СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ДЕЙСТВИЕ ИЗГИБАЮЩИХ МОМЕНТОВ, ПРОДОЛЬНЫХ И ПОПЕРЕЧНЫХ СИЛ ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОМ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

Полезная модель относится к испытательной технике, а именно к машинам для испытания образцов на динамическое действие изгибающих моментов, продольных и поперечных сил, например, при воздействии ударных нагрузок на сжатый в продольном направлении образец.
Аналогом заявляемого устройства является стенд для испытания железобетонных элементов на кратковременный динамический изгиб с обжатием по патенту РФ на полезную модель №53776, МПК G01N 3/00; 3/08; 3/30, опубликованному 2006.05.27. Стенд включает в себя опорные элементы для железобетонного образца, смонтированные на силовом полу, нагружающее устройство, загрузочную траверсу, ролики, две металлические пластины для размещения концов железобетонного элемента, силоизмеритель, дополнительные опоры, расположенные по обе стороны от нагружающего устройства, дополнительные траверсы, установленные на этих опорах, тяжи, концы которых закреплены в дополнительных траверсах и домкрат. Нагружающее устройство выполнено в виде копровой установки, мачты которой снабжены ограничителем хода груза, при этом один ролик расположен в вырезе одного из опорных элементов неподвижно, а второй - в вырезе второго опорного элемента с возможностью горизонтального перемещения, причем одна металлическая пластина установлена на неподвижном ролике, другая - на подвижном. Дополнительная траверса выполнена с овальными отверстиями для пропуска выпусков арматуры. Стенд имеет две металлические пластины, которые располагаются на роликах в местах опирания железобетонного элемента. Домкрат расположен между дополнительной траверсой и самим железобетонным элементом и упирается в траверсу.
Однако данный испытательный стенд не позволяет создавать постоянную продольную нагрузку при динамическом воздействии на испытываемый элемент изгибающих моментов и (или) поперечных сил.
Наиболее близким устройством, принятым за прототип, является стенд по патенту РФ на полезную модель №77434. Это устройство содержит: опорные элементы, смонтированные на силовом полу, дополнительные опоры, расположенные по обе стороны от нагружающего устройства, дополнительные траверсы, установленные на этих опорах; тяжи, концы которых закреплены в дополнительных траверсах, три металлические пластины, ролики, металлические пластины на концах испытываемого элемента, металлические шары упирающиеся в эти пластины, загружающую траверсу, силоизмеритель и домкрат. Нагружающее устройство выполнено в виде копровой установки, мачты которой снабжены ограничителем движения груза. Один ролик размещен неподвижно в вырезе одного опорного элемента, другой - в вырезе второго опорного элемента с возможностью горизонтального перемещения, на концах железобетонного элемента установлены металлические пластины, металлические шары упираются в эти пластины, а домкрат расположен между дополнительной траверсой и металлическим шаром. Опоры для дополнительных траверс выполнены с возможностью регулирования их высоты. Данный стенд позволяет испытывать железобетонные элементы на внецентренное кратковременное динамическое растяжение и сжатие, а также исследовать работу элемента при возникновении изгибающих моментов двух плоскостей и действии продольной растягивающей силы, однако не позволяет обеспечить постоянный уровень обжатия при кратковременном динамическом воздействии на испытываемый образец, так как в используемом для создания продольного усилия гидравлическом домкрате, из-за перемещений торцов элемента во время динамического нагружения, происходит быстрое падение давления. Наличие пружин большой мощности позволяет сохранить постоянное продольное усилие в исследуемом образце. Кроме этого, в известном стенде, принятом за прототип, опорные шары не зафиксированы от смещения при динамическом нагружении, что может привести к повреждениям измерительных приборов.
Задача полезной модели - расширить диапазон динамических исследований и обеспечить возможность проведения динамических испытаний железобетонных конструкций на изгиб и поперечную силу при действии постоянной продольной сжимающей силы с возможностью ее контроля и измерения. Технический результат, на достижение которого направлена решаемая задача, заключается в создании напряженно-деформированного состояния, характеризующегося действием изгибающего момента, поперечной силы и постоянной величиной продольной сжимающей силы при кратковременном динамическом нагружении.
Задача решена следующим образом.
Общим с прототипом является то, что заявляемое устройство содержит: смонтированные на силовом полу копровую установку с грузосбрасывателем, мачты которой снабжены ограничителем хода груза, опоры для железобетонного элемента, металлические пластины, установленные непосредственно на торцах железобетонного элемента, в которые упираются сферические элементы, тензорезисторы, наклеенные на опорах под железобетонным элементом, три траверсы, одна из которых, загрузочная, установлена на железобетонном элементе и на ней закреплен силоизмеритель, а другие, дополнительные, расположены на опорах по обе стороны от копровой установки и соединены между собой посредством тяжей, акселерометры, установленные один на грузосбрасывателе, другой - на силоизмерителе, ролики, размещенные в вырезах опор под железобетонным элементом, причем один - неподвижно, второй - с возможностью горизонтального перемещения.
Но в отличие от прототипа устройство, согласно полезной модели, дополнительно содержит пружинный блок, установленный с одного конца железобетонного элемента между ним и дополнительной траверсой и выполненный из двух металлических пластин с отверстиями для тяжей, соединяющих дополнительные траверсы, и пружин, надетых на эти тяжи и установленных между металлическими пластинами до упора, и дополнительно содержит устройство натяжения, например в виде тяжа с метрической резьбой и гаек, закрепленного одним концом в дополнительной траверсе, а другим - в металлической пластине пружинного блока, помимо этого пружинный блок снабжен закрепленным сверху датчиком перемещения, стенд с торцов железобетонного элемента дополнительно содержит еще по одной металлической пластине, а сферические элементы, упирающиеся в металлические пластины на торцах железобетонного элемента, закреплены на этих дополнительных пластинах и выполнены, например, в виде полусфер.
Опоры для дополнительных траверс могут быть выполнены с возможностью регулирования их высоты. Загрузочная траверса установлена на железобетонном элементе через металлические пластины, а между железобетонным элементом и роликами также размещены металлические пластины.
Кроме того, стенд снабжен системой страховки для ограничения прогиба железобетонного элемента, установленной на расстоянии максимально допустимого его прогиба.
Стенд также может содержать демпфирующие прокладки, установленные на силоизмерителе.
Расположение металлических пластин непосредственно на концах железобетонного элемента, наличие пластин с закрепленными на них полусферами и установка пружин между дополнительной траверсой и пластиной с полусферой позволяет создать постоянное за весь период динамического нагружения продольное сжимающее усилие на экспериментальный железобетонный элемент. При ударе в обжатой железобетонной балке возникает изгибающий момент и (или) поперечная сила. Напряженно деформированное состояние в этот момент измеряется с помощью измерительных приборов. Наличие акселерометров позволяет точно зафиксировать начало сброса груза на экспериментальный образец, а также определять время начала действия динамической нагрузки на экспериментальный образец в момент удара. Тензодатчики, наклеенные на опоры под железобетонным элементом, фиксируют силу опорных реакций. Датчик перемещений, установленный на пружинном блоке, позволяет измерять величину сжимающей силы. Следовательно, заявляемый стенд позволяет одновременно с созданием напряженно деформированного состояния в экспериментальном образце вычислять скорость и время действия динамической нагрузки при постоянной продольной силе во время всего периода динамического нагружения. В связи с этим расширяется диапазон динамического испытания железобетонных конструкций при поперечном изгибе с обжатием.
Совокупность существенных признаков, характеризующая заявляемую полезную модель, в известных источниках информации не обнаружена, что подтверждает новизну полезной модели
Полезная модель пояснена чертежами. На фиг.1 приведен вид стенда для испытаний спереди, на фиг.2 - вид сбоку, на фиг.3 - вид сверху.
Конструкция стенда установлена на силовом полу 1, для обеспечения жесткого закрепления. Она включает опоры 2, копровую установку 3. На опоры 2 наклеены тензорезисторы, и они, по сути, являются динамометрическими. На динамометрические опоры 2 установлен экспериментальный образец 4. Расчетная схема - шарнирно-опертая балка. Под экспериментальным образцом 4 расположена система страховок 5, выполненная во избежание повреждения измерительных приборов. Она ограничивает движение образца 4 и находящейся на нем загрузочной траверсы 6. Система страховки 5 установлена на расстоянии максимально допустимого прогиба от экспериментального образца 4. С помощью загрузочной траверсы 6 нагрузка передается на балку. К загрузочной траверсе 6 жестко прикреплен силоизмеритель 7, который фиксирует величину динамической нагрузки. На силоизмеритель 7 (фиг.1) сверху установлены демпфирующие прокладки 8, которые позволяют растянуть действие кратковременной динамической нагрузки во времени. На силоизмерителе 7 расположен акселерометр 9, фиксирующий время начала действия динамической нагрузки. Отцепление груза 10, например массой 400 кг, происходит с помощью грузосбрасывателя 11. На мачтах копровой установки 3 смонтированы страховочные элементы 12 для фиксации груза 10 после удара (фиг.1, 2). Грузосбрасыватель 11 срабатывает по команде запуска эксперимента и нажатии кнопки запуска фиксирующей системы. На Грузосбрасыватель 11 установлен акселерометр, фиксирующий момент времени начала падения груза. Грузосбрасыватель 11 на заданной высоте удерживает система держателей груза и грузосбрасывателя 11, которая обеспечивает точную фиксацию груза 10 на необходимой высоте и предохраняет груз от самопроизвольного незапланированного отцепления. Экспериментальный образец 4 установлен на динамометрические опоры 2 через металлическую пластину 13 (фиг.2), а загрузочная траверса 6 уложена на экспериментальный образец 4 через металлические пластины 14. Металлическая пластина 13 размещена на роликах, помещенных в вырезах динамометрических опор 2. Стенд содержит пружинный блок. Две пружины 15 (фиг.2, 3) расположены между опорными металлическими пластинами 16 и 17. Металлическая пластина 16 в центре имеет отверстие. В отверстие вставлен тяж 17 устройства натяжения с метрической резьбой. Тяж 17 закреплен одним концом в траверсе 18. На пружинном узле установлен датчик перемещений 19, фиксирующий продольное усилие. Между опорной пластиной 17 и образцом установлена пластина с полусферой 20, которая упирается в металлическую пластину 21 на конце образца. С противоположной стороны экспериментального образца 4 (железобетонного элемента) установлена на опоре траверса 22. На конце образца 4 со стороны траверсы 22 расположена металлическая пластина 23 (фиг.3). Между пластиной 23 и траверсой 22 расположена пластина с полусферой 24 (фиг.3). Траверсы 18, 22 соединены тяжами 25 (фиг.1, 2, 3).
Работа устройства заключается в следующем. Вначале при помощи закручивания гайки 27 устройства натяжения на экспериментальный образец 4 (железобетонную балку) через пружины 15 подается сжимающая нагрузка, которая контролируется датчиком перемещений 19. Затем экспериментальный образец 4 выдерживается приблизительно десять минут. По истечении этого времени прикладывается поперечная ударная нагрузка. Ударная нагрузка создается массой падающего груза 10. Силу удара можно варьировать путем изменения массы груза 10 и высоты падения груза. Крепление пружинного узла осуществляется путем распора, создаваемого с помощью опорных траверс 18, 22 с двух сторон, которые соединены тяжами - штангами 25. После установки всех элементов распор регулируется гайками-держателями 26, которые надеты на штанги 25. Сжимающая нагрузка передается на балку в точку с помощью металлических пластин с полусферами 20, 24 через металлические пластины 21, 23, которые выполняют роль распределительных элементов. Величина сжимающей нагрузки фиксируется датчиком перемещений 19. Для получения данных о напряженно-деформированном состоянии экспериментального образца используется комплекс стандартных измерительных приборов. В момент отцепления груза срабатывает акселерометр на грузосбрасывателе 11, информация с которого поступает на измерительный комплекс, который записывает акселерограмму изменения ускорений датчика. При ударе груза 10 об экспериментальный образец 4 срабатывает акселерометр 9, находящийся под силоизмерителем 7. Информация с акселерометра 9 также поступает на измерительный комплекс. Затем при обработке результатов показаний акселерометров можно определить время падения груза заданной массы с заданной высоты путем разности показаний акселерометра 9 и акселерометра на грузосбрасывателе. Зная время падения груза и высоту падения, можно определить скорость падения груза и ускорение груза в момент удара. При ударе груза 10 об экспериментальный образец 4 через загрузочную траверсу 6 кинетическая энергия удара переходит в потенциальную энергию, которая тратится на разрушения образца. В железобетонном образце в зависимости от схемы загружения (мест установки опор 2 и металлических пластин 14) возникают изгибающий момент и (или) поперечная сила. Балка получает определенные перемещения в отдельных точках. При достижении допустимого прогиба для конкретной конструкции происходит ее разрушение. Разрушающая нагрузка фиксируется силоизмерителем 7. Величина опорных реакций фиксируется путем обработки показаний тензорезисторов, наклеенных на динамометрические опоры. Все используемые при эксперименте датчики и приборы непосредственно перед проведением экспериментальных исследований тарируются, вследствие чего получаются зависимости показаний конкретного датчика (прибора) на каждом этапе нагружения от показаний измерительной системы в относительных единицах. Переход к необходимым абсолютным единицам при обработке результатов эксперимента происходит путем умножения показаний системы для каждого датчика (прибора) на тарировочный коэффициент, полученный при тарировке.