Способ контроля жесткости, трещиностойкости и прочности изгибаемых железобетонных конструкций

 

Изобретение относится к механическим испытаниям и предназначено для контроля параметров качества балочных железобетонных строительных конструкций. Способ контроля жесткости, трещиностойкости и прочности изгибаемых железобетонных конструкций в виде балок и балочных плит заключается в установке конструкции на стенде, закреплении ее в соответствии с требованиями технических условий или условий эксплуатации, возбуждении в конструкции колебаний на резонансной частоте f_c, ее измерении и определении параметров качества путем сопоставления резонансных частот колебаний контролируемой и эталонной конструкций. Для этого эталонную конструкцию нагружают тремя ступенями равномерно распределенной нагрузки, соответствующими трем нормативным контрольным нагрузкам для определения жесткости [Р_w], трещиностойкости [Р_тр] и прочности [Р_пр], измеряют резонансные частоты колебаний эталонной конструкции без нагрузки f₀ и на каждом этапе нагружения (f_w, f_тр, f_пр) строят по полученным результатам аппроксимирующую зависимость f_э - Р_э. Контролируемую конструкцию нагружают один раз равномерно распределенной нагрузкой интенсивностью Р_с≤[Р_w], а пригодность этой конструкции к эксплуатации определяют путем сравнения резонансных частот колебаний f_с и f_э, соответствующих заданной нагрузке. Изобретение направлено на повышение точности оценок параметров качества балочной железобетонной конструкции. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области механических испытаний и предназначено преимущественно для контроля параметров качества (жесткости, трещиностойкости и прочности) железобетонных строительных конструкций в виде балок и балочных плит.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ неразрушающего контроля качества готового железобетонного изделия [1] , включающий закрепление контролируемого изделия на опорах в соответствии с условиями эксплуатации, возбуждение в нем изгибных колебаний, определение резонансной частоты колебаний и логарифмического декремента затухания колебаний, сравнение полученных значений динамических параметров контролируемого изделия со значениями тех же параметров, полученных на эталонном изделии при тех же режимах контроля, и оценку параметров качества готового изделия (жесткости, трещиностойкости и прочности) по результатам такого сравнения.

Недостаток этого способа заключается в низкой точности оценок контролируемых параметров качества, особенно параметров трещиностойкости и прочности железобетонных балок и балочных плит.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении точности оценок параметров качества балочной железобетонной конструкции (жесткости, трещиностойкости и прочности) по ее резонансной частоте колебаний при однократном нагружении равномерно распределенной нагрузкой.

Это достигается тем, что в способе контроля жесткости, трещиностойкости и прочности изгибаемых железобетонных конструкций, заключающемся в установке конструкции на стенде, закреплении ее в соответствии с требованиями технических условий или условий эксплуатации, возбуждении в конструкции колебаний на резонансной частоте, измерении этой частоты колебаний f_c и определении параметров качества (жесткости, трещиностойкости и прочности) путем сопоставления резонансных частот колебаний контролируемой и эталонной конструкций с учетом указанных параметров качества эталонной конструкции, полученных с помощью статических разрушающих испытаний, эталонную конструкцию нагружают тремя ступенями равномерно распределенной нагрузки, соответствующими трем нормативным контрольным нагрузкам для определения жесткости [P_w], трещиностойкости [Р_тр] и прочности [Р_пр], измеряют резонансные частоты колебаний эталонной конструкции без нагрузки f₀ и на каждом этапе нагружения (f_w, f_тр, f_пр) строят по полученным результатам аппроксимирующую зависимость f_э - Р_э, контролируемую конструкцию нагружают один раз равномерно распределенной нагрузкой интенсивностью Р_c≤[P_w] , возбуждают в ней колебания на резонансной частоте, измеряют ее, а пригодность этой конструкции к эксплуатации определяют путем сравнения резонансных частот колебаний f_c и f_э, соответствующих заданной нагрузке.

Для многих железобетонных конструкций нормативные нагрузки [P_w] и [Р_тр] незначительно отличаются друг от друга. В этом случае для нагружения конструкции второй ступенью нагрузки можно принять значение ее интенсивности приблизительно среднее между [P_w] и [Р_пр].

Кроме того, целесообразно производить нагружение контролируемой конструкции серийного изготовления нагрузкой, равномерно распределенной на ее центральной части и эквивалентной нормативной контрольной нагрузке при определении жесткости конструкции.

Сущность изобретения заключается в следующем. Эталонное изделие нагружают тремя ступенями равномерно распределенной нагрузки, соответствующими трем нормативным контрольным нагрузкам: [P_w] - нагрузке, соответствующей нормативной жесткости конструкции, [Р_тр] - нагрузке, соответствующей нормативной величине раскрытия трещин, и [Р_пр] - нагрузке, соответствующей предельному состоянию конструкции, т.е. состоянию, предшествующему разрушению. Предельным состоянием считается такое, при котором после приложения последней ступени нагрузки в течение 30 мин величина контролируемого прогиба увеличивается без увеличения внешней нагрузки.

Для эталонной конструкции без ее нагружения и на каждом этапе нагружения производят измерение соответственных резонансных частот колебаний (f₀, f_w, f_тр, f_пр). По результатам испытания эталонного изделия строят аппроксимирующую функцию f - Р в виде полинома третьей степени: f = f₀+AP¹+BP²+CP³, (1) где неизвестные параметры А, В и С определяют путем решения системы алгебраических уравнений: Оценку пригодности контролируемого серийного изделия осуществляют путем сопоставления резонансных частот колебаний серийного и эталонного изделий в нагруженном состоянии под действием какой-либо равномерно распределенной нагрузки Р по условию f_c≥f_э. При этом для серийного изделия резонансная частота колебаний f_с, соответствующая заданной нагрузке Р, определяется экспериментально, а для эталонного - по формуле (1).

Пригружение каждого серийного изделия нагрузкой, равномерно распределенной по всей его площади, является довольно трудоемкой технологической операцией. Поэтому для снижения трудоемкости целесообразно производить пригружение конструкции нагрузкой, равномерно распределенной в средней части пролета, а ее интенсивность определять, например, из условия эквивалентности прогибов от действия этой нагрузки и заданной проектом нормативной контрольной нагрузки, равномерно распределенной по всей площади конструкции. В этом случае грузоподъемным механизмом можно производить нагружение конструкции только один раз эквивалентной нагрузкой, сформированной определенным образом в некоторый пакет (в виде нескольких грузов одинаковой массы).

Способ реализуют следующим образом. Изготавливают эталонное изделие при строгом пооперационном контроле всех промежуточных технологических операций. После достижения необходимой прочности бетона это изделие устанавливают на стенде, закрепляют на опорных устройствах и проводят его вибрационные испытания с целью определения резонансной частоты колебаний в ненагруженном состоянии f₀. Затем эталонную конструкцию последовательно нагружают тремя контрольными нагрузками, соответствующими максимальной величине контролируемого прогиба [P_w], максимальной величине раскрытия трещины (или началу трещинообразования) [Р_тр] и предельной разрушающей нагрузке [Р_пр], и на каждом этапе нагружения определяют резонансные частоты колебаний f_w, f_тр, f_пр. По полученным результатам строят аппроксимирующую функцию (1).

При контроле качества серийного изделия устанавливают его на стенде, закрепляют на опорных устройствах, нагружают его один раз равномерно распределенной нагрузкой Р, определяют его резонансную частоту колебаний f_c, вычисляют по формуле (1) соответствующую частоту колебаний эталонной конструкции нагрузкой f_э и производят сопоставление этих частот колебаний. Если окажется, что f_c≥f_э, то контролируемые параметры качества серийного изделия (жесткость, трещиностойкость и прочность) не хуже, чем у эталонной конструкции; если же f_c<f, то серийное изделие не удовлетворяет нормативным требованиям и вопрос о его пригодности к эксплуатации должен рассматриваться дополнительно в соответствии с требованиями технических условий на изделие данного типа.

Другой возможный путь реализации предлагаемого способа заключается в том, что нагружение серийного изделия осуществляют не равномерно распределенной по всей его площади нагрузкой, а некоторой равномерной нагрузкой, эквивалентной по максимальному прогибу и распределенной в средней части его пролета. При этом интенсивность эквивалентной нагрузки можно определять как теоретическим путем, так и экспериментально при статическом нагружении эталонной конструкции.

Пример реализации способа. Плоскую железобетонную предварительно напряженную плиту пустотного настила ПК 8-58-12, изготовленную в качестве эталона, в 28-дневном возрасте подвергли динамическим и статическим испытаниям на заводском стенде. Для этой плиты нормами установлены следующие контрольные параметры: [P_w] = 51,5 кН ([w₀]=11,10 мм), [Р_тр]=54,3 кН ([а_crc]=0,25 мм), Р_пр= 104,9 кН. Поскольку [P_w]≈[Р_тр], то при второй ступени нагружения была принята нагрузка Р_ср=81,6 кН.

При проведении испытаний были получены следующие результаты: - при P = 0⇒f₀ = 10,92 Гц; - при P_w = 51,5 кН⇒w₀ = 11,60 мм, f_w = 5,48 Гц; - при P_тр = 53,4 кН⇒a_crc = 0,25 мм, f_тp=5,35 Гц; - при P_cp = 81,6 кН≈(P_w+P_пр)/2⇒f_cp = 3,97 Гц; - при P_пр = 105,8 кН⇒ деформации возрастали в течение 30 минут и более, f_тр=3,20 Гц.

По этим данным была построена аппроксимирующая кривая
f_э = (3,306 - 0,0232Р + 8,38•10^-5P²)², (2)
которая описывает экспериментальные данные для эталонной плиты с точностью до 0,4%.

Затем взяли плиту этой же марки серийного изготовления, нагрузили ее нагрузкой Р=46,2 кН, равномерно распределенной по всей площади, возбудили в плите колебания на резонансной частоте и измерили эту частоту: f_c=5,84 Гц. По формуле (2) нашли резонансную частоту колебаний эталонной плиты при Р= 46,2 кН, которая оказалась равной f_э=5,82 Гц. Сопоставление этих частот показывает, что f_c≥f_э. Это свидетельствует о том, что по всем трем показателям качества (жесткость, трещиностойкость и прочность) плита серийного изготовления удовлетворяет техническим условиям на это изделие.

Для контроля достоверности полученных данных серийная плита была далее подвергнута статическим испытаниям до разрушения. В результате этих испытаний были получены следующие результаты: w₀=11,19 мм при Р_w=51,5 кН, Р_тр= 56,3 кН, Р_пр=107,4 кН, что убедительно подтверждает выводы о пригодности этого изделия, полученные по резонансной частоте колебаний.

Таким образом, технический результат достигается за счет построения с высокой точностью единой аппроксимирующей зависимости между нагрузкой и резонансной частотой колебаний по результатам испытания эталонного изделия.

Источник информации
1. Сехниашвили Э. А. Интегральная оценка качества и надежности предварительно напряженных конструкций. - М.: "Наука", 1988, стр. 7-29.

Формула изобретения

1. Способ контроля жесткости, трещиностойкости и прочности изгибаемых железобетонных конструкций в виде балок и балочных плит, заключающийся в установке конструкции на стенде, закреплении ее в соответствии с требованиями технических условий или условий эксплуатации, возбуждении в конструкции колебаний на резонансной частоте, измерении этой частоты колебаний f_c и определении параметров качества (жесткости, трещиностойкости и прочности) путем сопоставления резонансных частот колебаний контролируемой и эталонной конструкций с учетом указанных параметров качества эталонной конструкции, полученных с помощью статических разрушающих испытаний, отличающийся тем, что эталонную конструкцию нагружают тремя ступенями равномерно распределенной нагрузки, соответствующими трем нормативным контрольным нагрузкам, для определения жесткости [Р_w] , трещиностойкости [Р_тр] и прочности [Р_пр] , измеряют резонансные частоты колебаний эталонной конструкции без нагрузки f₀ и на каждом этапе нагружения (f_w, f_тр, f_пр), строят по полученным результатам аппроксимирующую зависимость f_э - Р_э, а контролируемую конструкцию нагружают один раз равномерно распределенной нагрузкой интенсивностью Р_c≤[P_w] , возбуждают в ней колебания на резонансной частоте f_c, измеряют ее, а пригодность этой конструкции к эксплуатации определяют путем сравнения резонансных частот колебаний f_c и f_э, соответствующих заданной нагрузке.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что контролируемую конструкцию нагружают нагрузкой, равномерно распределенной по ее центральной части и эквивалентной нормативной контрольной нагрузке при определении жесткости конструкции.