СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ СТЕКЛОПЛАСТПОЛИМЕРБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ГОРОДСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

 

Лифинцев А.И., Бондарев Б.А., Комаров П.В., Бондарев А.Б.

(ЛГТУ, г.Липецк, РФ)

 

The resistance to process of accumulation of damage at action of varied loading is called as resistance to weariness.

The former experience of accumulation at study of behavior of composite materials at action of cyclic loadings allows to use them for introduction in elements of designs of urban transport structures (roads, bridge, overpasses etc.), in this connection a urgent research-and-production task is the study of resistance to weariness of composite materials.

 

Сопротивление процессу накопления повреждения при действии изменяющейся нагрузки именуется сопротивлением усталости [1].

Большой опыт накопленный при изучении поведения композиционных материалов при действии циклических нагрузок позволяет использовать их для внедрения в элементах конструкций городских транспортных сооружений (дорог, мостов, путепроводов и т.д.), в связи с этим актуальной научно-производственной задачей является изучение сопротивления усталости композиционных материалов на основе полиэфирных, эпоксидных, фурфурол-ацетоновых полимербетонов и стеклопластиковой арматуры. Остановимся на некоторых из них.

В работе [4] получены сопротивления усталости полиэфирного полимербетона ПН-609-21М, которые приведены в таблице 1.

 

Таблица 1 - Нормативные и расчетные сопротивления усталости полимербетона ПН-609-21М

ρb	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
Ry,H (МПа)	30,53	32,66	34,79	36,21	37,68	39,05	40,47	41,89	43,32	44,73
Ry (МПа)	22,36	23,92	25,48	26,52	27,56	28,6	29,64	30,68	31,72	32,76

 

Количественной характеристикой сопротивления усталости является предел выносливости, определяемый по стандартной методике при коэффициентах асимметрии цикла (ρ) равного 0,1; 0,3; 0,6. При ρ=0,1 предел выносливости оказался равным 0,34R_b, а корреляционное уравнение в области выносливости имeет вид:

σ_N=80,21 - 8,95lgN ,                                       ( l )

при ρ=0,3 σ_N=0,39R_b, а уравнение имеет вид:

σ_N=76,85 - 7,75lgN ,                                       ( 2 )

при ρ=0,6 σ_N=0,45R_b, а уравнение имеет вид:

σ_N=72,3 - 6,05lgN .                                         ( 3 )

Для стеклопластиковой арматуры значения сопротивления усталости приведены в таблице 2, а результаты испытаний на циклическую нагрузку выглядят так:

σ_N=0,47R_gl   при ρ=0,3 ,

σ_N=0,53R_gl   при ρ=0,6 ,

σ_N=0,58R_gl   при ρ=0,8 .

 

Таблица 2 - Нормативные и расчетные сопротивления усталости стеклопластиковой арматуры

ρb	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
Ry,H (МПа)	675,3	702,8	730,3	771,7	813,0	840,6	886,1	895,7	923,3	964,6
Ry (МПа)	416,5	433,5	456,5	476,0	501,5	518,5	535,5	552,5	569,5	559,5

 

Для эпоксидного полимербетона ЭД-20 предел выносливости равен 0,43R_b [2]. Для полимербетона ФАМ [3]:

σ_N=0,33R_b   при ρ=0,1 ,

σ_N=0,43R_b   при ρ=0,3 ,

σ_N=0,50R_b   при ρ=0,6 .

Стеклопластполимербетонные элементы испытывали на выносливость при коэффициенте асимметрии цикла приложения нагрузки ρ=0,3; 0,6; 0,8, причем при ρ=0,3 испытывались балки с ненапрягаемой и предварительно-напряженной арматурой, имеющие коэффициент армирования μ=1,77 и 3,54. Анализ результатов этих испытаний показывает, что коэффициент асимметрии цикла приложения внешней нагрузки оказывает существенное влияние на выносливость испытуемых элементов. На рисунках 1 и 2 приведены графики зависимости предела и коэффициента выносливости K_в от ρ, из которых видно, что при фиксированных значениях величины контролируемого напряжения арматуры предел выносливости возрастает с ростом ρ. Так при фиксированной величине контролируемого напряжения арматуры σ_sp=0,3R_gl величина предела выносливости повышается от 1,02 кН∙м при ρ=0,3 до 1,24 кН∙м при ρ=0,8 (17,7%); при σ_sp=0,4 R_gl – от 1,22 кН∙м до 1,45 кН∙м (15,8 %); при σ_sp=0,5R_gl - от 1,32 кН∙м до 1,72 кН∙м (23,2%).

Повышение усталостной прочности вызвано тем, что в предварительно-напряженных элементах снижается величина перепада напряжений и повышается коэффициент асимметрии цикла напряжений в растянутой арматуре. Так, при воздействии на элемент циклической нагрузки М_max с коэффициентом асимметрии цикла ρ=М_min/М_max к установившимся напряжениям в арматуре добавляются напряжения, вызванные М_max; коэффициент асимметрии цикла напряжений в стеклопластполимербетоном армировании (СПА) возрастет до величины ρ_sp и будет увеличиваться далее с ростом числа циклов приложения нагрузки и степени предварительного напряжения арматуры [4].

 

Рисунок 1 – График зависимости Мц-ρ	Рисунок 2 – График зависимости Кв-ρ
1 - σsp=413,4 МПа 2 - σsp=551,2 МПа 3 - σsp=689,0 МПа	1 - σsp=413,4 МПа 2 - σsp=551,2 МПа 3 - σsp=680,0 МПа

 

С ростом напряжений в СПА на 14-20 МПа в пределах изменения ρ от 0,3 до 0,8 коэффициент асимметрии цикла в арматуре возрастет от 0,86 до 0,92 при σ_sp=0,3R_gl; от 0,87 до 0,93 при σ_sp=0,4R_gl; от 0,89 до 0,94 при σ_sp=0,5R_gl.

При этом же значении М_мах напряжения в полимербетоне сжатой зоны могут уменьшаться с ростом числа циклов приложении нагрузки. При этом коэффициент асимметрии цикла сжатию полимербетона ρ_b увеличивается в начале пульсации, затем будет уменьшаться и асимптотически приближаться к коэффициенту асимметрии цикла внешней нагрузки. С ростом предварительного напряжения арматуры коэффициент асимметрии цикла напряжений сжатию полимербетона будет расти, повышая предел выносливости сжатой зоны полимербетона.

Для определения пределов выносливости при промежуточных значениях ρ установлена зависимость коэффициента выносливости от коэффициентов асимметрии. Для этого полученные экспериментально данные обработаны методом наименьших квадратов. В результате вычислений получена зависимость К_в-ρ для элементов с различным предварительным напряжением:

при σ_sp=413,4МПа     К_в=0,286 + 0,981ρ – 0,469ρ²,

при σ_sp=551,2МПа     К_в=0,265 + 1,09 ρ – 0,567ρ²,

при σ_sp=689,0МПа     К_в=0,392 + 0,814ρ – 0,359ρ².

В таблице 3 приведены результаты сравнения экспериментальных данных и подсчитанных по формулам. Средняя ошибка аппроксимации составила 4,5%.

 

Таблица 3 - Сравнение экспериментальных и подсчитанных по формуле значений коэффициентов выносливости

Коэффициент выносливости (Кв)	Контролируеммое напряжение СПА, МПа	Коэффициент асимметрии
		0,3	0,6	0,8
Поданным эксперимента	413,4 551,2 689,0	0,60 0,64 0,63	0,69 0,726 0,77	0,73 0,76 0,82
Вычисленный по формулам	413,4 551,2 689,0	0,51 0,54 0,60	0,68 0,71 0,75	0,72 0,77 0,76
Ошибка аппроксимации, %	413,4 551,2 689,0	+14,6 +15,6 +4,7	+1,4 +1,6 +2,6	+1,36 +1,29 0

Таким образом, проведенные исследования показывают, что композиционные материалы на основе полиэфирных, эпоксидных и фурфурол-ацетоновых смол и конструкции на их основе могут быть успешно применены в конструкции городских транспортных сооружений.

 

Литература

1. Кабанов, В.А. Надежность элементов деревянных конструкций. Курск. 2003. – 146 с.

2. Комаров, П.В. Эпоксидный композиционный материал и его циклическая долговечность. Дис. канд. техн. наук. – Волгоград, 2003. – 157с.

3. Левченко, Л.Г. Воздействие периодического погружения пластиков на примере фурфуролацетонового полимербетона. // Третья межвузовая конференция, по применению пластмасс в строительстве: Татар.кн.из-во, 1972. – с.45-52.

4. Бондарев, Б.А., Харчевников, В.И. и др. Выносливость композиционных материалов в элементах конструкций железнодорожных шпал. Липецк. 2002. – 220 с.