Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




14.12.2018


14.12.2018


14.12.2018


07.12.2018


07.12.2018


07.12.2018


07.12.2018


06.12.2018


05.12.2018


05.12.2018





Яндекс.Метрика
         » » Экспериментальные исследования растянутых элементов

Экспериментальные исследования растянутых элементов

16.07.2014

С целью проверки теоретических предпосылок, выявления особенностей работы и технологии изготовления были произведены испытания на растяжение нескольких серий предварительно напряженных элементов различной конструкции (ЦНИИСК — МИСИ).
Жесткий стержень во всех испытанных элементах состоял из двух швеллеров № 12 длиной 3 м, соединенных планками, Материал швеллеров—Ст.З.
Затяжки в каждой серии, состоящей из нескольких образцов, были различными (рис. 15): 1) из стержневой стальной горячекатаной арматуры периодического профиля диаметром 30 мм, марок 25Г2С и Ст. 5 (серия А, рис. 15, а); 2) из стального троса диаметром 16 мм с пеньковым сердечником (серия К, рис. 15, б); 3) из стального каната диаметром 31,5 мм — ГОСТ 3065—55 (серия Б, рис. 15, в); 4) из пучка трубчатого сечения высокопрочной проволоки (18 проволок диаметром по 5 мм) ГОСТ 7348—55 (серия П, рис. 15, г).
Основные данные по испытанным элементам приведены в табл. 1.
Экспериментальные исследования растянутых элементов
Экспериментальные исследования растянутых элементов

Создание предварительного напряжения. В элементах серии А в состав затяжки включался фаркопф для создания предварительного напряжения. Концы затяжки закреплялись па торцах стержня гайками и контргайками. Однако создать с помощью фаркопфа необходимое предварительное напряжение оказалось весьма затруднительным из-за закручивания стержня затяжки. Поэтому жесткий стержень сначала обжимался горизонтальной машиной двойного действия, на которой производились испытания, усилием 30—50 т, затем фаркопфом до отказа производилось натяжение усилием около 8 т. После этого сжимающее усилие, создаваемое машиной, снималось.
После снятия сжимающего усилия стержень получает обратные упругие деформации, сдерживаемые затяжкой, и только часть усилия сжатия остается в стержне, уравновешенная усилием затяжки.
Экспериментальные исследования растянутых элементов
Экспериментальные исследования растянутых элементов

Затяжки из канатов в элементах серий К и Б натягивались с помощью специального натяжного приспособления и гидравлического домкрата. Один конец затяжки прикреплялся к неподвижному торцовому устройству элемента, а другой — к подвижному. После натяжения подвижная деталь приваривалась к швеллерам. Затяжки серии К прикреплялись к стержню с помощью коушей, надеваемых па штыри. Затяжки серии Б заанкеривались в стаканы с конусным отверстием, заливаемым баббитом. Затяжки серии П имели па концах анкерные колодки с пробкой и натягивались домкратами двойного действия. Усилие предварительного напряжения в элементах было примерно на 10% меньше усилия, создаваемого домкратом, вследствие потерь на трение и при запрессовке пробки в колодку.
У некоторых элементов серии Б затяжки имели предварительную вытяжку, что обеспечивало модуль упругости затяжки (в упругой стадии) при работе его в элементе, равный (1,4—1,7)*10в6 кг/см2. У элементов, затяжки в которых были поставлены без предварительной вытяжки, модуль упругости в начальной стадии работы был равен ∞ 1,1*10в6 кг/см2. В отдельных образцах серии Б швеллеры соединялись не только планками, но и диафрагмами, и варьировалось расстояние между планками.
Опытные элементы испытывались на горизонтальной разрывной машине (рис. 16) до разрушения с измерениями в процессе испытания напряжений и деформаций в жестком стержне и затяжке.
Экспериментальные исследования растянутых элементов

Для анализа результатов испытаний была принята гипотеза работы материала стержня и затяжки по диаграмме идеального упруго-пластического материала (диаграмма Прандтля).
При применении для расчета этой гипотезы работа элемента на растяжение распадается на три стадии:
1-я стадия — упругая работа (от начала нагружения до появления текучести в стержне или затяжке).
Нагрузка, воспринимаемая элементом на этой стадии, равна
Экспериментальные исследования растянутых элементов

Конец первой стадии работы стержня наступает:
а) если стержень первым достигает пластических деформаций при
Экспериментальные исследования растянутых элементов

б) если затяжка первой достигает пластических деформаций при
Экспериментальные исследования растянутых элементов

В формулах приняты следующие обозначения:
σ1 и σ2 — напряжения от нагрузки в жестком стержне и затяжке;
σ01 и σ02 — предварительные напряжения в жестком стержне и затяжке;
ε — относительное удлинение элемента от нагрузки;
σ1т и σ2т — пределы текучести жесткого стержня и затяжки.
Значения модулей упругости стержня E1 и затяжки E2 принимали по данным отдельных испытаний материала стержня и затяжки.
2-я стадия — упруго-пластическая работа [от начала текучести в одном элементе (стержне или затяжке) до начала текучести в другом].
Для предельной нагрузки второго этапа имеем следующие выражения:
а) при достижении предела текучести сначала в стержне
Экспериментальные исследования растянутых элементов

б) при достижении предела текучести сначала в затяжке
Экспериментальные исследования растянутых элементов

Элемент переходит в 3-ю — пластическую стадию работы, когда и в стержне, и в затяжке наступает текучесть.
Экспериментальные исследования растянутых элементов

За расчетную разрушающую нагрузку для элемента принималось усилие, вызывающее в стержне напряжения, равные пределу текучести, а в затяжке — пределу прочности материала σпр,
Экспериментальные исследования растянутых элементов

Эта предпосылка соответствовала фактическому характеру разрушения элемента.
Во всех элементах сначала разрывалась затяжка; затем вся нагрузка передавалась па стержень, в котором быстро нарастали удлинения и наступал разрыв.
Если предел текучести в стержне и затяжке наступает одновременно, то вторая стадия работы отсутствует. Такая работа элемента будет наиболее рациональной, так как деформации его при разрушающей нагрузке будут наименьшими.
На рис. 17—19 расчетные графики работы элемента, полученные по изложенной методике, сопоставлены с результатами эксперимента для образцов всех четырех серий. Графики приведены для наиболее характерных результатов испытаний данной серии. На левом поле графиков показана связь нагрузки с усилиями в стержне и затяжке; на правом поле — связь между усилиями и деформациями.
Экспериментальные исследования растянутых элементов

Во всех элементах с затяжками из стержней периодического профиля (серия А) разрушение начиналось с разрыза затяжки по сечению, ослабленному нарезкой. В элементах серий А (рис. 17) характерно незначительное участие затяжки в работе элемента на нагрузку. Несущая способность таких затяжек мала, и их роль сводилась лишь к небольшому повышению несущей способности стержня. Поэтому применять слабые затяжки нерационально. В элементе с затяжкой из троса с пеньковым сердечником (серия К) роль затяжки в работе элемента под нагрузкой совсем незначительна.
Экспериментальные исследования растянутых элементов

Результаты экспериментов показали, что малый модуль упругости затяжки не мешает использовать ее для создания предварительного напряжения, так как большие деформации затяжки при этом "выбираются" и на работу элемента не влияют. Следовательно, затяжки с небольшими модулями упругости, но с достаточной несущей способностью все же могут быть использованы для создания предварительного напряжения и повышения несущей способности стержня. Затяжками из троса с пеньковым сердечником легко было получено усилие предварительного напряжения 18 т, в то время как более мощные и жесткие затяжки из стальной арматуры марок 25Г2С и Ст 5 при принятом способе натяжения давали усилие предварительного напряжения около 10 т. Разрушающая нагрузка для элементов с затяжками из троса также оказалась примерно на 10% выше, чем разрушающая нагрузка для элемента с затяжкой из стали марки 25Г2С, хотя по расчету она должна быть примерно на 5% ниже. Здесь сказалась малая деформативность затяжки арматурной стали.
Вполне надежную и близкую в упругой стадии к расчетным предпосылкам работу показали элементы с затяжками из стального каната (серия Б) (рис. 18) и пучка проволоки (серия П) (рис. 19). Анкерные крепления этих затяжек оказались также весьма надежными.
Экспериментальные исследования растянутых элементов

Разрушение элементов начиналось с обрыва отдельных проволок затяжки. Процесс разрушения длительный. Действительная разрушающая нагрузка выше расчетной на 10—20%, что объясняется не учитываемой в расчете стадией самоупрочнения материала и условностью принимаемого предела текучести для троса и пучка проволоки. При переходе стержня в пластическую стадию работы затяжки не теряли еще несущей способности и, воспринимая приращение нагрузки, давали стержню возможность перейти в стадию самоупрочнения.
При повторных загруженнях в упругой стадии остаточных деформаций практически не было. Если произвести разгрузку в стадии упруго-пластической работы, то при вторичном загружении элемент работает упруго до величины первоначальной нагрузки (рис. 20). При этом происходит явление, аналогичное наклепу в металле.
На основе результатов экспериментов можно сделать следующие выводы. За предельное состояние элемента следует принимать достижение предела текучести стержнем или затяжкой (если напряжения в них достигают пределов текучести не одновременно). Дальнейшая работа образца связана со значительным нарастанием деформаций. Такой подход к определению несущей способности элемента обеспечивает надежность его работы.
Работа под нагрузкой жесткого стержня и затяжки во всех стадиях нагружения осуществлялась совместно и соответствовала теоретическим предпосылкам.
Разрушение элементов происходит из-за обрыва затяжки (рис. 21), имеющей, как правило, меньшую, чем стержень, относительную деформацию в предельном состоянии. В момент обрыва затяжки вся нагрузка передается на стержень, несущая способность которого оказывается недостаточной для ее восприятия, и он также разрушается.
Наиболее рациональными являются элементы, в которых одновременно достигается текучесть в жестком стержне и затяжке.
Сравнение работы элементов Б с предварительной вытяжкой канатов и без нее показало, что предварительная вытяжка не повышает несущей способности элемента, а лишь сравнительно незначительно снижает деформативность элемента в процессе нагружения.
Разница значений усилия предварительного напряжения до 65% не оказала заметного влияния на несущую способность элемента. Следовательно, при расчете растянутого элемента на нагрузку нет необходимости умножать усилия предварительного напряжения на коэффициенты перегрузки и недогрузки. При расчете на усилие предварительного напряжения коэффициент перегрузки целесообразно учитывать, так как стержень работает на сжатие и появляется опасность потери стержнем устойчивости.
Постановка диафрагм и дополнительных планок, соединяющих ветви стержня, увеличивает устойчивость элемента в процессе предварительного напряжения.
Два элемента серии Б, у которых не было диафрагм, а планки стояли через 1 м, потеряли устойчивость в процессе предварительного напряжения.
Отклонение величины предварительного напряжения от оптимальной в большую сторону увеличивает деформативность образцов. В опытных элементах это увеличение было несколько больше, чем по расчету.
Специальные исследования были посвящены проверке работы стержня на устойчивость в процессе предварительного напряжения.
В. А. Словинский проводил испытания с металлическими трубами разной длины, имеющими наружный диаметр 42 мм и различную толщину стенок (рис. 22).
Экспериментальные исследования растянутых элементов

Трубы испытывались натяжением проволок, имеющих связи с трубой, расположенные через 0,6 м, и загруженном внешней сжимающей нагрузкой при снятых проволоках. На рис. 23 сопоставлены графики напряжений в трубе при загружении ее внешней нагрузкой (сплошные линии) и при натяжении проволок (пунктирные линии). Графики приведены для трубчатого стержня длиной 300 см при гибкости λ=200. Из графиков видно, что натяжение проволок усилием 1500 кг не вызвало продольного изгиба стержня, при загружении же стержня внешней нагрузкой он потерял устойчивость при Рк=625 кг.
Экспериментальные исследования растянутых элементов

Другая труба длиной 459 см выдержала усилие Х=4400 кг при расчетной величине критической силе Хр=4432 кг. В этом случае получилось почти полное совпадение опытной критической силы с расчетной.
При изготовлении предварительно напряженных стержней для последующего испытания их на растяжение были случаи преждевременной потери стержнями устойчивости при усилии натяжения, равном 0,85-0,95 расчетной критической силы. При испытании модели нижнего пояса фермы покрытия ангара потеря устойчивости произошла при усилии всего лишь на 0,8% меньше расчетного (рис. 24).
Экспериментальные исследования растянутых элементов

Результаты экспериментальных исследований устойчивости стержней в основном подтвердили расчетные предположения, но вместе с тем показали, что на величину критической силы оказывают влияние порядок и технология натяжения, плотность контакта между стержнем и затяжкой, начальная кривизна стержня, начальные напряжения и т. д. Если стержень состоит из двух или четырех элементов, то на величину критической силы влияет расстояние между планками и диафрагмами, соединяющими элементы стержня.