Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и анализ экспериментально-теоретических исследований бетона при однократном статическом и динамическом нагружении в условиях различных видов напряженных состояний 10
1.1.Современные представления о поведении бетона при статическом нагружении 10
1.2. Динамическая прочность и особенности деформирования бетона при динамическом нагружении в условиях одноосных напряженных состояний 18
1.3. Особенности деформирования и разрушения бетона в условиях сложных напряженных состояний при статическом и динамическом нагружении 42
1.4. Анализ известных решений испытательного оборудования и методик экспериментальных исследований при однократном динамическом нагружении 54
Выводы по главе 1 59
2. Испытательное оборудование, средства и способы измерения усилий и деформаций. методика испытаний 62
2.1. Испытательные установки 63
2.2.Средства и способы измерения усилий и деформаций. 73
2.3. Методика экспериментальных исследований 80
Выводы по главе 2 8 7
Рисунки к главе 2 8 9
3. Влияние динамического нагружения на прочностные и деформативные свойства бетона при одноосном и двухосном сжатии 97
3.1.Оценка влияния вида напряженного состояния и скорости нагружения на прочность бетона при одноосном и двухосном сжатии. Критерий прочности бетона с учетом скорости нагружения и вида напряженного состояния 97
3.2.Оценка влияния вида напряженного состояния и скорости нагружения на деформативные свойства бетона при одноосном и двухосном сжатии 114
3.3. Оценка особенностей деформирования и структурных изменений бетона при динамическом нагружении с учетом влияния скорости нагружения на процесс микротрещинообразования 13 0
3.4. Обобщение данных экспериментальных исследований в зависимостях между напряжениями и деформациями 145
Выводы по главе 3. 17 0
Рисунки к главе 3 172
4. Изучение влияния скорости нагружения и вида напряженного состояния на прочностные и деформативные характеристики бетона при одноосном растяжении и напряженном состоянии "сжатие-растяжение" 206
4.1.Оценка влияния скорости нагружения и вида напряженного состояния на прочность бетона при одноосном растяжении и напряженном состоянии «сжатие растяжение» 20 6
4.2. Оценка влияния скорости нагружения и вида напряженного состояния на деформативные свойства бетона при одноосном растяжении и напряженном состоянии «сжатие-растяжение» 214
Выводы по главе 4 22 6
Рисунки к главе 4 228
5. Пример оценки напряженно-деформированного состояния толстостенной бетонной трубы, находящейся под действием динамически приложенных внутреннего и внешнего давлений 234
Выводы по главе 5 24 0
Таблицы и рисунки к главе 5 2 42
Заключение 250
Литература
- Особенности деформирования и разрушения бетона в условиях сложных напряженных состояний при статическом и динамическом нагружении
- Методика экспериментальных исследований
- Оценка особенностей деформирования и структурных изменений бетона при динамическом нагружении с учетом влияния скорости нагружения на процесс микротрещинообразования
- Оценка влияния скорости нагружения и вида напряженного состояния на деформативные свойства бетона при одноосном растяжении и напряженном состоянии «сжатие-растяжение»
Введение к работе
Актуальность темы.
Для совершенствования расчетов строительных конструкций на особое сочетание нагрузок, а также при выполнении поверочных расчетов для оценки последствий аварийного динамического воздействия на конструкции, необходимо иметь достоверные сведения о прочностных и деформативных характеристиках конструкционных материалов.
Установлено, что для материалов с неоднородной структурой, к которым относится в первую очередь бетон, прочностные и деформативные характеристики зависят от вида напряженного состояния и скорости приложения нагрузки
При этом можно отметить, что поведение бетона при динамическом нагружении как в условиях одноосных, так и сложных напряженных состояний остается мало изученным Несмотря на то, что данная проблема в разное время рассматривалась в работах многих исследователей, до сих пор до конца не решенным остается целый ряд вопросов- описание диаграммы деформирования бетона с учетом влияния скорости нагружения, нет единого мнения о влиянии скорости нагружения на коэффициент поперечных деформаций и предельные деформации и др
Следует отметить, что исследования бетона при динамическом воздействии в большинстве случаев проводились при одноосном сжатии О поведении бетона при динамическом нагружении в условиях напряженных состояний отличных от одноосного сжатия имеются ограниченные и противоречивые сведения
Кроме того, данные о влиянии динамического нагружения на свойства бетона относятся, в основном, к прочностным характеристикам Объем исследований, касающихся изучения деформативных свойств ограничен, что вызвано известными сложностями экспериментального определения деформаций при быстропротекающих процессах.
,jO
Таким образом, для оценки влияния скорости нагружения и вида
напряженного состояния на прочностные и деформативные характеристики
бетона представлялось необходимым осуществить проведение
экспериментально-теоретических исследований, которые позволили бы развить существующие представления о поведении бетона при динамическом нагружении в условиях различных напряженных состояний
Цель диссертационной работы.
На основании результатов экспериментальных исследований выявить основные закономерности влияния динамического нагружения на свойства бетона в условиях различных напряженных состояний одноосном сжатии, одноосном растяжении, двухосном сжатии и напряженном состоянии «сжатие-растяжение» Разработать зависимости для критерия прочности и границ микротрещинообразования с учетом скорости нагружения и вида напряженного состояния Записать универсальные для различных скоростей нагружения и вида напряженного состояния зависимости между главными напряжениями и деформациями в объемной постановке На основании решения тестовой задачи оценить практическую значимость использования в расчетах уточненных зависимостей.
Метод исследования.
Основные результаты работы получены на основании осуществленных автором экспериментальных исследований При обобщении результатов экспериментальных исследований математическими зависимостями за основу был взят аппарат теории пластичности При этом в известные зависимости были внесены корректировки, отражающие особенности поведения бетона под нагрузкой с учетом скорости нагружения и вида напряженного состояния.
Достоверность результатов.
Достоверность результатов экспериментальных исследований обеспечена глубиной проработки методических вопросов, значительным объемом идентичных экспериментов с получением близких результатов Кроме того, где это было возможно, полученные результаты были сопоставлены с данными
предыдущих исследователей, при этом было отмечено близкое совпадение результатов
Научная новизна.
1 Разработаны и изготовлены испытательные стенды, позволяющие
производить статические и динамические испытания бетона.
Предложена методика испытаний и регистрации нагрузок и деформаций при быстропротекающих процессах с использованием авторских установок и современных электронных средств
Экспериментальным путем получены прочностные и деформативные характеристики при статическом и динамическом нагружении в условиях одноосного сжатия, одноосного растяжения, двухосного сжатия и напряженного состояния «сжатие-растяжение»
Результаты испытаний обобщены в зависимостях для прочности, границ микротрещинообразования и физических уравнениях связи напряжений с деформациями, учитывающих вид напряженного состояния и скорость роста напряжений.
5. Был произведен расчет толстостенной бетонной трубы, загруженной динамически приложенным внутренним и внешним давлением, с использованием уточненных зависимостей
Практическая ценность.
1. Разработанные и выполненные в натуре стенды могут быть использованы для испытаний бетона при статических и повышенных скоростях нагружения в условиях различных напряженных состояний;
2 Предложенная методика проведения динамических испытаний и
регистрации усилий и деформаций может быть рекомендована к дальнейшему
использованию с целью унификации методов постановки динамических
экспериментальных исследований,
3 Полученные уточненные зависимости для критерия прочности,
значений микротрещинообразования и физические уравнения связи главных
напряжений и деформаций, могут быть использованы для уточнения методов
расчетов бетонных и железобетонных конструкций при динамическом воздействии с учетом фактических характеристик бетона
Апробация работы.
Основные результаты диссертации были доложены на заседании кафедры «Сопротивление материалов» Московского Государственного Строительного Университета в июне 2007г.
Публикации.
Результаты работы опубликованы в 4-х статьях
Объем работы.
Особенности деформирования и разрушения бетона в условиях сложных напряженных состояний при статическом и динамическом нагружении
Представление о бетоне как о сложном композиционном материале с неоднородной структурой.
Согласно современным представлениям принято рассматривать бетон как искусственный конгломерат, в котором отдельные зерна мелкого и крупного заполнителя скреплены в монолит цементно-песчаным камнем сложной кристаллической структуры. Благодаря особенностям твердения цементно-песчаного геля в условиях избытка свободной воды, необходимой для обеспечения достаточной подвижности бетонной смеси, бетон формируется как материал, в котором присутствуют все три фазы вещества: твердая, жидкая и газообразная. Наличие в бетоне многочисленных пор позволяет говорить о нем как о капиллярно-пористом материале [67].
Принято подразделять несколько уровней структуры бетона: микро-, мезо- и макроструктуру [17,31].При этом каждый уровень структуры предполагает наличие двух компонентов. Для микроструктуры - это зерна гидротированного цемента и поры; для мезоструктуры -зерна песка и прослойка из цементного камня и, наконец, макроструктура включает в себя зерна крупного заполнителя и прослойку из цементно-песчаного камня.
Различные исследования [3,34,37,107], связанные с оценкой деформирования и трещинообразования бетона, показывают, что образование и развитие трещин, в конечном счете приводящих к разрушению бетона, возникает преимущественно на контактной зоне «цементно-песчаный камень-зерно крупного заполнителя», что позволяет говорить о возможности при оценке результатов механического силового воздействия ограничиваться рассмотрением макроструктуры бетона. При этом макроструктуру можно оценить характеристиками бетона в целом, а также характеристиками цементно-песчанного камня, крупного заполнителя и контактной зоны.
Макроструктура бетона обуславливает основные особенности поведения бетона под нагрузкой: существенное различие в прочности на сжатие и растяжение, способность к значительным пластическим деформациям при сжатии, зависимость упруго-пластических свойств от уровня нагружения, влияние скорости нагружения на прочностные и деформативные свойства бетона, а также определяет причины микротрещинообразования в бетоне и характер развития микротрещин.
В настоящее время наиболее обоснованной представляется гипотеза А.А.Гвоздева [25,26] об изменениях, которые происходят в макроструктуре бетона под действием сжимающей нагрузки и вызывают образование и развитие микротрещин при сжатии. При нагружении бетона в результате различия характеристик входящих в него компонентов (прежде всего модулей деформаций, прочности, а также размера, формы и состояния поверхности крупного заполнителя) и наличия в бетоне дефектов (включая хаотически ориентированные микропоры) в нем появляется вторичное поле напряжений. При этом наибольшая концентрация напряжений создается на границах дефектов и компонентов с разными свойствами. При этом из-за хаотического расположения площадок, на которых происходит концентрация напряжений, в бетонных образцах, подвергаемых одноосному сжатию, возникают как продольные сжимающие напряжения, ориентированные в направлении действия усилий от внешней нагрузки, так и перпендикулярные им растягивающие напряжения.
Учитывая, что прочность сцепления цементно-песчаного камня с зернами заполнителя ниже не только прочности бетона на сжатие, но и прочности на растяжение, критической с точки зрения начала образования микротрещин является именно вторичное поле растягивающих напряжений в контактной зоне «цементно-песчаный камень - крупный заполнитель».
В начале нагружения процесс микротрещинообразования локализуется на небольших участках, однако дальнейший рост внешней нагрузки приводит к возрастанию вторичного поля напряжений. Увеличивается количество, длина и ширина раскрытия микротрещин. После того как объем микроразрушений достигает некоторого критического уровня, происходит объединение микротрещин в единую поверхность разрушения.
Методика экспериментальных исследований
Создание двухосного сжатия одноосным мембранным устройством (в направлении о2) и плитами пресса (в направлении ог) [54,55] можно считать промежуточным методом по сравнению с нагружением жесткими плитами или гидростатическим. При осуществлении такого нагружения максимальный прирост прочности по сравнению с одноосным сжатием составил 4 0% и соответствовал а2= (0,5- 0,8) Rb. При этом величина прочности была одинаковой для простого и сложного нагружения.
Наблюдая существенный разброс в значениях прочности бетона при двухосном сжатии, можно прийти к выводу, что количественная оценка прочности должна производиться с привязкой к методике проведения экспериментального исследования с указанием формы и размеров образцов. Совершенствование методики определения прочности при двухосном сжатии следует связывать, прежде всего, с оценкой, какая из методик наиболее полно отвечает реальной работе бетона в конструкции и, после решения данного вопроса, с унификацией экспериментальных исследований при двухосном сжатии.
Наибольший объем данных о деформации бетона при двухосном сжатии получен при испытании образцов-плит [11,104,108,111]. Также есть данные об испытании образцов-кубов [99,103] с жестким способом передачи нагрузки и образцов-цилиндров и призм с гидростатическим способом передачи нагрузки [54,55].
При рассмотрении вопроса, связанного с развитием деформаций при двухосном сжатии, следует различать Ци результаты, полученные при простом (пропорциональном) и сложном (непропорциональном) нагружении.
Результаты, полученные при простом нагружении можно свести к следующим положениям. Деформации в направлении действия сжимающих усилий уменьшаются по сравнению с одноосным сжатием по мере увеличения а2/о"і. Деформации в свободном от нагрузки направлении при двухосном сжатии больше чем при одноосном, однако этот прирост зависит от соотношения сжимающих усилий, и при а2/оі 0,5 указанный прирост деформаций невелик. При высоких уровнях напряжения и при о2/оі 0,5 поперечные деформации меньше, чем при одноосном сжатии.
При сложном нагружении наиболее существенными представляются следующие закономерности протекания деформационного процесса. На втором этапе нагружения двухосным сжатием (а2 возрастает при a2=const) упруго-мгновенные деформации имеют общую огибающую и могут быть аппроксимированы единой кривой. Пластические деформации первого вида уменьшаются по мере увеличения а2. Модуль деформации бетона, определяемый для наиболее нагруженного направления по деформациям и напряжениям второго этапа, изменяется практически так же, как и при осевом и трехосном сжатии. Наличие напряжений первого этапа нагружения на втором этапе обуславливает так называемую силовую анизотропию: деформации в направлении а2 и в свободном от нагрузок направлении развиваются с разными коэффициентами поперечных деформаций.
Исследования бетона при напряженном состоянии «сжатие-растяжение» проводили К.П.Веригин, И.М.Безгодов, В.Г.Иш, Ю.Н.Малашкин, А.П.Пак, а также Бреслер, Киштофяк, Хильсдорф и другие исследователи. Подробное описание методик испытаний в условиях двухосного напряженного состояния «сжатие-растяжение» приведены в работе [39] . Способы осуществления растягивающего усилия подразделяются на косвенный и прямой. При косвенном способе растягивающие усилия в образце создаются либо крутящим моментом [97], либо внутренним равномерно распределенным давлением [103], либо изгибом [110]. При прямом способе растягивающие усилия в образце создаются прямым растяжением [56,60,20]. Различия в методах создания растягивающих усилий во многом обусловили выбор способов создания сжимающих усилий, а также формы и размеров испытываемых образцов. Так же как и в случае двухосного сжатия, методика создания напряженного состояния, форма и размеры образца оказывают влияние на результаты испытаний. В [54] показано, что вид нагружения (простое или сложное), а также последовательность нагружения сжатием или растяжением при сложном нагружении не влияют на прочность бетона.
В большинстве исследований отмечалось, что разрушающие сжимающие или растягивающие напряжения при одновременно действующих по другим осям соответственно растягивающих или сжимающих напряжениях уменьшаются по мере роста последних. При этом при небольшом уровне напряжения о 2 возможно некоторое увеличение (до 10%) значений разрушающих напряжений.
Оценка особенностей деформирования и структурных изменений бетона при динамическом нагружении с учетом влияния скорости нагружения на процесс микротрещинообразования
Учитывая ограниченность имеющихся данных о прочности бетона при двухосном сжатии даже при статическом нагружении, сравнивать с ними результаты наших исследований достаточно затруднительно. В главах 1 и 2 было показано, что на прочность бетона существенное влияние оказывают способ передачи нагрузки в направлении ег2, а также форма и размер образцов. В этой связи представляется целесообразным сопоставить наши результаты с результатами испытаний образцов цилиндров и призм при гидростатическом способе передачи боковой нагрузки. Наиболее обширные экспериментальные статические исследования с использованием указанной методики испытаний проводились под руководством Ю.Н.Малашкина [63,54].Динамические испытания при двухосном сжатии при гидростатическом способе передачи статической нагрузки при скорости 500-бООМПа/с проводила О.В.Коробцева [47,56]. Результаты исследований [63,54,90] хорошо совпадают с результатами наших экспериментов. В то же время известны результаты испытаний [98,105] при нагружении цилиндрическим мембранным испытательным устройством, которые свидетельствуют о снижении прочности при двухосном сжатии по сравнению с призменной на 20-40%.
Анализ влияния способа приложения напряжения о2 на величину «действительной» прочности бетона при статическом и динамической нагружении.
Как показано в работах [54,58], различие в значениях прочности бетона при двухосном сжатии, фиксируемое различными исследователями, связано с особенностями методики определения момента разрушения. Отмечается, что, принимая за прочность бетона при двухосном сжатии значения напряжений, при которых на поверхности образца наблюдаются видимые следы разрушения, приходится говорить об оценке прочности образца как конструкции, связывая ее повышение по сравнению с одноосньм сжатием с затрудненным выходом трещин на опорные грани образца и повышенной устойчивостью его частей.
В этой связи применительно к двухосному сжатию было введено понятие «действительная прочность» [54], которая (03 соответствует моменту образования в образце практически сплошной поверхности разрушения, и численно может быть принята равной напряжениям, соответствующим верхней границе микротрещинообразования Rvcrc.
С учетом вышесказанного, в наших экспериментах при статике момент разрушения определялся не по видимым следам разрушения, а прежде всего по наступлению момента лавинообразного, неустойчивого деформирования, который фиксировался по показаниям датчиков деформаций, отображаемых в течение всего времени нагружения на мониторе ЭВМ. В результате этого после снятия мембранных установок с образца наклонные трещины на поверхности образца либо не наблюдалось, либо не пересекала образец насквозь (с одной грани на другую). После разгрузки некоторые образцы были испытаны на одноосное сжатие и показали прочность близкую к нулевой (0,2-0,3Rb), при этом вертикальные трещины объединялись в наклонную поверхность разрушения. Таким образом, и после принятия мер по фиксации «достоверного» момента разрушения в экспериментах на двухосное сжатие отмечали упрочняющее действие напряжения ег2 .
При динамическом нагружении определение значений нагрузки и деформаций образца с высокой степенью дискретности по времени также позволяет провести детальный анализ момента разрушения.
Анализируя кривую нагрузки P(t) (рис.3.2), наблюдаем следующее. Вблизи момента разрушения кривая нагрузки, как правило, приобретала небольшой по продолжительности горизонтальный участок (Лґ«(0Д5-г-0,2)г), т.е. скорость роста напряжения т становилась равной нулю. При этом продольные и поперечные деформации продолжали возрастать. Затем наблюдался спад кривой нагрузки. Деформации достигали своего максимума, как правило, в момент времени соответствующий окончанию горизонтального участка, а в ряде случаев наблюдался небольшой участок нисходящей ветви.
Представляется, что возникновение горизонтального участка следует связывать с тем, что в его начале поверхность разрушения уже сформировалась, и материал образца не способен воспринимать увеличение нагрузки, однако для того, чтобы датчик силы зафиксировал спад нагрузки необходимо некоторое смещение верхней части образца относительно нижней в результате потери устойчивости частей образца. Существует временной разрыв между этими двумя моментами, который имеет ту же природу, что и при двухосном испытании при статике.
Таким образом, за «достоверный» момент разрушения при динамическом воздействии был принят момент времени, в который скорость роста напряжений в образце а становится равной 0 (начало горизонтального участка на кривой нагрузки), а за значение «достоверной» прочности -напряжения, соответствующие этому моменту времени.
Наличие горизонтального участка на кривой P(t) подтверждает, что момент образования поверхности разрушения и видимое разрушение образца при двухосном сжатии при динамическом испытании, так же как и при статическом, может не совпадать, и результат определения прочности также может зависеть от методики определения «достоверного» момента разрушения и соответствующих ему значений напряжений в образце.
Оценка влияния скорости нагружения и вида напряженного состояния на деформативные свойства бетона при одноосном растяжении и напряженном состоянии «сжатие-растяжение»
Кроме того, отмечено повышение предельных деформаций. Так, например, увеличение предельной продольной деформации при a2=0,6Rb по сравнению с одноосным сжатием составляет 60%.
Наличие напряжения а2 сказывается также и на величине предельных поперечных деформаций. Так, деформации є2 в направлении напряжений ст2 меньше предельных значений поперечных деформаций є0 при одноосном сжатии, а предельные деформации є3 в свободную незагруженную сторону превышают значения є0 (и это различие увеличивается с ростом напряжения ст2) . При этом суммарно 2+з превышают значение є0 вне зависимости от уровня (7j (рис. 3.6.) .
Оценку влияния вида напряженного состояния и уровня напряжения т2 на величину деформаций бетона с учетом первого и второго этапов нагружения при двухосном сжатии удобно производить на основании графика полных объемных деформаций (рис. 3.7.). Из него видно, что с увеличением напряжения т2 величина объемных деформаций повышается.
Анализ полных деформаций (с учетом деформаций, развивающихся на первом этапе нагружения) является важным и с точки зрения объяснения причин упрочняющего действия напряжения сг2 (рис.3.8 ., 3. 9.) . Известно, что, согласно современным представлениям о причинах разрушения бетона при сжатии, разрушение происходит из-за развития деформаций сдвига и отрыва, причем считается, что отрывной механизм является решающим. О реализации отрывного механизма судят по деформациям, развивающимся в направлениях перпендикулярных плоскости действия нагрузки (для второго этапа нагружения двухосным сжатием в наших исследованиях это деформации є2 и е3). Благодаря наличию напряжения т2, в направлении действия этого напряжения происходит уплотнение материала, и, как следствие, повышение уровня напряжения т,, при котором деформации сжатия є2 переходят в деформации растяжения. (При высоких уровнях сг2 такой переход вообще может быть не осуществлен, как в наших экспериментах при cr2=0,6Rb). И несмотря на то, что развитие поперечных деформаций в противоположном направлении в известной степени компенсирует снижение деформаций растяжения в направлении о2, но трещины отрыва вынуждены преимущенственно ориентироваться в одном направлении, и это способствует замедлению разрушения.
Анализируя вид поверхности разрушения, следует отметить, что с увеличением напряжения 0"2, видимо, возрастает роль сдвига, так как поверхность разрушения имеет некоторый наклон к вертикали (выход поверхности разрушения на грани образца фиксировался со стороны плоскостей, через которые передавалось напряжение а2) Угол наклона увеличивается с повышением о2, но никогда не соответствовал 45.
Из приведенных выше сведений видно, что вид напряженного состояния и уровень второго главного напряжения существенно влияют на деформативные свойства бетона. При этом основные особенности деформирования, наблюдаемые при двухосном сжатии при статическом нагружении (особенности диаграммы бетона, силовая анизотропия, изменение величин предельных деформаций) отмечаются и при динамическом нагружении. С другой стороны, в результате экспериментов было зафиксировано влияние динамического нагружения на деформативные свойства бетона как при одноосном, так и двухосном сжатии.
На рис. 3.10. представлены диаграммы «Ох-ед.», полученные при динамическом нагружении двухосным сжатием. Сопоставление динамических диаграмм с диаграммами, полученными при статическом нагружении и показанными на рис.3.11., позволяет оценить их основные отличия.
Основной особенностью динамической диаграммы по сравнению со статической является увеличение продолжительности начального прямолинейного участка, что свидетельствует о расширении диапазона квазиупругой работы бетона. Кроме того, наблюдается в целом спрямление динамической диаграммы. Ее кривизна соответствует кривизне статической диаграммы только на участке близком к разрушению.
Похожие диссертации на Влияние динамического нагружения на прочностные и деформативные свойства бетона при одноосных и двухосных напряженных состояниях
