Пульсационные испытания объединенных балок при действии вертикальных нагрузок
|
Работа объединенных балок под многократно повторными нагрузками, способными вызывать усталостное разрушение, исследована значительно меньше, чем работа под статической нагрузкой. Известно о проведении пульсационных испытаний опытных объединенных балок в России только в ЦНИИСе и НИИЖТе, а за рубежом — в Швейцарии, США, ФРГ и Швеции. В 1958 г. в ЦНИИСе на резонансной пульсационной установке было испытано 7 пространственных образцов пролетом 6 м, имевших почти такую же конструкцию, как и при статических испытаниях. Объединение железобетона и стали осуществлялось жесткими уголковыми упорами, кубиковая прочность бетона изменялась от 250 до 460 кГ/см2. Два образца были с монолитной плитой и 5 — со сборной. Нагрузку прикладывали к каждому образцу в виде двух сосредоточенных сил P в третях пролета, как и при статических испытаниях. При пульсации величина каждой из этих сил изменялась от Рмин до Рмакс с частотой колебаний обычно от 2,3 до 3,7 гц и характеристикой амплитуды р = Рмин/Рмакс от 0,21 до 0,36. Режим испытаний для большинства образцов был ступенчатым (до трех ступеней). Величину Рмакс. число ступеней и количество пульсов на каждой ступени устанавливали в зависимости от прочности бетона и особенностей конструкций образцов, причем корректировали в зависимости от результатов испытаний. Через несколько сотен тыс. пульсов, в частности, при смене режима, пульсацию прерывали и загружали образец статически двумя силами P = Рмин+Рмакс/2 с детальным измерением деформаций от этой нагрузки, после чего пульсацию возобновляли. Два образца (с монолитной плитой) разрушились от усталости стали в растянутой зоне, 3 образца вышли из строя от расстройства объединения железобетона со сталью, 1 образец — от расстройства объединения железобетона со сталью и раскрытия трещин в поперечных швах плиты и 1 образец — от расстройства объединения железобетона со сталью и усталости стали в растянутой зоне. Ни один из образцов не разрушился от усталости бетона, а усталостные разрушения стали были недостаточно характерны, поскольку объяснялись некачественным изготовлением стальных конструкций образцов.  Пульсационные испытания показали непрерывное изменение деформативных свойств объединенных балок под многократно повторными воздействиями. В ходе пульсации отмечено существенное накопление остаточных прогибов fост (рис. 70) и других остаточных общих и местных деформаций. Статические загружения, проводившиеся в перерывах между циклами пульсации, показали менее существенные, но все же заметные изменения упругих свойств объединенной балки в результате пульсации — увеличение упругих прогибов fупр, упругих относительных деформаций (напряжений (σн) в нижнем поясе и других общих и местных деформаций, вызываемых неизменной величиной статической нагрузки Рмин/Рмакс/2. Графики изменения этих деформаций и напряжений для двух образцов с монолитной плитой приведены на рис. 70. Пунктиром отмечены теоретические деформации и напряжения, вычисленные от статической нагрузки 2Р = 2 Рмин+Рмакс/2 в предположении упругой работы бетона с пониженным (прежним расчетным) модулем упругости. Действительные упругие деформации и напряжения достаточно близко соответствовали теоретическим величинам, подсчитанным при принятии этого модуля упругости. Основной причиной наблюденных изменений в работе объединенной балки при многократно повторной нагрузке является накопление пластических деформаций в бетоне и изменение его модуля упругости, т. е. по существу те же явления, которые отмечались при статических испытаниях с небольшим количеством повторных загружений. При многократно повторной нагрузке становится виднее нарастание тех деформаций, которые при небольшом количестве повторений казались стабилизировавшимися. Необходимо отметить, что первоначальные максимальные напряжения в бетоне рассматриваемых опытных образцов были, по-видимому, близки к пределу выносливости бетона. Если считать, что работа образцов на низших ступенях пульсации учитывалась принятием в расчете пониженного (прежнего расчетного) модуля упругости бетона, то окажется, что в наших испытаниях максимальные напряжения в бетоне (в первых циклах высшей ступени пульсации) составляли 252 кГ/см2 для образца с кубиковой прочностью бетона 450 кГ/см2 и 204 кГ/см2 для образца с кубиковой прочностью бетона 380 кГ/см2. Однако в ходе пульсации на высшей ступени, по мере накопления в бетоне пластических деформаций виброползучести, внутренние усилия в объединенной балке перераспределялись, и напряжения в бетоне уменьшались за счет увеличения их в стали. Таким образом, отсутствие в данных испытаниях усталостных разрушений бетона в зоне действия максимального момента является закономерным. При пульсационных испытаниях образцов со сборной плитой были случаи сравнительно быстрого расстройства последней в таких условиях, при которых монолитная плита работала хорошо. Объясняется это тем, что замоноличивание упоров в окнах и поперечные стыки не были при проектировании образцов рассчитаны на выносливость. Кроме того, замоноличивание было выполнено недостаточно тщательно. В одном образце пульсационная нагрузка привела к значительному раскрытию трещин в поперечных швах, имевших петлевые стыки арматуры. Трещины появились потому, что при разгрузках упруго работавшая стальная балка разрывала плиту, которая под многократными воздействиями нагрузок Рмакс претерпела остаточные деформации укорочения. Очевидно, растягивающие напряжения в бетоне превзошли сжимающие напряжения от нагрузок P мин. Проведенными пульсационными испытаниями выявлена необходимость введения особого расчета на выносливость мостовых объединенных балок и разработки новых конструктивных решений, особенно в железнодорожных мостах и тем более при сборной железобетонной плите. При рассмотрении предельного состояния по выносливости надо учитывать перераспределение внутренних усилий и напряжений, происходящее в объединенной балке в результате многократно повторных воздействий временной нагрузки. |
