СТЕНД ДЛЯ СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ УСИЛЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Полезная модель относится к испытательной технике, а именно к испытательным стендам для проведения испытаний на изгиб при статическом нагружении железобетонных конструкций, усиленных шпренгельными затяжками и вложенными шпренгелями.
Известен стенд для испытания железобетонных элементов на кратковременный динамический изгиб по патенту РФ на полезную модель №77433. Стенд содержит смонтированные на силовом полу копровую установку с грузосбрасывателем, мачты (направляющие) которой снабжены ограничителем хода груза, опоры для железобетонного элемента, в вырезах которых установлены ролики, причем один - неподвижно, второй - с возможностью горизонтального перемещения, загрузочную траверсу с закрепленным на ней силоизмерителем, установленную через металлические прокладки или металлическую пластину на железобетонном элементе, акселерометры, один из которых установлен на грузосбрасывателе, другой - на силоизмерителе, тензорезисторы, наклеенные на опорах под железобетонным элементом, систему страховки для ограничения прогиба железобетонного элемента, установленную на расстоянии максимально допустимого прогиба, демпфирующие прокладки, установленные на силоизмерителе. Груз закреплен на мачтах с возможностью вертикального перемещения, а также фиксации.
Данный стенд позволяет испытывать железобетонные элементы на кратковременный динамический изгиб и исследовать работу элемента при возникновении изгибающих моментов. Стенд позволяет более полно исследовать параметры, которые характеризуют напряженно-деформированное состояние железобетонной балки в момент изгиба под действием кратковременно динамической нагрузки. Однако данный стенд не позволяет исследовать работу элементов при статическом изгибе от сосредоточенных сил. В частности не обеспечивается возможность передачи нагрузки в заданные точки элемента, а также затруднена возможность измерения опорных реакций в процессе нагружения и значений перемещений балки в отдельных ее точках.
За прототип принят стенд для испытания железобетонных элементов на поперечный изгиб при статическом нагружении по патенту РФ на полезную модель №100255. Прототип содержит смонтированные на силовом полу вертикальные направляющие и динамометрические опоры для железобетонного элемента, в вырезах которых установлены ролики, причем в одном вырезе неподвижно, а в другом - с возможностью горизонтального перемещения, тензорезисторы, наклеенные на динамометрические опоры, загрузочную траверсу, установленную через металлические прокладки или пластину на железобетонном элементе. Стенд содержит один нагружающий гидравлический домкрат, установленный на загрузочной траверсе и соединенный с насосной станцией, выполненной с возможностью фиксации разрушающей нагрузки. В стенде также имеются металлический шар, дополнительные опоры для концов загрузочной траверсы, установленные на металлических прокладках или пластине, и упорную траверсу, которая сверху через металлический шар упирается в нагружающий гидравлический домкрат и закреплена на вертикальных направляющих с возможностью вертикального перемещения и фиксации. Одна дополнительная опора для загрузочной траверсы выполнена в виде шарнира и расположена со стороны неподвижного ролика, а вторая, расположенная со стороны подвижного ролика, выполнена неподвижной. Дополнительные опоры для загрузочной траверсы расположены симметрично центру железобетонного элемента.
Данный стенд позволяет испытывать железобетонные элементы на статический поперечный изгиб и исследовать работу испытываемых элементов при возникновении изгибающих моментов. Однако данный стенд не позволяет испытывать железобетонные элементы, усиленные шпренгельными затяжками и вложенными шпренгелями. Это ограничивает область статических испытаний железобетонных элементов.
Задача полезной модели - повысить эксплуатационные свойства стенда и обеспечить конструктивное решение стенда, позволяющего испытывать железобетонные элементы, усиленные различными конструкциями стальных затяжек с варьированием места расположения конструкций усиления, тем самым расширить область статических испытаний. Технический результат, на достижение которого направлена решаемая задача, заключается в создании испытательным стендом напряженно-деформированного состояния железобетонного элемента в зависимости от конструктивного решения шпренгельных затяжек, от места расположения затяжек на железобетонном элементе.
Задача решена следующим образом.
Общим с прототипом у заявляемого стенда для испытания железобетонных элементов на изгиб при статическом нагружении является то, что он содержит смонтированные на силовом полу две вертикальные направляющие и динамометрические опоры для концов железобетонного элемента, тензорезисторы, наклеенные на динамометрические опоры, загрузочную траверсу, опоры для загрузочной траверсы, установленные через металлические пластины на железобетонном элементе и одна из которых выполнена неподвижной, а вторая - подвижной в виде шарнира. На загрузочной траверсе установлен нагружающий гидравлический домкрат, который соединен с насосной станцией, выполненной с возможностью фиксации разрушающей нагрузки, упорную траверсу, которая сверху через металлический шар упирается в нагружающий гидравлический домкрат и закреплена на вертикальных направляющих с возможностью вертикального перемещения и фиксации.
В отличие от прототипа стенд, согласно заявляемой полезной модели, дополнительно содержит еще две вертикальные направляющие, вторую загрузочную траверсу. Опоры для второй загрузочной траверсы установлены через металлические пластины на железобетонном элементе. Одна из опор выполнена подвижной в виде шарнира, а вторая - неподвижной. Также дополнительно содержит второй нагружающий гидравлический домкрат, установленный на второй загрузочной траверсе и соединенный с насосной станцией, выполненной с возможностью фиксации разрушающей нагрузки. Дополнительно содержит вторую упорную траверсу, которая сверху через металлический шар упирается во второй нагружающий гидравлический домкрат и закреплена на дополнительных вертикальных направляющих с возможностью вертикального перемещения и фиксации. Кроме этого, стенд дополнительно содержит узел усиления в виде одной симметричной трапециевидной шпренгельной затяжки или в виде симметричной трапециевидной шпренгельной затяжки с одним или несколькими вложенными симметричными шпренгелями, при этом, в верхней части железобетонного элемента симметричные ветви каждой из шпренгельных затяжек и вложенных шпренгелей жестко соединены между собой, в местах перегиба шпренгельных затяжек и вложенных шпренгелей установлены горизонтально опорные столики, а на нижней части железобетонного элемента над опорными столиками жестко закреплены пластины, которые расположены с возможностью установки между столиками и пластинами распорных гидравлических домкратов для создания напряжения в деталях, кроме этого опорные столики и пластины жестко соединены между собой распорной стойкой после снятия указанных домкратов.
Данный испытательный стенд позволяет в сравнении с прототипом создавать большее количество вариантов загружения испытываемого железобетонного элемента, позволяет нагружать конструкцию четырьмя сосредоточенными в пролете силами (в точках опоры загрузочных траверс), изменять расстояния между точками приложения сил, что дает возможность проведения экспериментальных исследований при несимметричном приложении нагрузки. Угол наклона ветвей шпренгельной затяжки и вложенных шпренгелей регулируется местом положения верхних и нижних узлов крепления. В случае применения двух и более вложенных шпренгелей количество узлов может увеличиваться. Включение в работу системы усиления реализуется нижними распорными гидравлическими домкратами, количество которых зависит от количества нижних узлов. Конструкция стенда (наличие опорных столиков в местах перегиба шпренгельной затяжки и вложенного шпренгеля и пластин над опорными столиками, установленными с возможностью установки между ними распорных гидравлических домкратов), позволяет создавать различные уровни напряжений в шпренгельной затяжке и вложенном шпренгеле. Порядок испытания железобетонного элемента может проходить в разных последовательностях: сначала прикладывается внешняя нагрузка с помощью нагружающих гидравлических домкратов, установленных на загрузочных траверсах, затем создается напряжение в шпренгельной затяжке и вложенном шпренгеле с помощью распорных гидравлических домкратов, или сначала предварительно создается напряжение в шпренгельной затяжке и вложенном шпренгеле, затем нагружается испытываемый железобетонный элемент. Возможен третий вариант: в процессе нагружения испытываемого железобетонного элемента постепенно на каждом этапе испытания увеличивается напряжение в ветвях шпренгельной затяжки и вложенном шпренгеле.
Следовательно, заявляемый стенд позволяет дифференцированно осуществлять нагружение усиленных шпренгельными затяжками и вложенными шпренгелями железобетонных элементов при статическом испытании. А именно, поэтапно увеличивать или уменьшать внешнюю нагрузку и месторасположения нагрузки на элемент. Испытываемые конструкции могут быть без повреждений или с повреждениями (например, в виде трещин). Заявляемый стенд дает возможность преднапрягать любые конструкции затяжек и создавать в них различные уровни напряжений. При этом появляется возможность производить замеры по всем приборам (опорные реакции, перемещения, ширина раскрытия трещин, напряжения в затяжках, деформации бетона, арматуры, элементов усиления и т.д). Заявляемый стенд позволяет испытывать широкий круг железобетонных конструкций, усиленных шпренгельными затяжками и вложенными шпренгелями на изгиб при статическом нагружении.
Совокупность существенных признаков, характеризующих заявляемое устройство, в известных источниках информации не обнаружена, что подтверждает новизну полезной модели.
Полезная модель пояснена чертежом, на котором приведен общий вид стенда для испытаний с симметричной трапециевидной шпренгельной затяжкой и одной вложенной затяжкой. Укрупненно показаны узлы опирания двух загрузочных траверс и верхние и нижние узлы крепления шпренгельной затяжки и вложенного шпренгеля.
Конструкция стенда и его работа рассмотрены на примере узла усиления из симметричной трапециевидной шпренгельной затяжки и одного вложенного симметричного шпренгеля.
Конструкция стенда смонтирована на силовом полу 1 и состоит из двух динамометрических опор 2, двух пар вертикальных направляющих (силовых штанг) 3, 4 испытываемой конструкции - железобетонного элемента 5, двух загрузочных траверс 6, 7, двух нагружающих гидравлических домкратов 8, 9, упорных траверс 10, 11. Динамометрические опоры 2 при помощи анкерных болтов (по четыре анкерных болта на каждую опору) крепятся к силовому полу 1, тем самым обеспечивая их жесткое опирание. Наклеенные на стойки опор тензорезисторы (на чертеже не показаны), позволяют измерять опорные реакции. Динамометрические опоры 2 выполнены необходимой высоты для обеспечения возможности расположения под испытываемым элементом системы измерительных приборов, таких, как датчиков перемещения, позволяющих фиксировать изменение перемещений балки (железобетонного элемента 5) в различных ее точках в процессе нагружения. Силовые штанги 3, 4 одним концом закреплены при помощи гаек к силовому полу 1, а на свободные концы силовых штанг 3, 4 установлены упорные траверсы 10, 11, местоположение которых по высоте обеспечивается гайками-фиксаторами. Загрузочные траверсы 6, 7 установлены на испытываемую конструкцию 5 через распределительные металлические пластины 12, 13 с неподвижной 14 и подвижной (шарнирной) 15 опорами (на чертеже схематично показано на примере одной траверсы 6. Траверса 7 устанавливается аналогично). На загрузочных траверсах 6, 7 установлены нагружающие гидравлические домкраты 8, 9 (соединительные шланги и насосная станция на чертеже не показаны). Сопряжение нагружающих гидравлических домкратов 8, 9 с упорными траверсами 10, 11 - шарнирное через металлические шары. На испытуемый железобетонный элемент 5 смонтирована конструкция усиления, состоящая из симметричных ветвей шпренгельной затяжки 16 и симметричных ветвей вложенного шпренгеля 17. Крепление ветвей шпренгельной затяжки 16 и вложенного шпренгеля 17 в верхней части железобетонного элемента 5 реализовано в верхних узлах с помощью фасонок 18, ребер жесткости 19 и сжатого стального элемента - уголка 20. Крепление ветвей шпренгельной затяжки 16 и вложенного шпренгеля 17 в нижней части железобетонного элемента 5 осуществлено в нижних узлах с помощью фасонок 21. Создание предварительного напряжения в шпренгельной затяжке 16 и вложенном шпренгеле 17 осуществляется посредством гидравлических домкратов (распорных домкратов) 22, установленных в нижних узлах, образованных верхней пластиной 23 и нижним опорным столиком 24 и фасонкой 21. После того, как в ветвях шпренгельной затяжки и вложенного шпренгеля достигнуто необходимое напряжение, к торцам пластины 23 и опорного столика 24 приваривается распорная стойка 25, распорные гидравлические домкраты 22 снимаются.
Работа устройства заключается в следующем. На испытываемый железобетонный элемент 5, установленный на опоры 2, монтируются симметрично с двух сторон шпренгельная затяжка 16 и вложенный шпренгель 17. Крепление ветвей шпренгельной затяжки 16 и вложенного шпренгеля 17 в верхней части железобетонного элемента 5 реализовано в верхних узлах с помощью фасонок 18, ребер жесткости 19 и сжатого стального элемента - уголка 20. Крепление ветвей шпренгельной затяжки 16 и вложенного шпренгеля 17 в нижней части железобетонного элемента 5 осуществлено в нижних узлах при помощи фасонок 21. Соединение вышеперечисленных элементов между собой осуществлено с помощью ручной дуговой сварки. Для создания напряжений в ветвях затяжек на опорные столики 24 устанавливаются распорные гидравлические домкраты 22. Распорные гидравлические домкраты 22 подключают к насосной станции при помощи соединительных шлангов, по которым подается масло на поршень домкратов. При подаче масла в гидравлический домкрат, поршень выдвигается. Распорный гидравлический домкрат располагается в каждом нижнем узле: между пластиной 23, закрепленной на железобетонном элементе 5, и опорным столиком 24. Поскольку железобетонный элемент обладает большей жесткостью, чем арматурные стержни, из которых выполнены ветви шпренгельной затяжки 16 и вложенного шпренгеля 17, то последние начинают удлиняться с движением поршня, в них создается напряжение. После того, как в ветвях шпренгельной затяжки и вложенного шпренгеля достигнуто необходимое напряжение, к торцам пластины 23 и опорного столика 24 приваривается распорная стойка 25, распорные гидравлические домкраты 22 снимаются.
Загружение усиленного железобетонного элемента 5 внешней нагрузкой в виде четырех сосредоточенных сил в местах, предусмотренных схемой испытания, осуществляется либо до создания напряжения в ветвях шпренгельной затяжки 16 и вложенного шпренгеля 17, либо одновременно, либо после. Загружение происходит при помощи нагружающих гидравлических домкратов 8, 9, подключенных к насосной станции. Как в прототипе, в заявляемом стенде опирание упорных траверс 10, 11 на домкраты 8, 9 через металлические шары обеспечивает точечную передачу нагрузки. Поскольку нагружающие гидравлические домкраты 8, 9 располагаются между упорными траверсами 10, 11 и загрузочными траверсами 6, 7, то возникает распор, а поскольку каждая упорная траверса 10, 11 с силовыми штангами 3, 4 и силовым полом 1 создают замкнутую раму, обладающую во много раз большей жесткостью, чем испытываемая конструкция, то таким образом создается давление нагружающих гидравлических домкратов 8, 9 на загрузочные траверсы 6, 7 и далее через распределительные пластины 12, 13 и подвижную 15 и неподвижную 14 опоры на испытываемую конструкцию 5. Расположение подвижных и неподвижных опор в стенде уравновешивает конструкцию.
Для получения данных о напряженно-деформированном состоянии экспериментального образца (железобетонного элемента, элементов шпренгельной затяжки и вложенного шпренгеля) используется комплекс стандартных измерительных приборов. В железобетонном элементе 5 в середине его расчетного пролета возникает максимальный изгибающий момент. Балка (железобетонный элемент 5)получает определенные перемещения в отдельных точках. При достижении допустимого прогиба для конкретной конструкции железобетонного элемента 5 происходит ее разрушение. Разрушающая нагрузка фиксируется насосной станцией, к которой подключены нагружающие гидравлические домкраты 8, 9. Величина опорных реакций фиксируется путем обработки показаний тензорезисторов, наклеенных на динамометрические опоры 2. 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.
Согласно заявляемой полезной модели возможно выполнение узла усиления из одной шпренгельной затяжки, а также с большим количеством вложенных шпренгелей. Статические испытания на стендах указанных конструкций проводят аналогично, как показано на примере стенда, представленного на чертеже.