книги из ГПНТБ / Аронов Р.И. Испытание сооружений учеб. пособие

(рис. 92, а), ударом же в четверти пролета можно вызвать доми­ нирующие колебания второй формы (рис. 92, б).

§ 2. Динамические характеристики материала

2-1. Динамический модуль упругости

Соотношение сг—е, характеризующее модуль упругости, зависит от скорости приложения нагрузки. Чем быстрее меняются внешние силовые воздействия, тем меньше сказывается влияние упругого последействия и пластических деформаций. Этим объясняется бо­ лее линейная зависимость между а и е при динамической работе материала и некоторое превышение динамического модуля упру­ гости по сравнению со статическим его значением.

Для металла разница между Ewm и £ СТат весьма мала,- напри­ мер для стальных конструкций эти величины можно считать прак­ тически совпадающими.

Для бетона, древесины и других строительных материалов рас­ хождения между динамическими и статическими значениями моду­ ля более существенны.

Динамические значения модуля упругости определяются обычно путем вибрационных испытаний, а также исследованиями материа­ ла с помощью ультразвуковых колебаний.

2-2. Динамические прочностные характеристики

При увеличении скорости приложения нагрузки проявляется в большинстве случаев тенденция к увеличению предела пластично­ сти и предела прочности загружаемого материала, С другой сто­ роны, при резких силовых воздействиях (ударах) возможно внезап­ ное появление и почти мгновенное развитие трещин, которые могут

140

привести к хрупкому разрушению конструкций при сравнительно малых приложенных усилиях. Эта склонность к хрупкому разруше­ нию характеризуется ударной вязкостью материала.

Склонность к хрупкому разрушению, с которым приходится счи­ таться, в первую очередь, в металлических конструкциях, возраста­ ет в местах концентрации напряжений (у отверстий, вырезок и т. п.) и при понижении температуры.

При длительных вибрационных нагружениях возможно появле­ ние и развитие усталостных трещин. Прочность материала опреде­ ляется при этом, как известно, пределом выносливости, зависящим как от вида материала, так и от характеристик загрузочного цикла.

2-3. Внутреннее трение

Внутреннее трение является одной из главнейших динамических характеристик материала. Наличие внутреннего трения (называе­ мого также внутренним «еупругим 'Сопротивлением, демпфировани­ ем и т. д.) обусловливает затухание свободных колебаний. От интен­ сивности внутреннего трения в материале в значительной степени зависят и амплитуды вынужденных колебаний; чем больше внут­ реннее трение, тем меньше, при прочих равных условиях, оказыва­ ется амплитуда установившихся вынужденных колебаний, а следо­ вательно, и величина соответствующих им динамических напряже­ ний. Все указанные факторы крайне важны с точки зрения условий динамической работы конструкций.

Внутреннее трение вызывает необратимое поглощение (превра­ щение в тепло) механической энергии, сообщаемой колеблющейся системе внешними воздействиями. Количественной характеристикой внутреннего трения является коэффициент поглощения ф — отно­ шение энергии, необратимо поглощенной материалом конструкции за цикл колебаний, к средней (за тот же цикл) полной механиче­ ской энергии колебаний рассматриваемой системы.

В динамических расчетах вместо коэффициента поглощения пользуются пропорциональным ему параметром

Ф

(40)

2я

называемым коэффициентом внутреннего трения (или коэффици­ ентом яеупругого сопротивления).

При испытаниях строительных конструкций значения ф и у опре­ деляют обычно по полученным данным о затухании свободных ко­ лебаний, пользуясь соотношением

141

Кроме внутреннего трения, на режим как свободных, так и вынужденных колебаний, влияет также «кулоновое» трение в соединениях и опорах, действие которого должно быть учтено.

Сопротивление же колебаниям, оказываемое воздушной средой (аэродинами­ ческое сопротивление), крайне незначительно, и в обычных условиях работы кон­ струкций им можно пренебречь.

§ 3. Задачи динамических испытаний

Ниже рассмотрены основные задачи динамических испытаний, определяемые характером и назначением исследуемых объектов и их состоянием.

3-1. И спытание сооружений и отдельны х конструкций, п одлеж ащ и х сдаче в эксплуатацию

Объекты, рассчитанные на воздействие динамических нагрузок (мосты, конструкции ряда промышленных сооружений и т. д.), ис­ пытывают с целью проверки их работы в условиях, максимально приближающихся к эксплуатационным. При этом определяют ди­ намические параметры; так, например, по частоте собственных ко­ лебаний отдельных элементов можно судить о их жесткости, а сле­ довательно, и о соответствующем модуле упругости материала; путем рассмотрения формы колебаний можно выявить наличие рас­ хождений между принятой расчетной схемой и действительной ра­ ботой исследуемого объекта и т. д.

Существенна возможность сопоставления прочностных характе­ ристик однотипных элементов в сооружениях путем сравнения час­ тот и интенсивности затухания их собственных колебаний. При не­ значительной затрате труда и времени могут быть, таким образом, выявлены ослабленные участки в исследуемых объектах.

3-2. Испытание сооружений и конструкций, находящ ихся в эксплуатации

Повторные динамические испытания дают возможность путем сопоставления их результатов судить об изменении состояния ис­ следуемого объекта во времени. С этой целью динамические испы­ тания могут производиться:

а) в плановом порядке, если это предусмотрено правилами экс­ плуатации;

б) после ремонтов и усилений; в) при наличии сомнений в надлежащем состоянии и сохране­

нии необходимой жесткости и несущей способности объекта, напри­ мер, при сильном поражении коррозией, после пожаров и т. п.

От статических испытаний, которые могут быть поставлены с той же целью, динамические проверки выгодно отличаются мень­ шей трудоемкостью и возможностью проведения их в более сжатые сроки.

142

ГЛАВА II

НА Г Р У ЗК И

§1. Ударная нагрузка

Одиночным ударом возбуждаются собственные колебания в ис­ следуемых конструкциях и элементах.

С точки зрения организации эксперимента ударные испытания относятся к числу наиболее простых, поскольку необходимые для создания удара приспособления сравнительно несложны и для уточнения основных параметров возбужденных колебаний (их час­ тоты и интенсивности затухания) не обязателен точный замер вели­ чины сообщенного импульса; необходимо лишь обеспечить силу удара, достаточную для отчетливой записи колебаний с помощью примененной измерительной аппаратуры.

1-1. Вертикальны е удары

Для возбуждения колебаний в сравнительно легких и податли­ вых элементах (например, в плитах и балках перекрытий) можно осуществить удар ручной трамбовкой.

При исследованиях более тяжелых и массивных конструкций требуются и более сильные ударные воздействия. Для этой цели еще сравнительно недавно использовались падающие грузы (с мас­ сой от 100 кг и выше) с высоты 1—1,25 м\ груз поднимали .с по­ мощью переносных приспособлений типа легких ручных копров. На конструкцию в месте падения груза укладывали слой песка для предохранения поверхности элементов от повреждений при ударе и исключения подскока груза, поскольку повторное его падение после отскока искажало запись возбужденных колебаний.

Затруднения, связанные с применением падающих грузов, отпа­ дают при использовании так называемого «обратного удара», воз­ никающего при резкой разгрузке конструкции. Для получения этого динамического эффекта к проверяемой конструкции в сечении, вы­ бранном по условиям эксперимента, прикрепляют тягу с включен­ ным в нее динамометрическим элементом, например стальным стержнем с заданным пределом прочности. При соответствующем значении усилия, передаваемого с помощью тяги, этот стержень разрывается, обеспечивая тем самым практически мгновенное сня­ тие приложенной нагрузки.

144

1-2. Горизонтальные и наклонные удары

Для создания горизонтальных ударов чаще всего пользовались

§ 2. Вибрационная нагрузка

Вынужденные колебания исследуемых объектов создаются с по­ мощью вибрационных машин и гидродомкратов с пульсирующим воздействием.

При натурных испытаниях пользуются обычно вибрационными машинами с вращающимися неуравновешенными массами, приво­ димыми в движение электромотором.

2-1. Простейшие машины с одной неуравновешенной массой

При вращении неуравновешенной массы т (рис. 94) с угловой скоростью со развивается центробежная сила

где е —расстояние от центра тяжести неуравновешенной массы до центра вращения.

При сохранении заданной скорости вращения величина центро­ бежной силы Р остается постоянной, направление же ее непрерыв­ но меняется. Горизонтальная и вертикальная составляющие (X и У) силового воздействия, передаваемого на испытываемый объект, ме­ няются при этом по гармоническому закону:

где а — угол, характеризующий положение неуравновешенной мас­ сы в рассматриваемый момент времени.

145

Силовые воздействия подобного рода довольно часто встреча­ ются в условиях эксплуатации. Однако с точки зрения поставлен­ ной задачи, заключающейся в выявлении динамических характе­ ристик исследуемой конструкции, одновременное действие пульса­ ций в двух взаимно перпендикулярных направлениях нежелательно, так как при этом усложняются проведение необходимых инстру-

Рис. 94. Центробежный вибратор ненаправ­ ленного действия:

объект; 5 — крепления

ментальных измерений и последующая обработка и оценка 'полу­ ченных результатов. Вибрационные устройства рассматриваемого простейшего типа применяются поэтому лишь при отсутствии более совершенного вибрационного оборудования.

2-2. Вибрационные маш ины направленного действия с неуравновеш енны ми м ассам и , вращ аю щ и м ися вокруг п араллельн ы х осей

Усилия, возникающие при работе вибрационной машины с дву­ мя неуравновешенными массами, вращающимися в разные стороны вокруг параллельных осей Оі и 0 2, схематически показаны на рис. 95.

Примем, что массы, т и эксцентриситеты е грузов 1 и 2 равны между собой. Допустим, что скорости вращения грузов со постоянны и по абсолютной величине равны; совпадают также по своей абсо­ лютной величине и углы а (рис. 95), характеризующие (в любой момент времени) положение вращающихся грузов относительно горизонтали.

146

При 'соблюдении всех этих условий вертикальные составляю­ щие Уі и У2 при воздействии на испытываемый объект центробеж­ ных сил будут суммироваться; 'горизонтальные же составляющие тех же сил —взаимно погашаться.

Рис. 95. Центробежная вибрационная машина с двумя груза­ ми, вращающимися в противоположных направлениях вокруг параллельных осей Оі и 0 2:

1 II 2 —неуравновешенные массы; 3 —вращающиеся диски; 4 — корпус вибрационной машины; 5 — испытываемый объект; б ~ крепления

На основании формулы (39) результирующая У вертикальных воздействий в момент положения грузов под углом а будет равна

Экстремальные значения Упри а= ± 90°

rnln

На рис. 96, а показаны силоцые воздействия при четырех наи­ более характерных положениях вращающихся грузов. На рис. 96,6 приведен график равнодействующей У, меняющейся во времени по синусоидальной кривой. Для соблюдения этой закономерности и погашения горизонтальных усилий требуется строгая синхронность вращения неуравновешенных грузов. Это обеспечивается обычно наличием зубчатого зацепления между вращающимися элементами вибрационной машины (см. рис. 95).

Для возбуждения колебаний-в крупных конструкциях, например, в пролетных строениях мостов, при испытании которых требуется приложение различным об­ разом ориентированных силовых воздействий, применяются вибрационные маши­ ны с восемью неуравновешенными массами (рис. 97).

147

I

СО

Рис. 97. Вибрационная машина с восемью эксцентриками для испытаний пролетных строений мостов:

совое основание; 7 — колеса тележки вибрационной машины. (Электродвигатель виб­ ромашины, помещенный BHV TD H коопуса I, не показан)

148

Корпус 1 рассматриваемой вибромашины представляет собой массивную ва­ гонетку. На концах двух пар параллельных валов 4 и 5 насажены диски 2 и 3 с

стрелками). Для обеспечения жесткой связи между испытываемым объектом и источником колебаний вибрационная машина с помощью специальных захватов крепится к рельсовому пути.

Регулирование взаимного положения неуравновешенных масс дает возмож­ ность получать следующие силовые воздействия:

1)вертикальные возмущающие силы;

2)горизонтальные возмущающие силы, направленные вдоль или поперек продольной оси моста;.

3)пары сил, действующие в вертикальной плоскости, проходящей через про­ дольную ось моста или перпендикулярно к ней;

4)пары сил, действующие в горизонтальной плоскости (на уровне располо­ жения осей валов вибромашины).

При расположении грузов в исходном положении по схеме рис. 97 вибро­ машина создает вертикальные воздействия. На рис. 98, а показано положение эксцентрішов, необходимое для создания переменных горизонтальных усилий, на­ правленных поперек продольной оси моста. Для этого эксцентрики 1', 2', 4 и 4' в исходном положении должны быть повернуты на 180° относительно эксцентриков /, 2, 3 и 3'. На рис. 98, б показаны соответствующие центробежные усилия, воз­ никающие при работе машины в момент поворота всех грузов на угол <р по срав­ нению с их положением по рис. 98, а.

Рис. 98. Вибрационная машина с восемью дисками, с эксцентриками, уста­ новленными для возбуждения горизонтальных поперечных колебаний:

а ~ схема расположения неуравновешенных масс; б —возбуждаемые усилия в мо­ мент поворота вращающихся дисков на угол (р; /—4 н Т —4' —неуравновешенные мас­ сы (эксцентрики); Z —вертикальные составляющие центробежных сил; X —горизон­ тальные составляющие, параллельные продольной осн вибратора; У —горизонтальные составляющие, нормальные к продольной оси

149