Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние изученности вопроса 9
1.1. Состояние вопроса исследований свойств арматуры железобетонных конструкций 9
1.2. Законы распределения механических характеристик 14
1.3. Работа стали в упругопластической области 16
1.4. Работа стали при пониженных температурах 18
1.5. Метод определения механических характеристик арматуры 22
1.6. Цель и задачи исследования 25
Глава 2. Исследование механических характеристик арматурных сталей в состоянии поставки и упрочненных одноосным растяжением при нормальных температурах 27
2.1. Влияние напряженного состояния на свойства арматуры 27
2.2. Методика проведения испытаний и измерений 29
2.3. Альтернативные законы распределения механических характеристик 33
2.3.1. Трехпараметрический закон распределения Вейбулла 33
2.3.2. Нормальный закон 35
2.4. Обработка результатов эксперимента 36
2.4.1. Определение механических характеристик арматурных сталей в состоянии поставки 36
2.4.2. Определение механических характеристик арматурных сталей, упрочненных одноосным растяжением 41
2.4.3. Определение минимальных значений механических характеристик арматурных сталей 48
Выводы 55
Глава 3. Определение предельных напряжений арматурных сталей 57
3.1. Обоснование применения предельных значений напряжений 57
3.2. Определение склонности арматурных сталей к хрупкому разрушению после упрочнения одноосным растяжением 59
3.3. Предельные напряжения из условия вязкого разрушения 63
Выводы 66
Глава 4. Определение предельных напряжений арматурных сталей из условия вязкого разрушения при различных температурных воздействиях .68
4.1. Особенность применения арматурной стали при производстве бетонных работ в условиях пониженных температур 68
4.2. Методика проведения эксперимента 70
4.3. Влияние пониженных температур на свойства арматурных сталей. Обработка экспериментальных данных 74
4.4. Исследование влияния сочетания охлаждения и резкого нагрева на механические свойства арматуры. Анализ экспериментальных данных 83
Выводы 102
Глава 5. Использование результатов исследований при проектировании железобетонных конструкций 105
5.1. Обобщенный анализ результатов исследований 105
5.2. Применение расчетных методов для оценки прочностных резервов арматурных сталей 109
5.3. Сравнительный анализ типового расчета балки покрытия и расчета с использованием результатов проведенных исследований 118
5.4. Расчет экономической эффективности применения результатов исследований '. 124
Выводы 127
Общие выводы 128
Библиографический список
- Состояние вопроса исследований свойств арматуры железобетонных конструкций
- Влияние напряженного состояния на свойства арматуры
- Обоснование применения предельных значений напряжений
- Особенность применения арматурной стали при производстве бетонных работ в условиях пониженных температур
Введение к работе
Во многих отраслях строительной индустрии находят применение железобетонные конструкции. Сочетание свойств арматуры и бетона позволяет изготавливать конструкции, способные выдерживать статические и динамические нагрузки, успешно противостоять действию агрессивных сред, работать при высоких и низких температурах. Воздействие таких условий в процессе эксплуатации нередко приводит к разрушению железобетонных элементов, снижению сроков эксплуатации конструкции и всего сооружения в целом. Причинами разрушений могут служить напряженное состояние, дефекты, перепады температур и пр. Поэтому еще на стадии проектирования в конструкцию закладывается запас прочности, позволяющий сохранять ее работоспособность как при расчетных нагрузках, так и в случае нештатных ситуаций (превышение допустимых нагрузок, чрезмерное снижение температуры, ветровые и снеговые нагрузки и пр.).
При работе железобетонной конструкции значительную часть растягивающих усилий воспринимает арматура, и оттого, каким образом она будет вести себя под действием различных факторов, во многом будет зависеть срок службы всей конструкции. При моделировании возможных условий эксплуатации арматуры необходимо понимание физики процесса, при этом важно сочетать свойства материала арматуры и самой арматуры (как изделия), т. к. технология ее изготовления, наличие концентраторов в виде периодического профиля, последующие температурные и силовые воздействия в процессе производства железобетонных изделий оказывают значительное воздействие на ее последующую работу.
Изучение процессов, протекающих в арматуре при ее работе в области напряжений, превышающих предел текучести и при действии различных температур, способность материала арматуры сохранять достаточную пластичность в таких условиях, является актуальной проблемой и представляет практический интерес.
5 При изготовлении в арматуру закладывается прочностной потенциал,
позволяющий повышать значения предела текучести. В связи с этим в
данной работе рассматриваются вопросы упрочнения одноосным
растяжением арматурных сталей и пути реализации этого упрочнения в
железобетонных конструкциях.
В первой главе рассмотрены свойства арматурной стали, используемые при расчете железобетонных конструкций, и законы распределения механических характеристик. Освещены вопросы, связанные с работой стали в упругопластической области и при пониженных температурах. Рассмотрены альтернативные методы измерения механических характеристик металла с использованием современного оборудования.
Во вторй главе стандартными испытаниями определяются изменения механических характеристик в сечении арматурных сталей классов: А240, А400С, А500С и Ат800 на примере твердости и диаграммы растяжения зон в сечении, на примере арматуры классов А500С и Ат800 в состоянии поставки и упрочненных одноосным растяжением. На основе данных, полученных при исследовании поверхностного слоя арматурных сталей с применением метода ударного вдавливания индентора, отрабатывается методика определения минимальных значений механических характеристик.
В третьей главе дано обоснование применения предельного напряжения из условия вязкого разрушения арматуры. На основе проведенных исследований определены допустимые значения упрочнения одноосным растяжением арматурных сталей с позиций их склонности к охрупчиванию.
В четвертой главе на основе накопленной информации о характере распределения твердости по сечению арматуры, с помощью метода ударного вдавливания индентора определены распределения механических свойств поверхностного слоя арматуры под влиянием упрочнения одноосным растяжением и пониженных температур. Получены значения прочностных и пластических характеристик для исследуемых классов арматуры при
пониженных температурах. Рассматривается поведение свойств арматурных сталей, подверженных воздействию сочетания пониженных температур с последующим резким нагревом и продолжительным охлаждением.
В пятой главе расчетными способами установлены значения напряжений в сечении арматурных сталей при упрочнении одноосным растяжением. По результатам расчета определены оптимальные значения нагрузки, соответствующей рекомендуемым коэффициентам упрочнения в сечении. Предложен вариант использования результатов исследований для расчета железобетонной конструкции на примере балки покрытия. По результатам расчета установлена возможность снижения металлоемкости железобетонной конструкции.
По результатам проведенных исследований сделаны общие выводы. Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Расчетными методами определена предпочтительность использования
трехпараметрического закона распределения Вейбулла для оценки
минимальных значений механических характеристик арматурных сталей в
сравнении с нормальным законом распределения.
2. Экспериментально показана возможность упрочнения одноосным
растяжением арматурных сталей выше значений предела текучести, исходя
из условия вязкости разрушения.
3. Показана целесообразность упрочнения арматуры одноосным
растяжением для создания запаса прочности арматуры, подверженной
воздействию сочетания охлаждения с резким нагревом и последующим
продолжительным охлаждением.
4. Построена расчетная модель арматурного стержня, позволившая
определить значения напряжений, возникающих в сечении при
упрочнении одноосным растяжением, и определены практические уровни
упрочнения.
7 Практическая ценность работы состоит в возможности повышения
расчетных сопротивлений арматуры классов А500С и Ат800 за счет
упрочнения одноосным растяжением и снижения металлоемкости
железобетонных конструкций. На основе проведенных исследований
рекомендуются допустимые уровни упрочнения арматуры, подверженной
воздействию различных температур.
Достоверность результатов обусловлена применением точных методов оценки свойств сталей и современных методов решения задач упругопластического деформирования, что подтверждается хорошей сходимостью расчетных и экспериментальных данных. Ошибка составляет 1,5-2%.
На зашиту выносятся:
Комплекс экспериментов по исследованию механических свойств арматурных сталей после силовых и температурных воздействий.
Результаты оценки минимальных значений механических характеристик арматурных сталей с помощью трехпараметрического закона распределения Вейбулла и нормального закона.
Метод определения предельных напряжений арматурных сталей руководствуясь условиями их вязкого разрушения.
Расчетные модели арматурных стержней, характеризующихся различными свойствами в сечении, подверженных упрочнению одноосным растяжением.
Апробация работы.. Основные положения работы обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях Ростовского государственного строительного университета в период с 1999 - 2005 гг.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 94 источника и 3 приложения. Полный объем диссертации -138 страниц, включая 79 рисунков и 6 таблиц. Основной текст (без оглавления, библиографического списка использованной литературы,
8 рисунков и таблиц) излагается на 101 странице машинописного текста.
Нумерация формул, таблиц и рисунков ведется отдельно по каждому
Состояние вопроса исследований свойств арматуры железобетонных конструкций
Одним из основных материалов, применяемых на стройках нашей страны, является железобетон. С момента начала использования железобетона как материала строительных конструкций появилась необходимость более детального изучения его работы в различных условиях. Например, необходимо было выяснить пределы, в которых бетон может деформироваться совместно с арматурой. Взаимодействие арматуры с бетоном определяет особенность железобетона как материала. В основном сцепление арматуры с бетоном определяется [28]: - характеристиками арматурной стали (состоянием ее поверхности, профилем, диаметром и ее механическими свойствами); характеристиками бетона (его прочностью, возрастом, составом, свойствами цемента, заполнителей); - технологией приготовления бетона, способом укладки и уплотнения, условиями твердения; - напряженным состоянием железобетонных элементов, вызывающим передачу и распределение усилий между арматурой и бетоном.
При нагружении бетон подвергается существенной деструкции, и поэтому необходимо говорить о взаимодействии трех компонентов: бетона, контактного слоя и арматуры [91]. Изучением статической работы контактного слоя занимается теория сцепления. Первоначально считалось, что сцепление арматуры с бетоном обеспечивается усадочным обжатием. Позже определили, что обжатие либо невелико, либо совсем отсутствует. Это подтверждено опытом применения гладкой арматуры. При переходе к арматуре периодического профиля был поставлен вопрос о выборе глубины и шага профиля. Применительно к стержневой арматуре установлено, что решающее значение имеет удельная площадь смятия а [90]: n r A r sin p r где Sr- шаг выступов; ds- номинальный размер арматуры; пг- число выступов по периметру; Аг- площадь проекции одного выступа на его срединную плоскость; г - угол наклона выступов к оси стержня.
Понятие "смятие" описывается [90] как один из наиболее сложных видов деформирования твердых тел. Чаще всего смятием называют всякое напряженно-деформированное состояние при приложении сжимающей нагрузки на малом участке поверхности тела. Как указано в [91], значение v.sb- по нормам различных стран, для арматуры ds 12 мм принимается 5 10 а 6,5 »10 , увеличивая as при возрастании диаметра и прочности арматуры. Увеличение площади смятия улучшает взаимодействие арматуры с бетоном.
Как установлено, адгезионное сопротивление и трение по гладкой поверхности арматуры имеет второстепенное значение [26]. Главное -зацепление выступов арматуры, передающих усилие с арматуры на бетон через напряжения смятия, форма выступов при этом значения не имеет [39, 83]. При увеличении прочности арматуры следует исходить, с одной стороны из допустимых значений расклинивающего действия на бетон, с возрастанием касательных напряжений [49] и последующим образованием трещин и прочностного потенциала арматуры - с другой. Исследования авторов работы [56] показали, что применение стержневой арматуры серповидного профиля позволяет увеличить преднапряжение арматуры выше 800 г без образования продольных трещин. мм
Маилян Р.Л. и сотрудники в работе [57] для выявления оптимальной величины интенсивности напряжения арматуры провели многочисленные исследования железобетонных элементов с повышенной величиной преднапряжения арматуры. Они утверждают, что величину интенсивности напряжения арматуры следует принимать в соответствии с условием ограничения чрезмерного развития пластических деформаций и исключения вероятности ее обрыва. В результате анализа пластических деформаций в арматуре дано обоснование возможности повышения верхнего предела преднапряжения арматуры. Повышение уровня напряжения, позволяет существенно увеличить трещиностойкость, снизить ширину раскрытия трещин, деформативность и повысить прочность железобетонных балок при средних и высоких процентах армирования. В дополнение к проведенным исследованиям следует отметить, что для новых видов арматуры необходимо иметь информацию о влиянии напряжений, превышающих предел текучести, на распределение механических свойств по сечению и величину вязкой составляющей, определяемой на изломе арматуры при ее ударном разрушении. Это обусловлено как технологией изготовления новых видов арматуры [51, 52], так и особенностями поведения материала арматуры при воздействии различных условий.
Работа стержневой арматуры в железобетонных изделиях при напряжениях, превышающих предел текучести, на примере шести стандартных призм с арматурными стержнями в центре рассмотрена в [52]. Автором исследовался вопрос закономерностей совместной работы бетона и арматуры, диаграммы растяжения которой во многом предопределяют характер изменения прогибов конструкции в упруго-пластической области.
Влияние напряженного состояния на свойства арматуры
В качестве элемента, создающего предварительное напряжение в железобетонных конструкциях, при их изготовлении используется арматура. При этом максимальный уровень преднапряжения арматуры не превышает значений предела текучести. Для высокопрочной арматуры, характеризующейся условными значениями предела текучести, в расчетах [84] введен коэффициент условий работы Ys6, предусматривающий появление напряжений, превышающих предел текучести. Современный уровень изготовления арматуры закладывает в нее значительный прочностной потенциал, обеспечивая требуемые пластические свойства в соответствии с требованиями СНиП 52-01-2003, СТО АСЧМ 7-93 и ТУ 14-1-5254-94. Однако к использованию прочностных возможностей арматуры на практике прибегают редко из-за опасения ее обрыва при эксплуатации, что очевидно, связано с недостатком информации о поведении материала арматуры в различных условиях, а также со значительным рассеиванием механических характеристик, значения которых задаются заводами производителями. Это указывает на необходимость определения исходных (в состоянии поставки) и минимальных значений механических характеристик арматурных сталей. Исследование минимальных значений механических характеристик арматуры также вызвано необходимостью повышения надежности работы арматуры как элемента железобетонной конструкции и необоснованным завышением запаса прочности на этапе проектирования. Понятие прочностной надежности как отсутствие отказов впервые ввели И. А. Биргер и Н.Р. Мавлютов в работе по сопротивлению материалов [14]. Моделью прочностной надежности называется совокупность представлений, описывающих процесс или явление. Частными моделями являются: нагружение, напряженно-деформированное состояние материала и сопротивление материала этому состоянию. Исследование этих процессов подразумевает исследование изменения механических свойств арматурных сталей под действием различных факторов, таких как растяжение, сжатие, влияние пониженных и повышенных температур и т. д. Следует заметить, что в силу различных причин (дефекты кристаллической решетки, микротрещины, дефекты, возникающие при производстве сталей и при их последующей обработке) значения механических характеристик являются величинами случайными. Поэтому рассмотрение минимальных значений необходимо оценивать с позиций теории вероятностей и математической статистики. В соответствии с этим можно ввести событие — появление минимального значения механической характеристики, назначив вероятность его появления малой величиной. В таком случае появление этого события в единичном варианте исключено (согласно принципу невозможности маловероятных событий [19, 29]).
Наименьшая величина вероятности события выходит за рамки математической теории и для каждого конкретного случая определяется отдельно.
Определение минимальных значений механических характеристик требует знания закона распределения их случайных величин. Исследования, проведенные в работе [10], показали, что в большинстве случаев для стального металлопроката предпочтительным является трехпараметрический закон распределения Вейбулла и в меньшей степени нормальный закон, который в нормативных документах является основным законом распределения.
Исследования свойств арматуры, проведенные в последние годы [6, 34, 51, 52], показали наличие прочностного резерва, частично выраженного в возможности ее упрочнения выше значений предела текучести. Подобный вид воздействия приводит к снижению пластичности и как следствие упрочнению материала арматуры. Особый интерес вызывают исследования, связанные с определением влияния упрочнения одноосным растяжением на характеристики арматуры, прошедшей термомеханическое упрочнение. Особенностью этой технологии является способ воздействия на арматуру, который выражается в резком охлаждении водой, подающейся под давлением и прокаткой. В зависимости от химического состава арматурной стали быстрое охлаждение происходит до 400 - 600 С с последующим самоотпуском. В результате арматура имеет сложную структуру сечения, изменяющуюся от бейнитной с различным соотношением отпущенного мартенсита, цементита и остаточного аустенита в поверхностном слое до феррито-перлитной в сердцевине [52]. Полученная неоднородная структура имеет различные механические характеристики, изменение которых под действием внешних факторов будет определять последующую работу арматуры и соответственно всей железобетонной конструкции.
Обоснование применения предельных значений напряжений
Изменения механических свойств материала арматуры в общем случае отражают его реакцию на механические воздействия: растяжение, сжатие, изгиб, кручение [14, 74]. Определение механических свойств металлургическими заводами ведется по отечественным и зарубежным стандартам. В соответствии с ними эти свойства определяют проведением статических (на растяжение) и ударных испытаний. Отсутствие информации о прочностных возможностях арматуры возмещается наличием запаса прочности, выраженного преднапряжением арматуры до значений, не превышающих предел текучести при изготовлении железобетонных конструкций. Вместе с тем значительная часть прочностного потенциала, заложенного в арматуру еще на стадии изготовления, не используется. Одним из вариантов использования этих возможностей является упрочнение одноосным растяжением арматуры выше значений предела текучести. Однако значительное деформирование арматуры связано с риском ее перехода в хрупкое состояние и как следствие быстрым разрушением. В предшествующих главах рассматривался вопрос о влиянии упрочнения одноосным растяжением на прочностные и деформативные свойства материала арматуры и самой арматуры (как изделия). В целом проведенные исследования служат базой для исследования склонности арматуры к хрупкому разрушению после упрочняющих воздействий.
В металловедении уже давно сложились представления о связи охрупчивания металла с видом излома, который определяется при фрактографическом анализе. Излом может быть волокнистым, кристаллическим или смешанным. При смешанном изломе определяется доля волокнистой (вязкой) составляющей в процентном отношении, на которую могут влиять упругопластическое деформирование, пониженные температуры, ударные нагрузки и пр. В зависимости от доли вязкой составляющей в изломе, методика определения которой дается в ГОСТ 4543 71, устанавливается склонность арматуры к хрупкому разрушению. В настоящей работе предельно возможной долей вязкой составляющей в изломе, при которой арматуру можно характеризовать как склонную к вязкому разрушению, исходя из инженерного опыта принимается 80 % [18, 48, 76,36,58].
Многочисленные работы, посвященные исследованию связи кристаллического вида излома при ударных испытаниях со склонностью металла к хрупкому разрушению, рассматривали возможные влияния различных факторов как на склонность металла хрупко разрушаться (связывая это со снижением ударной вязкости [58]), так и на характер излома. Среди этих факторов: температура, глубина и радиус надреза испытуемого образца, его толщина, условия испытания, предыстория нагружения металла образца, геометрия готового изделия, виды обработки при изготовлении и проч. Предполагается [35, 72], что ударная вязкость и вид излома не всегда отражают одинаковые процессы, происходящие в металле при его разрушении, и следовательно, кристаллический вид излома не всегда является признаком исчерпания способности металла оказывать существенное сопротивление разрушению. Во многих исследованиях [28, 33]. указывается на необходимость учета значений ударной вязкости при определении склонности металла к хрупкому разрушению, которое возможно именно при сочетании низких значений ударной вязкости и кристаллического вида излома. Нынешний взгляд на проблему таков, что для количественной оценки хрупкости металла необходимы расчетно-экспериментальные критерии и методы, позволяющие еще на стадиях освоения новых марок сталей прогнозировать их работоспособность [62] и прочностные возможности.
Таким образом, представляется целесообразным ввести безразмерную характеристику - коэффициент упрочнения Ку, представляющую собой отношение приложенного напряжения к пределу текучести, при которой имеет место 75-80 % вязкой составляющей. Если образец вырезан из материала с наименьшими значениями относительного удлинения и ударной вязкости, получил такую же обработку, как материал всего изделия, то в этом случае значения коэффициента упрочнения будут наиболее «слабым» характеристикам материала изделия (учитывая величины относительного удлинения и ударной вязкости) эксплуатируемого при соответствующих температурах.
Особенность применения арматурной стали при производстве бетонных работ в условиях пониженных температур
Работа железобетонных конструкций в области пониженных температур и повышенных напряжений требует проведения детальных исследований свойств арматурных сталей. При проведении экспериментов необходимо определиться с критериями, которые характеризуют предельные состояния элементов конструкции для оценки их сроков эксплуатации. В рамках настоящих исследований рассматриваются свойства арматуры железобетонных конструкций и ее склонность к хрупкому разрушению при влиянии упрочнения одноосным растяжением и последующем действии пониженных температур.
Как показывает практика, один и тот же материал в зависимости от условий может иметь вязкое или хрупкое разрушение [18]. Наиболее опасным для металла является хрупкое разрушение, поскольку оно протекает при незначительной пластической деформации, невысоких нагрузках за короткий промежуток времени. Причиной охрупчивания материала может служить множество факторов, например: значительные растягивающие напряжения, высокие скорости нагружения, большие размеры зерен, различные концентраторы и пр. [76, 86, 87]. Влияние различных факторов на свойства металла способствует протеканию дислокационных механизмов, объясняющих проявление пластичности [6], снижение температуры приводит к снижению пластических способностей металла и как следствие его хрупкому разрушению [69]. Склонен металл к охрупчиванию или нет, определяет вид излома (кристаллический или волокнистый) после динамического разрушения. Разрушением металла при различных температурах определяется минимально возможная температура эксплуатации и соответствующие ей механические свойства [47, 71,20,88].
Протеканию описанных процессов способствует ряд факторов: структура, химический состав, комплекс механических свойств, заложенный в металл (арматуру) на стадии производства и пр. Судить о реакции металла на внешние воздействия можно только на основе обобщенного анализа всех его показателей. Исследования в лабораторных условиях не позволяют охватить все факторы, влияющие на работу арматуры в процессе эксплуатации. Поэтому исследования в данной работе ограничиваются наиболее значимыми из них, такими как температура и упрочнение одноосным растяжением.
Производство бетонных работ при пониженных температурах связано с необходимостью обеспечения благоприятных температурных условий для твердения бетона [13, 41, 45]. При этом важным вопросом является влияние температуры на свойства арматурных сталей [54,69].
В современных разработках методов зимнего бетонирования используется поверхностный нагрев с применением различных источников тепла, таких как теплогенераторы и керамзит [1, 17, 41, 89], эти методы интересны способом воздействия на арматуру, т. к. используемый температурный диапазон составляет 175...350 С. При пониженных температурах диапазон увеличивается от -50 до 350 С.
Технологическая схема такого способа бетонирования заключается в следующем. На промороженное основание устанавливают утепленную опалубку с предварительно напряженной арматурой, которую заполняют отдозированным керамзитовым гравием с температурой 200 - 300 С. Тепло керамзита при этом расходуется на прогрев основания, опалубки и арматуры. После остывания до температуры ниже 100 С в уложенный слой керамзита инъецируется цементно-песчаный раствор. В результате дальнейшего остывания керамзита происходят тепломассообменные процессы, способствующие ускорению твердения цементно-песчаного раствора.
Созданию необходимых температурных условий для твердения бетона способствует тепло, отдаваемое керамзитом, и тепло, образующееся за счет экзотермии цемента.
После набора бетоном критической прочности утепленную опалубку и теплоизоляционный слой удаляют. Хранение арматуры, использующейся для укладки подстилающего слоя, осуществляется на открытом воздухе как при положительных, так и при отрицательных температурах. При укладке керамзита в опалубку температура арматуры резко увеличивается и, если температура наружного воздуха составляет -20 С, скачок температуры может достигнуть 320 С за несколько секунд. После нагрева арматура медленно остывает с керамзитом до температуры бетонирования.
При разработке технологических процессов раздельного бетонирования в зимних условиях основное внимание уделяли обеспечению условий для набора требуемой прочности бетона и его свойствам, при этом влияние рассматриваемых процессов на свойства арматуры не учитывали.
В связи с этим возникает необходимость в определении влияния вышеперечисленных процессов на механические свойства арматуры и изыскание возможностей их повышения.
