книги из ГПНТБ / Прис Б.В. Моделирование железобетонных конструкций

среднее положение стрелки. Трудности, возникающие от «заеда­ ния» тензометра, устраняются, если вся конструкция подверга­ ется легкой вибрации, это также помогает при использовании обычных циферблатных тензометров для измерений прогибов.

11.3. Оптические тензометры

Такие тензометры редко используются в модельных исследо­ ваниях, за исключением особых случаев, когда требуются осо­ бенно точные и чувствительные измерения. Механико-оптические пли чисто оптические методы применяются для получения уве­ личений показаний приборов.

11.4.Акустические тензометры

Вэтих тензометрах изменения деформации определяются по изменению натяжения проволоки, растянутой между двумя опо­ рами, прикрепленными к конструкции (рис. 11.3). Струна при­ обретает вибрацию собственной частоты колебаний посредством электрического возбуждения. Вибрации струны вызывают элек­

трические импульсы в магнитном датчике, размещаемом над

Рис. 11.3. Акустический .тензометр, основывающийся на трансмиттере вибрации струны.

центром струны. Полный агрегат тензометра, называемый транс­ миттером, связан с ресивером. Ресивер имеет растянутую эталон­ ную струну, частота вибрации которой может изменяться на точ­ но измеряемую величину до тех пор, пока частоты обеих струн не совпадут. Сигнальные импульсы двух струн отражаются ма­ ленькой трубкой катодных лучей, подключенной к ресиверу, и когда частоты совпадают, луч образует единый замкнутый кон­ тур круговой или эллиптической формы. Или же может быть под­ ключена прямая цифровая печатная система для записи изме­ нения сигналов из трансмиттеров. Ряд трансмиттеров может быть подключен к ресиверу через селекторный выключатель.

181

Эта система очень устойчива, и возможна чувствительность в несколько микродеформации.

Недостатком акустических тензометров является то, что они довольно жестки и должны механически прикрепляться к по­ верхности деформируемого элемента. Следовательно, для изме­ рений деформаций в сравнительно тонких и гибких элементах они не годятся. Такие тензометры широко используются при крупномасштабных и долговременных испытаниях и имеют то преимущество, что благодаря своей прочности могут бетониро­ ваться в тело элементов конструкций с целью измерения дефор­ маций во внутренних точках. Они также используются в дина­ мометрах.

Использование тензометров с вибрирующей струной ограни­ чивается измерениями статических или медленно изменяющихся деформаций. Трансмиттеры и ресиверы изготавливаются компа­ ниями Майгак в Гамбурге (Западная Германия) п С. Дэйволл энл Сан в Перивэйле (Соединенное Королевство).

11.5. Тензометры электрического сопротивления

Тензометры электрического сопротивления используются бо­ лее часто, чем другие тензометры. Они имеют много преимуществ при модельных исследованиях: относительно дешевы, имеют не­ значительный вес и жесткость, наличие очень малой длины базы

Рис. 11.4. Типы тензодатчиков электрического сопротив­ ления.

измерений, используются для статических и динамических изме­ рений, могут использоваться с автоматическими системами и достаточно малы для того, чтобы их размещали в любых поло­ жениях на конструкции, включая внутренние точки.

Тензометр состоит из маленького чувствительного пьезоэле­ мента, который соединен с поверхностью конструкции в пози­ ции и в направлении, где предполагается измерение деформации. Чувствительный элемент изготавливается из ряда тонких про­ водов двумя способами: сеточный тип, состоящий из небольших проволочек, вклеенных между тонкими листами бумаги, как

182

тельной эмульсии. Высокая токопроводящая мощность и низкая поперечная чувствительность являются одними из преимуществ, присущих фольговому тензометру. Оба типа применяются в ви­ де линейных тензометров, как показано на рис. 11.4, или розеточных тензометров, как показано на рис. 11.5.

Когда часть конструкции, к которой тензометр прикрепляет­ ся, деформируется, то это вызывает соответствующее деформн-

Рис. 11.5. Образцы розеточных тензодатчиков электрического сопротив­ ления.

рованне в чувствительном элементе тензометра. Тензометр рабо­ тает на принципе существования фактического и линейного вза­ имоотношения между изменением электрического сопротивления чувствительного элемента и изменением механической деформа­ ции. Эти изменения 6R/R и е взаимосвязаны постоянной k, назы­

Сопротивление наиболее распространенных тензометров элек­ трического сопротивления колеблется в пределах 50—1000 ом. Величина /е зависит от конструкции и типа металла, используе­ мого для чувствительного элемента, и обычно бывает порядка 2.

Измерение изменения сопротивления

Наиболее распространенной формой соединения измеритель­ ной цепи является так называемый мостик Уитстона, показанный на рис. 11.6. Одно плечо мостика состоит из активного тензодат­ чика R, прикрепленного к конструкции, п холостого тензодатчи­ ка D, который включается для компенсации температуры, а дру­ гое плечо образуется двумя стандартными резисторами 5. Вход­ ное напряжение мостика прилагается к точкам 1 и 2; оно обычно бывает в пределах от 0,3 до 3 V. Гальванометр соединяется с точками 4 и 3 через реостат переменного сопротив-

183

ления г. Вначале сопротивление г подбирается так, чтобы галь­ ванометр показывал ноль и мостик был уравновешенным. Когда тензодатчик R деформируется, его сопротивление изменится, и это приводит к тому, что между точками 3 н 4 развивается элект­ родвижущая сила, так что мостик становится разбалансирован­ ным, и стрелка гальванометра отклоняется от нулевой позиции. На этой стадии используется один из двух методов измерения:

а) нулевой метод. Путем регулировки реостата г на точно измеренную величину бг мостик может быть сбалансирован за-

Холоапои,ири ломпеиащионтш тжоЗшлт

Рис. 11.6. Методы измерения изменения сопротивления.

ново доведением стрелки гальванометра до нуля. Это легко про­ демонстрировать для малых изменений:

(3 г =- ± т) бУдет £ = ±іг)=±^--1 ^=± 5-000ми-

крострэйнов, где «микродеформация» (микрострэйн) есть деформа­ ция (стрэйн) в ІО-6.

Из-за времени, требуемого на разбалансировку мостика, приме­

б) метод прямого отсчета. Когда мостик разбалансируется изменением сопротивления в R, э. д. с., развиваемая между точ­ ками 3 и 4, определяется по отклонению стрелки гальванометра. Если е есть приложенное напряжение мостика и о есть показания

184

гальванометра для э. д. с., то для малых изменений легко по­ казать, что

4и

Путем включения в цепь мостика подходящих скалярных мультипликаторов (множителей) можно для определенных ве­ личин /е показания гальванометра градуировать для прямого отсчета в микрострэйнах (микродеформациях).

Метод прямого отсчета подходит для измерений статических деформаций и динамических деформаций (периодических пли с неустановившимся режимом).

Температурные явления

Температурные изменения среды вызывают изменения дефор­ мации конструкции и соответственно изменения сопротивления тензометров, прикрепленных к ней. В измерительном приборе не различаются изменения сопротивления, возникающие от дефор­ маций, вызванных переменами температуры, и деформаций от перемены напряжений. Поэтому «холостой» тензометр прикреп­ ляется к образцу из материала, имеющего одинаковые характе­ ристики, с характеристиками материала элемента, подлежащего тензометрированию. Холостой тензометр должен размещаться как можно ближе к соответствующему ему активному тензомет­ ру, так чтобы оба были в одинаковых условиях рабочей среды. Если известно, что деформация на одной стороне элемен­ та будет равной по величине, но противоположной по знаку с де­ формацией на другой стороне элемента, выгодней всего исполь­ зовать обычный активный тензометр на одну сторону, а холостой (который теперь работает как активный тензометр) на противо­ положную сторону. При таком устройстве достигается темпера­ турная компенсация и чувствительность удваивается.

Материалы для прикрепления тензометров электрического сопротивления

Успех измерений деформаций будет зависеть от эффективно­ сти связи между тензометром и поверхностью конструкции. Дюрофикс удовлетворяет условиям для прикрепления многих типов тензодатчиков, но в этом случае тензодатчик не должен исполь­ зоваться в течение нескольких дней после приклеивания. При использовании чувствительного к давлению цемента, такого, как цемент 910, можно начинать испытания примерно после часа, прошедшего с момента приклеивания.

Многоточечное измерение и автоматическая1запись

В большинстве модельных исследований требуется использо­ вать большое количество тензодатчиков. Группа активных тен­ зодатчиков и соответствующих им холостых тензодатчиков мо-

185

жет по очереди подключаться к измерительному мостику посред­ ством селекторного выключателя. Одно из возможных устройств цепи показано на рис. 11.7.

При методах прямого отсчета измерений селекторный выклю­ чатель может управляться вручную или автоматически, и вы­ ходное напряжение мостика (или деформация) записывается самописцем, цифровым печатным вольтметром или путем фото­ графирования следа на катодно-лучевом осциллографе. Харак­ терное устройство показано на фотографии 11.8.

11.6. Измерение методом хрупкого покрытия

При этом методе специальное покрытие наносится на поверх­ ность конструкции. Такие покрытия толщиной от 0,002 до 0,01 дюйма, изготавливаются из лаков с собственными (патентными) фирменными названиями; одним из примеров является стресскоут.

Когда образец нагружается, поверхностные деформации воспринимаются покрытием. Оно имеет свойство трескаться от хрупкого разрушения при определенных критических деформа­ циях, и эти трещины указывают зоны высокой интенсивности напряжения на поверхности образца. Чувствительность возрас­ тает с уменьшением толщины покрытия.

Метод нанесения хрупких лаков, используемый для количест­ венного определения деформаций, имеет практические труднос­ ти, которые требуется преодолеть для получения достаточно точных и надежных исследований. Очень важно, чтобы темпера­ турные и влажностные условия строго контролировались в те­ чение всей программы исследований.

Минимальные деформации, вызывающие растрескивание

щения.

Предполагается, что в роли качественных показателей дефор­ маций заключается основная польза хрупких лаков в модельных исследованиях. Прежде чем прикреплять тензометры электри­ ческого сопротивления к модели сложной формы или модели, подвергнутой асимметрическому виду нагрузки, в ряде случаев следует использовать хрупкие покрытия для определения зон

пенную важность. Подобным образом хрупкие покрытия обеспе­ чивают наглядную картину общего распределения деформаций и помогают выявить зоны концентрации напряжений, которые мог­ ли бы оказаться вне поля зрения при использовании локальных измерений деформаций по тензометрам, помещаемым в ряде точек на конструкции.

187

11.7. Взаимосвязь напряжение-деформация

Измерение напряжения может определяться измерением де­ формации при условии, что взаимоотношение напряжение-де­ формация известно. Приведенные ниже выражения справедливы для напряжении и деформаций на поверхностях упругих .мате­ риалов.

Одноосное распределение напряжения

Деформация е измеряется в направлении параллельно напря­ жению о, откуда а=ЕХе.

Сложное распределение напряжения (двумерные задачи)

Если направления основных напряжений известны, их вели­ чины могут вычисляться из деформаций, измеряемых в этих двух взаимно перпендикулярных направлениях. Если использовать для обозначения двух основных осей и и и, и принять, что на­ пряжения и деформации растяжения положительны, то главные напряжения выражаются

и максимальное поперечное напряжение, наклоненное к главным осям под углом 45°, будет равно

Когда направления главных осей неизвестны, то необходимо измерить деформации в трех различных направлениях. Если они определяются с помощью 45°-ного розеточного тензометра с на­ правлениями 1, 2 и 3, то главные деформации находятся из уравнений

188

Г ла в а 12

Специальные методы моделирования

12.1.Введение

Впредыдущих главах этой книги подробно рассматривалось применение в моделировании материалов, которые могут исполь­ зоваться для имитации режима работы железобетонных кон­ струкции. Модельные методы, рассматриваемые в этой главе, могут считаться специальными и в качестве таковых применять­ ся не только для изучения железобетонных конструкций, но и конструкций из любого линейно-упругого материала.

Конструкция-прототип в каждой рассматриваемой технике моделирования хотя бы теоретически должна состоять из упру­ гого материала, поскольку при анализе результатов модельных испытаний предполагается линейный упругий режим.

В первую очередь здесь рассматривается фотоупрутпй метод применительно к условиям плоского напряжения, а далее корот­ ко упоминается об использовании техники исследований при изу­ чении трехмерных систем напряжения. В заключение описания фотоупрутого метода излагается относительно повое направле­ ние в этой области, а именно: фотоупругие покрытия.

Поскольку в железобетонных конструкциях встречается очень много задач, связанных с плитами, мы посчитали умест­ ным включить в эту главу рассмотрение метода Мойра, приме­ няемого для экспериментального анализа плит любой конфигу­ рации с любыми граничными условиями.

12.2. Введение к фотоупругому методу

Фотоупругий метод основан на явлении, что определенныепрозрачные материалы, подвергнутые напряжениям, меняют свои оптические свойства, причем величина изменений зависитот деформаций материала. Поскольку рассматривается упругий линейный режим, то величина этих изменений может быть соот­ несена с напряжением в материале.

Если этот метод нужно применить к исследованию некоторой конструкции, то модель конструкции, во-первых, должна изго­ тавливаться из соответствующего материала, а, во-вторых, она нагружается подобно прототипу. Оптические изменения, возни­

190