Способ определения величины предварительного напряжения арматуры в нагруженной конструкции балочного типа с передачей усилия преднапряжения на ее торцы

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при испытаниях строительных конструкций балочного типа. Способ определения величины предварительного напряжения арматуры в нагруженной конструкции балочного типа с передачей усилия преднапряжения на ее торцы заключается в возбуждении свободных колебаний в конструкции до и после напряжения арматуры, измерении соответствующих основных частот колебаний и аналитическом определении интегральной величины преднапряжения арматуры с учетом этих частот колебаний, суммарной площади арматурных стержней, их длины, веса конструкции и эксцентриситета приложения усилия преднапряжения относительно нейтральной оси сечения. Испытываемую конструкцию нагружают равномерно распределенной нагрузкой, измеряют основную частоту колебаний в нагруженном состоянии и определяют величину преднапряжения арматуры. Технический результат - повышение точности определения величины преднапряжения арматуры за счет учета ее податливости и учета первых потерь преднапряжения, связанных с обжатием и деформативностью конструкции в целом.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при испытаниях строительных конструкций балочного типа.

Известен способ определения величины предварительного напряжения в арматурных стержнях при их натяжении на упоры с помощью термического разогрева по частоте свободных колебаний [1], который заключается в закреплении арматурного стержня в упорах, возбуждении в нем свободных колебаний, измерении основной частоты колебаний и аналитическом определении величины напряжения в стержне с учетом его длины, плотности материала и измеренной частоты колебаний.

Недостаток этого способа заключатся в том, что он не дает возможности определить величину преднапряжения стержня, стоящего в конструкции в нагруженном состоянии.

Известен также способ определения величины преднапряжения арматуры, стоящей в конструкции, в которой усилие преднапряжения передается на ее торцы [2], принятый в качестве прототипа, заключающийся в возбуждении свободных колебаний в ненагруженной конструкции до и после напряжения арматуры, измерении соответствующих основных частот колебаний и аналитическом определении интегральной величины преднапряжения арматуры с учетом этих частот колебаний, суммарной площади арматуры, длины стержней, веса конструкции и эксцентриситета приложения усилия преднапряжения относительно нейтральной оси сечения.

Недостаток этого способа заключается в том, что он не может использоваться для нагруженных конструкций и не учитывает податливость арматурных стержней при нагружении.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в расширении технологических возможностей известного способа и распространении его на нагруженные конструкции.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении точности определения величины преднапряжения арматуры за счет учета ее податливости и учета первых потерь преднапряжения, связанных с обжатием и деформативностью конструкции в целом.

Это достигается тем, что в способе определения величины предварительного напряжения арматуры в нагруженной конструкции балочного типа с передачей усилия преднапряжения на ее торцы, заключающемся в возбуждении свободных колебаний в конструкции до и после напряжения арматуры, измерении соответствующих основных частот колебаний и аналитическом определении интегральной величины преднапряжения арматуры с учетом этих частот колебаний, суммарной площади арматурных стержней, их длины, веса конструкции и эксцентриситета приложения усилия преднапряжения относительно нейтральной оси сечения, испытываемую конструкцию нагружают равномерно распределенной нагрузкой, измеряют основную частоту колебаний в нагруженном состоянии, а величину преднапряжения арматуры определяют по формуле

где σ₀ - величина предварительного напряжения арматуры;

q - интенсивность равномерно распределенной нагрузки;

q_с.в - интенсивность нагрузки от собственного веса балки;

l - пролет балки;

е - эксцентриситет расположения напрягаемой арматуры относительно центральной оси балки;

I - момент инерции сечения балки без учета площади напрягаемой арматуры;

А, А_а - соответственно площади поперечного сечения балки и напрягаемой арматуры;

ω₀ - основная частота колебаний ненапряженной балки в ненагруженном состоянии;

ω - основная частота колебаний напряженной балки в нагруженном состоянии.

Сущность изобретения поясняется следующими рассуждениями. В работе [3] изложен способ регулирования максимального прогиба конструкции балочного типа с помощью ее предварительного напряжения. При этом для шарнирно опертой металлической балки была получена расчетная формула

где Х_п - суммарное усилие преднапряжения во всех арматурных стержнях;

w₀, y₀ - соответственно максимальный прогиб от поперечной нагрузки предварительно напряженной и ненапряженной балки.

Воспользуемся для преобразования этой формулы закономерностью, опубликованной в работе [4], согласно которой между максимальным прогибом упругой балки постоянного сечения w₀ от действия равномерно распределенной нагрузки q и основной частотой ее колебаний ω в ненагруженном состоянии существует функциональная взаимосвязь

w₀ω²=1,272q/m, (2)

где m - погонная масса балки. Если внешнюю нагрузку отнести к массе конструкции, то

w₀ω²=1,272q/(m+q/g), (3)

где g - ускорение свободного падения. В отличие от формулы (2) в выражении (3) ω - основная частота колебаний балки в нагруженном состоянии. Зависимости (2) и (3) справедливы для любой упругой балки, как предварительно напряженной, так и ненапряженной.

Если выражение (3) соотнести с предварительно напряженной балкой, а для ненапряженной балки использовать формулу

где ω₀ - основная частота колебаний ненапряженной балки в ненагруженном состоянии, то, используя эти две зависимости, можно записать соотношение:

где q_c.в - интенсивность нагрузки от собственного веса балки. Подставляя это отношение в формулу [1], получим:

Разделив правую и левую части этого равенства на площадь арматуры А_а, найдем:

Таким образом, зная все геометрические параметры конструкции, основную частоту колебаний ненапряженной балки в ненагруженном состоянии и основную частоту напряженной балки в нагруженном состоянии, можно по формуле (5) определить величину предварительного напряжения арматуры.

Способ реализуют следующим образом. В контролируемой балке определяют все необходимые геометрические параметры (l, e, I, А, А_а) и интенсивность нагрузки от собственного веса q_c.в. Перед натяжением арматуры балку устанавливают на стенде и с помощью динамических испытаний в режиме свободных колебаний определяют ее основную частоту в ненагруженном состоянии ω₀. Затем производят предварительное натяжение арматуры, нагружают балку заданной нагрузкой q и с помощью ее динамических испытаний в режиме свободных колебаний определяют основную частоту в нагруженном состоянии ω. Далее, подставляя все исходные и экспериментальные данные в формулу (5), находят величину предварительного напряжения арматуры.

Если такие испытания производятся серийно, то основную частоту колебаний ненапряженной балки в ненагруженном состоянии ω₀ можно провести один раз для эталонной конструкции.

Преимущества предлагаемого способа перед способом-прототипом заключаются в следующем.

1. После передачи усилия преднапряжения на конструкцию зачастую происходит ее коробление, что не дает возможности с высокой степенью надежности определить частоту колебаний напряженной балки в ненагруженном состоянии. В предлагаемом способе производят пригружение конструкции, что способствует ее более плотному прилеганию к опорным устройствам на стенде и более полному проявлению конструктивных дефектов через контролируемые динамические характеристики.

2. В предлагаемом способе, в отличие от способа-прототипа, учитываются податливость арматуры на любой стадии нагружения балки и первые потери преднапряжения за счет обжатия конструкции и ее деформированности, что способствует определению с более высокой точностью величины предварительного напряжения арматуры.

Пример реализации способа.

Была изготовлена металлическая балка в виде двух швеллеров со следующими геометрическими характеристиками: l=4,5 м, е=35 мм, I=982×10^-8 м⁴, А=31,2×10^-4 м², А_а=78,5×10^-6 м²; вес балки с учетом торцевых накладок и арматуры Р_с.в=1143,0 Н, интенсивность нагрузки от собственного веса q_c.в=Р_с.в/4,5=254,00 Н/м. Преднапряжение балки осуществлялось одним арматурным стержнем из стали класса A-IV диаметром d=10 мм, расположенным параллельно центральной оси. Регулирование эксцентриситета осуществлялось за счет смещения арматуры вдоль прорезей в торцевых элементах балки. Усилие предварительного напряжения передавалось на торцы балки, а изменение усилия преднапряжения осуществлялось с помощью специального винтового устройства, смонтированного на одном из ее торцов.

Для контроля действительной величины предварительного натяжения арматуры использовался прибор серийного изготовления - электронный измеритель предварительного напряжения в арматуре железобетонных конструкций (ЭИН-МГ4). Для измерения частот колебаний балки использовался осциллограф типа С-1-93.

Балка была установлена на две опоры, одна из которых, шарнирно-неподвижная, выполнена в виде уголка, поставленного вверх обушком, другая - шарнирно-подвижная, выполнена в виде металлической трубы диаметром d=45 мм. Опоры устанавливались в сечениях балки сразу же после торцевых элементов.

При проведении динамических испытаний ненагруженной и ненапряженной балки была определена ее основная частота колебаний f₀=20,76 Гц (ω₀=2πf=130,44 c^-1).

После предварительного натяжения арматуры до напряжения σ₀=100,52 МПа балка была нагружена равномерно штучным кирпичом (q=401 Н/м) и, возбудив в ней свободные поперечные колебания, была определена ее основная частота колебаний f=15,95 Гц (ω=100,22 c^-1).

Подставляя исходные и экспериментальные данные в формулу (5), получим:

что отличается от результата σ₀=100,52 МПа, полученного путем непосредственного измерения величины преднапряжения арматуры с помощью прибора ЭИН-МГ4, на 6,56%.

Таким образом, применение предлагаемого способа расширяет технологические возможности известного способа путем его распространения на нагруженные конструкции.

Источники информации

1. Электронный измеритель предварительного напряжения в арматуре железобетонных конструкций ЭИН-МГЧ. Техническое описание и руководство по эксплуатации, Челябинск, ЗАО "Челябинский проектно-конструкторско-технологический институт, 2000.

2. Авторское свидетельство СССР № 1737334, G 01 N 33/38, опубл. 30.05.90.

3. Коробко В.И. и др. Регулирование максимального прогиба в предварительно напряженных балках., Материалы IV Всероссийского семинара "Проблемы оптимального проектирования сооружений", Новосибирск, Изд-во НГАСУ, 2002.

4. Коробко В.И. Некоторые закономерности колебаний однопролетных балок, Изв. вузов "Строительство и архитектура", 1988, № 3, с. 41-44.

Формула изобретения

Способ определения величины предварительного напряжения арматуры в нагруженной конструкции балочного типа с передачей усилия преднапряжения на ее торцы, заключающийся в возбуждении свободных колебаний в конструкции до и после напряжения арматуры, измерении соответствующих основных частот колебаний и аналитическом определении интегральной величины преднапряжения арматуры с учетом этих частот колебаний, суммарной площади арматурных стержней, их длины, веса конструкции и эксцентриситета приложения усилия преднапряжения относительно нейтральной оси сечения, отличающийся тем, что испытываемую конструкцию нагружают равномерно распределенной нагрузкой, измеряют основную частоту колебаний в нагруженном состоянии, а величину преднапряжения арматуры определяют по формуле

где σ₀ - величина предварительного напряжения арматуры;

q - интенсивность равномерно распределенной нагрузки;

q_c.в - интенсивность нагрузки от собственного веса балки;

l - пролет балки;

е - эксцентриситет расположения напрягаемой арматуры относительно центральной оси балки;

I - момент инерции сечения балки без учета площади напрягаемой арматуры;

А, А_а - соответственно площади поперечного сечения балки и напрягаемой арматуры;

ω₀ - основная частота колебаний ненапряженной балки в ненагруженном состоянии;

ω - основная частота колебаний напряженной балки в нагруженном состоянии.