Файл: Аронов Р.И. Испытание сооружений учеб. пособие.pdf

с точки зрения ее макроструктуры одним из наиболее однородных материалов, по своей микроструктуре неоднородна; зерна и про­ слойки феррита, перлита и других ее составляющих обладают, как известно, отличными друг от друга физико-механическими свойст­ вами, размерами, ориентировкой и т. д.

Резко неоднороден по своей структуре бетон, состоящий из це­ ментного камня с различными по размерам и свойствам заполни­ телями. Различны строение и физико-механические характеристики слоев древесины и т. п.

Анизотропность материала, т. е. переменность физико-механиче­ ских свойств по различным направлениям в одной и той нее точке, появляется как неизбежное следствие несплошности и неоднород­ ности материала. В еще большей степени анизотропия обусловли­ вается технологическими процессами. Бетон анизотропен вдоль и поперек направления уплотнения. Металл вдоль и поперек проката также может отличаться по своим электромагнитным и механиче­ ским характеристикам и т. д.

Со всеми этими факторами приходится считаться при оценке напряженного состояния материала в испытываемых конструкциях.

3-3. Неоднородность работы составных сечений

При расчете сечений из совместно работающих элементов («па­ кетов») и сечений, составленных из различных материалов (наприімер, армированных элементов), исходят обычно из предположения их слитной работы.

Между тем, дефекты и несовершенства соединений, недостаточ­ ная связь между разнородными материалами (а иногда и не вполне удачный выбор их физико-механических параметров) нередко обусловливают появление внутренних сдвигов, искажающих рас­ пределение усилий и напряжений по сравнению с расчетными. По­ этому действительные условия работы составных сечений требуют уточнений путем соответствующих испытаний.

§ 4. Изменения в работе сооружения во времени

4-1. Переменность внешних воздействий

Переменность силовых воздействий, например от крановой на­ грузки, от усилий, возникающих при работе машин и динамически действующего оборудования и т. п., как правило, учитывается в рас­ четах (часто лишь приближенно — в случае отсутствия у проекти­ ровщика соответствующих точных данных).

Однако переменные воздействия оказывают на сооружения и иные факторы, не всегда в должной мере отражаемые в расчетах.

Так, температуре наружного воздуха свойственны, как известно, годовые и суточные колебания. При этом в материалах с малой теплопроводностью, например в бетоне, возникают тепловые волны, постепенно проникающие в глубь элементов. Неравномерное рас­ пределение температуры создает в материале неравномерное же

9

поле напряжений, что в ряде случаев приводит к появлению трещин

вбетонных и железобетонных конструкциях. Тот же фактор в кон­ струкциях из материала с большой теплопроводностью (металл) вызывает циклические деформации. Подобные деформации и пе­ ремещения, нередко довольно значительные, появляются, например,

врезультате неравномерного нагрева лучами солнца металличе­ ских резервуаров и газгольдеров, конструкций металлических мо­ стов и т. п.

Меняющиеся во времени напряжения, деформации и перемеще­ ния могут вызываться также колебаниями уровня грунтовых вод, изменением влажности воздуха и рядом других подобных же фак­ торов, учет которых весьма существен при оценке действительной

работы и несущей способности сооружений.

4-2. Изменения свойств материалов

Материал в сооружениях «живет», т. е. его состояние и харак­ теристики в известной степени (в зависимости от рода материала, условий эксплуатации и приложенных нагрузок) меняются во вре­ мени. Рассмотрим несколько наиболее характерных примеров.

Общеизвестно, что прочность бетона в сооружениях со временем возрастает. Однако при неблагоприятных условиях — при низких температурах свежеуложенного бетона, недостаточном увлажнении его и, в особенности, при воздействии агрессивных сред, это нара­ стание прочности не только замедляется, но может приостановиться совсем, а в отдельных случаях — даже замениться обратным про­ цессом.

При приложении внешней нагрузки зависимость между напря­ жениями и деформациями в бетоне носит криволинейный характер. 4Но при повторных циклах нагружения (не превосходящих 40—50% от предела прочности) график деформаций постепенно выпрямля­ ется (рис. 3) и бетон начинает работать практически упруго. В та-

Рис. 3. График деформаций при повторных загружениях бетона

10

ких условиях находятся, например, железобетонные мосты, систе­ матически загружаемые проходящей подвижной нагрузкой. Наобо­ рот, длительная выдержка сооружения в ненагруженном состоянии ведет к частичному восстановлению криволинейное™ диаграммы деформаций.

Характеристики металла в элементах конструкций, работающих в упругой стадии, остаются практически стабильными. Пластиче­ ские же деформации вызывают явление наклепа, влияющего на фи­ зико-механические свойства материала (снижение пластичности, увеличение хрупкости, развитие анизотропии и т. д.). Длительная разгрузка отчасти восстанавливает первоначальные свойства.

Наклеп и связанное с ним механическое старение металла соз­ дают условия для возникновения и развития, в особенности при по­ ниженных температурах, опасных для целости конструкций «хруп­ ких» трещин.

Постепенное изменение физико-механических свойств 'наблю­ дается и в других материалах — дереве, пластмассах и т. д., тем более значительное, чем в более трудных условиях протекает про­ цесс эксплуатации сооружения. При оценке действительной работы и несущей способности конструкций выявление и учет возможных изменений характеристик материалов является задачей первосте­ пенной важности.

4-3. Расстройства стыков и соединений элементов

При пуске сооружения в эксплуатацию, при первых же загружениях возникают сдвиги и пластические деформации в соедине­ ниях и связях, сопровождающиеся появлением характерных для начальной работы конструкции так называемых «рыхлых» прогибов и перемещений.

Постепенно элементы как бы взаимно «притираются» и приспо­ сабливаются к условиям эксплуатации, однако сдвиги и остаточные деформации в соединениях и связях все же возрастают. Элементы начинают работать менее слитно, ухудшаются условия их крепле­ ния и опирания, появляются трещины и другие повреждения, и воз­ можность нормальной эксплуатации нарушается.

4-4. Выводы

Состояние и работа сооружений переменны во времени. После­ довательно при этом сменяются три стадии:

1)период «приспособления», продолжающийся до тех пор, пока деформации как в основном материале элементов, так и в их соеди­ нениях, не становятся практически стабильными в данных условиях эксплуатации;

2)длительный период нормальной работы;

3)период «старения», сопровождающийся расстройством сое­ динений и связей, появлением различных повреждений и ухудше­ нием показателей работы всего сооружения.

11

ГЛАВА II

УТОЧНЕНИЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СООРУЖЕНИЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ПУТЕМ

§ 1. Основные определения

Под испытанием сооружений понимают совокупность операций,, связанных с выявлением и проверкой состояния и работоспособно­ сти обследуемых строительных объектов и отдельных их элементов.

Эти операции могут быть разбиты на следующие основные комплексы:

1)освидетельствование, включающее операции по проверке размеров, выявлению'качества материалов, дефектоскопии и уточ­ нению других факторов, определяющих состояние сооружения;

2)испытание, понимая под этим в данном случае проверку по­ ведения исследуемого объекта при приложении к нему внешних нагрузок (статических и динамических), изменении температуры и влажности внешней среды и т. д.;

3)перерасчеты на прочность, деформативность и трещиностой­

кость как отдельных, входящих в состав сооружения конструкций, так и всего объекта в целом, проводимые на основании фактических данных, полученных в результате освидетельствования и испы­ тания.

Классификация освидетельствований и испытаний может произ­ водиться по различным признакам. Приведем главнейшие из них.

1. Классификация по цели исследования:

а) приемочные освидетельствования и испытания законченных строительных объектов перед сдачей их в эксплуатацию;

б) освидетельствования и испытания объектов, находящихся в эксплуатации, как плановые, так и назначаемые в особых случаях, например для установления фактической несущей способности со­ оружения в связи с предстоящей его реконструкцией, после аварии и т. д.;

в) испытания деталей и элементов на заводах строительных конструкций;

г) научно-исследовательские испытания.

2. Классификация по объектам исследования:

а) натурные освидетельствования и испытания, проводимые на реальных объектах;

б) испытания отдельных конструкций и их элементов на спе­ циальных установках или стендах, проводимые как в лабораториях

12

испытаний строительных конструкций, так и на строительных поли­

гонах и площадках; в) испытания на моделях, воспроизводящих в уменьшенном

масштабе или исследуемое сооружение в целом, или отдельные его детали. Модельные испытания, как правило, проводятся в лабора­ торных условиях.

3. Классификация по характеру приложенной нагрузки — ста­ тические и динамические испытания.

Более детальная классификация каждой из этих групп рассмат­ ривается ниже, в разделах третьем и четвертом.

§ 2. Исторический обзор

На опытные данные всегда опиралась строительная деятель­ ность человека. В течение многих веков, когда не было даже в за­ родыше теории расчета сооружений, только опыт практического строительства, отсутствие или наличие разрушений и аварий позво­ ляли отсеивать и выбирать наиболее рациональные конструкции. Решения неудачные, не выдерживавшие проверки временем, отбра­ сывались и, наоборот, сохранялись и частично дошли и до нас наи­ более совершенные конструкции и сооружения, часто даже сейчас поражающие своей инженерной целенаправленностью и смелостью (например, стрельчатые арки с аркбутанами готических соборов, многоярусные римские акведуки и др.). Усовершенствование и раз­ витие новых конструктивных форм при этом происходило чрезвы­ чайно медленно.

Начало развития учения о работе сооружений связано с общим подъемом производства и его-практическими запросами. В первой части XVII в. зарождается наука «сопротивление материалов» (Галилей, 1638 г.). Появляется и строительный эксперимент в его прямом значении — специально поставленный опыт, проводимый в заданных условиях с возможностью его повторения и проверки.

Долгое время роль эксперимента по сравнению с расчетом оста­ валась доминирующей и к началу XIX в. инженерные расчеты при­ носили больше пользы развитию математики, чем непосредствен­ ному усовершенствованию строительных конструкций. Действитель­ но, приемы расчета инженерных сооружений еще только намечались. Строительные эксперименты ставились поэтому безот­ носительно к расчету (практически еще не существовавшему), и задача экспериментатора по-прежнему сводилась к определению и проверке несущей способности новых испытываемых конструкций.

Среди наиболее крупных испытаний рассматриваемого периода отметим следующие: испытание крупномасштабной модели деревян­ ного арочного моста через Неву в Петербурге, проведенное в 1775— 1776 гг., и испытание в 1831 г. железочугунных конструкций, подго­ товленных для перекрытий Александрийского театра (ныне Ленин­ градский академический театр драмы им. А. С. Пушкина).

Перекрытие Невы арочным мостом пролетом 298 м, предложен­ ное И. П. Кулибиным, являлось для своего времени исключительно

13

смелым и прогрессивным решением, надолго опередившим уровень современной ему техники. Очертания и сечения этого удивительного, оставшегося неосуществленным, сооружения определялись И. П. Ку­ либиным экспериментальным путем.

Для проверки работы запроектированной конструкции в целом И. П. Кулибин на основании правильно оцененных им законов по­ добия изготовил деревянную модель этого сооружения в масштабе 1/10 натуральной величины. Эта модель, сама являвшаяся внуши­ тельной арочной конструкцией (пролетом около 30 м), успешно вы­ держала испытание пробной нагрузкой и затем долгое время ис­ пользовалась как пешеходный мост в Таврическом саду.

Сквозные арочные фермы для перекрытий Александрийского театра пролетом около 30 м и другие, предусмотренные проектом конструкции нового типа и большого для своего времени пролета, вызывали сомнение в их прочности. Способов расчета решетчатых ферм тогда еще не существовало, и работы были приостановлены. Лишь по настоянию автора проекта, известного архитектора К. И. Росси, уверенного в своей интуиции, приняли решение о про­ ведении контрольных испытаний. Каждая арка была проверена под нагрузкой около 40 Т (2500 пудов). Установленные после этого конструкции успешно служат до настоящего времени.

Аналогичные массовые испытания были произведены несколько позднее при восстановлении перекрытий Зимнего дворца после по­ жара 1837 г.

Взамен сгоревших деревянных ферм были сконструированы и изготовлены металлические пролетом до 21,3 ж с поясами из обтя­ нутых хомутами металлических полос, а для меньших пролетов — своеобразные, эллиптического сечения балки из тонкого листового железа.

В данном случае были уже сделаны попытки расчета. По фор­ муле Навье определялись наибольшие нормальные напряжения в опасных сечениях. Вне зависимости от этого, прочность всех изго­ товленных балок и ферм до их установки на место была проверена пробным загружением.

Таким образом, уже в первой половине XIX в. в России при воз­ ведении монументальных сооружений применялся сплошной экспе­ риментальный контроль (по современной терминологии) прочности ответственных конструкций.

Необходимо отметить испытания при выборе конструкций ме­ таллических мостов, проводившиеся в Англии в связи со строитель­ ством сети железных дорог.

Одной из наиболее значительных и интересных работ подобного рода были испытания крупномасштабной модели так называемого БританскогЬ моста через пролив Меней.

Для увеличения жесткости балки запроектированного цепного моста ее сечение после ряда предварительных экспериментов было выбрано в виде замкнутого прямоугольника с пропуском железно­ дорожных составов внутри этой трубы. В 1846—1847 гг., уже при готовых мостовых опорах, было произведено испытание таких кле­

14