СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СОВМЕСТНОЕ КРАТКОВРЕМЕННОЕ ДИНАМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ИЗГИБАЮЩЕГО И КРУТЯЩЕГО МОМЕНТОВ
BENCH FOR TESTING OF REINFORCED CONCRETE ELEMENTS FOR JOINT SHORT-TERM DYNAMIC IMPACT OF TWISTING AND RUNNING TORQUE

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к машинам для испытания железобетонных образцов на совместное действие изгибающего и крутящего моментов, создаваемых воздействием кратковременной динамической нагрузки.
Из уровня техники известны стенды по патентам РФ на полезную модель №56617, №61881, позволяющие испытывать сжатые в продольном направлении железобетонные элементы на кратковременное динамическое кручение, которые включают в себя опоры для размещения железобетонного элемента, смонтированные на силовом полу, траверсы, установленные на дополнительных опорах с обоих концов железобетонного элемента и соединенные между собой тяжами. На опоре закреплен подшипник, плотно надетый на один из концов железобетонного элемента. На второй опоре закреплен и упирается в траверсу металлический башмак для жесткого защемления второго конца железобетонного элемента. Стенд содержит также гидравлический домкрат, оголовник с рычагом для приложения ударной нагрузки, металлическую прокладку с шаровым сегментом, расположенную между оголовником и гидравлическим домкратом, силоизмеритель и измерительно-вычислительный комплекс. Стенд по патенту №61881 дополнительно имеет закрепленный со стороны оголовника на торце железобетонного элемента интегральный датчик ускорения, который соединен с измерительно-вычислительным комплексом. Ударная нагрузка создается массой падающего груза на рычаг оголовника.
В силу своих конструктивных особенностей данный стенд позволяет испытывать конструкции только на динамическое кручение, остальные же воздействия (продольное сжатие), прикладываемые наряду с кручением, носят статический характер приложения. Данный стенд не позволяет воссоздать напряженно-деформированное состояние, обусловленное одновременным действием изгибающего и крутящего моментов при динамическом нагружении.
Известен стенд для испытания железобетонных элементов на изгиб с кручением при статическом воздействии (Vishnu Η. Jariwala, Paresh V. Patel, Sharadkumar P. Purohit. Strengthening of RC Beams subjected to Combined Torsion and Bending with GFRP Composites. Procedia Engineering, 2013, №51, 282-289). Стенд включает в себя силовую раму, состоящую из балок основания и поперечной рамы, выполненной из двух направляющих, закрепленных на балках основания, и траверсы. На балки основания установлены опоры для установки железобетонного элемента, допускающие поворот вокруг его продольной оси. На испытываемый железобетонный элемент смонтированы специальные оголовники с вылетами, направленными в разные стороны относительно друг друга, на свободный конец каждого из которых установлена распределительная траверса с закрепленным посередине домкратом. Нагружение происходит с помощью домкрата, который через доборный элемент упирается в траверсу поперечной рамы. Для измерения перемещений на образце установлены прогибомеры с проволочной связью.
Данное устройство позволяет испытывать железобетонные элементы на изгиб с кручением при статическом воздействии нагрузки и не может быть применено при испытании конструкций на кратковременное динамическое воздействие. При этом жесткость специальных оголовников и жесткость элемента имеют значения одного порядка, что может вызвать погрешность в измерениях.
Наиболее близким известным устройством, принятым за прототип, является стенд для испытания фиброжелезобетонных элементов на изгиб с кручением (Бахотский И.В. Прочность фиброжелезобетонных конструкций в условиях кручения с изгибом: Автореф. дис… канд. техн. наук. - Санкт-Петербург, 2013. - с. 7-11, рис. 2, 3, 4).
Конструкция данного стенда состоит из опор для размещения испытываемой конструкции, смонтированных на силовом полу, двух захватов для обжатия поперечных сечений образца в третях пролета. Захваты (оголовники) представляют собой единую металлическую конструкцию, состоящую из подвижной горизонтальной и вертикальной пластин для последующего фиксированного обжатия образца после установки его на испытательном стенде и жесткой консольной балки. Подвижность и жесткую фиксацию вертикальных и горизонтальных пластин обеспечивают продольные и поперечные болты, установленные и обваренные на наружной поверхности захватов. Один из концов каждого захвата выполнен свободным. На испытательном стенде для приложения нагрузки на оба поперечных сечения фиброжелезобетонного элемента свободные концы захватов (вылеты консольных балок) развернуты относительно друг друга. Поверх свободных концов по диагонали к продольной оси элемента установлена распределительная траверса, равномерно распределяющая нагрузку на пару сил, приложенных с заданным эксцентриситетом. Нагружение образца осуществляется с помощью прессового оборудования (рис. 4).
Данный стенд позволяет проводить испытание фиброжелезобетонных конструкций на совместное действие изгибающего и крутящего моментов при статическом воздействии нагрузки. Создание изгибающих и крутящих моментов при действии статических нагрузок с помощью стенда по прототипу используется для исследования прочности и трещиностойкости испытуемых элементов. Однако данный стенд позволяет испытывать конструкции только на статическое воздействие нагрузкой и не может быть применен при исследовании конструкций на воздействие кратковременной динамической нагрузки. Данное устройство не позволяет определить влияние прикладываемой внешней нагрузки на деформативность конструкций, работающих на изгиб с кручением, как качественно, так и количественно.
Задача изобретения - обеспечить испытание железобетонных элементов на изгиб с кручением при воздействии кратковременной динамической нагрузки с получением максимально полной информации о влиянии прикладываемой нагрузки на напряжения и деформации, возникающие в конструкции при испытании.
Технический результат при решении поставленной задачи заключается в создании напряженно-деформированного состояния в железобетонном элементе посредством одновременного воздействия кратковременного динамического изгибающего и крутящего моментов с измерением линейных перемещений точек на поверхности железобетонных балок при изгибе с кручением, позволяющих определить углы закручивания элемента на всем временном интервале действия нагрузки, а также определение качественного и количественного влияния прикладываемой нагрузки на деформации испытуемого железобетонного элемента.
Заявляемый стенд имеет общее с прототипом то, что он содержит: силовой пол, опоры для размещения железобетонного элемента, установленные на силовом полу, два оголовника для обжатия поперечных сечений испытуемого элемента, одним концом жестко закрепленных на элементе перпендикулярно его продольной оси, а на других концах которых установлена распределительная траверса. Каждый оголовник выполнен в виде металлической конструкции, состоящей из горизонтальных и вертикальных пластин, соединенных с возможностью фиксации на обжатом испытуемом элементе, и консольной жесткой балки, при этом вылеты консольных балок оголовников направлены в противоположные стороны, а на вылетах установлена распределительная траверса.
Заявляемое устройство отличается от прототипа тем, что оно дополнительно содержит две направляющие, закрепленные на силовом полу, на которых с возможностью перемещения установлен груз, бомбосбрасыватель для фиксации и сброса груза, два узла для определения угла закручивания испытуемого железобетонного элемента, расположенные в непосредственной близости с оголовниками, и силоизмерители, один из которых закреплен в центре распределительной траверсы под грузом, а другие - на опорах для размещения железобетонного элемента, причем опоры для размещения железобетонного элемента состоят из основания, которое закреплено на силовом полу, жесткой подставки, закрепленной на основании, и одной или двух горизонтальных пластин, зафиксированных на подставке и выполненных с опорными кольцами для закрепления силоизмерителей, которые расположены между подставкой и горизонтальной пластиной или, при наличии двух горизонтальных пластин, между горизонтальными пластинами, помимо этого, каждый узел определения угла закручивания содержит балку, закрепленную перпендикулярно продольной оси железобетонного элемента, две подвижные каретки, установленные на балке с возможностью перемещения вдоль балки, и датчики линейных перемещений, основания которых жестко зафиксированы на силовом полу, а штоки датчиков шарнирно закреплены на подвижных каретках.
Сверху силоизмерителя, расположенного в центре распределительной траверсы может быть установлен демпфер, состоящий из двух металлических пластин и прокладки между ними, скрепленных между собой болтами, при этом нижняя пластина в центральной части снабжена опорным кольцом, посредством которого демпфер жестко зафиксирован на силоизмерителе.
Для обеспечения вертикальности датчика линейных перемещений на протяжении всего времени испытания железобетонного элемента основание датчика линейных перемещений закреплено на силовом полу с помощью двух уголков, жестко закрепленных на силовом полу и стянутых между собой поперечным болтом, на котором с помощью гаек зафиксировано основание датчика.
В отдельных случаях жесткая подставка опор для размещения железобетонного образца может быть выполнена из жестких горизонтальных пластин требуемой высоты, надежно скрепленных друг с другом. Одна из опор для размещения железобетонного элемента снабжена шарнирным подвижным элементом в виде катка, установленным на верхней горизонтальной пластине, другая - шарнирным неподвижным элементом квадратной формы, также установленным на верхней горизонтальной пластине.
Предлагаемое устройство позволяет воссоздать напряженно-деформированное состояние, соответствующее работе железобетонных элементов на изгиб с кручением при кратковременном воздействии динамической нагрузки. При этом данный стенд, благодаря предложенной конструкции, позволяет получить полную информацию о напряжениях и деформациях как в самой конструкции, так и в отдельных ее компонентах, о величине нагрузки в любой момент времени ее приложения, несущей способности, жесткости и трещиностойкости конструкции при различных режимах нагружения, а также о деформациях в момент приложения нагрузки и после ее снятия (остаточные деформации).
Подобрав расстояние между оголовниками, можно обеспечить в средней части испытуемого образца площадку с контролируемыми величинами изгибающего и крутящего моментов, соотношение которых будет постоянным на протяжении всего нагружения. Достоинством устройства также является возможность нагружения испытуемого образца моментами противоположных знаков приложением нагрузки всего лишь в одну точку (середину распределительной траверсы), что облегчает контроль за прикладываемой нагрузкой. При взаимодействии груза с распределительной траверсой (ударе) нагрузка распределяется в равных пропорциях на консольные жесткие балки оголовников, направленные в разные стороны относительно друг друга, за счет чего происходит закручивание элемента с одновременным нагружением его изгибающим моментом. Контроль нагрузки, передающейся на систему «распределительная траверса-оголовники-образец», выполняется с помощью силоизмерителя с закрепленным на нем демпфером, который позволяет увеличить время приложения кратковременной динамической нагрузки и обеспечить требуемую «чистоту» эксперимента.
Так как энергия удара падающего груза преобразуется в другие виды энергии (нагрев поверхности и т.п.), а также в силу наличия незначительной податливости соединения некоторых элементов друг с другом, фактическая нагрузка, приложенная к испытываемому образцу, может отличаться от нагрузки, переданной на систему «распределительная траверса-оголовники-образец». Поэтому заявленный стенд содержит в составе опор силоизмерители, контролирующие значение опорных реакций конструкции. Использование в качестве жесткой подставки опор набора жестких горизонтальных пластин, является бесспорным достоинством данного стенда с точки зрения эргономичности проведения испытаний.
Данный стенд позволяет проводить испытание железобетонных образцов на изгиб с кручением при различных режимах нагружения. Это становится возможным путем изменения веса сбрасываемого груза, а также благодаря возможности использования вылета консольной части оголовников значительной длины, с помощью которой можно изменять величину эксцентриситета приложения нагрузки относительно продольной оси элемента, а соответственно, и соотношение величин крутящего и изгибающего моментов. Данное соотношение также регулируется увеличением (или уменьшением) расстояния между оголовниками. Вышеприведенные преимущества придают универсальность использования данного стенда в исследовании работы железобетонных элементов.
Узел для определения угла закручивания позволяет отследить изменение положения соответствующих точек на поверхности элемента на всем времени приложения нагрузки. Осреднение величин перемещений, полученных по показаниям датчиков линейных перемещений, установленных в одном расчетном сечении (в одной плоскости поперечного сечения), соответствует величине прогиба конструкции в данном сечении. Также показания каждого датчика можно представить как сумму перемещений изгиба и перемещений кручения. Соответственно, благодаря устройству для определения углов закручивания можно установить: какие перемещения вызваны изгибом конструкции, а какие являются следствием кручения железобетонного элемента, при этом становится возможным определение абсолютных величин этих перемещений.
Использование узла для определения угла закручивания позволяет зафиксировать и определить поворот испытуемого железобетонного элемента с высокой точностью. Это возможно благодаря жесткому креплению основания датчика линейных перемещений и шарнирного крепления штока на подвижной каретке. В момент удара происходит закручивание железобетонного элемента, вместе с которым происходит вращение и поступательное перемещение балки, закрепленной перпендикулярно продольной оси железобетонного элемента. Находящиеся на ней подвижные каретки, смещаясь вдоль балки, ось которой в процессе нагружения меняет свое положение относительно первоначального горизонтального положения, позволяют штокам датчиков линейных перемещений перемещаться только по вертикали, что помогает определить вертикальную составляющую перемещений, по которой можно судить о перемещениях вызванных изгибом и кручением, и, как следствие, о величине угла закручивания железобетонного элемента под действием динамической нагрузки.
Предложенная конструкция позволяет создать в железобетонном элементе напряженно-деформированное состояние, приближенное к тому, которое возникает в условиях эксплуатации, и судить о перемещениях железобетонного элемента (в частности, об углах закручивания элемента) и зависимости их от величины прикладываемой нагрузки, в момент ее приложения и после приложения.
Изобретение промышленно применимо, поскольку его можно многократно реализовать с достижением указанного технического результата.
Авторами и заявителем не выявлены из уровня техники технические решения, в которых была представлена возможность испытания железобетонного элемента на кратковременный динамический изгиб с кручением. В уровне техники не обнаружены узлы определения угла закручивания железобетонного элемента такой конструкции, которая предложена авторами и заявителем в заявленном стенде. Кроме того, не выявлено технических решений, которые позволяют определить линейные перемещения точек железобетонного элемента, возникающие при изгибе с кручением под воздействием кратковременной динамической нагрузки, по которым можно судить об углах закручивания железобетонного элемента. Поскольку датчики линейных перемещений (их соединение) в предложенной конструкции узла определения угла закручивания обладают высокой чувствительностью к любому перемещению, то можно судить и об остаточном угле закручивания железобетонного элемента, то есть после воздействия нагрузки. Такого результата в известных технических решениях не обнаружено. Все это дает основание судить о наличии изобретательского уровня у заявляемого устройства, поскольку оно явным образом не следует из уровня техники.
Изобретение пояснено чертежами.
На фиг. 1 изображен общий вид стенда для испытания железобетонных элементов на совместное кратковременное динамическое воздействие изгибающего и крутящего моментов (общий вид), на фиг. 2 - узел А фиг. 1, на фиг. 3 - узел Б фиг. 1.
Стенд для испытания железобетонных элементов на совместное кратковременное динамическое воздействие изгибающего и крутящего моментов (фиг.1) содержит силовой пол 1, на котором установлены опоры для размещения железобетонного элемента, состоящие из основания 2, закрепленного на силовом полу 1, жесткой подставки 3, которая может быть выполнена из набора жестких пластин требуемой высоты. Сверху подставки 3 установлены две горизонтальные пластины 4 с соответствующими опорными кольцами для крепления силоизмерителей 5. Возможна установка силоизмерителей 5 непосредственно на подставке 3 под верхней горизонтальной пластиной 4. Предпочтительно для обеспечения работы железобетонного элемента как шарнирно опертой балки на верхней горизонтальной пластине 4 одной из опор разместить шарнирный подвижный элемент в виде катка, а на другой опоре - шарнирный неподвижный в виде квадрата. Также на силовой пол 1 установлены направляющие 6, по которым перемещается груз 7, зафиксированный на бомбосбрасывателе 8. Изменяя высоту падения груза, можно варьировать величину прикладываемой кратковременной динамической нагрузки.
На испытываемом железобетонном элементе 9 в продольном направлении одним концом жестко закреплены перпендикулярно продольной оси элемента два оголовника 10. Каждый оголовник 10 состоит из горизонтальных и вертикальных пластин, которые с помощью болтов зафиксированы на железобетонном элементе 9, и консольной железобетонной балки. Концы консольных балок (вылеты) направлены в противоположные стороны. На эти концы балок оголовников 10 установлена распределительная траверса 11 с закрепленным в центре силоизмерителем 12, поверх которого в отдельных случаях может быть установлен демпфер 13.
В непосредственной близости каждого из оголовников 10 установлен узел определения угла закручивания элемента, состоящий из балки 14 (фиг. 2), закрепленной перпендикулярно продольной оси элемента 9, на которой установлены две подвижные каретки 15, к каждой из которых шарнирно закреплены штоки датчиков линейных перемещений 16. Крепление датчиков 16 к силовому полу 1 осуществляется с использованием пары уголков 17 (фиг. 3), надежно закрепленных на силовом полу 1 и стянутых между собой поперечным болтом 18, на котором фиксируется основание датчика посредством затягивания с обеих сторон датчика гаек 19 через систему шайб.
Работа стенда для испытания железобетонных элементов на совместное кратковременное динамическое воздействие изгибающего и крутящего моментов заключается в следующем: на опоры, закрепленные на силовом полу 1, устанавливается железобетонный элемент 9, с заранее закрепленными по длине оголовниками 10, при этом их вылеты направлены в разные стороны относительно друг друга. Конструкция оголовников позволяет проводить испытания железобетонных элементов разного поперечного сечения. Поверх оголовников 10 устанавливается траверса 11 с закрепленным в середине силоизмерителем 12 с демпфером 13. По оси силоизмерителя 12 выставляется траектория падения груза 7, зафиксированного на бомбосбрасывателе 8 и перемещающегося по направляющим 6.
При соударении груза 7 с силоизмерителем 12 создается кратковременная динамическая нагрузка, распределяющаяся с помощью траверсы 11 на разнонаправленные оголовники 10, за счет чего происходит одновременное нагружение железобетонного элемента изгибающим моментом и разнонаправленными крутящими моментами. При этом в середине пролета элемента образуется участок с контролируемыми постоянными величинами изгибающего и крутящего моментов. Длина вылета оголовника позволяет изменять эксцентриситет точки приложения нагрузки в интервале 0…0,5 м. Силу удара можно регулировать уровнем поднятия груза 7, а также его массой. Время действия нагрузки можно растягивать во времени путем введения демпфера 13 между силоизмерителем 12 и падающим грузом 7.
В ходе испытания при помощи силоизмерителя 12 измеряется действующая динамическая нагрузка, а опорные силоизмерители 5 используются для фиксации опорных реакций. При этом использование в каждой опоре двух силоизмерителей 5 дает весомое преимущество в определении опорной реакции железобетонного элемента по причине свободного поворота его опорной зоны.
Данный стенд позволяет выполнить определение угла закручивания железобетонного элемента даже при действии кратковременной нагрузки (доля длительности которой не превышает 0,15 с). Для этого в непосредственной близости с оголовником 10 устраивается узел определения угла закручивания. При повороте конструкции датчики линейного перемещения 16, жестко закрепленные на силовом полу 1, фиксируют вертикальные перемещения концов балки 14. При этом каретки 15 обеспечивают шарнирное сопряжение датчика линейного перемещения 16 и балки 14 и перемещаются вдоль балки. В результате замеренные перемещения содержат в себе только вертикальную составляющую перемещений, по которой можно судить о характере деформаций железобетонного элемента и об их абсолютном значении, о величине угла закручивания.
Для получения данных о напряженно-деформированном состоянии испытываемого железобетонного элемента используется комплекс стандартных измерительных приборов оборудования.