Установка для испытаний ледовых балок, усиленных поверхностным армированием

УДК 539.3

В. М. Козин, В. Л. Земляк, К. И. Ипатов

УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ЛЕДОВЫХ БАЛОК, УСИЛЕННЫХ ПОВЕРХНОСТНЫМ АРМИРОВАНИЕМ

В работе рассмотрена экспериментальная установка, спроектированная и собранная в лаборатории Ледотехники Приамурского государственного университета имени Шолом-Алейхема для исследования несущей способности ледовых балок, усиленных поверхностным армированием. Приводится детальное описание установки и используемого оборудования.

Ключевые слова: экспериментальная установка, ледовая балка, схема армирования, прогиб балки.

Введение

С 2014 года на базе лаборатории Ледотехники Приамурского государственного университета имени Шолом-Алейхема (г. Биробиджан) ведутся исследования по разработке новых схем армирования ледяного покрова с целью увеличения его несущей способности. На сегодняшний день общепринятыми являются два основных способа увеличения грузоподъёмности ледовых переправ: искусственное намораживание с увеличением толщины льда или усиление ледяного покрова деревянным брусом с настилом [1]. Первый способ эффективен только до определённых пределов, кроме того, при намораживании увеличивается вероятность образования глубоких трещин, а второй способ очень трудоёмок и дорог.

В работе Якименко [2] описаны экспериментальные исследования по «верхнему армированию» ледовых переправ геосинтетическими материалами. Поверхностное армирование путём вмораживания стальных сеток предложено в работе Никитина [3]. Известен ряд решений, в кото-

Козин Виктор Михайлович — доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией «Механика деформируемого твердого тела» (Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН, Комсомольск-на-Амуре); e-mail: vellkom@list.ru.

Земляк Виталий Леонидович — кандидат физико-математических наук, прокектор по НРиИ (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан); e-mail: vellkom@list.ru.

Ипатов Константин Игоревич — аспирант (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан); e-mail: Ipatov-1992@list.ru.

Работа выполнена в рамках проекта № 487 задания на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания вузу № 2014/422.

© Козин В. М., Земляк В. Л., Ипатов К.И., 2015

32

рых для увеличения несущей способности в ледяной покров вмораживаются стальные элементы [4 — 7]. Достаточно перспективным может оказаться способ поверхностного армирования путём внедрения в относительно тонкий ледяной покров (30 — 40 см) стальной арматуры. Для нагружения опытных образцов ледовых балок сотрудниками лаборатории была спроектирована и изготовлена универсальная установка для испытаний балок усиленных поверхностным армированием.

Описание экспериментальной установки

Установка позволяет определять максимальную нагрузку, которую способен выыдержать испытуемый образец, прогиб балки, а также характер образования трещин и разрушения образцов.

Основу установки составляет гидравлический пресс (рис. 1), состоящий из стоек, станин, верхней и нижней балок и привода.

Рис. 1. Пресс гидравлический: 1 — верхняя балка; 2 — болт; 3 — шайба;

4 — гайка; 5 — рабочая платформа; 6 — манометр; 7 — гидроцилиндр;

8 — ручной гидронасос; 9 — регулировочный штырь; 10 — боковые стойки;

11 — опорный уголок; 12 — болт; 13 — шайба; 14 — гайка; 15 — распорка; 16 — шток

Основные технические характеристики пресса представлены в таблице 1 и на схеме рисунка 2.

Пресс был дополнен специально спроектированным и изготовленным цельносварным металлическим поддоном (рис. 3), на который укладывается опытный образец. Поддон изготовлен из стального уголка размерами A* A*t = 65*65*7 мм и A* A*t = 100*100*8 мм (где А — ширина полки, t — толщина полки) и стальных цилиндрических труб размерами D*S = 320*5 мм (рис. 3, где D — диаметр трубы, S — толщина стенки), длина поддона составляет 2000 мм.

33

Таблица 1

Основные технические характеристики гидравлического пресса

Развиваемое усилие, т 20

Привод Пневмогидравлический

Номинальное давление, атм 9

Ход штока L, мм 190

Диаметр штока D, мм 53

h, мм 1350

Подъём станины F min/ max, мм 54-1044

Габариты AxßxH, мм 600x755x1840

Вес, кг 124

Рис. 2. Технические характеристики гидравлического пресса

Рис. 3. Металлический поддон

Установка снабжена измерительным комплексом в виде бесконтактного лазерного датчика LAS-Z компании Way Con (Германия) для

34

определения величины прогиба испытуемого образца и весовым терминалом, снабжённым тензодатчиком LPA компании «ТОКВЕС»

Рис. 4. Весовой терминал

В собранном виде изображение экспериментальной установки показано на рисунке 5.

Рис. 5. Экспериментальная установка: 1 — металлический поддон; 2 — рабочая площадка; 3 — регулировочные штыри; 4 — головка вытускного клапана гидронасоса; 5 — ручка насоса; 6 — гидронасос; 7 — шток; 8 — манометр; 9 — бесконтактный лазерный датчик; 10 — гидроцилиндр

Для заготовки ледовых балок спроектированы и изготовлены универсальные деревянные опалубки (рис. 6).

35

Рис. 6. Деревянные опалубки для подготовки ледовых балок

В собранную опалубку закладывается двухслойная полиэтиленовая плёнка толщиной 3 мм, после этого устанавливается армирующий каркас и заливается вода. Жидкость подвергается воздействию низких атмосферных температур ^ < 0°^) до её полного замерзания. После полного замерзания готовая ледовая балка изымается и устанавливается на поддон для проведения испытаний.

Для армирования ледовых балок используются цельносварные каркасы из стальной арматуры диаметром 6 мм, различающиеся количеством и расположением поперечных и продольных связей. Схемы каркасов представлены на рисунках 7—9.

Схема армирования № 1 Схема армирования №5

Рис. 7. Армирующие каркасы первой группы

Общий вид изготовленных модельных образцов показан на рисунке 10.

36

Рис. 8. Армирующие каркасы второй группы

Рис. 10. Общий вид модельных образцов

37

Перед началом экспериментов на опытный образец устанавливается устройство, распределяющее нагрузку на балку для обеспечения моделирования чистого изгиба (рис. 11). Скорость нагружения составляет 135 кПа/с.

Рис. 11. Общий вид экспериментальной установки

Пример полученных экспериментальных данных

По полученным результатам экспериментов строятся диаграммы зависимости нагрузки от величины прогибов. Пример диаграмм показан на рисунке 12.

т, кг

1200

800

400

"Ъ

2 —

1

2 4 6 8 10 мм

Рис. 12. Диаграмма зависимости нагрузки от прогиба модельных образцов:

1 — образец без армирования; 2 — образец с армирующим каркасом № 2; 3 — образец с армирующим каркасом № 6; 4 — образец с армирующим каркасом № 8

38

Из графиков можно сделать вывод, что наличие армирующих элементов приводит к существенному увеличению несущей способности ледовой балки. Для каркасов, имеющих поперечные связи, увеличение несущей способности составило порядка 160 % относительно неармиро-ванных образцов.

Стоит отметить, что влияние числа поперечных элементов и их расположение относительно точки приложения нагрузки на увеличение несущей способности практически не влияло. С другой стороны, увеличение числа продольных связей приводило к более существенному росту несущей способности балок.

Так, увеличение количества продольных связей в верхней поверхности армирующего каркаса приводило к росту максимальной нагрузки от 260 до 340 % по сравнению с неармированными образцами.

Максимальный эффект наблюдался при расположении двух дополнительных продольных связей в боковой верхней плоскости каркасов и составил более 400 %. Характер разрушения модельных образцов показан на рисунках 13 —14.

Рис. 13. Разрушение неармированного образца балки

Выводы

Разработанная установка позволяет определять нагрузку, затрачиваемую для разрушения опытных образцов ледовых балок, усиленных поверхностных армированием.

Полученные результаты могут быть использованы для разработки новых способов армирования ледяного покрова.

39

Рис. 14. Образец с армирующим каркасом № 6 после воздействия максимальной нагрузки

Как показали предварительные эксперименты, данный подход может оказаться весьма перспективным, так как максимальная разрушающая нагрузка для армированных образцов в несколько раз превышает

нагрузку, выдерживаемую неармированными балками.

Список литературы

1. ОДН 218.010-98. Инструкция по проектированию, строительству и эксплуатации ледовых переправ.

2. Якименко О. В., Сиротюк В. В. Усиление ледовых переправ геосинтетическими материалами. Омск: СибАДИ, 2015 168 с.

3. Никитин П. Е., Никитина М. П. Способ создания армированной ледовой переправы для широких водоемов: патент № 2569694 РФ , опубл. 27.11.2015.

4. Костенко А. В., Сердечный А. С., Сердечный А. А. Ледяная переправа: патент № 2260648 РФ; опубл. 20.09.2005.

5. Козин В. М., Кустов А. Н., Морозов В. С. Способ создания ледовой переправы: патент № 2198355 РФ; опубл. 10.02.2003, Бюл. № 4.

6. Козин В. М., Видякин А. В., Попенко Н. В. Способ создания ледовой переправы: патент № 2431012 РФ; опубл. 10.10.2011, Бюл. № 28.

7. Козин В. М., Видякин А. В., Попенко Н. В. Способ создания ледовой переправы: патент № 2459900 РФ; опубл. 27.08.2012, Бюл. № 24.

ы? ы? ы?

Kozin Victor M., Zemlyak Vitaliy L., Ipatov Konstantin I.

UNIT FOR TESTING THE ICE BEAMS STRENGTHENED BY SURFACE REINFORCEMENT

(1Institute of Machining and Metallurgy, FEB RAS, Komsomolsk-on-Amur;

' 3Sholom-Aleichem Priamursky State University, Birobidzhan)

40

The paper presents the review of the experimental unit designed and assembled in the

Laboratory of ice mechanics based on the Amur State University after Solom-Aleikhem to

observe the bearing capacity of the ice beams strengthened by surface reinforcement. A detailed

description of the unit and incorporated equipment is presented.

Keywords: experimental unit, ice beam, reinforcing diagram, beam deflection.

References

1. ODN 218.010-98. Instructions for the design, construction and eksplua-tation ice crossings. (In Russ.).

2. Yakimenko O. V., Sirotyuk V. V. Usilenie ledovykh pereprav geosinteticheskimi materialami (Strengthening ice crossings geosynthetic materials), Omsk, SibADI Publ., 2015. 168 p.

3. Nikitin P. E., Nikitina M. P. Sposob sozdaniya armirovannoy ledovoy perepravy dlya shirokikh vodoemov (Method for creating a reinforced ice-ne repravy for large bodies of water): patent no. 2569694 RU$ publ. 27.11.2015.

4. Kostenko A. V., Serdechnyy A. S., Serdechnyy A. A. Ledyanaya pereprava (Ice crossing): patent no. 2260648 RU; publ. 20.09.2005.

5. Kozin V. M., Kustov A. N., Morozov V. S. Sposob sozdaniya ledovoy perepravy (Method of creating ice crossing): patent no. 2198355 RU; publ. 10.02.2003, Bull. No. 4.

6. Kozin V. M., Vidyakin A. V., Popenko N. V. Sposob sozdaniya ledovoy perepravy (Method of creating ice crossing): patent no. 2431012 RU; publ. 10.10.2011, Bull. No. 28.

7. Kozin V. M., Vidyakin A. V., Popenko N. V. Sposob sozdaniya ledovoy perepravy (Method of creating ice crossing): patent no. 2459900 RU; publ. 27.08.2012, Bull. No 24.

•Jc -Jc -Jc

41