CC BY
62
2/2011 вестник 2/20L]_МГСУ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОДАТЛИВОСТИ КОНТАКТА ^ОЕВ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ МАЛОЦИКЛОВЫХ НАГРУЖЕНИЯХ.
EXPERIMENTAL RESEARCHES OF A LAYERS CONTACT PLIABILITY IN STEELCONCRETE CONSTRUCTION AT LOWCYCLED LOADINGS
И.Т. Мирсаяпов, Ф.С. Замалиев, Э.Ф. Замалиев
I.T.Mirsayapov, F.S.Zamaliev, E.F. Zamaliev
КазГАСУ
Приводятся результаты экспериментальных исследований податливости контакта слоев сталежелезобетонных призм и балок. Получены данные податливости для образцов с анкерными связями разного диаметра при разных циклах погружения.
Given the experimental researches results of a layers contact pliability in steelconcrete prisms and. Obtained pliability for samples with different diameter of anchor communications at some loading cycles.
Прочностные, деформативные свойства сталежелезобетонных конструкций, а также нх выносливость при действии повторяющейся нагрузки определяются во многом условием совместной работы бетонной плиты и стальной балки, то есть податливостью связей.
На сегодняшний день известно множество типов анкерных связей, применяемых для соединения бетонной и стальной частей изгибаемых сталежелезобетонных конструкций [1-3]. Исходя из необходимости выбора наиболее эффективного с позиции несущей способности, а также простоты изготовления было решено ограничится типом анкерных связей в виде арматурных стержней.
Податливость контакта исследовалась на опытных призмах и балках.
Были изготовлены сталебетонные призмы высотой 500мм, состоящие из бетонной плиты размерами 50x200 и стального тавра полученного путем разрезки двутавра №12 из стали класса С245. Для соединения стального тавра с бетонной плитой к полке тавра приварены с помощью электродуговой сварки арматурные стержни в два ряда высотой 40 мм 06 AIII, 08 AIII, 010 AIII, с шагом 40, 80, 160 мм, соответственно. Призмы были подразделены на группы по 4 призмы в соответствии с диаметром и шагом использованного анкера.
Сталежелезобетонные балки, запроектированы из двутавра №12 (сталь С 245) длиной 2000 мм и бетонной плиты размерами 2000x400x50 мм. Соединение стальной балки и бетонной плиты осуществлялось путем установки вертикальных анкеров: 06 AIII, 08 AIII, 010 AI, 010 AIII. Анкера к верхней полке балки приварены в два ряда, причем в крайних третях шаг принят равным 100 мм, а в средней части - 150 мм [4].
Все балки были разбиты на четыре группы по 6 балок в соответствии с видом использованного анкера.
Оценка воздействия немногократно повторной нагрузки производилась путем сравнения несущей способности исследуемого образца при повторной нагрузке с ее статической несущей способностью. Поэтому в каждой группе один образец был испытан статической нагрузкой. Испытания статическими и немногократно повторными нагрузками производились на гидравлическом прессе УММ-200 (рис.1).
Нагрузка на призмы прикладывалась по выступающим торцам, а на балки - через траверсы в виде двух сосредоточенных сил в третях пролета. Сдвиг слоев в призмах измерялись с помощью индикаторов часового типа с ценой деления 0,01 мм, а в балках - в пролетной зоне электротензодатчиками, а в торцах - индикаторами часового типа.
Учитывая возможности испытательной машины и тот факт, что частота приложения нагрузок типа малоцикловых не превышает 3 Гц, частота повторения ю была принята постоянной и равной 8 цикл./мин.. за базовое число повторений нагрузки было принято 104 циклов нагружения, а коэффициент асимметрии цикла р = Рть/Ртах= 0.33.
Испытания проводились до физического разрушения образца при исследуемой базе 104 циклов, при этом максимальная нагрузка цикла Ртах принималась в пределах 0,84*0,93 Рразрстат. В целях установления предела выносливости и изменения напряженно-деформированного состояния в процессе циклического нагружения после определенного количества циклов нагружения равного (0.0001;0.0005;0.001;0.005;0.01;0.05;0.1;......1) 104 циклов снимались показания индикаторов на уровнях напряжения равных 0; РтЬ= 0.33Ртах; 0.66 Ртах; Ртах; 0.66 Ртах; Рть; 0 без выдержки опытных образцов под данной нагрузкой. Одновременно, с измерением деформаций слоев на контакте проводилось наблюдение за характером образования трещин в бетоне.
Циклической нагрузкой до разрушения испытано 2,7 сталебетонных призм, разделенных на 9 серий, в зависимости от диаметра и шага анкеров.
Призмы испытывались до разрушения в условиях, достаточно близких к чистому сдвигу в плоскости контакта. Величина нагрузки задавалась и контролировалась по измерительной шкале испытательной машин. В процессе испытания измерялись деформации сдвига на контакте слоев. Определялись: предел сопротивления контакта между сталью и бетоном призм на сдвиг; деформативность контакта на различных циклах нагружения и характер работы различных типов анкерной связи, выносливости их на действие малоцикловых нагрузок.
За разрушение принимали полное отделение сталебетонной призмы на самостоятельные слагаемые части.
±Р
Рчи'. I. ^'лемп моими <<фИ1||'Л •> ПрШЯ, А1 $3111*
2/2011
вестник _МГСУ
Во всех испытанных образцах в начале имело место сцепление между стальным профилем и бетоном. Сцепление исчезло после 10-20 циклов, в дальнейшем восприятие сдвигающих усилий происходило только за счет работы анкерных связей, пересекающих контактную поверхность. При этом происходил изгиб анкера и смятие бетона под стальным анкером. С увеличением количества циклов между бетоном и стальным профилем сдвиг слоев увеличивается и когда эта величина достигает значения Д=10-25*10-2мм, начинается неупругое деформирование и абсолютные деформации сдвига резко увеличивается, что приводит к окончательному разрушению образцов. Причем, пластические деформации анкеров раньше начинаются у стержня 06 A-I. Графики деформации сдвига опытных призм приведены на рис. 2
*> uikvMi'hjii сidpMiiL № »i Анифшл! (гчриеиь ■ "10 А-Ш
11 j [. ШИ:1 W Гтт Г~Г i-Пв г - ■ , ' i г i иш ^ - *
^ о го
**1 з — -
ß »
40 .30
Sc Я 'с ю
Ö.W
^00 ötx)
Цдцшиш
всю исюо
но
«МО
Шии——ч'ч^ » —|,| i Ч.иц
Щам
.«kíu — — — i" i■..■—■ — * - .-.i Kuhn
1500
hüLj lll«pillHl> IIг» HlitVirfWV. II UTTtirimt , HlHlLl-ll|l l i.kH ГГ[1|Г"1 \ I* |t......... IlWU'tt «№|W«
Во всех испытанных образцах имело место сцепление между стальным профилем и бетоном, обусловленное силами трения-сцепления материалов контактного шва и наличием анкерных связей. Величина сцепления в зависимости от податливости шва-контакта изменялась в диапазоне от 9.0 кг/см2 - для наиболее податливых образцов -до 25 кг/см2 - для наименее податливых, и характеризовалась появлением первых трещин вдоль контактного шва. При увеличении цикла нагружения на этапах перед разрушением сдвиг слоев увеличивается до 11-15 раз.
Характер сдвига между стальной и бетонной частями образцов сталебетонных призм в начальные этапы нагружения до появления первых продольных трещин на контакте слоев имел прямолинейную зависимость. Величина абсолютного сдвига при этом в зависимости от степени податливости шва-контакта имела значения в пределах Ash= (5,2-30) 10-2 мм. С увеличением цикла нагружения, вследствие проявления неупругих деформаций бетона в зоне непосредственной близости к анкерным устройствам, происходили изломы графиков развития деформаций абсолютного сдвига, что свидетельствовало об увеличении податливости шва-контакта. При этом в зависимости от податливости контактного соединения деформации абсолютного сдвига достигали своих предельных значений в момент разрушения.
Результаты испытаний на малоцикловую выносливость обрабатывались методами математической статистики, путем получения корреляционной зависимости Pmax=f(lgN). Линия регрессии строится в виде диаграммы, на оси абсцисс которой откладывается в логарифмическом масштабе, число циклов нагружений до разрушения образцов, а по оси ординат величина отношения максимальной нагрузки в цикле к разрушающей.В результате для каждой серии образцов устанавливается линейная корреляционная связь, описываемая функцией:
Pmax=A+BlgN
За численное значение предела выносливости принималась величина, соответствующая пересечению ординаты, восстановлена из точки lgN=4 (соответствующая N=10 000 циклов) до пересечения с линией регрессии.
Линии выносливости в виде диаграммы для кажд\ой серии представлены на рис.3
При изменении шага анкеров от 40мм до 160мм, выносливость контакта шва изменяется от 0,81 до 0,68, а при изменении диаметра анкера на 4ммм, хотя прочность увеличивается на 22%, выносливость шва меняется незначительно. Деформации сдвига перед разрушением образцов при применении анкеров диаметром 10мм A-III значительно меньше. С увеличением шага анкеров, пересекающих контакт «сталь-бетон», увеличиваются предельные деформации сдвига перед разрушением, а также способность разрушения контакта с развитием пластических деформаций.
won
HUI»
!O0.0ü
_ шоо * 90 00
| two £ moo
so oo
о о» i is г Х5 i зл и*"
. d я л |ii sin —-it к мни») — »-oiAiníieO ....... л л л- rii vie — — н ыч'н saa --- ■ ь А-nt ч \ьа
Гни: J.'Jtanmi iniL 1'лш 1Ш1||Ц.'И1Р"х:н1 trtuvOcMihiMX Bbprniwo UN с in ti
Податливость контакта зависит от количества циклов нагружения и шага, материала анкера, на что влияют закономерности развития деформации сжатия бетона под анкерами, а также деформации изгиба самих стальных анкеров.
Разрушение балок при воздействии циклических нагрузок во 2, 3 и 4 группах происходило, в целом, по аналогичной схеме, с отличием в том, что в момент разрушения в 1.5 - 2 раза возрастало смещение контакта на границе слоев, а раздробление бетона происходило на более мелкие фракции.
В первой же группе, с наиболее податливыми анкерами, лишь балка с ^=0.91 разрушалась по нормальному сечению с раздроблением бетона. В остальных же балках происходил срез анкеров в приопорной части с отрывом бетонной плиты от стальной балки.
Наименьший сдвиг по границе слоев, а соответственно и наибольшую несущую способность показали балки с анкерами 010 A-III. Далее по убывающей - 08 A-III. Замыкают группу балки с анкерами 06 a-III и 010 A-I, причем при приблизительно одинаковой несущей способности и выносливости на действие малоцикловых нагрузок, балки с анкерами 06 A-III разрушались от среза самих анкеров. Тогда как остальные три группы разрушались по нормальному сечению с раздроблением бетона.
Динамика развития смещения на границе слоев во всех четырех группах схожа. Сдвиг в «податливой» группе (06 A-III) интенсивно прирастал в первые 15-30 циклов, затем стабилизировался (кривая смещения переходит в близкое к горизонтальному положению), и, по мере накопления усталости в анкере резко возрастал в третьей стадии (рис.4). «Жесткая» группа (010 A-III) характерна более коротким интервалом резкого начального возрастания смещения (5-10 циклов), дальнейшей стабилизацией де-
2/2011
вестник _МГСУ
формаций и не интенсивным ростом вплоть до разрушения балки (рис.4). «Промежуточная» группа (08 А-111 и 010 Л-Ш) не имеет каких-либо существенных отличий от «жесткой», за исключением того, что фаза резкого начального возрастания деформаций составляет порядка 10-20 циклов.
п I <■ Л<ГИ
Тф'
05
оа
мо
400 1ХП N. щчгиш
ПОП
1Ш
г I 'шя
I) '|р \-llt
ин;
МЛШН
щчлни
1'ит 4 .'1 щи пц.^ьи пишииМ слон ни гинчл Лапа
Изменение сдвиговых деформаций по длине балки представлено на рис.5 и характеризуется возрастанием сдвига от середины балки до точки приложения «силы» (250 мм), и дальнешей стабилизацией. Характер диаграммы изменения «сдвига» по длине балки существенно не меняется от вида используемого анкера.
25
Э
О.з
и
/
I 1д|ЯЫ)
цикиш ЛИР ин-ь.ичн
Я0О ц«>.|л I. 00(1 никлои
зон «ос боо
рАСЕГпШМ? вГ Ч1"|Рр1 СШи, 414
ООО
1000
I1!™ ' 1||.|фП^| I . 1.И1ГЛ Г1" ГрОТШИС ГТлГ! Щ1|||| Ч|> 1 1Н1НТ ЛаЗиИ 1Р1 ПрИЩ^ИГ (ПКерШ |П|"| Й Л-111
Выводы:
1. Результаты изготовления опытных образцов и экспериментальные исследования фрагментов сталежелезобетонных конструкций показали технологичность их изготовления и предсказуемость фактической работы.
2. Исследованиями установлено, что на сдвиг слоев влияет как шаг анкеров, так и класс стали стержня:
- деформации сдвига для анкеров 06 A-III и 010 A-I значительно больше, чем 010 A-III;
- с увеличением шага анкеров предельные деформации сдвига перед разрушением увеличиваются;
- с увеличением количества циклов нагружения податливость контакта возрастает;
- при увеличении шага анкеров выносливость контакта падает;
- разница смещений слоев при шаге анкеров 40мм и 80мм незначительная, а при шаге 160мм увеличивается в 2,0/2,5 раза;
- увеличение диаметр анкеров увеличивает прочность контакта до 22%, а выносливость шва увеличивается незначительно.
Список литературы:
1. СНиП 2.05.03-84* Мосты и трубы.- М., Стройиздат, 1996-210с.
2. Стрелецкий Н.Н. Сталежелезобетонные мосты.- М., Издательство «Транспорт», 1965-с.
376
3. Гибшман Е.Е. Проектирование стальных конструкций, объединенных с железобетоном, в автодорожных мостах.- М., Автотрансиздат, 1956-С.231
4. Мирсаяпов И.Т., Замалиев Ф.С., Замалиев Э.Ф. Экспериментальные исследования влияния податливости связей по границе «сталь-бетон» на деформативность и выносливость стале-железобетонных балок при малоцикловых нагружениях. Материалы Всероссийской научной конференции «Перспективы развития волжского региона» вып. 4- Тверь, ТГТУ, 2002,-с.201-203.
The list of references
1. SNiP 2.05.03-84* Bridges and pipes.- M., Stroyizdat, 1996-210p.
2. Strlrckiy N.N. Steelconcrete bridges.- M., Publishing house «Transport», 1965-p. 376
3. Gibshman E.E. Designing of the steel designs united with ferro-concrete, in road bridges.- M., Autotransizdat, 1956-p.231
4. Mirsayapov I.T., Zamaliev F.S., Zamaliev E.F. Experimental researches of influence of a pliability of communications on border "steel-concrete" on deformability and endurance stellconcrete beams at lowcycled loadings. Materials of the All-Russia scientific conference «Prospect of development of the Volga region» release. 4- Tver, TGTU, 2002,-p.201-203.
Ключевые слова: сталежелезобетонные конструкции, податливость контакта, экспериментальные исследования, малоцикловые нагружения.
Keywords: Steelconcrete constructions, contact pliability, experimental researches, lowcycled loadings.
Почтовый адрес авторов: Россия, 420043, РТ, г. Казань, ул. Зеленая,1, КазГАСУ
Телефон авторов: +7 (987) 290-34-94 E-mail: ezamaliev@yandex.ru
Рецензент: И.С. Абдрахманов, д.т.н., советник РААСН, зам. ген. директора по научной работе института «Татинвестгражданпроект»
