книги из ГПНТБ / Гольденблат И.И. Теория ползучести строительных материалов и ее приложения

Изучению вопроса о предварительном напряжении с учётом ползучести бетона в бесшарнирных арках и комбинированных конструкциях посвящен один из разделов работы [20]. В этой работе показано, что между расчетом конструкций на вынужден­ ные усилия и расчетом на смещение опор существует полная аналогия. Все формулы для определения распора с учетом пол­ зучести бетона, выведенные для случая смещения опор, пол­ ностью сохраняют свою силу и в этой задаче.

Для затяжки небетонированной или обетонированной, но по­ крытой трещинами при переменном модуле упругих деформа­ ций бетона во времени по закону (6.34) распор от предвари­ тельного натяжения в комбинированных конструкциях опреде­ ляется по формуле

а при постоянном модуле Ео

. (6.52)

В этих формулах Ня11 —сила натяжения затяжки (шпренгеля). Все остальные величины имеют прежние значения.

Для определения распора в бесшарнирных арках во време­ ни от вынужденного усилия (вызванного, например, с помощью

Из примера расчета на смещение опоры арки мы уже видели, что за счет ползучести бетона начальный распор, или в данном случае начальное натяжение, гасятся, на 80—90%. Исследуя этот вопрос, И. И. Улицкий утверждает, что для характеристи­ ки ползучести ср,и>2 первоначальное натяжение или введен­ ное вынужденное усилие почти полностью исчезает.

Приведем примеры расчета конструкций по методу И. И. Улицкого, разобранные в работе [20].

Пример 1. Рассмотрим арку с затяжкой (рис. 6.12) в том случае, когда

в момент раскружаливания производится дополнительное натяжение за­ тяжки на величину Нвв. Определим величину этого натяжения к моменту затухания ползучести в бетоне арки. Затяжку будем считать необетонирован-

для расчета характеристики имеют следующие значения:

ч0,0186:/•>, 0,0272 ж1; •> 0,023.

Рис. 6.17

Характеристики ползучести армированного бетона для значений «о—6,17, />оч=0,115 и <~0,142 определяем по табл 10:

на стр. 201.

К моменту затухания ползучести значение вынужденного усилия опреде­

210

Для постоянного модуля упругих деформаций (6.54)

т" = !!„./• 1,19 = 0,304Н„„.

Если свод неармированный, то в предыдущих формулах для Ня1 надо заменить ти на т, и мы получим

5. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ

Приведем некоторые сведения об экспериментах, проводив­ шихся над ползучестью железобетонных колонн, балок, рам и арок, заимствованных нами из работ [19] и [8].

Рис. 6.18. Нарастание прогиба стойки вследствие ползучести

I упругий прогиб 1,03 см (4,35 смг. 2--прогиб через 3 месяца после раз­ рушения 4,14 см (12,08 сл); 3 — прогиб, вычисленный по способу И. И.

Улицкого, 3,72 см (11,7 с.ч)

а) Железобетонные стойки, показанные на рис. 6.18, подвер­ гались в семидневном возрасте загружению и выдерживались под нагрузкой в течение 3 месяцев. Характеристика ползучести Ф, =5,65, £‘о = 2,2-1О5 кг!см2, /?2в = 300 кг!см2. Кривые деформа­ ции показаны на рис. 6.18.

б) Однопролетная балка (рис. 6.19), нагруженная равномер­ но распределенной нагрузкой и двумя сосредоточенными сила­ ми, испытывалась под нагрузкой в течение 6 месяцев. Загру-

24' см

Рис. 6.19. Нарастание прогиба балки вследствие ползучести

/— упругий прогиб, 0,16 см', 2 —прогиб через 6 месяцев после разрушения,

0.36см; 3 — прогиб, вычисленный по способу И. И. Улицкого. 0,37 см

в) Замкнутые и двухшарнирные рамы с различным процен­ том армирования, схематически изображенные на рис. 6.20,

Рис. 6.20

исследовались под нагрузкой в течение двух лет. Результаты наблюдений изображены на рис. 6.21. Экспериментами установ­ лено, что в результате ползучести бетона значительно возра­ стают напряжения в арматуре — примерно в 2—2,5 раза. Про­ гибы ригеля в процессе ползучести возросли в 3—4,6 раза.

г) Ряд экспериментов был проведен над серией арок, схема­ тически изображенных на рис. 6.22. На рис. 6.23 изображен рост прогибов арки вследствие усадки и ползучести.

212

IP --1665 кг

Рис. 6.22

Рис. 6.23

214

Глава V/J

РАСЧЕТ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

В настоящей главе рассматриваются некоторые практические приемы расчета металлических конструкций на ползучесть, представляющие интерес для конструктора.

Явление ползучести металлов и сплавов становится замет­ ным при повышенных температурах. Для различных металлов температурные границы, при которых начинается заметная пол­ зучесть, различны. Так, например, для углеродистых сталей и чугуна ползучесть начинает сказываться при 300—350°, для легированных сталей—при температурах порядка 350—400° и выше, для цветных металлов — при температурах порядка 50— 150° и выше и т. п. В условиях повышенных температур работа­ ют очень многие конструкции (резервуары трубопроводов, ко­ жухи доменных печей и т. п.). Задачи расчета на ползучесть металлических конструкций и деталей, работающих при повы­ шенных температурах, являются очень важными. С повышением температуры все механические свойства металлов существенно меняются. Такие характеристики, как модуль упругости и пре­ дел пропорциональности, меняются в зависимости от температу­ ры в широких пределах. Модуль упругости углеродистой стали при температуре 600° уже на 25—30% ниже обычного модуля упругости, а при температуре 800° — на 50%. До температуры 300—350° понижение модуля упругости идет медленно; далее скорость изменения модуля резко возрастает. Предел текучести углеродистой стали с повышением температуры сначала немного повышается, а затем резко падает. Предел прочности стали при повышении температуры до 250—300° повышается на 20—25%, достигая своего максимума, а затем резко снижается и уже при температуре 600° составляет всего 40% от предела прочности при нормальной температуре.

Расчет на ползучесть конструкций основан на результатах экспериментального исследования металла главным образом на,

постоянную нагрузку.

За последнее время были проведены многочисленные экспе­ рименты, направленные на выяснение свойств сталей и сплавов при повышенных температурах и на изучение явления ползуче­

216

сти. Необходимость экспериментов большой длительности за­ ставляла в ряде случаев идти на упрощения, а следовательно, на неполноту опытов. Поэтому экспериментальные исследования ползучести металлов не могут еще удовлетворить всех требо­ ваний практики.

Следует отметить, что ползучесть металла фактически наблю­ дается не только при работе конструкций в условиях повышен­ ных температур, но и в нормальных условиях (при комнатной температуре). Со временем к упругим или упруго-пластическим деформациям, которые возникают при нагружении, добавляются деформации ползучести. Эти деформации в конструкциях, рабо­ тающих при нормальной температуре, почти не ощущаются, и в. практических расчетах ими можно пренебречь.

Надо заметить, что некоторые металлы, как, например, сви­ нец, испытывают значительные деформации ползучести и при обычной комнатной температуре.

Нарастание деформаций ползучести может вывести из строя конструкцию или деталь, работающую при высоких температу­ рах, так как ее деформации с течением времени могут стать недопустимо большими.

Следовательно, допускаемые напряжения в конструкциях, работающих при высоких температурах, определяются не пре­ делом текучести и прочности, а допускаемыми деформациями для заданного срока службы, которые устанавливаются усло­ виями нормальной эксплуатации. В этом существенное отличие расчета конструкций, работающих при высоких температурах, от расчета при нормальной температуре.

При расчете на ползучесть необходимо знать закон процесса ползучести, а именно — аналитическую зависимость между пара­ метрами, характеризующими этот процесс. Этими основными параметрами являются напряжение, время, температура и де­ формация (или скорость ползучести).

На основании экспериментальных данных различными иссле­ дователями предложены многочисленные формулы чисто эмпи­ рического или полуэмпирического характера. Обычно все эти формулы не дают удовлетворительного согласования с опытом на большом интервале напряжений и носят частный характер, давая относительно удовлетворительное совпадение только на некоторых небольших участках кривых ползучести.

Из двух стадий ползучести — установившейся и неустановившейся — значительно лучше экспериментально изучена первая стадия (рис. 7.01), для которой нередко применяется следующая зависимость между скоростью ползучести и напряжением:

Здесь v„—скорость ползучести;

k и п — коэффициенты, зависящие от температуры испыта­ ния и свойств материалов;

а— напряжение.

217

Значения коэффициентов k и п для некоторых сплавов даны в табл. 18. В работе [5] имеются таблицы этих коэффициентов для различных металлов и различных температур.

Зависимость (7.01) хорошо согласуется с опытными данными для одноосного напряженного состояния, но дает заметные от­ клонения от экспериментальных дан­ ных в случае сложного напряжен­

ного состояния.

Максимальное напряжение, не вызывающее деформаций ползуче­ сти больше допускаемых для дан­ ных условий работы, называется

условным пределом ползучести ма­ териала по допускаемой суммарной деформации ползучести.

Если ввести обозначения: гу—относительная упругая деформация(е =

Л'т—модуль упругости при данной температуре;

-л, и s„s—относительные деформации неустановившейся и установившейся ползучести;

[е] — допускаемая деформация за время службы кон­

Если пренебречь и упругой деформацией, то расчетное условие запишется следующим образом:

(7.04)

Пренебрегать упругой деформацией и деформацией неуста­ новившейся ползучести можно только тогда, когда деформации неустановившейся ползучести и упругая деформация малы по сравнению с деформациями второй стадии. При этом предполо­ жении расчет можно вести по допускаемой минимальной скоро­ сти деформации. Однако это допущение в расчетах может при­ вести к большим погрешностям, особенно тогда, когда продол­ жительность стадии неустановившейся ползучести не очень мала по сравнению со сроком службы конструкции.

218