динамическом нагру-жении, для дальнейшего использования этих характеристик в расчетах реальных бетонных сооружений.

Научная новизна работы. Получены вкспериментальные данные о цеформативных характеристиках бетона в условиях разгрузки и повторной нагрузки, а также при малоцикловых (до.1000 циклов) нагрузках в условиях одно-, двух- и трехосного сжатия; получены коэффициенты динамического упрочнения и диаграммы деформирования для одно- и двухосного сжатия при скоростях нагруже-ния,характерных для сейсмических воздействий; на основе вкс-периментальных данных получены расчетные зависимости, позволяющие учитывать изменения цеформативных характеристик бетона в процессе повторного нагружения при его работе в сооружениях; приведены примеры расчета сооружений с использованием полученных .цеформативных характеристик. Результаты вксперимантов использованы для построения модели бетона на основе теории пластического течения.

Достоверность результатов. Все эксперименты проводились с использованием оборудования и приборов, атестованных специальными метрологическими службами. Проводились тестовые »ксперименты по стандартной методике для сравнения с известными результатами исследований.

Практическая ценность работы. Подучен большой объем вкспо-риментального материала, описывающего поведение бетона в условиях сложных напряженных состояний и различных траекторий и скоростей нагружения. Эти материалы использованы для построения модели бетона, которая может быть эффективно применена к расчету массивных конструкций »нергетических сооружений.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Х1У Научно-технической конференции по итогам неучно-исследова-тельских работ Московского игекенерно-строительного института (Москва, 1986г.); на Всесоюзном научно-техническом совещании [Предельные состояния бетонных и железобетонных конструкций

аноргетических сооруяений" (г.Нарва, 1986г.); на Всесоюзном неучно-техническои совещании по проектированию и строительству энергетических объектов в сейсмических районах (г.Нарва, 1988г.); Ш1 Всесоюзном научно-техническом совещании "Расчетные предельно состошшя бетонных и железобетонных конструкций энергетических сооружений" (г.Усгь-Нарза, 1990г.).

Публикации. Основные результаты работа наали отраление в пвсти губликациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Ее содержание изложено на 221 странице, содержит 82 рисунка, 14 таблиц, список литературы из 118 наименований .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ '

Во введешш указана значимость- выполненной работы, кратко изложено содержание работи по главам.

В первой главе приводен обзор литературы по рассматриваемо!! проблеме.

Изучении физических процессов, происходящих э бетона при нпгруяегеш, изучении его деформативиости, построению математических моделей посвящена обширная литература-. Обобщение и анализ имеэдихсл экспериментальных данных, а такпе результаты многочисленных собственных исследований приведены в работах 0.Я.Вор-га, Е.И.Щербакова, А.А.Гвоздева, Ю.В.Зайцева, Н.И.Карпенко, А.П.Кириллова, Ю.Н.Штеттина, Л.В.Яшина, Х.Иошида, К.Х.Герстли, Х.В.Купфсзра, И.Б.Ньюманна и др. Во всех работпх особоо внимание уделялось поэедейпз бетона в условиях сложных напряженных состояний, влиянию вида напряженного состояния на прочностные и до-формативные характеристики бетона.

Изучении процессов разгрузки, повторного погружения, немио-гократного циклического нагруаонип посвящзга работи Г.В.Вечоне-вой, Ю.Н.Кардовского, Т.С.Каранфилова, З.А.Кузовчиковой, В.С.Кулагина, А.Е.Шейкнна, Д.З.Янкэлсеского, Г.Рейнхардта, Г.Шикерта, Г.Винклера, С.Шаха и пр. Отмечается,что цело а условиях одноосного нагруяетт данные об изнснснпи цо^орь'.чтиш-мх характеристик бетона противоречит;. В условиях сложного нагруяошл данных

мало, затруднено их сранение, т.к. исследования проводились для разных вариантов траекторий нагружения и разгрузки,с применением различных методик испытаний.

Накоплен большой экспериментальный материал по изучению влияния скорости нагружения на прочностные и деформативные характеристики бетона. Обобщение этих данных имеется в работах Ю.М.Баженова, О.Я.Берга, Л.П.Кириллова, Н.И.Попова, В.А.Рахма-' нова и др. Вместе с тем имеется крайне мало работ, посвященных изучению влияния скорости нагружения на свойства бетона в условиях сложного напряженного состояния. На отсутствие данных указывает Гран - автор немногих экспериментальных работ в этой области.

Во всех работах, посвященных разгрузке и повторно^ нагру-женгао отмечается искривление диаграммы "б - <5 " при разгрузке, уменьшение модуля деформаций, увеличение коэффициента поперечных деформаций. При этом большинство работ основывается на испытаниях без изменения максимальной нагрузки цикла, что затрудняет широкое применение полученных результатов. Противоречивы также и данные об уровне критического нагружения, приводящего к структурным изменениям бетона. Большинство авторов приходит к выводам, что пока не накоплен достаточный экспериментальный материал, описывающий поведение бетона при такого рода нагружениях.

Вместе с тем,во многих сооружениях бетон работает в условиях сложных напряжениях состояний и подвергается действию разного рода переменных воздействий, например, сейсмических.

Анализ литературы по проблеме позволяет сформулировать следующие цели исследований: изучение экспериментальным путем прочностных и деформативных характеристик бетона, работающего в условиях сложного напряженного состояния при повторном и малоцикловом нагружении, а также при динамическом нагружения; дальнейшее использование этих характеристик для построения математической модели бетона и расчетов реальных бетонных сооружений. Для достижения указанных целей необходимо разработать методику экспериментальных исследований, которая отвечала бы и следующим требования!, результаты экспериментов должны рассматриваться совместно с накопленным экспериментальным материалом по исследованию бетона

при однократном статическом погружении в условиях сложных напряженных- состояний. Экспериментальные исследования работы бетона п условиях сложного напряженного состояния должны проводиться в сопоставлении с аналогичными исследованиями одноосного нагру-пения.

Вторая глава диссертации посвящена разработке методики окспариментильных исследований бетона на малоцикловыо нагрузки з условиях одно-, двух- и трехосного сжатия.

Всо испытания проводились на образцах-призмах размером ЮхЮх40 см. Составы бетона приведены в Таблице I. Всего на малоцикловыо нагрузки было испытано 217 образцов. Образцы испытыва-лись в возрасти от 4 до б месяцев. В диссертации приведена подробная методика изготовления, хранения образцов, подготовки их « испытаниям.

Таблица I

Состаш ботоноэ в расчете на I цэ

К» Цемент Песок Щебень Щебень Вода Й.р 1<

соста- (КГ) (кг) 5-Юмм Ю-20мм (л) Ша М

ва (кг) (кг)

I. 220 654 220 657 189 24,0 300

(Илакопортлгшд

цемент

марки 400)

г. 430" воз 3-10 700 195 55,0 700

(Портландцемент

Польского э-да

И 600)

з. 120™ 060 680 560 120 17,0 200

(Шлакопортланц

цемент

марки 100)

!5 Пластифицирующая добавка СЗ составляла 0,25$ 'от массы цсг.'.эита в псросчото на сухоо вогцостэо.

Иластифтщиругпгл добавка СДЗ составляла 0,2% от массы цйнснтл о пересчете т суяоя всщ^стяо.

- б -

Для исследования работы бетона в условиях сложного напряженного состояния на циклические нагрузки была принята следующая схема нагружения: осевая (вертикальная) нагрузка на образцы-призмы задавалась стандартными испытательными машинами, а для обеспечения сложного нагружения - создания нагрузок на боковые грани образцов - использовалось специальное приспособление,обес-. печивающее гидростатическую передачу нагрузки. Причем циклически изменялась в опытах осевая нагрузка, а боковая оставалась постоянной в течение всего опыта. Принятая схема нагдужения обеспечила выбор аппаратуры для создания нагрузок.

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

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

Деформации образцов измерялись проволочными тензорезисто-рами базой 50 мм к сопротивлением 400 ОМ. По три тенэорезистора в капсулах из специально подобранного состава впоксидно-песчаной смеси помещались внутри образца по направлению главных осей. Тензорезисторы клеились также на наружные грани образцов. Выла проведена методическая работа по усовершенствованию системы регистрации нагрузок и деформаций при динамическом нагружении.

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

Схема конструкции установки для создания гидростатического давления

А

Рис. I

I-бетонный обр&тец, 2-метоллическно плиты, З-силосыа болты, 4-металлические голопки, 5-розиновыэ камеры, я аполнэшмо маслом, б-гтриъимшя планки, 7м1пуцяра

Траектории нагружения

Рис. 2

1-одноосное сжатие; Н-двухосное сжатие (63 ■ II -двухосное сжатие ( 02 ■ 0,4ЯПр); Ш-трехосное сжатие я

-предельная разрушающая нагрузка для каждого вида нагружения.

При калцом выбранном уровне гидростатического обжатия как для трехосного,так и для двухосного погружения по три образца доводились до разрушения однократным статическим нагружением ступенями нагрузки, составляющими 0,1 от разрушающей, с 5-ти минутной выдержкой на каждой ступени и со снятием отсчетов в начале и в конца каждой ступени. Результаты этих опытов позволили уточнить разрушающие нагрузки, положение параметрических точек, получить эталонную кривую деформирования при однократном нагружении. Большинство образцов испытывались на циклические нагрузки. Цикл нагрузка-разгрузка повторялся до 1000 раз (если разрушение образца не происходило раньше - в процессе самого циклического нагружения). Сначала осуществлялось одновременное нагруление осевой и боковой нагрузкой для трехосного сжатия от точки 0 до точки I; для двухосного - от точки 0 до точки 2, затем нагружоние только осевой нагрузкой до её максимального значения - для трехосного сжатия от точки I до точки 3; для двухосного - от 2 до 4, затем разгрузка - трехосное - 3-1; двухосное 4-2, Цикл нагрузка-разгрузка повторялся до 1000 раз или зплоть до разрушения образца. Максимальная нагрузка цикла оставалась постоянной на протяжении всего испытания для данного образца. Положение точек 3, 4, 5 на траекториях нагружения (т.о. максимальная нагрузка цикла) выбиралось' таким образом, чтобы возможно полное описать всо области работы бетона, разграниченные параметрическими точками. При этом для различных испытаний максимальная нагрузка выбиралась с шагом, но превышавшим 0,2 от продольной нагрузки. Поело завераения заданного количества циклоп нагружения образец полностью разгружался (от точки I до точки 0 для трехосного, для двухосного - 2 - 0),и затем доводился до разрушения одноосным нагружением со стандартной скоростьо приложение нагрузки - траектория I на рис.2. Для боль-пинства испытанных образцов частота циклической нагрузки была принята равной 0,1 Гц.

Кроме нагружения по траектории П (рис.2), для двухосного сжатия били проведены опыты для уточнения диаграммы разгрузки. Циклические испытания были проведены но только для бокового дав-Л01Л1Я б н0 н аля УР0ВНЯ бокового давления ^2-0,4^ п -

- траектория п' на рис.2. Кроме того, для различных точек на траектории П вше точки 2 проводилось одновременное пропорциональное уменьшение вертикальной и горизонтальной нагрузок (пунктир на рис,2). Другие траектории нагружения для двухосного сжатия представлены на рис.3.

Траектории нагружения при двухосном пропорциональном сжатии

Рис. 3

1,2,3-точки,из которых производилась разгрузка; -предельная раз рушащая нагрузка для каждого вида нагружения.

Траектории П и Ш на втом рисунке соответствуют пропорционально^ нагружеюш при 0^0,2(^1 - траектория П и бд*"0»4, ® I

- траектория Ш. Выли проведены следующие опыты: I) образец нагружался по траектории П до т.2, затем разгружался и доводился до разбиения одноосным сжатием - траектория I; 2) образец нагружался двухосным сжатием по траектории Ш, разгружался до цуля, затем доводился до разрушения одноосным сжатием; 3) обра-оец вначале нагружался одноосным сжатием до некоторого уровня, соответствующего точке I, разгружался до цуля, а затем доводился до разрушения пропорциональным двухосным сжатием ~

- траектория иагружения Ш. В этих испытаниях цикл нагрузка -

- разгрузка повторялся только один раз, задавался со стандартной скоростью иагружения, с выдержкой на каждой ступени нагру-яения и со снятием отсчетов в начале и в конце каждой ступени нагружения.

' Третья глава посвящена изучению бетона в процессе разгрузки для различных видов нопр/иенного состояния. При анализе процессов разгрузки за основ!' принято разделение диаграммы деформирования парометршосганяг точками деформационного процесса на участки деформирования. Такой подход принят я работах О.Я.Верга » получил дольнеПшеа развитие о работах Ю.НДалсшкнна при анализе диаграммы деформировать на зотвях нагрузки.

Выделяются следующие параметрические точки деформационного процесса: <УШ1 - момент появления деформаций на выдержке; П ° -

- 1ПИНЯЛ граница трэщинообразовшгия; - верхняя граница трещи-иообрапования. Параметры, описывающие диаграмму разгрузки приведены в зависимости от уровня нагрупеюш, с которого производилась разгрузка. При этом максимальные уровня погружения для нсследопашгых видоз напряденного состояния выбирались таким образом, чтобы пр:гаоцилось по несколько значо-шй их ка ксстцыА участок дефор;л1роЕП!гля, разграничен!^ параметрическими точками. Получены значения сеющего шпуля разгпуэки в зависимости от максимальной нагрузки цикла и вида напряженного состоя!пт (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: б1та, - 0,75 б,™,; 0,75 б,та, -0,25 О,та, ; 0,25б,тах - 0, где Си максимальное значение продольного напряжения (вдоль оси образца) к моменту начала разгрузки (см.рис.4). На каждом из этих трех участков диаграмма разгрузки предполагается линейной, но со своим ¡значением 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 -О*!» Два других в ходе опытов оставались постоянными (см.траектории нагртужения на рис.2). Для проверки полученных зависимостей были проведены опыты для двухосного пропорционального наг-ружения и разгрузки при значениях главных напряжений С £ * «>0,2 б ^ и я 0,46 Опыты показали хорошее совпадение рас-четшх и экспериментальных значений продольных деформаций. Разница но превьппла Ю % .

Далее в работе приведены значения коэффициента поперечных деформаций при разгрузка:

П/

в зависимости от максимального уровня нагружения 5 Отмечается, что .для трехосного сжатия значения больше,чем для одноосного.

В диссертации рассмотрены также "особые" траектории нагр^е-ния и разгрузки, которые могли бы дополнить приведенные выше данные. Для трехосного сжатия это одновременное уменьшение всех главных напряжений на величину гидростатического обжатия б0= б 2я .0,211 пр для различных значений ^/0,55апр; 0,73^.^; 0,91Япр./

Отмечено,что при этом разгрузка происходила упруго.Для двухосного сжатия "особые" траектории разгрузки приведены на рис. 5, где

Особые траектории нагруже1шя при двухосном сжатии

И - течки,со<5тп"гствущио моменту разгул^няя Рис. 5

стрелками показаны направления нагруженил 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 трещинообразования Я^, В диссертации приве.доны соответствующие диаграммы деформаций, значения остаточных деформаций, изменение модулей деформаций. В работе даны значения модулей деформаций при повторном нагружении в зависимости от максимальной нагрузки предыдущего нагружения.

В четвертой главе анализируется изменение прочностных и де-формативных характеристик в процессе малоциклового нагруженил для различных видов напряженного состояния. В отом случае т^се параметрические точки деформационного процесса имели решающее знамение при анализе происходящих в.процессе малоциклового нагруженил изменений деформационных характеристик бетона. Их роль в зависимости от вида напряженного состояния различна. Так,для одно- и двухосного сиатия верхняя, граница трещинообразования служила продолом малоцикловой усталости - образцы, нагруженные циклической нагрузкой о максимумом цикла, превышающим К т разрушались в процессе циклического погружения. Для трехосного ^сжатия всо образцы, нагруженные цшелической нагрузкой с б",„,<!„> в, выдеряали тысячу циклов нагружения без разрушения. Наибольшие изменения моду-, ля продольных деформаций наблюдались .для одноосного сжатия я составляли - для образцов, выдоряавшк тысячу циклоп без разрушения до 18$, для образцов, разрушившихся в процессе циклического нагружения - до 30%. Для сложного напряженного состояния изменение модуля продольных деформаций происходило ужо на нескольких первых циклах нагружения. Последующие циклы погружения приводили к умань-шени» мо.дуля на 6-10%.'

Для одноосного сжатия бил отмечен резкий рост значений коэффициента поперечной деформации непосредственно перед разрушением образца. При трехосном сжатии для высоких уровней циклической нагрузки (превосходящих оначошю Я1,) характерны большие онолонип коэффициента поперечных деформаций (до 0,42), причем образцы выдергивали до тысячи циклоп нагруженил без разрушения. Для двух-

осного сжатия рост коэффициента поперечной деформации наблюдался лишь в направлении, свободном от нагрузки. Вид графика коэффициента поперечной деформации подобен одноосное нагружению.указывает на преобладающее направление трещин при разрушении.

Получены данные о накоплении остаточных деформаций в промессе циклического нагружения. Для одноосного сжатия наблюдался значительный рост остаточных деформаций на последних циклах перед разрушением. Для образцов, выдержавших тысячу циклов (нагруженных ниже верхней границы трещинообразования R-основная часть остаточных деформаций была получена после первого цикла нагружения, за тысячу циклов дополнительные деформации составили порядка ЮхЮ o.e. Для трехосного сжатия остаточные деформации для всех значений максимальной нагрузки цикла предлагается описывать зависимостью вида

/2/

где £ i - остаточная деформация после первого цикла нагружения, £ у - остаточная деформация после цикла нагружения с номером N .

Для всех проведенных опытов получены значения коэффициента к. В диссертации приведена эмпирическая'зависимость k'f( Показано,что для двухосного сжатия можно пользоваться зависимостью /2/ для вычисления остаточных деформаций,ко эта зависимость дает значительные погрешности на последних циклах перед разрушением. Получены также значения максимальных зафиксированных остаточных деформаций для различных видов напряженного состояния.

Для полных деформаций, соответствующих максимальной нагрузке цикла (см.схегфг на рис.б) предлагается следующая зависимость:

В,/?.'<-к<зК /V

где Eq - модуль деформаций (продольных),соответствующих максимальной нагрузке первого цикла нагружения. Коэффициент К зависит от отношения максимальной нагрузки цикла к предельной разрушающей нагрузка для данного вида напряженного состояния 9 » СГ,„а, /Я. . На основе анализа экспериментальных данных установлено,что эта зависимость имеет вид:

к - 1 /ГА В9)) JA/

Изменение модуля полных деформаций в процессе циклического нагружения

Рис. 6

где А и В - эмпирические коэффициенты, определяемые для данного бетона видом напряженного состояния. Их значения приведены в таблице.

Все образцы,выдержавшие тысячу циклов нагружения, доводились до разрушения однократным одноосным сжатием. При предварительном одноосном циклическом нагружении диаграмма приобретает "5-образ-. нов" очертание, точка перегиба соответствует максимальной нагруо-ке цикла. Эта особенность изменения диаграммы была отмечгма еще в работах А.В.Яцина и некоторых других исследователей. При одноосном погружении после предварительного двухосного циклического испытания также наблюдался 5-образный характер диаграммы б-£. Точка перегиба а этом случае соответствовала,ю основном,верхней границе трещинообразования Для образцов, доводившихся до разрушения одноосным сжатием поело предварительного циклического трехосного нагружения отмечалось изменение направления кривизны диаграммы б-б .значительное уменьшение деформаций на выдержке, увеличение коэффициента поперечных деформаций, В диссертации представлены 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 различшга видах наряженного состояния. Описанные в главах три и четыре результаты испытаний относились к бетоцу средней прочности (бетон состава 1? I- см.таблицу I). Для выявления характера влияния прочности бетона на результаты испытаний опыты с циклическим нагруженном для различных видов напряженного состояния проводились также для высокопрочного бетона (состав ]? 2 б таблице I), а опыты по изучению диаграммы разгрузки также и .для низкопрочного бетона (состав !.* 3 в таблице I). Для этих бетонов испытания проводились по той же схеме,что и .для нормального бетона, параметры,характеризующие дефор-мативность приведены в диссертации в сравнении с аналогичными величинами для нормального бетона.

Установлено.что бетоны,близкие по дефсрмативности,относящиеся к группам низкопрочных и нормальных бетонов, несмотря на существенные отличия призменной прочности, имеют близкие деформативные параметры по разгрузке.

Поведение высокопрочного бетона в условиях малоциклового наг-руженил по некоторым параметрам существенно отличается от поведения нормальных и низкопрочных бетонов. Наиболее значительные отличия, характеризующие поведений высокопрочного бетона, заключаются в более линейной диаграмме нагрузки-разгрузки, весьма незначительном изменении упругих характеристик в процессе малоциклового погружения в сравнении с нормальным бетоном, в преобладании хрупкого разрушения для всех исследованных видов напряженного состояния.

В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследований бетона при однократном динамическом погружении п условиях одноосного и двухосного сжатия. Выла разработана методика подготовки и проведения экспериментов по испытании образцов в условиях двухосного сжатия и скоростей нагргужения, близких к сейсмическое воздействию. Проведены методические испытания, позполив'иие выбратг.

режим иагружения, характер передачи нагрузки на образец. Испытания проводились на образцах, изготовленных иа 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 приложения,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 атапе нагружения,но падает при интенсивном развитии пластических деформаций. Поотоцу в опытах нагрузка характеризовалась двумя величинами - скоростью приложения нагрузки на начальном втапе и временем до разрушения - временем возрастания нагрузки до её максимального значения. Условия испытаний приведены в Таблице 2.

Таблица 2

Условия динамических испытаний бетона

№ серии Величина С,//?„,, Скорость шг Время до раз^ения

I 0 0,20 500+600 500+600 0,05 б;о7

П 0 0,24 900+1000 900+1000 0,03 0|045

Ш 0,40 0^60 500+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 деформативные характеристики. В ходе опытов велась непрерывная регистрация нагрузки деформаций об'" 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 дгтухОсного сжатия при б £=0,2+0,4 Я -1,21 - 1,23; при б2*0Й-Пр - 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.

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

Седьмая глава посвящена использованию результатов экспериментальных исследований для построения математической модели бетона. 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.Грогаова, В её основу положены следующие концепции: связь между напряжениями и деформациями определяется соотношениями теории пластического течения с упрочнением; она конкретизируется заданием функций нагружения, определяемых на основа обработки данных лабораторных исследований прочностных и дпформатипных свойств конкретных бетонов. Рассматривался случай двухосного напряженного состояния.

В расчетах бетонных гравитационных плотин учитывались все основные факторы, влияющие на напряженно-деформированное состояние сооружения в строительный период и последующее изменение втого состояния в эксплуатационный период. К таким факторам относятся: последовательность возведения сооружения; режим заполнения водохранилища, образование и развитие трещин в сооружении. В качестве предельной наг^/эки на 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 нагрузку 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 корпуса высокого давления в основу была положена диаграмма зависимости напряжений от интенсивности деформаций 0, ". полученная для реального бетона и условиях трехосного сжатия на ветвях нагруженил и разгрузки. Диаграмма аппроксимировалась зависимостью

4 * **

' • „ ' ' /В/

I • о

где константы А(> определялись из условия равонства некоторых определенных значений напряжений экспериментальной и аппроксимирующей зависимости. Задача напряженно-деформированного состояния корпуса высокого давления решалась методом конечных элементов. Результата расчетов сопоставлялись с упругим решением задачи. В результате учета нелинейности диаграммы уменьшение напряжений о отдельных точках зон концентрации напряжений достигало 20%. Выявлено тпк*<э существенное перераспределение напряжений при разгрузке.

ОСНОВШЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДУ

Изучение работы бетона в условиях сложных напряженных состояний остается актуальной проблемой механики деформируемого твердого • тела в связи с появлением новых конструкций и совершенствованием методов расчета сооружений.

Необходимой составной частью таких исследований являются эксперименты на образцах натурного материала. Такие эксперименты весьма трудоемки и требуют решения сложных методических вопросов.

В настоящей работе регаен ряд вопросов по испытаниям бетона D условиях сложных напряженных состояний на базе нагрузочного устройства, предложенного д.т.н. проф. Малашкиным D.H.:

а) усовершенствованы камеры давления нагрузочного устройства, 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 по испытанию образцов бетона на динамические нагрузки.

На основании проведенных экспериментов по изучению работы бетона в условиях сложных напряженных состояний получены следующие новыо результаты:

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

- установлено влияние уровня нагружения на деформативные 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 нагружегая;

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

- изучено влияние марки бетона на его цеформативние и прочностные свойства при циклическом нагружении;

- получены коэффициенты динамического упрочнения бетона d условиях одно- и двухосного сжатия и скоростях приложения нагрузки, характерных для сейсмических воздействий; установлено влияние вида напряженного состояния на динамическое упрочнение и д^нормативность бетона.

На основе полученных в работе экспериментальных данных разработала математическая модель деформирования бетона в условиях сложного напряженного состояния. Эта модель бетона апробирована при расчетах напряженно-деформированного состояния ботонной гравитационной плотины на основные эксплуатационные (статнческио) и сейсмические нагрузки, результаты экспериментов использованы также в расчете железобетонного корпуса высокого давления для случая первоначального погружения внутренним давлением до нормативного значения и последующей частичной разгрузки.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Малшикин D.H., Шаблинский Г.Э., Коробцева О.В. Исследование работы бетона при малоцикловых нагрузках в условиях двухосного сжатия. Известия ВУЗов. Строительство и архитектура, 1985г,,

№ 4 C.II6-II9.

2. Шаблинский Г.Э., Коробцева О.В. Изучение работы бетона при разгрузке и повторной нагрузке в условиях сложных напряженных состояний, // Материалы конференций и совещаний по гидротехнике: Предельные состояния бетонных и железобетонных конструкций энергетических сооружений.-1987 - с.213-216,

3. Грошев М.Е., Шаблинский 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 D.H., Коробцева О.В. Изменение деформаций бетона в условиях сейсмичеекого воздействия и сложного напряженного состояния. // Сейсмостойкость энергетических сооружений./ Ыеиво-домстпенный сборник науч1шх трудов. Л., 1990г., с.40-43.