Влияние динамического нагружения на прочностные и деформативные свойства бетона при одноосных и двухосных напряженных состояниях

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ................................................. 5
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............. 8 0
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2........................................ 87
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
о
скорости нагружения на прочность бетона при одноосном и двухосном сжатии. Критерий прочности бетона с учетом скорости нагружения и вида напряженного
состояния...............................................
3.2.Оценка влияния вида напряженного состояния и скорости нагружения на деформативные свойства бетона при одноосном и двухосном сжатии........................................
3.3. Оценка особенностей деформирования и структурных изменений бетона при динамическом нагружении с учетом влияния скорости нагружения на процесс
микротрещинообразования.................................
3.4. Обобщение данных экспериментальных исследований
в зависимостях между напряжениями и деформациями........................
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.
Рисунки к главе 3
4. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ СКОРОСТИ НАГРУЖЕНИЯ И ВИДА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ НА ПРОЧНОСТНЫЕ И ДЕФОРМАТИВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕТОНА ПРИ ОДНООСНОМ РАСТЯЖЕНИИ И
НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ "СЖАТИЕ-РАСТЯЖЕНИЕ"...............................
4.1.Оценка влияния скорости нагружения и вида
напряженного состояния на прочность бетона при
одноосном растяжении и напряженном состоянии «сжатие-растяжение».............................................................
4.2.Оценка влияния скорости нагружения и вида
напряженного состояния на деформативные свойства
бетона при одноосном растяжении и напряженном
состоянии «сжатие-растяжение»...........................................
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.......................................................
Рисунки к главе 4.....................................
5. ПРИМЕР ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ТОЛСТОСТЕННОЙ БЕТОННОЙ ТРУБЫ, НАХОДЯЩЕЙСЯ
97
114
130
145
170
172
206
206
214
226
228
ПОД ДЕЙСТВИЕМ ДИНАМИЧЕСКИ ПРИЛОЖЕННЫХ ВНУТРЕННЕГО И
ВНЕШНЕГО ДАВЛЕНИЙ.......................................... 234
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.......................................... 24 0
Таблицы и рисунки к главе 5................................... 242
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................. 250
ЛИТЕРАТУРА................................................. 253
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что в практике эксплуатации строительных конструкций достаточно часто встречаются случаи аварийного действия динамических нагрузок, вызываемых взрывными или ударными воздействиями. Для
совершенствования оценки предельных состояний
конструкций, рассчитываемых на особое сочетание нагрузок, а также при выполнении поверочных расчетов при анализе влияния аварийного динамического воздействия на конструкции, необходимо обладать достоверными сведениями о прочностных и деформативных характеристиках конструкционных материалов.
Установлено, что для материалов с неоднородной структурой, к которым относится в первую очередь бетон, деформативно-прочностные характеристики зависят от вида напряженного состояния и скорости приложения нагрузки.
При этом следует отметить, что до сих пор остаются мало изученными вопросы поведения бетона при
динамическом нагружении как при одноосных, так и сложных напряженных состояниях. Показательным, например, является то обстоятельство, что в отечественной литературе этой проблеме посвящена лишь одна монография, написанная в 197 0-е годы Ю. М. Баженовым. И несмотря на то, что указанные вопросы в разное время поднимались также в работах А.А.Гвоздева, Г.В.Беченевой, И.К.Белоброва, А.П.Кириллова, А.Р.Маиляна, В.А.Рахманова, Г.В.Рыкова,
Н.И.Попова, B.C.Расторгуева, А.В.Забегаеза и других
исследователей, до сих пор до конца не решенным остается целый ряд вопросов: математическое описание динамической
диаграммы деформирования бетона, определение зависимостей
г
модуля продольных деформаций от скорости нагружения, нет единого мнения о влиянии скорости роста напряжений на коэффициент поперечных деформаций и предельные деформации и т.д.
Следует отметить, что упоминаемые исследования касались прежде всего одноосного сжатия. О поведении бетона при динамическом воздействии в условиях сложных напряженных состояний приходится судить главным образом по зарубежным публикациям, которые также носят ограниченный характер и зачастую противоречивы как в отношении прочностных, так и деформативных характеристик.
Кроме того, имеющиеся сведения о поведении бетона при динамическом воздействии относятся, прежде всего, к прочностным характеристикам. Объем исследований, касающийся изучения деформативных характеристик ограничен, что, видимо, следует связывать со сложностями экспериментального исследования деформаций при
быстропротекающих процессах.
Таким образом, для оценки влияния скорости нагружения и вида напряженного состояния на прочностные и деформативные характеристики бетона представлялось необходимым осуществить проведение комплексных исследований, включающих в себя экспериментальную и теоретическую часть, которые позволили бы уточнить существующие представления о поведении бетона при динамическом нагружении в условиях различных напряженных состояний.
• Цель диссертационной работы.
На основании результатов экспериментальных
исследований уточнить основные закономерности влияния
динамического нагружения на свойства бетона при динамическом нагружении в условиях одноосных и двухосных напряженных состояний: одноосного сжатия и растяжения,
двухосного сжатия и напряженного состояния «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. Для обеспечения возможности проведения намеченной
программы экспериментальных исследований автором
совместно с инж. И.М.Безголовым были специально спроектированы и изготовлены испытательные стенды,
позволяющие осуществлять статическое и динамическое нагружение бетона. Особенностью экспериментальных
исследований бьшо сопоставление результатов статических и динамических испытаний идентичных образцов, производимых на одной и той же установке, для одного и того же напряженного состояния.
При обобщении результатов экспериментальных исследований математическими зависимостями за основу был взят аппарат теории пластичности. При этом в известные
зависимости были внесены корректировки, отражающие
л
особенности поведения бетона под нагрузкой с учетом скорости роста нагружения и вида напряженного состояния.
• Достоверность результатов.
Теоретические результаты были получены на основании собственных экспериментальных исследований. 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.
• Автор защищает.
1. Конструкцию испытательных стендов для проведения динамических и статических испытаний в условиях различных напряженных состояний.
2. Методику испытаний и регистрации нагрузок и деформаций при статическом и динамическом нагружении в условиях различных напряженных состояний;
3. Результаты экспериментальных исследований
поведения бетона в условиях одноосного сжатия, растяжения, двухосного сжатия, напряженного состояния «сжатие-растяжение» при статическом и динамическом нагружении, в том числе результаты определения прочностных и деформативных характеристик бетона.
4. Обобщение результатов экспериментальных
исследований в зависимостях прочности, границ микротрещинообразования бетона от вида напряженного состояния, уровней главных напряжений и скорости нагружения, а также зависимостях между главными
5?
напряжениями и главными деформациями и их интенсивностями.
5. Результаты решения тестовой задачи по расчету толстостенной бетонной трубы, находящейся под действием динамически приложенной нагрузки, для иллюстрации возможности применения и практической значимости полученных зависимостей.
•Апробация работы.
Основные результаты диссертации были доложены на заседании кафедры «Сопротивление материалов» Московского Государственного Строительного Университета в июне 2007г.
• Публикации.
Результаты работы были опубликованы в 4-х статьях.
• Объем работы.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы, включающего 112 наименований. Работа состоит из 262 страниц машинописного текста, содержит 56 рисунков и 64 таблицы.
а
1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИХ
ИССЛЕДОВАНИЙ БЕТОНА ПРИ ОДНОКРАТНОМ СТАТИЧЕСКОМ И
ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ В УСЛОВИЯХ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ
НАПРЯЖЕННЫХ СОСТОЯНИЙ
1.1.Современные представления о поведении бетона при статическом 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.
• Роль микротрещинообразования в разрушении и деформировании бетона.
В настоящее время наиболее обоснованной представляется гипотеза A.A.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.
При одноосном растяжении процесс
микротрещинообразования носит иной характер. Активный процесс образования микротрещин происходит при высоком
Л2
уровне внешней нагрузки близком к разрушающему. Трещины, в основном, образуются поперек действия растягивающих усилий и приводят к быстрому разрушению бетона.
Раскрытие микротрещин вносит вклад в количественное значение деформаций, измеряемых при нагружении образца. В частности, развитием процессов микротрещинообразования объясняется кажущееся увеличение объема образца, фиксируемое по величине объемных деформаций, при высоких уровнях сжимающего напряжения.
Процесс деформирования бетона в неразрывной связи с микротрещинообразованием рассматривали О.Я.Берг и его последователи [10,12,13]. О.Я.Бергом было предложено выделить в составе полной деформации бетона упругие деформации, пластические деформации первого рода (деформации ползучести), пластические деформации второго рода и псевдопластические деформации. При этом упругие и пластические деформации связаны с изменением межатомных расстояний и проявлением зязких свойств гелевой составляющей цементного камня соответственно и по своей природе схожи с проявлением аналогичных деформаций в металлах. Пластические деформации второго рода непосредственно связаны с развитием необратимого
процесса микротрещинообразования, а псевдопластические деформации характеризуют процесс макроразрушений.
Процесс микротрещинообразования принято
характеризовать параметрическими точками.
Напряженное состояние, при котором сжатый бетон максимально уплотнен, скорость ультразвука наибольшая, а коэффициент поперечной деформации еще минимален, получило
название нижней границы микротрещинообразования бетона
Напряженное состояние, при котором приращение объема образца стремится к нулю, скорость прохождения ультразвука падает ниже начальной, а коэффициент поперечной деформации приближается к 0,5 называется верхней границей микротрещинообразования бетона .
Принимая во внимание, что существенную роль в деформировании и разрушении бетона при сжатии играет процесс микротрещинообразования следует отметить, что одна из основных гипотез теории упругости и пластичности - гипотеза о сплошности материала, применительно к бетону не выполняется на всех этапах его работы под нагрузкой.
• Краткий обзор и анализ различных теорий прочности бетона.
Классические теории прочности (теория наибольших нормальных напряжений, теория наибольших упругих
деформаций, теория наибольших касательных деформаций, энергетическая теория и теория прочности Мора) применительно к бетону подвергались критике многих исследователей [10,88]. При этом отмечается, что они не отражают ряда существенных для бетона вопросов, таких как объяснение влияния вида напряженного состояния на изменение прочности и деформативности бетона (первая и вторая теории прочности), решающей роли в разрушении бетона реализации механизма отрыва (третья и четвертая теории), учет роли промежуточного главного напряжения (теория прочности Мора), и все вместе не отражают структурных особенностей материала и процессов деформирования и разрушения.
Во многих работах для построения обобщенного для различных видов напряженного состояния критерия прочности предлагаются различные варианты математического описания поверхности вида Ф (ах, о2,о3, Иь, КЬ/С) =0 [7,29,93,14,36].
Можно сказать, что большинство феноменологических теорий могут быть представлены уравнением, связывающим инварианты тензора напряжений и прочность бетона при сжатии и растяжении. Коэффициенты в этих уравнениях подбираются из условия сближения значений, вычисленных по аналитической зависимости, с результатом экспериментов. Рассматривая эмпирико-математический подход в создании теорий прочности, следует отметить, что он удобен тем,
что позволяет достаточно просто описать результаты экспериментов и представить их в удобной для расчетов форме, но не создает физически обоснованного подхода к анализу связи структурных изменений, сопровождающих
процесс разрушения бетона, с результатом этих изменений (количественно выражающемся в величине прочности).
Наряду с феноменологическими теориями прочности разрабатываются структурные теории, которые рассматривают вопрос прочности бетона либо с позиций влияния на ее
значение различных концентраторов напряжений: трещин, пор и зерен заполнителей (первое направление структурных теорий прочности)[37,79], либо базируясь на построении и анализе работы различных моделей твердых тел, по
структуре и характеристикам, близким к исследуемому материалу [57,112] (второе направление).
Применительно к динамической теории прочности бетона развитие структурной теории затруднительно, т.к. возникает необходимость устанавливать значения исходных
У
параметров (например, энергии поверхностного натяжения, длины и раскрытия трещин) из весьма тонких и
нетрадиционных экспериментов, при этом в настоящее время опыт таких измерений не накоплен. Можно выделить ограниченное число работ, связанных с подобными экспериментами при динамическом нагружении. Так, в [109] получены значения скорости развития трещины в цементном образце при скорости нагружения ЗООМПа/с. В [66] указаны значения энергии разрушения цементного камня, критической длины трещины и др. при динамическом воздействии.
Анализируя существующие теории прочности, следует признать, что в настоящее время ни одна из них не способна в достаточной мере учесть связь между изменениями макроструктуры бетона и его свойствами, особенности динамического нагружения усиливают сложность разработки и совершенствования теорий прочности. Поэтому в настоящей работе оценку структурных изменений в бетоне предлагается рассматривать обобщенно, анализируя изменение параметрических точек, объема образца и коэффициентов поперечных деформаций. Исходные данные для такого анализа планируется получить на основе тензометрических измерений деформаций.
• Диаграмма деформирования бетона.
Взаимосвязь прочностных и деформативных свойств бетона принято представлять в виде диаграммы деформирования «о-г».
Для аналитической записи диаграммы используется, как правило, один из перечисленных ниже подходов [40,38]:
1)Криволинейная непрерывная диаграмма деформирования представляется в виде неявной функции а=£(е), которую
можно разложить в ряд Маклорена:
<3=£ (0) +^Г(0)+^Г(0) + ...+^"(0) (1-1.)
!• <£• II*
Учитывая определенное число членов в выражении (1.1), получают зависимости в форме квадратной или кубической параболы, гиперболической зависимости и др. [38].
2) Криволинейная диаграмма заменяется кусочнолинейной функцией, характеризующейся разным на каждом участке модулем деформаций;
3) Применяются упрощенные диаграммы. К таким диаграммам, в частности, относится известная диаграмма Прандтля, положенная в основу нормативного расчета бетона по предельным состояниям.
При всем многообразии ферм записи диаграмм деформирования при их разработке стремятся придерживаться ряда общих требований:
1. Аналитическая запись диаграммы должна быть простой по форме и универсальной для бетонов разных видов и разной прочности;
2. Входящие в аналитическую запись диаграммы параметры должны иметь ясный физический смысл;
3. Параметры диаграммы должны иметь соответствующее обоснование с позиций теории вероятностей и математической статистики;
4. Диаграммы должны быть пригодны для решения задач расчета конструкций по предельным состояниям, оценки результатов испытаний и т.д.;
5. Диаграммы должны легко увязываться с вычислительными подходами, реализуемыми на ЭВМ;
6. В диаграммах должны отражаться факторы повторного нагружения и времени.
1.2. Динамическая прочность и особенности деформирования бетона при динамическом нагружении в условиях одноосных
напряженных состояний.
• Классификация режимов нагружения в зависимости от длительности и характера приложения нагрузки.
В настоящее время достоверно известно, что свойства бетона зависят от длительности приложения нагрузки. Причем эта закономерность прослеживается как при уменьшении скорости нагружения по сравнению со стандартной, принятой для определения статической
прочности бетона по ГОСТ 24452-80 [32] , так и при ее
увеличении [26].
В отечественной и зарубежной литературе чётко не определены значения скоростей, являющиеся критическими с точки зрения их влияния на прочностные и деформативные
свойства конструкционных материалов.
Применительно к проблеме настоящей работы
представляется возможным использовать классификацию, приводимую в [46]. Авторы подразделяют режимы нагружения на длительное, статическое, с повышенной скоростью и с высокими скоростями.
Длительному нагружению соответствует так называемый
♦
«достатический» диапазон скоростей роста напряжений (сг)
» * ♦
и деформаций (е)~ порядка а =10‘3-И0°М7я/с и гг = 10 7-НО 41 /с.
Статическому нагружению соответствуют скорости порядка ст = \0°+\02МПа1с и £ = 10'4 -г10"21/с.
Разделение на диапазон повышенных ( о- = 102+107МПа/с и
♦ • •
е = 10"2 + 1031/с.) и высоких {сг=\0:МПа/с и е = 10*1/с. и выше)
скоростей произведено по принципу влияния на процессы деформирования и разрушения материала волновых эффектов. При повышенных скоростях нагружения представляется возможным не учитывать волновые процессы. При высоких скоростях волновые процессы, проявляющиеся в отражении волн сжатия от свободных поверхностей и их взаимодействии со встречными волнами нагрузки, необходимо учитывать при анализе напряженно-деформированного состояния,
возникающего в материале.
Одним из проявлений волнового характера распространения усилий является неравномерность деформаций по длине образца. При этом в [5] приводится условие, при соблюдении которого неравномерность
деформаций не окажет существенного влияния на результаты опыта:
0,05^>1 (1.2.)
а у
где И - прочность бетона при сжатии в кг/см2;
♦
<7 - скорость приложения нагрузки в кг/см2*с;
1 - длина призмы в м;
V - скорость распространения волн напряжения в м/с (для бетона ориентировочно принимается 4000 м/с).
Таким образом, для призмы длиной 28см из бетона с прочностью на сжатие 25МПа неравномерность деформаций допускается не учитывать, если скорость приложения нагрузки не превышает 1,7х104 МПа/с.
Классификация однократного динамического нагружения по данным [5] производится с учетом времени роста
напряжений до максимальных значений и характера
распределения напряжений в материале. Различают:
1) динамическое нагружение общего характера. Время роста напряжений до их максимальных значений составляет 0,001-1с. При этом режимы нагружения могут быть
различными. Как правило, это либо режим плавного возрастания напряжений, либо воздействие динамически
приложенной постоянной нагрузки;
2) ударное, как правило, местного характера. Время нагружения менее 0,01с. Напряженное состояние по объему неравномерно и изменяется во времени;
3) взрывное. Отличается еще более высокой скоростью нагружения и в большинстве случаев вызывает местные перегрузки и разрушение бетона.
В [69] динамическое нагружение разделяют на
импульсное и ударное. При импульсном воздействии
напряжения растут от 0 до некоторой конечной величины. При ударном воздействии считается, что напряжения возрастают мгновенно. Импульсному нагружению
соответствует диапазон скорости деформирования
• ф
s = 10'2 *10“'1/с , а ударному - с = 10"’ -HO’l/c.
Характер нагружения также может классифицироваться в
зависимости от соотношения —, где I - время нагружения;
Т - основной период собственных колебаний конструкции.
При ^<0,1 характер нагружения принято называть
мгновенным; при 0,1<^-<2,5 - динамическим; при ~>2,5 -квазистатическим [78].
Кроме того, следует различать режимы нагружения с постоянной скоростью роста напряжений или с постоянной скоростью роста деформаций, в последнем случае возможно получение при динамическом нагружении нисходящей ветви [71] .
Представляется принципиальным придерживаться
классификации видов динамического нагружения при анализе и сравнении результатов различных исследований. Следует отметить, что в литературе часто указывается только продолжительность воздействия, а сведения об условии протекания процесса отсутствуют, что затрудняет классифицировать вид нагружения. В то же время, пренебрежение таким разделением приводит к тому, что встречаются сравнения без какого-либо дополнительного анализа результатов испытаний, при котором напряженное состояние в образцах принципиально отличается. Так, в [9] сравнивается ударное воздействие и воздействие при повышенных скоростях с плавным возрастанием напряжений.
• Влияние динамического нагружения на прочность бетона при одноосном сжатии. Коэффициент динамического упрочнения кь,у.
Вопрос влияния скорости нагружения на прочность бетона при одноосном сжатии является наиболее изученным. Ему посвящены работы [5,9,42, 71,75,76 и др.]
Во всех источниках отмечается, что с ростом скорости нагружения прочность бетона повышается.
Изменение прочности бетона при увеличении скорости нагружения принято учитывать умножением прочности бетона, полученной в стандартных испытаниях при статическом нагружении, на коэффициент динамического упрочнения кь,у.
О А
Ю.М. Баженов в работе [5], единственной отечественной монографии, посвященной бетону при динамическом нагружении, осуществил испытания более 500 образцов. Бетон испытывали при естественной влажности и нормальной температуре. Образцы нагружали на пневмодинамических установках. Минимальное время нагружения составляло 0,001с.
В результате этих экспериментов была получена следующая зависимость коэффициента динамического
упрочнения от времени нагружения кь,„(т):
кь,У=1/ 58-0, 351дт + 0, 07 (1дт) 2, (1.3.)
где т в мсек.
Зависимость предлагалось использовать для
т=1-г2000мсек.
Для практических расчетов зависимость (1.3.) рекомендовано аппроксимировать кусочно-линейной функцией:
кЬ/У=а-Ь1дт, (1.4.)
где а и Ь - эмпирические коэффициенты, принимаемые при т>0,1с а =1,28, Ьет0,65; при т<0,1с а-1,45, Ь-0,15.
Авторами работы [9] получена следующая зависимость
кь,у(т) :
кь,у=1/216-0, 04 61т (1.5.) .
В [68] зависимость кь,у(т) записана в виде : кь,у=1, 175-0, 03951пт (1.6.) .
Зависимости вида кЬ/У =А-В1пт, либо кь,у =А-В1дт встречаются также у других авторов [71] и являются наиболее распространенными.
В приведенных выражениях кь,у ставится в зависимость от продолжительности нагружения. В тоже время, если при постановке эксперимента стремиться к разрушению образцов различной прочности в результате действия динамического
7 7
воздействия одинаковой продолжительности, то такое воздействие будет характеризоваться различной скоростью роста напряжений. Таким образом, время нагружения не может служить универсальной характеристикой режима нагружения.
В этой связи представляются более корректными зависимости, связывающие кь,У со скоростью деформирования
(скоростью роста продольных деформаций) сь , либо со скоростью нагружения (скоростью роста напряжений) суь .
ф
Зависимости типа кЬ/У(^) приводятся в [69, 73]
В [69] :кь,у=1 + 0, 491-Г (1*7.)
1,212 +0,0424(10'5 <сь < 1)
В [73]: кь,у=
(1.8.)
1.212 + 0,444^(1 *** <102).
Определенный недостаток зависимостей вида
(1.7.,1.8.) заключается в том, что ни предельная, ни тем
более деформация на каком-либо этапе нагружения, как
правило, не являются контрольными характеристиками, что
затрудняет применение этих зависимостей при практическом
расчете конструкций.
Таким образом, более предпочтительными следует
»
считать зависимости типа кЬ/У (<т»}.
В [43] приводится зависимость, предложенная Т.С.Каранфиловым:
кь,„=1+0,03^18<^ (1.9).
В [2] приводится аппроксимация результатов динамических испытаний бетона с прочностью, изменяющейся
от 15 до 50 МПа, при скорости воздействия нагрузки (3-15) *103кгс/см2 в сек, следующей зависимостью:
кь, ^+0,6 {110)
1 - 0,358ГЛ0Д 5сг6
В [94] А.В.Яшин предлагает единую зависимость прочности бетона от скорости нагружения, распространяемую на диапазоны скоростей длительного, статического и динамического нагружения.
Предпринимаются попытки теоретически получить выражения для коэффициента динамического упрочнения [28, 30, 91, 92] .
В работах [91,92] представлены зависимости для кЬ/У, записанные на основе кинетической теории прочности.
Теоретической предпосылкой послужило положение о том, что разрушение происходит вследствие больших флуктуаций тепловой энергии движения атомов, что требует определенного времени.
Согласно кинетической теории прочности кЬ/У был связан с термодинамическими и энергетическими
характеристиками:
kv=1 + 77—aF1"—’ d.U.)
Uo R М. Т<1
Ь А
А<т
где к - постоянная Больцмана; Т - температура, при котором происходят испытания; Uo - энергия активации разрушения; Е0 -начальный модуль упругости; АЕ/Аа - параметр, учитывающий физическую нелинейность бетона и равный изменению начального модуля упругости при зариации напряжения на До; г , rd - время
нагрузки на образец до максимального значения при статическом и динамическом деформировании соответственно.