СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ БЕЗ СНЯТИЯ СТАТИЧЕСКИХ НАГРУЗОК
METHOD OF MEASURING STRESS-STRAIN STATE OF METAL CONSTRUCTIONS WITHOUT STATIC UNLOADING

Изобретение относится к области определения и контроля напряженно-деформированного состояния металлической конструкции (объекта), находящейся под нагрузкой, и может быть использовано для оценки ее прочности и прогнозирования несущей способности. При этом для материала конструкции должен быть известен модуль упругости Е.
Способ может получить применение в мониторинге несущей способности конструкции промышленно-гражданских зданий, специальных сооружений (метро, мосты, атомные электростанции и др.).
Известен способ [Патент РФ №2302610] заключающейся в том, что на поверхности конструкции, находящейся в напряженно-деформированном состоянии, закрепляют тензорезисторы и производят измерения поверхностных деформаций, которые принимают за конечные. Затем выполняют вырезки материала вокруг тензорезисторов на глубину, соответствующую снятию напряженного состояния конструкции в точках измерения деформаций, и измеряют поверхностные деформации конструкции, которые принимают за начальные. На основании указанных начальных и конечных деформаций определяют поверхностные напряжения под нагрузкой.
Однако в прототипе присутствую свои недостатки, а именно:
- вырезка материала в исследуемой конструкции вокруг измерительного тензорезистора нарушает целостность исследуемой конструкции. Так как исследование напряженно-деформированного состояния конструкции, как правило, проводится в наиболее нагруженных местах, то это снижает безопасность конструкции во время исследования;
- вырезка материала в исследуемой конструкции вокруг измерительного тензорезистора сложный технологический процесс. Если число мест измерений велико, то это усложняет процесс измерения.
i
За прототип принят способ [Патент РФ №2550826] состоящий в том, что в контролируемых точках на конструкции, находящейся в напряженно-деформированном состоянии производят измерения поверхностных деформаций ε. Причем контролируемые точки выбирают таким образом, что они имеют возможность дополнительного нагружения независимо от конструкции. В контролируемых точках создают с помощью известной внешней силы Р дополнительные деформации, совпадающие по направлению с измеряемыми, ступенчато увеличивают деформацию на Δε, измеряют изменение внешней силы ΔP. Нагружение увеличивают до тех пор, пока  не увеличится более значения, соответствующего нормированному отклонению от закона Гука механической характеристики материала конструкции. После этого нагружение прекращают, а деформацию конструкции определяют, вычитая из известного значения деформации для заранее известной механической характеристики материала конструкции измеренную дополнительную деформацию.
Недостатком прототипа является то, что эта характеристика известна далеко не для всех марок сталей и различных сплавов.
Технический результат изобретения состоит в расширении диапазона применения способа и повышении точности измерений.
i
Сущность способа состоит в том, что контролируемой точке на конструкции, находящейся в напряженно-деформированном состоянии, производят измерения поверхностных деформаций ε. В контролируемой точке создают с помощью известной внешней силы Р дополнительные деформации, сначала совпадающие по направлению с измеряемыми, а затем противоположные по направлению. При этом ступенчато увеличивают деформацию на Δε, измеряют изменение внешней силы ΔP. Нагружение увеличивают до тех пор, пока  не увеличится более некоторого контрольного значения, характеризующего отклонение от закона Гука механической характеристики материала конструкции, причем это значение выбирают одинаковым для обоих направлений дополнительной деформации. Проводят два цикла измерений для обоих направлений дополнительной деформации, после чего, поскольку металлы имеют одинаковую упругую характеристику на сжатие и растяжение, деформацию конструкции определяют как половину разности измеренных дополнительных деформаций.
В качестве контрольного значения удобнее всего принять величину 0,002, соответствующую определению предела упругости, поскольку при больших значениях возможно появление остаточных деформаций и нарушение симметрии кривой нагружения, а при меньших величинах возрастают требования к точности измерительных приборов.
Предлагаемый способ определения напряженно-деформированного состояния конструкций без снятия статических нагрузок поясняется рисунками, где:
- фигура 1 - диаграмма изменения дополнительного внешнего усилия Р в некоторой контролируемой точке нагруженной конструкции от дополнительной деформации ε;
- фигура 2 - схема металлического коробчатого пролетного строения моста и его сечение;
- фигура 3 - пример устройства дополнительного нагружения, совпадающего по направлению с измеряемым (растяжение);
- фигура 4 - пример устройства дополнительного нагружения, противоположного по направлению измеряемому (сжатие).
к
i
На фигуре 1 представлена диаграмма загружения материала конструкции, находящейся в напряженно-деформированном состоянии от собственного веса. Точке 1 соответствует начальная определяемая величина деформации ε. С помощью внешней силы Р ступенчато создают дополнительные деформации на величину Δε. При этом измеряют также величину приращения внешней силы ΔР. Чем меньше Δε, тем точнее измерения.
пр.
обр.
к
обр.
пр.
После достижения материалом конструкции, например, предела упругости в точке 2, на следующем шаге в точке 3 величина  станет больше 0,002. Запоминают величину деформации ε Конструкцию разгружают и начинают новое нагружение в противоположном направлении тем же методом. Запоминают величину ε Так как упругие свойства металлов одинаковы на растяжение и сжатие, точки 2 и 3 симметричны относительно начала координат точкам 2' и 3' и, соответственно, ε=0,5(ε-ε).
На фигуре 2 показан рисунок типового металлического коробчатого пролетного строения 1 моста и его сечение. Контролируемая точка выбрана на поверхности нижней плиты на краю боковой полки 2. В начальный момент деформации растяжения в контролируемой точке равны деформациям всех точек нежней плиты сечения 1-1 от собственного веса, однако боковая полка 2 может быть дополнительно деформирована независимо от точек середины сечения.
Способ может быть реализован, например, с помощью следующих устройств.
В направлении растяжения можно применить механическое устройство (фигура 3). Домкрат 3 с датчиком давления масла 4 установлен между полкой 2 и балкой 5 с крюками 6, зацепленными за нижнюю поверхность полки 2, на которой установлен датчик деформации 7. Выходы обоих датчиков соединены с входами вычислителя 8, управляющий выход которого соединен с управляемой насосной станцией 9 (вычислитель 8 и станция 9 изображены схематично). Под действием усилия от домкрата 3 участок полки 2 между крюками 6 изгибается, и на нижней ее поверхности возникают растягивающие напряжения, дополнительные к уже действующим от изгиба всего пролетного строения 1 моста.
Проводят измерения следующим образом. Насосная станция 11 по команде вычислителя 8 подает масло в домкрат 3 до выборки всех зазоров в конструкции, что определяется по изменению показаний датчика деформации 7. Затем давление в домкрате 5 увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута первая ступень приращения деформации Δε. После этого вычислитель определяет величину  по показаниям датчика 4 давления масла в домкрате 3. Процесс повторяется до достижения материалом полки 4 точки 2 - предела упругости.
В направлении сжатия измерения можно провести, например, следующим образом (фигура 4). Гнуть полку в другую сторону нельзя, так как при изгибе нарастают также растягивающие напряжения и полка моста потечет. Однако можно воспользоваться термическим расширением небольшой зоны металла: остальная часть конструкции не даст малой зоне деформироваться и в ней сначала снимутся напряжения растяжения, а потом возникнут напряжения сжатия. Если они превысят предел упругости, то после остывания в зоне нагрева появятся остаточные деформации.
Для проведения измерений в том же месте исследуемой полки керном пробиты две лунки 10, являющиеся метками деформометра 11. Вокруг лунок 10 намечена разметкой зона нагрева 12.
Сначала производят начальный (нулевой) отсчет показаний деформометра 11, поместив его ножки в лунки 10. Затем с помощью индуктора высокочастотных токов, инфракрасного излучателя, газовой горелки и т.п. (не изображены) производят возможно более быстрый поверхностный (примерно на глубину лунок 10) нагрев металла в зоне 12 до температуры, которую предварительно рассчитывают по формуле
,
0,2
где: σ - ориентировочное значение предела упругости данного металла,
0,2
1,8 - коэффициент, обеспечивающий 20% запас на неточность значения σ
α - коэффициент термического расширения металла.
обр
нач
Как правило, последний коэффициент или известен с достаточной точностью, или его нетрудно предварительно измерить. Для стали, например, нагрев не превысит 300°. Температуру поверхности в зоне 12 измеряют любым известным прибором, например, пирометром. После этого дают металлу остыть до начальной температуры и проверяют деформометром 11 наличие остаточных деформаций. Если их нет, проводят следующий цикл нагрева, увеличив температуру на 25-50 градусов. После появления остаточных деформаций запоминают температуру предыдущего цикла и вычисляют значение ε=(Т-Т)α.
Положительный эффект от применения предлагаемого способа определения напряженно-деформированного состояния металлических конструкций без снятия статических нагрузок заключается в том, что измерения можно проводить для металлов, значения предела пропорциональности которых неизвестно или неточно определено. Предельное значение при дополнительном нагружении выбирается произвольно и достаточно большим, что позволяет повысить точность измерений.