Автор: Аронов Р.И.
Теги: испытания материалов товароведение силовые станции общая энергетика строительство
Год: 1974
Текст
к
Р. И. АРОНОВ
Испытание
сооружений
Допущено Министерством высшего н среднего
специального образования СССР в качестве
учебного пособия для студентов
инженерно-строительных специальностей вузов
днепропЕГРОас^мЙ
ШЖЕИЕРНО-РОИ ГЕЛЬННЯ
НН гигу г
БИБЛ НОТЕК А
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1974
6СЗ
А79 •
УДК 620.1: 624.01 (075)
Аронов Р. И.
А79 Испытание сооружений. Учебное пособие для вузов. М., «Высш,
школа», 1974.
187 с. с ил.
В пособии излагаются основные положения, связанные как с
самим процессом испытания, так и с предшествующим ему осви*
детельствоваиием проверяемых объектов.
Рассматриваются натурные испытания (статические и динами*
ческие) и освещаются некоторые вопросы, связанные с испытанием
на моделях. Даются указания по оценке результатов испытаний и
определению фактического состояния и несущей способности обсле*.
дуемых сооружений.
Особое внимание уделяется иеразрушающим методам контроля
качества.
д0325-497
00i (01)—74
БЗ-25-17—73
6СЗ
Рецензенты:
кафедра металлических конструкций и испытаний сооружений
Ленинградского инженерно-строительного института (зав. кафедрой
каид. техн, наук проф. В. И. Крыжаиовский);
канд. техн наук М. К. Сафарян.
(§) Издательство «Высшая школа» 1974 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Курс «Испытание сооружении» является за-
вершающим в серии дисциплин, посвященных
конструкциям из металла, железобетона, де-
рева и других видов строительных материалов.
В данном пособии излагаются основные по-
ложения, связанные как с самим процессом
испытания, так и с предшествующим ему осви-
детельствованием проверяемых объектов.
Знакомство с рассматриваемыми вопроса-
ми необходимо инженерам-строителям различ-
ного профиля.
Проектировщикам, помимо представления
о действительных условиях работы сооруже-
ний, освещаемых в курсе, необходимы сведе-
ния о применяемых в настоящее время методах
испытаний н контроля качества, поскольку со-
ответствующие требования должны находить
отражение в проектной документации. Все ши-
ре используемые сейчас в процессе проектиро-
вания предварительные испытания на моделях
требуют также знакомства и с техникой самого
эксперимента.
Производственникам-строителям и инжене-
рам по эксплуатации необходимы сведения о
современных методах оценки качества и испы-
таний как возводимых, так и эксплуатируемых
ими сооружений.
В настоящем пособии указанные проблемы
освещаются в объеме, предусмотренном про-
граммой курса «Испытание конструкций и со-
оружений» для специальности 1202 (промыш-
ленное и гражданское строительство), утверж-
денной Министерством ВиССО СССР 10 ок-
тября 1967 г. Содержание его соответствует, в
основном, характеру изложения данной дис-
циплины яа •специализированной кафедре «Ис-
пытание сооружений» Московского ииженерио-
3
строительного института (МИСИ) им.
В. В. Куйбышева, руководимой докт. техн, наук
проф. Ю. А. Нилендером.
Необходимые для более детального изуче-
ния рассматриваемых вопросов литературные
источники и сведения об основной норматив-
ной документации приведены в списке литера-
туры, помещенном в конце книги. Непосредст-
венным продолжением данного руководства яв-
ляется учебное пособие Г. Я. Почтовика,
А. Б. Злочевского и А. И. Яковлева «Методы и
средства испытания строительных конструк-
ций», подготовленное сотрудниками указанной
кафедры под редакцией проф. Ю. А. Нилен-
дера.
Автор выражает искреннюю благодарность
всему коллективу этой кафедры, а также всем
специалистам по испытанию сооружений, с ко-
торыми автор связан многолетней работой в
этой области и исследования которых и ценные
замечания отражены в данном руководстве.
Автор
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ
Вводная часть
ГЛАВА I
ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ РАБОТЫ СООРУЖЕНИЙ*
§ 1. Требования к сооружениям и оценка их работы
К любому сооружению предъявляются следующие требования:
1) все сооружения, а также отдельные его элементы должны
быть прочны н устойчивы, т. е. должна быть обеспечена несущая
способность сооружения;
2) перемещения элементов не должны выходить за пределы,
обусловленные возможностью и удобством эксплуатации;
3) не должны возникать трещины н повреждения, нарушающие
возможность нормальной эксплуатации илн снижающие долговеч-
ность сооружения.
В то же время не должны допускаться и излишние запасы как в
отношении марок применяемых .материалов, так н в отношении се-
чений отдельных элементов и в конструктивной схеме сооружения
в целом.
При оценке состояния и работы сооружения необходимо иметь в
виду:
условность расчетных схем и возможные отклонения их от дей-
ствительных;
- условность ряда расчетных характеристик материалов;
возможность отклонений от расчетных значений нагрузок;
влияние внешней среды, не учитываемое в обычных расчетах.
’ От правильного учета этих факторов часто зависит общая оцен-
ка, даваемая состоянию и работе исследуемого объекта.
§ 2. Условность расчетной схемы
Дрг назначении расчетной схемы любого сооружения проекти-
ровщику приходится учитывать два противоположных требования:
; с одной стороны, расчетная схема должна возможно ближе соот-
ветствовать реальным условиям работы сооружения, и наиболее
* Под термином «сооружение» в даивом курсе, так же как. я в «статике
I еооружегай», понимается любой строительный объект, безотносительно к его коя-
i> фигурации, конструкции и назначению. «Сооружение» в данном случае противо-
поставляется «механизму».
S
I
i
полно учитывать все действующие факторы; с.другой стороны, же-
лательно, чтобы расчетная схема была по возможности проста.
Стремясь удовлетворить последнему требованию, часто отбра-
сывают отдельные второстепенные факторы, ие имеющие решаю-
щего значения, и заменяют, как показано на нижеприведенных
примерах, действительные условия работы сооружения некоторой
упрощенной расчетной схемой.
Применение электронных вычислительных машин (ЭВМ) дает
возможность более строго выбирать расчетные схемы. Однако ус-
ложнение расчетной схемы должно быть оправдано эксперименталь-
ными данными, иначе не всегда достигается ожидаемое уточнение
расчета. Соответствующий случай освещен в примере 2.
Пример 1. Расчет металлической фермы (рис. 1). Стержневые фермы рас-
считываются обычно в предположении шарнирного соединения сходящихся эле-
ментов. Между тем концы стержней крепятся к фасонкам, что ведет к появлению
дополнительных напряжений. Эти напряжения, вообще говоря, могут быть учте-
ны расчетным путем, но такие расчеты трудоемки и их делают лишь в редких
случаях, тем более, что дополнительные напряжения от заделки стержней снима-
ются при развитии пластических деформаций в соединениях и на несущую спо-
собность сооружения в целом практически не влияют.
Рис. I. Влияние жесткости узлов на деформации элементов фер-
мы:
а - геометрическая схема и нагрузка; б — очертание деформированных
элементов трех левых панелей при идеально шарнирных соединениях п с
учетом защемления стержней в узлах; — положение стержней
до лагружения;--------положение стержней после загружения прн
wapmipiiocTii соединений; - очертание деформированных стерж-
ней прн наличии защемления
При оценке действительных условий работы фермы в в особенности при ее
испытании под нагрузкой этот фактор играет уже существенную роль: пока фер-
ма работает упруго, жесткость соединений уменьшает прогибы и частично осевые
усилия в стержнях. После перехода в пластическую стадию отмечается обратное
явление.
6
Влияние рассматриваемого фактора необходимо учитывать также при изме-
рениях и оценке остаточных прогибов фермы.
Пример 2. Учет заделки колонны. При расчетах конструкций колонн их ниж-
нее сечение рассматривается обычно или как жестко заделанное, или как шар-
нирно закрепленное.
Жесткая заделка считается обеспеченной, если арматурые стержни железо-
бетонной колонны стыкованы с выпусками арматуры фундамента.
Но монолитное соединение колонны с фундаментом нс исключает возмож-
ности их совместного поворота. Действительно, при внецентренном приложении
нагрузки (рис. 2) неравномерное распределение давления на грунт приводит к
неравномерным осадкам последнего, а следовательно, и к наклону фундамента
н жестко соединенного с ним опорного сечения колонны.
Рис. 2. Влияние неравномерных осадок грунта
на работу колонны:
в — расчетная схема колонны с жесткой заделкой; б —
фактическая работа колонны; / — эпюра давления па
грунт; г —положение подошвы фундамента после при-
ложения нагрузки; а —угол поворота нижнего сечения,
обусловленный неравномерностью осадки
Для оценки этого явления необходимо знать характеристики грунта, которые
в каждом отдельном случае должны быть определены экспериментально. Супхе-
• ственно далее, что действие рассматриваемого фактора может меняться в про-
цессе эксплуатации; так, например, изменение влажности грунта под фундамен-
том или длительная передача вибраций влияет на деформативные характеристи-
ки грунта, а следовательно, и на работу всей конструкции в целом. Все это не
может быть достаточно четко установлено расчетным путем н для выявления
действительных условий работы сооружения приходится прибегать к натурным
испытаниям.
Ограничиваясь вышеприведенными примерами, отметим, что
। условные допущед^я м.огут быть иайдены-яечткл любой расчетной
I CXeire. АоэтоМу. как прн пробировании, так и при проверке, рабо-
|" .............. 7
ты сооружения в натуре, крайне важно правильно оценить: идут ли
сделанные допущения в запас прочности или уменьшают его и в ка*
кой степени их влияние должно сказываться на. определенных рас-
четом усилиях, напряжениях и деформациях по сравнению с факти-
чески возникающими в процессе эксплуатации.
§ 3. Условность расчетных характеристик
3-1. Отклонения фактических значений от нормативных
В расчетах прн установлении усилий и напряжений исходят, как
известно, из нормативных характеристик нагрузок и материалов с
введением (по СНиПу) соответствующих поправок на статисти-
чески возможные их отклонения.
Между тем, прн проверке состояния и работы сооружений и
оценке их несущей способности приходится иметь дело с действи-
тельными характеристиками материалов н нагрузок, которые могут
иногда существенно отклоняться от нормативных. Указания по
установлению фактического их значения приводятся ниже.
3-2. Отклонения от основных рабочих гипотез
в отношении материалов
В курсах «Сопротивление материалов», «Теория упругости и
пластичности» и других расчетных дисциплинах, материал в подав-
ляющем большинстве случаев считается сплошным, однородным и
изотропным. При оценке действительных условий работы конструк-
ций приходится считаться с отклонениями от этих гипотез.
Нарушения сплошности материала. Кроме видимых трещин и
повреждений, выходящих на поверхность материала и доступных
непосредственному осмотру, не менее часто приходится иметь дело
с внутренними («скрытыми») дефектами — трещинами, пустотами,
посторонними включениями, требующими специальных приемов
для нх обнаружения и исследования (см. ниже раздел второй).
Кроме обычных макротрещин, приходится учитывать появление
и развитие микротрещин, раскрытие которых составляет иногда до-
ли микрона, но тем не менее они могут оказать существенное влия-
ние на работу материала.
Так, в металле микротрещины могут появляться еще в упругой
стадии работы материала в целом в результате сдвигов и пласти-
ческих деформаций отдельных зерен (кристаллитов). Прн небла-
гоприятных условиях микротрещины, например на границах между
зернами, постепенно увеличиваясь, могут оказаться первопричиной
уже более серьезных нарушений сплошности материала.
В бетоне микротрещины появляются еще в пределах расчетных
нагрузок и должны быть учтены для правильной оценки поведения
конструкции в целом.
Неоднородность материала в большей илн меньшей степени
присуща всем строительным материалам. Даже сталь, являющаяся
8
с точки зрения се макроструктуры одним из наиболее однородных
материалов, по своей микроструктуре неоднородна; зерна и про-
слойки феррита, перлита и других се 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 же 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») н сечений, составленных из различных материалов (напри-
мер, армированных элементов), исходят обычно из предположения
их слитной работы.
Между тем, дефекты и несовершенства соединений, недостаточ-
ная связь между разнородными материалами (а иногда н не вполне
удачный выбор их физико-механнческих 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
цдые фяЖоры, не всегда в должной мере отражаемые в расчетах.
' 'Едк- тдццрутупе напужнпгп воздуха свойственны, как известно,
годовые и суточные кме^ция^При этом в материалах смелой
т^дпроводностью, йаприадрв^йоне»возникают тепловые волны,
Н^'авномернд<рас-
пределение температуры создает, л материале неравномерное же
" 9
поле напряжений,, что в ряде случаев приводит к появлению трещин
в бетонных 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,
в результате неравномерного нагрева, лучами солнца металличе-
ских резервуаров' и газгольдеров, конструкций металлических мо-
стов н т. п.
Меняющиеся во времени напряжения, деформации и перемеще-
ния могут вызываться также колебаниями уровня грунтовых вод,
1 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 прн неблагоприятных условиях — прн низких
температурах свежеуложеииого 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.
Но при повторных циклах нагружения (ие превосходящих 40—50%
10
ких условиях находятся, например, железобетонные мосты, систе-
матически загружаемые проходящей подвижной нагрузкой. Наобо-
рот, длительная выдержка сооружения в иснагружепном состоянии
ведет к частичному восстановлению криволинейности 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-
1 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-
1 пенной важности.
4-3. Расстройства стыков и соединений элементов
При пуске сооружения в эксплуатацию, при первых же загру-
жеййях возникают сдвиги и пластические деформации в соедине-
ниях и связях, сопровождающиеся появлением характерных для
!г начальной работы конструкции так называемых «рыхлых» прогибов
и перемещений.
г? 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:
период «приспо£обления», продолжаюЩийся до тех пор, пока
деформапии^как в основном материале элементов, так и в их соедн-
нениях, не сташ>иятся практически стабильными выданных условиях
эксплуатации;
^ ^Гдлительный_пйРНАА нпрмядь^ой работы;
3)*тарнЬд«старения», сопровождающийся расстройством сое-
дииен1ЙКг-связей,"йдявлением различных повреждений н ухудше-
нием показателей работы всего сооружения.
11
ГЛАВА II
УТОЧНЕНИЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СООРУЖЕНИИ
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 н 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 иа прочность, деформативность и трещиностой-
кость как отдельных, входящих в состав сооружения конструкций,
так и всего объекта в целом, проводимые иа основании фактических
данных, полученных в результате освидетельствования и испы-
тания.
Классификация освидетельствований и испытаний может произ-
водиться по различным признакам. Приведем главнейшие из иих.
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; i
б) испытания отдельных конструкций и их элементов на рре*
циальиых установках или стендах, проводимые как в лабораториях ।
12
испытаний строительных конструкций, так и па строительных поли-
гонах и площадках;
в) испытания иа 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, ие 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 зиачеиин — 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
г намечались. Строительные эксперименты ставились поэтому безот-
к носительно к расчету (практически еще не существовавшему), и
i задача экспериментатора по-прежнему сводилась к определению и
проверке несущей способности новых испытываемых конструкций.
е 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-
l товленных для перекрытий Александрийского театра (ныне Ленин-
градский академический театр драмы нм. 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 нм 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 ж), 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 м 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
Британского 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-
н
паных труб длиной 23,3 я, воспроизводивших конструкцию цент-
рального пролета (длиной 140 лг) в масштабе I :6. Испытания по-
казали, что прочность и жесткость трубчатых балок велики, н
проект был изменен — на тех же опорах вместо цепного был соору-
жен мост балочного типа.
В середине и второй половине XIX в. рост промышленности,
строительство железных дорог и все возрастающее применение ме-
таллических конструкций стимулировали развитие методов расчета
сооружений. Соответственно менялся и взгляд на эксперимент, за-
дачей которого все в большей степени становилось сопоставление
фактической работы сооружений с расчетными данными. При этом,
в первую очередь, сверялись прогибы конструкций, которые легче
всего поддавались определению при помощи применявшихся в то
время измерительных приборов. Так, при приемке в эксплуатацию
железнодорожных мостов проверка их прогибов под пробной на-
грузкой считалась обязательной.
По мере развития техники эксперимента и разработки соответ-
ствующей аппаратуры стали определяться и деформации, с пересче-
том их в напряжения. В этот период были созданы первые образцы
различных измерительных приборов для статических испытаний,
основанные главным образом на механическом принципе действия.
! В начале XX в. начинается следующий период развития экспе-
римента, связанный с коренной переоценкой его роли. Выявленные
I многочисленные несоответствия между результатами измерений и
I данными расчета, в особенности в отношении конструкций из но-
вого материала — железобетона, выдвинули как основную задачу
необходимость уточнения действительных условий работы сооруже-
ний.
Новое направление экспериментальных исследований оказалось весьма пло-
дотворным. Однако быстро выяснилась недостаточность одних только «общих»,
хотя бы н тщательно поставленных испытаний под действием эксплуатационной
нагрузки, поскольку многочисленность воздействующих прн этом факторов и
трудность выделения влияния каждого из них создавали большие затруднения
при оценке работы исследуемых конструкций.
Действительно эффективным показал себя «целенаправленный» экспери-
мент, проводимый по заранее разработанной программе для проверки или опро-
вержения определенных гипотез, выдвинутых на основании уже имеющихся дан-
ных. Решение при этом, в каждом отдельном случае, более узкой задачи облег-
' чало и проведение испытаний, делало их более четкими н позволяло достовер-
нее оценивать получаемые результаты.
Из больших натурных испытаний данного периода, оказавших
значительное влияние на развитие методики и теории эксперимента,
следует отметить ряд работ, выполненных в Советском Союзе, ко-
торому принадлежала ведущая роль в создании н развитии этого
нового направления:
серия испытаний мостов, проведенных, начиная с 1919 г., под ру-
ководством Н. С. Стрелецкого и И. М. Рабиновича;
исключительные по масштабу исследования напряженного со-
стояния и температурного режима плотины Днепровской ГЭС, про-
15
веденные в 1930—1937 гг. под руководством проф. Ю. А. Нилен*
дера;
работы по испытанию сооружений, выполненные сотрудниками
Ленинградского инженерно-строительного института под руковод-
ством а>роф. Н. Н. Аистова, и др.
При испытаниях этого периода был применен ряд новых, более
совершенных типов измерительных приборов как для статических,
так и для динамических испытаний, основанных иа различных прин-
ципах действия.
Начиная с 40-х годов XX в. наступает следующий период разви-
тия эксперимента, характеризующийся началом широкого исполь-
зования электроники и новых физических методов исследования,
основанных на применении ультразвука, радиоизотопов и т. п. В со*
ответствии с новыми возможностями значительно возрастает роль
освидетельствования конструкций (по сравнению с их испытанием
под нагрузкой), в особенности с применением «неразрушающих»
методов контроля и оценки состояния материала непосредственно
в сооружениях.
Наряду с натурными экспериментами, все большую роль начи-
нают играть модельные испытания. С их помощью для более слож-
ных сооружений уточняются и более надежно выбираются расчет-
ные схемы; значительно ускоряется при этом и вариантное проекти-
рование.
Наконец, для современного состояния строительного экспери-
мента характерно намечающееся дальнейшее изменение целена-
правленности. Определение физико-механических параметров мате-
риалов, напряжений и деформаций в элементах конструкций,
которые до сих пор использовались при испытаниях и научных ис-
следованиях и лишь отчасти в качестве контроля при строительстве
и эксплуатации, в ряде случаев становятся сейчас неотъемлемой
частью самого строительного процесса.
Так, изготовление предварительно напряженных конструкций
требует тщательного замера усилий в напрягающих элементах, что
меняет требования к методике проведения необходимых измерений.
Очередная задача в этом направлении сводится сейчас к даль-
нейшей автоматизации измерений и непосредственной передаче их
результатов для обработки на ЭВМ. В перспективе — это путь к
внедрению автоматизации в управлении строительным производ-
ством.
РАЗДЕЛ ВТОРОЙ
Освидетельствование
Освидетельствование сооружении складывается из следующих
операций, выполняемых полностью или частично в зависимости от
поставленных задач и состояния исследуемого объекта:
1) ознакомление с документацией;
2) осмотр объекта в натуре;
3) обмеры — проверка генеральных размеров конструкций (про-
летов, высот и т. д.) и контроль сечений элементов;
4) выявление, установление характера и регистрация трещин и
повреждений;
5) проверка качества материала в сооружении и контроль со-
стояния стыков н соединений.
В отдельных случаях, например в предварительно напряженных
конструкциях, приходится определять также усилия и напряжения,
фактически имеющие место в исследуемых элементах.
В результате освидетельствования с учетом данных соответст-
вующих перерасчетов дается общая оценка состояния сооружения
и в случае необходимости решается вопрос о проведении статиче-
ских и динамических испытаний.
ГЛАВА I
ОЗНАКОМЛЕНИЕ С ДОКУМЕНТАЦИЕЙ,
ОСМОТР СООРУЖЕНИЯ И КОНТРОЛЬНАЯ ПРОВЕРКА
РАЗМЕРОВ И СЕЧЕНИИ
§ 1. Ознакомление с документацией и осмотр сооружения
К научению документации целесообразнее приступать после
предварительного (рекогносцировочного) осмотра объекта.
Дри_освидетельствоваади сооружений, п^едназвачевдм^хсдаче
алктплуатацию, необходимо б^цацомйтъснс п^ктшЛл4яронтель*
годгантаждей документацией, где следует обрахшъ. особое, днима-.
ине освидетельствовании объектов, на*
РднЕ-чРОпетгикзъиЙ 17
ЖЕИЕРНО’СТИОИ !ЕЛЫП11
ГН ГУТ
холящихся в эксплуатации, дополнительно должны быть изучены
акты передачи в эксплуатацию, паспорт сооружения, журналы экс-
плуатации, документы о произведенных ремонтах и другие имею-
щиеся материалы, характеризующие службу сооружения.
Осмотр сооружения является наиболее ответственной частью
освидетельствования. Его начинают с установления соответствия
между предъявленной документацией и сооружением в натуре. Вы-
явленные расхождения фиксируются, оцениваются и устанавлива-
ются их причины. В объектах, сданных в эксплуатацию, проверяется
Устранение недоделок, отмеченных в актах приемки.
Далее производится детальный (по возможности) осмотр эле-
ментов сооружения, начиная с наиболее ответственных: осматри-
ваются опорные части, заделки и соединения и проверяется их со-
стояние и условия работы; осматриваются связи, иастилы и прочие
элементы, обеспечивающие надлежащую простраиствеииую работу
сооружения, н проверяется правильность их опирания и крепления;
устанавливается наличие в конструктивных элементах ослаблений
и надрезов, сколов и других дефектов; выявляется наличие корро-
зии, гниения и других повреждений материала, ухудшающих работу
конструкций и снижающих несущую способность сооружения.
Отмечается (при осмотре — визуально) наличие осадок, дефор-
мирования и взаимных смещений элементов.
По результатам осмотра дается предварительная оценка состоя-
нию сооружения в целом и намечается план дальнейшего проведе-
ния освидетельствования (инструментальных съемок, проверки ка-
чества материала в сооружении и т. д.).
§ 2. Проверка геометрических размеров
2-1. Проверка основных геометрических параметров
и конфигурации сооружения
При освидетельствовании должны быть проверены главнейшие
размеры конструктивной схемы: длины пролетов, высоты колонн и
другие геометрические параметры, от соблюдения заданной величи-
ны которых зависит напряженно-деформированное состояние эле-
ментов конструкций в процессе их службы. В отдельных случаях
(если это важно с точки зрения эксплуатации или при наличии
обнаруженных при осмотре отклонений) проверяется также гори-
зонтальность перекрытий, соблюдение заданных уклонов, вертикаль-
ность несущих элементов и ограждений и т. д.
В сооружениях сравнительно простого очертания и незначитель-
ных по размерам эти контрольные измерения не являются сколько-
нибудь сложными и выполняются с помощью стальных рулеток, от-
весов, нивелиров и т. д.
При освидетельствовании же крупных сооружений и объектов
сложной конфигурации применяют специальные инструменты для
18
I ускорения процесса съемки и обеспечения ее точности. Так, провер-
1 ки по вертикали производятся инструментами вертикального визи-
* рования, позволяющими производить сноску точек по высоте на
100 м и более с погрешностью, не превышающей ±2 jul Для нивс-
1 лироваиия в тесных и труднодоступных местах целесообразно прп-
t менять гидравлические нивелиры, обеспечивающие высокою точ-
кость измерении.
I- При необходимости проверки больших пролетов (в 100 м и бо-
" лее), как например расстояния между центрами опорных площадок
уже возведенных мостовых опор, применяются новейшие свстодаль-
[- кодеры, ускоряющие процесс съемки и обеспечивающие точность
р порядка 1/25000 определяемой длины.
t .Для быстрой и надежной фиксации наружного очертания и раз-
I- меров ©свидетельствуемого объекта целесообразно применять ете-
v. реофотограмметрическую съемку (подробнее рассматриваемую в
г третьем разделе данного курса).
: Проведение замеров с применением указанных специализиро-
?:• ванных инструментов, требующих тщательной предварительной вы-
I: верки и учета ряда поправок, осуществляется квалифицированными
геодезическими группами.
I:
I* 2-2. Контроль сечений и проверка очертаний
I ответственных элементов
L
В тех случаях, когда проверяемые элементы доступны для изме-
рений, замеры сечений и проверка очертаний достаточно просты и
выполняются обычно средним техническим персоналом. Для ускоре-
ния и облегчения измерений в последнее время предложен ряд
приспособлений, например шаблоны с автоматической фиксацией
отклонений.от заданных размеров, ч4м в значительной степени
уменьшается возможность ошибок при проведении контроля.
Более сложной является задача определения толщин в коиструк-
t циях, доступных прн измерениях лишь с одной стороны. Наиболее
t грубым (н сравнительно еще недавно — единственным) способом
г измерения толщин было просверливание или, что хуже — пробивка
. отверстий в соответствующих местах проверяемых конструкций.
• £?ос°б этот трудоемок н в большинстве случаев крайне неудобен
[ даже прт условии последующей заделки отверстий, так как связан
। с нарушением сплошности материала и возможностью поврежде-
, ний. При освидетельствованиях же конструкций, требующих сохра-
> нення герметичности (как, например, в уже эксплуатируемых ре-
। зервуарах) даже самое аккуратное сверление каких-либо отверстий
; вообще недопустимо.
I Все эти датруднемия отпя идют при применении для целей «тол-
вдинометрдн» современных неразрушающих^ метадав^£онтролл;ра!>
сматриваемых в следующей главе. Разумеется, применение этих
методов требует наличия соответствующей аппаратуры и подготов-
ленного для работы с ней персонала.
19
§ 3. Выявление и регистрация осадок и повреждений
3-1. Осадка и смещения
Сведения об осадках и взаимных смещениях отдельных частей
сооружения должны быть получены перед его освидетельствованием
от геодезической службы. Эти данные проверяются иа месте выбо-
рочными контрольными измерениями.
В случае отсутствия или недостаточности указанной документа-
цшгн выявленных при осмотре признаков осадок и смещений для
их уточнения должна быть организована геодезическая съемка.
а)
«1
I
at
Ч
in
в
и
Ч
Рис. 4. Осадочные трещины в стенах:
пРв™УШесгвенНых осадках краев здания; б —при осадках
середины фасада*, в и а — схемы перемещений I — середины фасада и
2 - края здания
20
Надежным признаком, позволяющим судить о наличии неравно*
мерных осадок, является развитие легко отличимых по их внешнему
виду осадочных трещин в сооружении. В качестве примера на рис. 4
показаны трещины, появляющиеся в перемычках многоэтажного
каменного здания при осадках середины фасада (рис. 4,6) и при
оседаннн краев здания (рис. 4,а).
Прн установлении наличия осадок и смещении необходимо выя-
вить нх причины и решить вопрос о требуемых профилактических
мерах, например усилении фундаментов и т. Д.
Наблюдения за осадками ответственных сооружении должны вестись с на-
чала пх строительства.
Релера для нивелировки должны быть расположены в местах, обеспечиваю-
щих неизменность отметки релера в течение всего срока наблюдений (т. е. до
прекращения нарастания осадок). На самом объекте устанавливаются марки,
т. е. геодезические знаки, меняющие свое положение по высоте вместе с сооруже-
нием. В промышленно-гражданском строительстве применяются марки стенные
и плитные. Примеры нх конструктивного осуществления приведены на рис. 5.
Эффективной проверкой данных нивелировки является проведение повторных
стереофотограмметрических съемок сооружения.
Рис. 5. Нивелирные марки стенные (а в б) в в фундаментных
плитах (н в е):
в — хамепых стеаах; б —иа сталькых компах; в-в вмкшаю*
швам крышкой; а — с отквдкой крышкой; / — стадькые угоап ЭОХб; ?•—
хамепая стажа; цекеяткый раствор; сталыия компа; 0 ** свар*
oft шов; f-батопая плита; 7 — стальная вакаекка; 0—патрубок; 9—
мкпвваеыая крышка; 19 - крышка ва петле
2)
3-2. Развитие трещин и раскрытие швов
Обнаруженные при осмотре трещины, сколы, раскрытия швов
и другие аналогичные дефекты, не подлежащие немедленному уст-
ранению, должны быть тщательно измерены н отмечены как на
Реамом объекте, так и на соответствующих схемах. Все эти данные
Передаются затем эксплуатационникам для дальнейших наблюде-
ний за состоянием сооружения.
строительной практике наиболее распространенным (но несо-
вершенным) способом наблюдения за трещинами являлось пере-
^крытие их гипсовыми маяками. Прн продолжающемся расширении
хрещины маяк лопается, и по ширине образовавшейся в нем щели
можно судить об интенсивности раскрытия трещины под маяком;
однако уменьшение трещины может быть выявлено с трудом. Над-
лежащую сохранность самих маяков трудно гарантировать, н спо-
соб этот в настоящее время не может быть рекомендован.
Для фиксации как раскрытия, так и уменьшения ширины тре-
щин и швов, а также сдвигов вдоль них, используют ряд приемов.
Простейшимявляется наблюдение за изменением взаимного поло-
жения пары меток, -нанесенных -на поверхность объекта по обе сто-
роны наблюдаемой трещины или шва. Для длительных измерений
пользуются различными перекрывающими трещину или шов прибо-
рами— щедемерами (.в том числе, и электрического принципа дей-
ствия) как поверхностными (накладными), так и глубинными. По
своему устройству такие приборы аналогичны тензометрам (см.
следующим раздел).
Для определения глубины
трещин, выходящих на поверх-
ность, строители применяют
гибкие металлические щупы
различной толщины. Однако
они не могут дать исчерпыва-
ющего представления о дей-
ствительной глубине трещин,
постепенно, как правило, су-
жающихся. Точные эамеры
производятся путем примене-
ния новейших физических ме-
тодов исследования, как на-
пример, с использованием
ультразвуковых излучений (что
подробнее рассмотрено в сле-
дующих главах).
при исследовании глубоких тре-
Рнс. 6. Определение глубины распро-
странения трещины методом подсе-
чек:
1 - бетонный массив; 2 - трещина; 3 - бу-
ровые скважины
В массивных бетонных блоках __________________.... ____г.
щин пользуются методом подсечки (рис. 6). Как видно нз этого ри-
п^а’ ПОД углом 45 60° к плоскости распространения трещины
р урнвают ряд скважин. Отверстия их перекрывают тампонами
ипВяСг?^ННЫ нагнетают воздух или воду под давлением в несколь-
к атмосфер, переходя последовательно от одной скважины к дру-
гой. О глубине проникновения трещины схдят при этом по выходу
из нее воздуха нлп появлению на поверхности (у ее краев) мокрых
пятен.
В заключение следует отметить, что поведение трещин, швов,
расстройства соединений и т. п. являются важными показателями
состояния сооружения. Внимательное наблюдение за швами и сое-
динениями (и трещинами, если они имеются) при правильной
оценке полученных данных позволяет своевременно поставить
«диагноз» о скрытых нежелательных явлениях, происходящих в
сооружении, и принять необходимые профилактические меры, не
дожидаясь серьезных нарушений его работоспособности.
ГЛАВА II
ПРОВЕРКА КАЧЕСТВА И СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ
И СОЕДИНЕНИЙ
§ 1. Общие данные
Проверке подлежат главнейшие параметры, характеризуемые
родом материала и соединений и условиями их работы. Выполняе-
мые при этом операции распадаются на следующие группы:
1) определение физико-механических характеристик — прочно-
сти, деформатнвностн (в частности —значения модуля упругости),
однородности, объемной массы, влажности;
2) дефектоскопия материалов и соединений — нарушения сплош-
ности (трещины, сколы, расслоения, пустоты и т. п.), посторонние
включения, поражения коррозией, гниением и т. п.;
3) толщинометрия— в основном, для конструкций, доступных
при измерениях лишь с одной стороны (когда без устройства отвер-
стий не могут быть выполнены обычные геометрические замеры);
4) в отдельных случаях приходится, кроме того, проверять хи-
мический состав и структуру примененных материалов.
В результате произведенных измерений устанавливается «мар-
ка» материала, т. е. оцениваются фактические физико-механические
характеристики материала в данном сооружении и проверяется со-
стояние материала и соединений и соответствие их требованиям
ЭКСПОЯ1ЯДНИ._
Прн приемочных освидетельствованиях основной задачей явля-
ется сопоставление проектных требований с действительными ха-
рактеристиками примененных материалов. При повторных освиде-
тельствованиях (если они имеют место) выявляются изменения
этих характеристик в условиях эксплуатации.
По способу проведения необходимых исследований и измерений
применяемые методы могут быть отнесены к следующим основным
группам:
1) способы, связанные со взятием образцов. Характерным для
этой группы способов является нарушение сплошности материала,
неизбежное при выемке образцов даже самого незначительного раз-
мера;
2) неразрушающие методы, когда все измерения производятся
непосредственно на объекте, без повреждения его элементов;
3) к промежуточной группе относятся методы, не требующие
выемки каких-либо образцов, но все же, в большей или меньшей
24
степени, оставляющие на объекте следы произведенных операций
(например, вмятины на поверхности).
§ 2. Отбор образцов
Взятие образцов материала для лабораторных испытаний. Отбор ,
любого образца связан с ослаблением исследуемого элемента/
Однако для массивных бетонных блоков извлечение образцов прак-
тически нечувствительно, так как образовавшиеся пустоты могут
быть надежно заполнены бетоном. В металлических же конструк-
циях вырезка даже небольших кусков металла из ответственных
элементов весьма нежелательна и требует затем тщательной рабо-
ты по воссозданию полной работоспособности ослабленных сечений.
I. Учитывая трудности, связанные с отбором образцов и заделкой
повреждений, естественна тенденция к всемерному ограничению
числа отбираемых проб, а также стремление предоставлять для их
е выборки по возможности менее ответственные или даже второсте-
I пенные элементы н участки сооружения. Этим нарушается, однако
; основная цель взятия образцов материала для исследования, по-
t скольку наиболее существенным с точки зрения оценки работоспо-
t собностн сооружения является состояние материала именно в ответ-
; ственных элементах конструкций; с другой стороны, образцы,
взятые из второстепенных элементов, могут оказаться и нехарактер-
к ными для сооружения в целом, так как нередко в процессе строп-
I тельства для менее ответственных частей, в силу необходимости,
L используют и «случайные», имеющиеся под рукой материалы, кото-
рые не могли бы быть применены для основных элементов.
: Для получения сколько-нибудь исчерпывающего представления
о работе всего сооружения в целом и для суждения об однотипно-
г. стн материала недостаточно единичных образцов; требуется боль-
шее количество проб, взятых из десятков, а для крупных сооруже-
ний— н из сотен точек. Между тем, извлечение такого количества
образцов является трудоемкой задачей, выполнение которой не
а. всегда может быть обеспечено в требуемые, обычно сжатые, сроки.
ь В то же время результаты испытаний образцов могут в отдель-
s ных случаях дать н не вполне правильное представление о состоя-
нии материала непосредственно в сооружении. Расхождения могут
j быть вызваны повреждением материала образца в процессе его
к извлечения, а также изменением характеристик материала образца
от момента его взятия до момента испытания.
х Несмотря на все эти недостатки, испытания образцов продол-
. жают все ж<^достаточно широко применяться, поскольку этот спо-
. egfagpCfr; проведение же самих испытаний в лабораторных усло-
вияхосу®1;твляется в соответствии с указаниями действующих
. нормативных документов; взятие образцов н отправка их для ис-
пытаний может производиться силами обычного техперсонала, без
. привлечения высококвалифицированных специалистов.
i Взятие образцов в металлических конструкциях. Заготовки для
; образцов берутся обычно п^тем огневой резки. При {Жпйзделбраз-
' . ----- "" 25
цов для их последующей механической вырезки следует отступать
не менее чем на 10 жл от грани заготовки для исключения образо-
вавшейся при огневой резке зоны термического влияния с изменен-
ной структурой материала. Весьма перспективным является приме-
нение электроэрознонной резки *, обеспечивающей возможность
извлечения образцов любого очертания без последующей обработ- .
кн кромок.
Для уменьшения ослабления сеченнй образцы обычно берутся
минимальных размеров, предусмотренных ГОСТ 1497—61 **. Вы-
резки в элементах конструкции должны быть затем заполнены
вваркой соответствующих вставок с усилением нх в случае необхо-
димости дополнительными накладками. Очень важно, чтобы оста-
точные напряжения сварки у вновь наносимых швов не ухудшали
условий работы элементов и не создавали бы возможности появле-
ния в ннх хрупких трещин.
Отбор образцов бетона. В отлнчие от металла, для бетона как
материала неоднородного, с заполнителями разной крупности, за-
труднена возможность испытания на малых образцах. По
ГОСТ 10180—67 размеры (длина ребра) кубов для испытания на
сжатие, даже прн наименьшей крупности заполнителя, должны быть
не менее 70,7 мм\ балочки для испытания на нзгнб должны иметь
сеченне от 100Х100 мм прн длине 400 мм н т. д.
4 Выборка образцов такого размера может быть выполнена без
нарушения работы элемента лишь в массивных бетонных н железо-
бетонных конструкциях и блоках. В других случаях приходится при-
бегать к испытаниям нестандартных образцов с размерами, обус-
ловленными сечениями исследуемых элементов.
Основным затруднением при извлечении бетонных образцов
является возможность их повреждения. Наилучшим способом яв-
ляется высверливание бетонных цилиндров с помощью алмазных
коронок. Разработаны передвижные станки для резки бетона (на-
пример, в плитах) с помощью кругов и дисков нз синтетических
алмазов. Можно пользоваться для той же цели стальными дисками
и ленточными пилами, усиленными, например, наваркой крошки
сверхтвердых сплавов.
Значительно худшие результаты получаются при часто приме-
нявшемся ранее перфораторном бурении, ввиду неизбежных при 1
этом способе повреждений и нарушений сплошности наружного !
слоя бетона заготовок.
Пустоты, образовавшиеся в элементах сооружений после выем-
ки заготовок для образцов, должны быть сразу же заделаны. Же-
лательно применять для этой цели бетон на безусадочном цементе
во избежание появления трещин по поверхностям стыкования за-
полнения со старой кладкой.
Если образцы, взятые из сооружения, испытываются не тотчас
же после их извлечения, то приходится считаться с возможностью 5
— I»
* Резка действием импульсов электрического тока, подводимого как к ре-
жх тему инструменту (электроду), так и к обрабатываемому металлу.
Полное название ГОСТов приведено в списке литературы.
26
постепенного изменения фпзико-мехапичсскпх характеристик бето-
на образцов при их хранении. Известно, например, что в крупных
блоках бетон внутри массива может по своим характеристикам, в
.• том числе и по прочности, отличаться от наружных слоев того же
массива. После извлечения из блока глубинного образца последний
прн храпении оказывается уже в других условиях, и его прочность
• может начать быстро возрастать. Образец перестает, следователь-
; но, характеризовать состояние аналогичного материала, оставшего-
ся в глубине сооружения. Основным требованием является поэтому
скорейшее испытание бетонных образцов, взятых из сооружения.
Указанный недостаток п значительной степени устраняется прн
подготовке образцов бетона по способу, предложенному для дорож-
*. ных, аэродромных и иных покрытий: в плите в процессе ее бетони-
рования устанавливаются металлические бездонные формы, сма-
занные маслом для предупреждения сцепления их с бетоном. После
твердения кладки формы извлекаются, а образовавшиеся зазоры
; заполняются песком. Образцы до их выборки для испытаний оста-
: ются, таким образом, в натурных условиях.
Аналогичные способы подготовки образцов бетона в конструк-
? цпях, предложенные И. В. Вольфом, рассмотрены в следующем
параграфе.
Взятие образцов древесины. В деревянных конструкциях вырез-
ка образцов для лабораторной проверки физико-механических ха-
г рактернстнк, как правило, нецелесообразна. Следует учесть также,
что несущая способность деревянных сооружений зависит не только
от общих характеристик материала, но н от наличия нлн отсутствия
s дефектов и повреждений древесины, и в особенности от ее загнива-
Е’ ння. Для обнаружения же н оценки этих факторов требуются не
п лабораторные испытания, а внимательный осмотр.
j. Если образцы для лабораторных испытаний все же будут взяты,
р то необходимо предохранить нх от изменения влажности. Для этого
. сразу после взятия вырезанные заготовки древесины должны быть
J залиты слоем парафина нлн помещены в герметически закрытые со-
суды или пакеты, исключающие возможность ее высыхания. Места
i вырезкн образцов должны быть надежно заделаны вставками на
j клею, накладками н, если в этом окажется необходимость, антисеп-
(- тированы.
§ 3. Испытание материала непосредственно
в конструкции
3-1. Испытание древесины на срез
По методу, предложенному Е. Е. Гибшманом н В. Г. Донченко, на поверх-
ности исследуемого элемента сверлятся четыре неглубоких отверстия (например,
глубиной 20 мм при диаметре 25 мм), ориентированных вдоль волоков древе-
сины (рис. 7).
Между крайними парами отверстий, на всю нх глубину (заштрихованные на
рисунке участки АВВ'А' и СДД'С') древесина удаляется. Между внутренними
27
д
А
Рис. 7. Испытание древесины скалыва-
отверстнямн по касательным ВС и В'С' делаются узкие
зом. из массы древесины оказывается выделенным небольшой °^ьем_^5
зом, из ««wi соединенный с элементом лишь
своим основанием. Прн помощи
рычажного приспособления, позво-
ляющего замерять величину развн-
ваемого усилия, производится СКОЛ
выделенного объема. Разделив
зафиксированное усилие на пло-
щадь скола, находим сопротивле-
ние древесины срезу.
Преимуществом метода яв-
ляется испытание материала в том
состоянии, в котором он находится
в сооружении; ограничением его —
неизбежность некоторого ослабле-
ния элемента.
ннем:
/ — поверхность испытуемого элемента; 2—
удаляемые участки древесины: 3 - пропилы;
высверленные углубления
3-2. Испытания бетона на срез н отрыв в конструкции
На рис. 8 схематически показано несколько способов испытания, предло-
женных И. В. Вольфом, для вновь возводимых сооружений. Показанные на
схемах закладные детали устанавливаются в конструкцию во время бетониро-
вания.
На ряс. 8, а (испытание иа срез) показан вырывиой стержень, вытягивание
которого приводит к скалыванию заштрихованного объема бетона. На схемах
рис. 8, б н в показано взятке нз конструкции образцов для испытания (в лабора-
торных условиях) на сжатие, но в процессе их отделения от остальной массы
бетона по требуемому для этого усилию могут быть определены и другие харак-
теристики материала непосредственно в сооружении.
На схеме рис. 8, б показаны цилиндрические столбики, отделяемые при
бетонировании от остальной массы стальными бездонными цилиндрами, смазан-
ными машинным маслом. Из затвердевшего бетона цилиндры удаляются. При
испытании бетонный столбнк охватывается спецпальными клещами н отрывается.
Замеренное усилие характеризует сопротивление бетона отрыву.
На схеме рис. 8, в показаны закладные разъемные цилиндры со свободно
вставленными в ннх крышками н днищами. Все металлические детали смазыва-
ются машинным маслом. При бетонировании конструкции устанавливается сна-
чала нижний цилиндр, заполняемый бетонной смесью через отверстия в крышке;
на рем устанавливается и бетонируется следующий цилиндр н т. д. Во время
испытания из каждого цилиндра, начиная с верхнего, вытягивается бетонное
заполнение (с помощью не указанного на схеме стержня, ввернутого в днише
по осн цилиндра). Замеренное при этом усилие соответствует сопротивление
срезу бетона, заполняющего отверстия в стенках цилиндра на данной глубине
Другие аналогичные предложения ряда авторов излагаются в рекомендуе-
мой литературе*. Эти способы, уступая по своей эффективности далее рассмот-
ренным методам, сколько-нибудь широкого применения не получили.
§ 4. Оценка прочности материала
по механическим характеристикам
его поверхностного слоя
Рассматриваемый метод перенесен в область строительства иа
металловедения. Как известно, при испытаниях металла широка
применяются так называемые «пробы на твердость». К ним отио*
• См., например, Б. Г. Скрамтаев и М. Ю. Лещинский. сИспыт*'
ине прочности бетона».
28
г
I
I
I
I
I
I
I
I
I
t
г
i
i
!•
r
I
i
i
i
к
I
I
Ряс. 8. Испытания бетона в конструкция (по предложе*
ниям И. В. Вольфа):
а — яырыввой стержень с ваконечвнком; б — отрыв бетонных
столбиков; о — вакладка дырчатых стальных цилиндров; / -
бетонный массив; Т-стальной паровой ваковечпик; з—конус
бетоне, выкалываемы* вв массива врв вырывавив стержня
с наконечником; 4—стальной баллонный цилиндр; 5—цилинд-
рический столбик богова весне удаленки цилиндра; б—бетон*
вый столбик, вырвапый вэ массвва; 7 —составные дырчатые
цилиндры, устанавливаемые едва ва другой в процессе бето-
нирования; 8 — вставные крышки цилиндров с отверстиями для
поступления бетонной смеси внутрь цилиндра; Й- вставные
днпца; /0—отверстия в стенах цилиндров (условно вокааан-
кые лишь в верхнем цилиндре) для сцевяевия бетона в ци-
линдре с ояружажлцкм цкиядр бетонным массивом
29
сятся: испытания путем вдавливания в поверхность металла сталь-1
ного шарика или алмаза (по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу й т. д.);|
измерения по упругому отскоку падающего шарика (испытания по!
Шору) н т. п. I
Благодаря своей простоте, удобству и возможности быстрой про-]
верки состояния материала в целом ряде точек на поверхности!
конструкций этот косвенный метод иашел применение и при осви-1
детельствованни сооружений. Полученные при этом данные пере-1
водятся в прочностные характеристики исследуемого материала по!
эмпирическим формулам или с применением соответствующих гра-1
фиков и таблиц. I
Следует при этом иметь в виду, что само понятие «твердость» яе является!
столь же определенным физическим критерием сопротивления материала силовые!
воздействиям как прочность, деформативность н т. д. В зависимости от вида!
испытания на твердость выявляются различные факторы: при методе отскока (по!
Шору)—способность к упругой работе при наличии поглощения части энергия!
деформирования; при вдавливании шарика по Бринеллю — пластические свой-!
ства на уровне предела текучести; прн вдавливании алмаза — сопротивление!
значительному деформированию (на уровне предела прочности) н т. д. В
^^1^)оценка прочности металла I
Наибольшее применение в строительной практике имеет прибор!
Польди (рис. 9) ударного действия; прн этом твердость материале
определяется по Бринеллю. ж
Наконечником прибора является шарик 2 диаметром 10 jwjk, из!
твердой закаленной стали, дающий прн ударе отпечаток одновре!
Рис. 9. Схема прибора
Польди:
/ — исследуемый материал:
2 - стальной шарик; 3 —
эталонный брусок; 4 -
ударный стержень; 5 —
обойма прибора
Рис. 10. Отпечатки, полу-
чаемые с помощью прибора
Польди:
/ — исследуемый материал; 2 —
стальной шарик; 3 — эталон*
ный брусок; d - диаметр от-
печатка на поверхности иссле-
дуемого материала; </9Г-то
же, па эталонном бруске
30
3 менно на исследуемом металле 1 н на стальном эталонном бруске 3,
твердость которого HBW должна быть заранее определена. Для по-
। лучения отпечатков ударяют молотком по верхнему торцу стержня 4,
Обозначим диаметр отпечатка (вмятины) на исследуемом ме-
)| талле через d н диаметр отпечатка на эталонном бруске через dn
j (рнс. 10). Если Р** диаметр шарика 2, а Р —сила, действовавшая
л на шарик, то твердость НВ исследуемого металла по Бринеллю
। определится нз соотношения
1 D — VD2 —«Рат
г НВ = г (1)
п Нахождение НВ н определение прочности w Mqpgff металлу про-
* изводится с помощью соответствующих таблиц. Для термически
’ обработанных леГированныхсталей по сравнению с углеродистой
1 сталью вводится поправочный коэффициент.
а С помощью прибора Польди можно получать, однако, лишь
ориентировочные характеристики. Но н с учетом этого ограничения
применение прибора практически полезно, в особенности в следую-
щих случаях:
для ускоренной проверки однородности материала в различных
. элементах освидетельствуемых конструкций;
to при отбраковке (проверке марок металла) поступающих заго-
4 товок.
1 V7 Оценка прочности бетона
* При суждении о прочности бетона по твердостями характери-
стикам его поверхностного слоя приходится учитывать следующие
факторы, усложняющие эту оценкуГ
^^КВЪШой разброс результатов испытаний на <твердость>, обус-
ловленный неоднородностью структуры бетона. Для получения
усредненных данных необходимо увеличить число проверяемых на
йоверхйости точек н статистически обработать результаты нспы-
г таннй;
возможная карбонизация поверхностного слоя, повышающая по-
казатели твердости; увлажнение поверхности/снижающее эти по-
казателя;
возможность расхождения прочностных характеристик на по-
верхности н в глубине массивных блоков (что. может быть прове-
1 рено, например, контрольным бурением с выемкой образцов с раз-
। йай^г^бинц^ а также рассмотренными далее неразрушающнмй
! Способами).
Но необходимость в простых, доступных для массового приме-
нения способов оценки качества бетона настолько настоятельна, что,
несмотря на указанные затруднения, для суждения о прочности бе-
тона по механическим характеристикам его поверхностного слоя
предложен целый ряд приборов и приспособлений. Краткий обзор
практически наиболее оправдавших себя и методически интересных
приемов приводится ниже.
<31
Оценка прочности бетона но ударному отпечатку на его поверх-
ности. Эталонный молоток К. П. Кашкарова схематически показан
на рис. 11. Принцип его действия аналогичен рассмотренному выше
прибору Польдн, с той разницей, что удар наносится взмахом са-
мого эталонного молотка.
А-А
Рис. 11. Схема молотка К- П. Кашкарова:
/ — головка; 2 — рукоятка; 8 — эталонный стержень
стальной шарии; 5 — стакан; 6 — торец стержня 3; 7 —испы-
туемый материал
• ял
Прн ударе боек (стальной шарнк диаметром 15 мм) оставляет!^
иа поверхности исследуемого бетона вмятину диаметром dct а н*1*1
эталонном стержне (круглого сечения нз Ст. 3 диаметром 10 мм) — М
отпечаток диаметром йэт. Для десяти ударов, нанесенных по прове-|Д
ряемому элементу с удаленными штукатурными и окрасочными!;!
слоями, определяется усредненное отношение d^d^ прочность б&Ш
тона оценивается по корреляционной зависимости между d^/dn И]Ч
пределом прочности бетона на сжатие, устанавливаемой эксперв-1М
ментально. При этом должны учитываться: конкретные условия нз<^
готовлеиия конструкции и твердения бетойз; сроки испытаний; ше-j
роховатость, влажность и другие особенности состояния поверхностей
конструкции и т. п. Для эксплуатируемых сооружений указанная
зависимость должна быть уточиеиз иа образцах, высверленных из
соответствующих элементов.
Эталонный молоток рекомендуется для рззиых операций: оцен-
ки отпускной прочности бетонных изделий из заводах железобетон--
ных конструкций, прочности бетона при передаче напряжения ар-^
матуры иа бетой в предварительно напряженных железобетонных
конструкциях, коэффициента изменчивости прочности бетона в из-1
делиях и конструкциях (что особенно существенно при освидетелй
ствованиях сооружений) и т. д. ?
Одним из наиболее простых приспособлений для сравнительной оценки проч-
ности бетона является молоток И. А. Физделя. Ударная часть этого стального^
молотка весом 250 г заканчивается ввальцованным шариком из твердой сталям
32 I
h
□делю вращающимся в гиеэде. По диаметру отпечатков, полученных прн ударе,
Определяют прочность бетона по эмпирическому графику. Результаты, несмотря
Йва нж ориентировочность, все же полезны в производственных условиях. Поль-
зование молотком прн некотором навыке не вызывает затруднений.
Из приборов более сложной-- конструкции, предназначенных для получения
ударных отпечатков на поверхности бетона, следует отметить прибор
СоюздорНИИ (Е. Е. Гнбшмана и В. Г. Донченко), аналогичный по принципу
действия рассмотренному выше ударнику Польди для металла, прибор
А. М. Гуобера, ударяющий по увлажненной поверхности бетона кромкой сталь-
нота диска и др. * Сколько-нибудь широкого применения эти приборы не полу-
чили.
В ГДР серийно выпускается и тестирован (ДИН-424а) прибор с пружиной,
передающей прн спуске удар заданной силы на шариковый наконечник, остав-
ляющий отпечаток на бетоне.
Оценка прочности бетона но упругому отскоку бойка прн ударе. Приборы
этого типа применяются, главным образом, за рубежом, в том числе, в странах
народной демократии. Из их числа наиболее известен прибор Шмидта (Швей-
цария).
В этих приборах, так же как в ударнике Шора для металла, о характеристи-
ках материала судят по величине отскока стального бойка (отскок фиксируется
указателем иа шкале), с той разницей, что удар наносится не непосредственно
по исследуемой поверхности бетона, а воспринимается наконечником прибора,
прижатого к конструкции. Этот промежуточный стальной элемент необходим,
поскольку величина отскока прн резкой разнице модулей упругости соударяемых
материалов становится трудно сопоставимой. Удар осуществляется спуском пру-
жины (а не свободным падением бойка, как у Шора), что позволяет испытывать
любым образом ориентированные поверхности. Прибор удобен в работе н дает
довольно четкие результаты.
Ударники Шмидта применяются у нас почти исключительно в транспортном
строительстве—при освидетельствовании железобетонных мостов. Несколько из-
вмененные конструкции прибора разработаны экспериментальным заводом
^ЦНИИСКа, в Киевском ИСИ и Вильнюсском политехническом шгституте. Пред-
ложен также прибор, действующий по принципу отскока падающего стального
-маятника.
Способ стрельбы является своеобразным вариантом динамических оценок
прочности материала.
В 1933 г. Б. Г. Скрамтаевым была предложена оценка качества бетона;по
----------------------- _’_в ием револьверной пулей. Выстрел из «Нагана?*
расстояния 6—8 м от конструкции перпендикулярно ее поверх-
я“‘---------------------_-----—- ------------ -т возможного рикошета. .Одон
а образовавшихся лунок определяется измерением или, что более точно, по объему
И
в ~
объему лунки,вь#биваемой
|прдйЗтедйеяпГрасстояийя' (
। ности с ограждением стреляющего от осколков н возможного' рикошета. .Объем
"образовавшихся лунок определяется измерением или, что более точно, по объему
расходуемой из заполиеине выбоин. Разброс получаемых результатов
*~былГ,"бДнако,' значительным. .
q Дальнейшим развитием метода было предложенное несколько позднее
Ф. Поляковым специально закоиструироваииое. ружье с подставкой, прнстав-
" ляемой к поверхности элемента. При выстреле в бетон вонзался стальной удар-
’ ник, глубина погружения которого и «служила показателем прочности материала.
Ввиду успешного развития иеразрушающих методов контроля дальнейшие
। работы в данном направлении были оставлены, а способ стрельбы нашел прак-
. тическое применение в деревянных конструкциях.
г Оценка прочности бетона но отпечатку прн статическом воздействии. Из чис-
f ла предложений, основанных иа статическом принципе, отметим как наиболее
I характерное устройство для вдавливания штампов, разработанное Г. К. Хайду-
I, ковым, А. И. Годер н Д. М. Рачевским. В зависимости от марки бетона берутся
. штампы, раднусоы 24. 14 и 10 см ц гидравлическим домкратом создается усилие
1600,-^000 и 2200 кГ соответственно. Конец стального норш'ня домкрата^ служа-
; щнй^штампом, обработан по сфернчебкбй поверхности заданного диаметра. Для
* Описание н схематические чертежи как этих, так и других, далее перечис-
I ляемых приборов, имеются в рекомендуемых литературных источниках (см. снос-
i куна стр. 28).
i 2—3108
33
замера отпечатка на бетоне подлоршкем укладывают по листу белой р копиро-
вальной бумаги. Для крепления всего устройства на исследуемом элементе н
создания упора для домкрата служат стальные захваты в виде массивных скоб.
Существенным преимуществом штампов большого диаметра является пере-
дача усилия более значительному объему материала, что позволяет судить
о совместной работе всех компонентов бетона. Другие же рассмотренные ранее
приборы (с иакоиечиикамн небольших размеров) дают в основном представле-
ние о характеристиках раствора между крупными включениями.
К недостаткам установки следует отнести сравнительно большой ее вес#
а также возникающие в отдельных случаях трудности закрепления, ограничи-
вающие ее примеиениргч
{4-3^ Оценка прочности древесины
Метод ударных отпечатков (А. X. Певцова). О прочности древе-
сины судят по диаметру отпечатка (вмятины), появляющегося иа
гладко оструганной поверхности исследуемого элемента при паде-
нии стального шарика диаметром 25 мм с высоты 50 см со специаль-
ной подставки. Для проб на вертикальных и наклонных гранях при-
меняется спуск горизонтально оттянутого шарика (рис. 12), скреп-
ленного нитью длиной 50 см.
Рис. 12. Испытание ударом
шарнка по вертикальной по-
верхности Деревянного эле-
мента:
I — испытуемый элемент: 2 —нлтя-
«рая иг(п< Д—стальной шарик*
’ — положение того же шарика в
момент удара
Диаметры отпечатка фикси-
руются с помощью -белой в копи-
ровальной бумаги, помещенной
на исследуемую поверхность i
месте удара. Для перехода от
диаметра отпечатка к прочносп
материала пользуются эксперт
ментальными кривыми, построен-
ными для разных сортов древе-
сины. Для учета влияния влаж-
ности вводится поправочный
коэффициент.
Способ стрельбы предложе!
для древесины К. П. Кашкаро-
вым. В испытуемый деревянный
элемент стреляют из мелкокали-
берной винтовки, закрепленной 1
легком переносном станке. Рас
стояние от конца винтовочного
ствола до поверхности древесины
принимается равным 10 см. На*
правление простреливания — нор
мальное к годовым слоям. Глуби1
ia погружения пули определяется электрозондом. От среднеариф
jc™4e,;koro глубин погружений при нескольких выстрелах пере
* т к пР°чяости на сжатие вдоль волокон материала по графи-
постРоеп,1ым экспериментально для соответствующих сортов
•DCv IIПЫ «
едовап|,я* проведенные автором метода, показали, что глу-
Прения пули практически не зависит от влажности про-
стреливаемых слоев.
34
I
I
I
I
<5
§ 5. Сравнительная оценка различных методов
исследования материалов
При освидетельствованиях сооружений нередко возникает необ-
ходимость в повторном определении характеристик материала как
для контроля к уточнения отдельных данных, так и для выяснения,
влияния времени и условий эксплуатации на эти характеристики.
При способе взятия образцов, связанном с нарушением сплош-
ности, возвращение к той же точке (а иногда и к тому же один раз
уже ослабленному элементу) является вообще исключенным. В ря-
де случаев вопрос о степени соответствия результатов испытаний
образцов фактическому поведению того же материала непосредст-
венно в сооружении остается открытым.
При способе оценок по механическим характеристикам поверх-
постного слоя новые замеры непосредственно вблизи тех же точек
' нежелательны, поскольку един раз приложенные силовые воздеп-
: ствия могут исказить результаты повторных испытаний. Точки для
новых замеров приходится выбирать на достаточном удалении от
: ранее принятых, что затрудняет возможность сопоставления и про-
। верок.
Все эти затруднения отпадают, если применять не разрушающие
методы оценки, которые имеют следующие преимущества:
возможность быстрого выполнения измерений в любом количе-
стве точек конструкций;
отсутствие необходимости в нарушениях сплошности, а также
; повреждениях (даже незначительных) поверхности проверяемого
• элемента;
возможность получения самых разнообразных данных о каче-
стве и состоянии материала — его физико-механических характе-
ристик; данных о нарушении сплошности и других местных дефек-
тах; о его составе и структуре; определение толщин при доступе
лишь с одной стороны и т. д.;
возможность неоднократного повторения всех измерений.
Следует отметить некоторые особенности неразрушающих ме-
тодов, усложняющие их. применение.
1. Неизбежность суждения об определяемых параметрах по
«косвенным» физическим показателям, как например, скорости рас-
пространения ультразвуковых волн в проверяемом материале, ин-
тенсивности поглощения ионизирующих излучений и т. п.
Для перехода от непосредственных данных измерений к число-
вым значениям, определяемого параметра требуется, естественно, •
знать существующую между ними зависимость, носящую обычно не
функциональный, а корреляционный характер. Правильный выбор
соответствующих условиям эксперимента корреляционных кривых
• является при этом одним из основных факторов, влияющих на до-
стоверность получаемых результатов.
Следует отметить, что по существу способ определения прочности бетона и
1 древесины (имеющих, неоднородную структуру) по механическим характеристи-
кам поверхностного слоя также носит корреляционный характер. Задача в дан-
2* 36
вок случае облегчается лишь тем, что и определяемый параметр (прочность), ня
намеряемые пожаэатели (сопротивление пластическим или упругим деформа-1
пням) являются блиекими по свое* природе «механическим» свойствам мате-1
риала. I
2. Применение неразрушающнх. методов контроля требует соот-1
ветствующей, часто довольно сложной аппаратуры. Дл&фаботы с л
таким оборудованием н приборами/ н в особенности для их прове-1
*рек, необходимо наличие специально подготовленного квалифиця-1
рованного персонала. I
Несмотря на указанные затруднения, преимущества неразру-1
шающих методов настолько бесспорны, что внедрение нх в практику I
. строительства (как при освидетельствованиях, так и при самом про* I.
нзводственном процессе) принимает в настоящее время все более I 1
широкие размеры. , I®1
I
h
I
r
L
ГЛАВА HI
। НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ
t:
('• В настоящее время неразрушающие методы широко исполь-
зуются как для контроля, так и для обеспечения технологического
процесса в целом ряде отраслей народного хозяйства: металлургии,
машиностроении, химической промышленности и т. п. В соединении
с быстродействующими вычислительными устройствами примене-
ние неразрушающих методов дает возможность перейти к полной
автоматизации производства с обеспечением необходимого соблю-
: дения качества продукции.
; В строительном деле неразрушающие методы применяются,
I главным образом, для контроля при сварке металлоконструкций,
। прн изготовлении железобетонных деталей и элементов и т. д. Во
все возрастающем масштабе неразрушающие методы контроля
применяются и при освидетельствовании сооружений.
Неразрушающие методы являются весьма перспективными для
контроля на поточных линиях на заводах строительных конструк-
ций (в первую очередь железобетонных) ие только для выявления
уже допущенных дефектов и отступлений от требований ТУ, ио,
прежде всего, для предупреждения самой возможности таких на-
рушений.
По физическим принципам неразрушающих исследований раз-
личают следующие основные методы:
акустические (ультразвуковые и более низких частот);
при помощи ионизирующих излучений (рентгеновские, радио-
изотопные и др.);
магнитные, электромагнитные и электрические;
при помощи проникающих сред (жидких и газообразных) и т. д.
§ 1. Акустические методы
Акустические методы основаны на возбуждении упругих же-
дшшческпх колебаний.По параметрам, этих колебаний н условиям
их* распространениясудят о фнзико-механическмх характеристи-
ках и состоянии исследуемого материала.
В зависимости от частоты, колебаний акусдашские- методы де-
л^тся.ма улмсразвуковые ^прм частотах от 20 тыс. гц и выше) к
методы» основанные На~Й£ррльзоваиии колебаний звуковой (от 20
до 20 тыс. гц) и инфразвуковой (до 20 гц) частот.
.. *
•
1-1. Ультразвуковые методы
Возбуждение и прием колебаний. ,Для -возбуждения ультра-
звуковых .волн на^юверхность,исследу£Мргр материала устаЦавлм-
пяуг переменного электрического тока в механм-
’чёски^вддзб.задя. Чаще всего применяются преобразователи, дей-
ствующие по принципу пьезоэффекта. При этом для возбуждение
колебаний используется так называемый «обратный;», а в преобра-
зователях для приема колебаний —«прямой» льезоэффект .
Поскольку воздушные прослойки препятствуют передаче и при-
ему’ ультразвуковых колебаний, между преобразователями в
исследуемым материалом наносят контактирующую среду, длх
^металла применяют обычно минеральное масло; для бетона йТфу-
Тэдх "материалов р неровной поверхностью необходимы смазкн!5олее
густой консистенции— солидол, технический вазелин, эпоксидные
смолы и т. д.
Условия прохождения ультразвуковых волн. Ультразвуковые
колебания могут быть введены в исследуемую среду узким на-
правленным пучком «лучом» с малым углом расхождения. Коле
баиня частиц происходят при этом лишь в локализованном объеме
материала, ограниченного контурами пучка, исследуемый же
элемент в целом остается неподвижным. Эта возможность прозву
чиваиия материала в заданных направлениях является весьма су-
щественном при проведении ’Исследований.
Ультразвуковые волны, переходя из одной среды <в Другую
преломляются, а также отражаются от граней, разделяющих эн
среды, что используется для определения их положения прн данном
методе контроля. В воздушных прослойках ультразвуковые коле-
бания затухают почти полностью, что позволяет выявлять и иссле-
довать скрытые внутренние дефекты: трещины, расслоения, пусто-
ты и т. д.
Различают продольные н поперечные волны. В первом случае
частицы материала колеблются по направлению ультразвукового
луча, а во втором — перпендикулярно к нему. Используют также
поверхностные волны (как продольные, так и поперечные), рас-
пространяющиеся лишь в поверхностном слое материала и позво-
ляющие, например в металле, обнаруживать самые мелкие поверх-
ностные повреждения. Спорость распространения вдлн (своя длх
каждого из указанных видов) является одним из основных пока-
зателей прн оценке физнко-механнческпх характеристик я состоя-
ний бетона, древесины и других материалов с переменной плот-
ностью и влажностью.
- лек! ри'ич’кпя 1н».’Я|»1н.инв| пингрхпостсй кристалла в результате его Ж*
формации и.।юв.кчо! нэямым • цы- :<',ффскгом, .1 деформация кристалла, М»
жанная 1:.мяр1ьлииеп. • ибраишм •• |;ы-ю>ффект<»м. Ультразвуковые колобами
ь.игуг Tai.Av киКджхньея ли»снин.чтрикцисн (деформации при иамагничиваияЙ
Н другим;; скрс.-б.чми. г
38
г
и наклонным;
Рис. 13. Способы лроэвучпванпя:
a — скпозпое проэвучнвавве нормально к
поверхности элемента; б — диагональное
проэвучввавве; в — эхо-метод; / — ироэву-
чвваемый элемент; 2 — излучающая пьезо*
электрическая пластинка; 3 —пьезопла-
стивка, воспринимающая колебания; 4 -
призма из оргстекла; 5 — иавоавлеине
прозвучиваиия; 6 - выявляемый дефект:
7 — теневая вона
Способы прозвучиваиия. По направлению ультразвуковых воли
различают два основных приема прозвучиваиия:
сквозное, когда излучатель, возбуждающий колебания, и при-
* емник, воспринимающий их, расположены с противоположных
з сторон исследуемого объекта (рис. 13, о, б); направление ультра-
звукового луча по отношению к поверхности материала может при
-’"этом быть как нормальным, так
с использованием отраже-
ния, или «эхо-метод», когда
излучатель и приемник распо-
н лагают иа одной и тон же сто-
J роне (рис. 13, о), что особенно
^существенно п-ри возможности
0(1 лишь одностороннего доступа
й’к объекту. Кроме того, эхо-ме-
тод. удобен для использования
тие двух, а одного приемо-псре-
кдающего преобразователя, ко-
^торый 'последовательно посы-
*лает упругие волны п сам же
’принимает их отражения.
ЗВ" FT
По характеру излучения
необходимо отметить:
метод непрерывного излу-
чения с подачей к излучателю
^колебаний переменного тока
"“постоянной частоты; по такому
^принципу были разработаны
г первые дефектоскопы (С. Я.Со-
п'колов, 1928 г.) для выявления
дефектов в материале по иа-
^личню звуковой тени (рис.
Р13. в);
импульсный метод, цолу-
^чивйтгй сейчас самое широкое
^применение как наиболее эф-
f фиктивны? при исследованиях
бетона, прн дефектоскопии
* свМрных швов металлоконст-
"рукцнй н др. В этом случае к
преобразователю через опре-
деленные, достаточно мадые,
иромежуууи напри-
мер 25 илцJ?0 раз р..ксек4 цр-
1 даются^ордткне серйи («пакеты») колебаний высокой частоты,
г Регистрация ультразвуковых колебаний производится с помо-
щью специальной аппаратуры, подробно рассмотренной в учебных
руководствах и других источниках, перечисленных в списке реко-
зэ
мендуемой литературы. Наиболее распространенной является пере*
дача электрических колебаний от приемного преобразователя через
усилитель на экран электроннолучевой трубки катодного осцилло-
графа. С большой точностью ори этом могут быть определены
скорость прохождения ультразвуковых колебаний через исследуе-
мый материал, интенсивность их затухания, а также другие показа-
тели, использшше прн оценке результатов измерений.
й-2J Применение ультразвуковых* методов
Отметим несколько наиболее характерных примеров.
Определение динамического модуля упругости. Скорость рас-
пространения упругих колебаний v связана с динамическим моду-
лем упругости £дан и плотностью р проверяемого материала соот-
ношением
(21
?
r р
справедливым для случая продольных колебаний в стержне (од-
номерная задача).
Определив экспериментально скорость распространения волны
колебаний в элементе, длина которого велика по сравнению'с его
поперечными размерами, находим £дин=и2р, если плотность ма-
териала известна.
В массивных и плитных конструкциях, т. е. для случаев трехмерной (про-
странственной) и двухмерной задач, а также для поперечных колебаний завмаг
мость между £хки и о определяется более сложными соотношениями, в поте-
рне, кроме р, входит также и коэффициент Пуассона р рассматриваемого ма-
териала.
Для одновременного нахождения всех трех параметров (£д»ж, р и р) необ-
ходимо сопоставление, но крайней мере, трех экспериментов по определеяио к
нроизведеиных в разных условиях: с применением продольных и поперечив
колебаний и в конструкциях разной размерности — пространственных, питой
и стержневых
Определение толщины при одностороннем доступе» В серийно
выпускаемых для этой используется иеяре*
рывнор излучение продольных ультразвуковых утр регулируемо!
частоты. На рис. 14 пунктйройГПбкйзаи'график распространен*!
. колебаний (условно отложенных
не вдоль> а поперек направлен*!
—J луча) по толщине стейки. Дрйл*
! до противогщложаой ее гр*81*
I волна отражается_И ДДет в обрат-
нбкгдал^авлевии. Если проверяе-
мой размер h точно равенг длим
1 - исследуемая деталь; пьезомемеит; ПЛОТНО^ СреДОЙГ, ТО~ ПРЯЙЫСУ
те*!?**”**?.. амплитуды прямо* и СОВХХЯДаЮТ
©оратиоа «стояче*» волны; Ь—тоякшва «
детми Амплитуды колебаний само*
40 -------
*
цойувоэцщДили кратен' этой в*
пьезопластинкн при этом резко возрастают (явление резонанса),
что сопровождается соответствующим увеличением разности по-
тенциалов на- ее поверхностях.
Замерив соответствующую резонансную частоту f и зная ско-
рость v распространения волн по длине 2h (суммарный ход пря-
мого н отраженного лучей), находим проверяемую толщину по фор-
муле
A=i V
Для стали скорость продольных ультразвуковых волн практи-
чески постоянна (о = 5,7*105 см/сек), что дает возможность, меняя
частоту в пределах от 20 до 100 тыс. гц, надежно измерять толщи-
ны стенок от долей миллиметра до нескольких сантиметров.
Определение глубины трещин в бетоне. Излучающий и прием-
• ный преобразователи А и В располагаем симметрично относитель-
но краев трещины, на расстоянии а друг от друга (рис. 15).
I Колебания, возбужденные в А, придут в В по кратчайшему пути
ДСВ=У4й2+а2, где h — глубина трещины. При скорости v на это
1 потребуется время
<
чопределяемое экспериментально.
Глубину трещины находим из соотношения
‘Ч/'МТг. и
, где скорость v определяется обычно па неповрежденных участках
поверхности.
По указанному методу могут быть исследованы трещины глу-
биной до нескольких метров.
Рис. 15. Определение глубины поверхностной тре-
щины в бетоне:
t — бетонный массив*. 2 — трещина; А — излучающий к
В — приемный преобразователи
41
Следует однако иметь в виду следующее: значения о на поверх-
ности н в глубине массива могут несколько отличаться; длина
пути АСВ немного возрастет в случае невертикальиости трещины
и, наоборот, может существенно уменьшиться при наличии1 в тре-
щине воды, являющейся хорошим проводником ультразвуковых
волн. В ответственных случаих следует поэтому данные, получен-
ные для глубоких трещин, проверять рассмотренным контрольным
бурением (см. рис. 6).
Отметим также другие, практически наиболее важные облаете
применений ультразвуковых методой.
В бетонных п железобетонных конструкциях:
определение прочности бетона (ГОСТ 17624—72) по корреля-
ционным зависимостям между скоростью распространения ультра-
звуковых воли и прочностью бетона на сжатие, устанавливаем!»
путем параллельных ультразвуковых -и прочностных испытаний
образцов бетона заданного состава и режима изготовления (лрм
контроле вновь (изготовляемых конструкций к деталей) или образ-
цов, извлеченных из возведенных сооружений. В случае иепозмож-
иоста выемки образцов из уже эксплуатируемых конструкций
ориентировочное определение прочности бетона возможно по ре*
комендуемой в ГОСТ 17624—72 зависимости;
контроль однородности бетона в сооружениях;
выявление и исследование дефектов в бетоне сквозным про*
звучиванием (возможным и при значительных толщинах бетона —
до 10 м н более) и путем измерений иа поверхности конструкций;
о наличии и характере дефектов и повреждений судят при этом ж
изменениям скорости прохождения ультразвукоиых волн п преде-
лах отдельных участков поверхности (так называемый метод го-
дографа, т. е. графика скоростей);
определение толщины верхнего ослабленного слоя бетона, рас*
положения слоев разной плотности и т. -п.
Наличие арматуры в железобетонных конструкциях не мешает
применению ультразвуковых методов, если направление прозе?
чиваиия не пересекает арматурные стержни и не совпадает сейма
В металлических конструкциях:
импульсная дефектоскопия швов сварных соединений в сталь
пых и алюминиевых конструкциях (ГОСТ 14782—69);
дефектоскопия основного материала;
толщинометрия; определение толщин защитных металлически
покрытий; выявление ослабления сечений коррозией.
В дереаянных конструкциях и конструкциях с примепеиж*
пластмасс:
проверка физико-механических характеристик, проверка каме
ства и дефектоскопия основного материала;
дефектоскопия клееных соединений и стыков.
Дополнительно следует отметить, что ультразвуковая дефектооооижя метал!
и^25,°^??имеаяегся в ^«аюрпюм строительстве при укладке рельсовых
»яюялувташюнных условиях для выявления дефектов в рельсах я стыках вся
эуются специальными вагопамя-дефеятоскопами н друпгми подвижные
42
^устройствами, в конструировании и применении которых СССР занимает веду
|цщее место.
ta Из других направлений применения ультразвука перспективен предложен*
Тиый (Ю. А. Ннлендером, Г. Я. Почтовиком и др.) метод определения напря*
Жжений в материале с помощью поляризованных ультразвуковых волн. Эффек*
°Итнвно используется также структурный анализ материала без выемкн образцов,
У>что в отдельных случаях может быть с успехом применено также п при освнде-
^тельствованнях сооружений.
tat 1-3. Другие акустические методы
Помимо рассмотренных выше акустических методов, приме-
роняются и другие приемы акустических испытаний с использовани-
JLeit как ультразвуковых, так и колебаний более низких частот.
Метод волны удара основан на изменении скорости распрост-
ри- ранения единичных импульсов, возбуждаемых ударом легкого мо-
^логка нли специальными приспособлениями, например электрнче-
fojCKoro действия, для нанесения небольших ударов заданной силы.
яаДля приема и регистрации сигналов может быть использована та
№|же аппаратура, что и при ультразвуковом импульсном методе.
D t. Этот метод используется для контроля асфальтового и цемент-
'ного бетонов в дорожных и аэродромных покрытиях и может быть
применен также для испытания длинномерных (до 30 .«) бетон-
прных и железобетонных элементов.
на Метод «бегущей волны». При этом
кцЕоригинальном методе к регистрирую-
ж тему прибору, помимо сигналов, вос-
ре;приннмаемых приемным преобразова-
д делем, подводятся также сигналы гене-
ратора, возбуждающего непрерывные
р;колебания. В результате сложения
этих сигналов на экране электронно-
-лучевой трубки появляются характер-
ов ные изображения фигур Лнссажу. Ме-
1Н1няя частоту (в пределах ультразвуко-
вого и звукового диапазонов), а также
шположение и тип приемных преобра-
зователей, можно наблюдать изобра-
жения, соответствующие продольным,
^поперечным н поверхностным волнам,
н по ннм оценивать характеристики
материала на разной глубине его за-
“’легания.
Рассматриваемый метод полезен
при сооружении дорожных и аэро-
дромных покрытий для получения
быстрой и надежной информации о хо-
гмде технологического процесса и может
ртгакже быть положен в основу авто-
“матического управления.
Рис. 16. Испытание образцов
бетона резонансным методом:
а — возбуждение продольных н б
и в — нзгибных колебаний; / —
испытуемый образеп: 2 —пьезоп^е-
обраэователи
43
44
Внбрацяонаый метод (с использованием колебаний
частоты) применяется при испытаниях образцов бетона (рис. 16),
О характеристиках материала судят ло частотам, с
вующим резкому увеличению измеряемых амплитуд при наступле-
нии явления резонансе (откуда следует другое наименование ме-
тода— «резонансный»). Подробнее вопрос о вибрационных испы-
таниях рассматривается в четвертом разделе данного курса.'
§ 2. Ионизирующие излучения
Неразрушаюкций контроль с помощью «ионизирующих излуче-
ний аффективно используют во всех областях народного хозяй-
ства.
В настоящее время в строительстве широко применяют конт-
роль (mwTTggoBPKpMiii-g гя мм я-излучениями для оценки физИЖО-
механических характеристик материалов ^ качества конструкций
При определении влажноста.материала оказывается целесообраз-
ным использование потока нейтронов. *
’ "Преимуществом применения ионизирующих «излучений являет-
ся возможность быстрого и четкого получения определяемых ха-
рактеристик. Работа с соответствующей аппаратурой хотя ж ш
сложна, ио требует наличия подготовленного для этой цели мер
совала. Необходимо также тщательное соблюдений требовали!
техники безопасности во избежание вредного влияния ионизирую-
щих излучений на организм человека.
2-1. Применение рентгеновского и гамма-излучений
Отметим наиболее важные направления.
В металлических конструкциях:
1) дефектоскопия сварных соединений (по ГОСТ 7512—69). Hi
рис. 17 схематически показано просвечивание сварного шва. Йаж
। 1 1 1 L яае^и положение уефекп
выявляется нАЛОлучаемо*
"фотоснимке пр. бо^ее затег|
J венному^ участку, воспроиз-
водящему очертания отме-
чаемого дефекта. О велмчв
^Не ещ.в направлении пр*
свечнвания .0Ц1ЯТ>. сравве
вая интенсивность' 1мазвЖ
ного им.затемненйя с затем-
доамэд. соответствуют**
пропилам разной глуб
на* эталоне чувствительное^*
(рис. 17, б) из аналоги*»*
го материала, проектируй
мого на тот же снимок.
Глубина раслолрж
дефекта выявляется с
Рис. 17. Выявление дефекта в сварном шве:
•—схим проетямат; б—эталон чувств*
гыыюсгн (дефектометр); I — яопмруюшма но>
т; 2 — иаолааленны* метам шм; 5 - осямноа
этом; 4- дефакт; б — фотоомака; б—эталон
еуастааталыюсти
У**ннем источника излучения параллельно фотопластинке. Схема оп-
1С* К ределения положения дефекта незначительной толщины показана
на рис. 18. При этом расстояние к от дефекта до (поверхности сиим-
ка определяется из соотношения
CF
Иц х = ———,
>. с +с
где с, с' и F — размеры, показанные на рис. 18.
(6)
При дефектах одинакового размера и формы интенсивность потемнения
будет наибольшей при совпадении направления дефекта с направлением просве-
Му чнвания (рис. 19, поз. 2). При расположении дефекта под некоторым углом
Хоц (рнс. 19, поз. 2') излучения будут пересекать его по меньшему протяжению.
Минимальная длина пересечения, а следовательно, и наименьшая интенсивность
потемнения соответствует ориентировке дефекта перпендикулярно направлению
*** просвечивания (рис. 19, поз. 2"). Дефекты незначительной толщины могут при
ИЗЮ этом остаться и необнаруженными. Отсюда следует важный вывод, что прн
узд применении ионизирующих излучений могут быть пропущены серьезные дефек-
Обф ты, но с малым раскрытием в направлении просвечивания (например, расслое*
нпя металла). Во избежание этого, просвечивание следует производить по двум
несовпадающим направлениям.
влж
W Рис. 18. Определение глубины располо-
m жения дефекта:
J — просвечиваемый элемент: 2 — дефект: 3 -
фотопленка; 4 л 4' - источник излучения в
Щ двух позициях; 5 и У - затемненные участки
н фотопленки*, с —смещение источника лзлуче-
® кия; v' — смещение центра заснятого изобра-
В2 Дчепня; F — фокусное расстояние; х — рас-
стояние от фотопленки до горизонтальной оси
* дефекта
4
Рис. 19. К влиянию ориентации де*
фекта:
/ — просвечиваемый элемент; 2—2х —2^ —
различные ориентации дефекта; 3 — истое*
инки излучения; 4 — направления просве-
чивания
к В то же время, именно перпендикулярные к заданному направлению де*
* фекты наиболее четко улавливаются ультразвуковыми методами, поскольку
* даже самые незначительные воздушные прослойки почти полностью гасят волны
D ультразвуковых колебаний. Оба метода контроля — ультразвуковой и с помощью
и ионизирующих излучений, таким образом, дополняют друг друга;
’ 2) определение напряженного состояния металла. Зная длину волны моно-
хроматического рентгеновского излучения и угол падения его иа поверхность
t проверяемой детали, можно на основании замеров на соответствующих рентгено*
। граммах вычислить основной параметр кристаллической структуры исследуемого
45
материала—расстояние между цеятрамя атомов в его кристаллической решет-
ке. Сопоставляя полученное значение с величиной того же параметра в нена-
пряженном состоянии, можно определить упругую деформацию материала.
Таким образом может быть выделена (что без нарушения сплошности не-
осуществимо другими методами) упругая составляющая деформированного
состояния металла: в сварных швах после их остывания, в зонах резких пере-
падов напряжений, в деталях, обработанных давлением, например гнутых про-
филях, и т. д. Измерения при этом производятся (что также очень существенно)
на весьма малых участках поверхности (порядка десятых кв. миллиметров).
Однако рассматриваемый метод требует применения сложной аппаратуры и
большой тщательности всех измерений. В то же время, напряжения могут быть
оценены лишь со сравнительно незначительной точностью (для стали—порядка
100—200 кПслР).
разработки по усовершенствованию рентгеноскопического ме-
тода определения напряжений продолжаются.
В бетоне н железобетоне:
1) отшделение объемной массы (плотности) как уплотненной
^тонной смёЮ, так и/бетряа' и изделиях и конструкциях цдрнзво-
дят ~путей "Измерения ослабления или рассеивания потока гамйа-
нзду^йГв бетоне (ГОСТ 17623—72).
На рис.‘^схематически показано проведение соответствующих
измерений. Ъ бетонную ^сьпАгружяют зонды «раэличней^формы,
при пг»м™д.и ПОСЛОЙНО
(рис: 20, а), или усреднение для всей высоты контролируемого
слоя (рис. 20, бив). Возможно также применение преобразовать
ля поверхностного типа (рис. 20, г),рЖ4ст рисующего рассеян-
ное излуЧйНйе-и не -требующего погружения- в -толщу бетонной
смеси. _
Контроль бетонав аотояых изделиях и конструкциях толщиной
До ЗОО^иц-^меющнх параллельные храни» осуществляется просве-
TOBaHg^cjopiiuaMieHne^fi^paaHoft скобы '{рис. 20, д). При тол-
щвнебояеебООлии а, также при одностороннем доступе к конструк-
ции используется метод регистрации рассеянного излучения ц
(дос. 20, е). В массивных конструкциях возможно также примене-
ние зондов по схемам (рис. 20, б), опускаемых в специально про-
буренные отверстия.
Измерения должны производиться на расстоянии не менее
100 мм от края конструкции ялн формы (для бетонной смеси) в
от арматуры диаметром от 8 мм.
Значения плотности берутся поткала регистрирующего прибо-
рапроградуированной в единицах Илотности;
*^2у5сонтроль однородности н^е$^госкопию бетона производят
сопоставлением результатов просвечивания в различных участках 5
и точках конструкции. Отдельные дефектные участки) целесообраз-
ио фиксировать на снимках. Для отчетливого выявления трещин
просвечивание следует вести под углом не более 5е к их направле-
нию;
3) определение положения и диаметра арматуры и толщины за-
щитного слоя бетона (ГОСТ 17625—72). Схема просвечивания
показана на рис. 21. Диаметр арматуры d и толщина защитного
слоя бетона Ь определяются из выражений:
46
3
Рис. 20. Определение плотности бетона и
бетонной смеси:
а — зонд «пилка»; б — Г-образный зонд; • —
Т-образный зонд; е — использование рассеянного
излучения; д - П-образная скоба; / — источник
излучения; 2 - приемник излучения; 3 —проводка
к регистрирующему прибору; 4 — пучок излуче-
ний; 5 - рассеивание излучения; 6 - аащитиыЙ
экран: 7 —бетонная смесь; 8 —бетонная смесь
или бетон (в изделиях и конструкциях); Й — бе-
тонный элемент; 10 - металлическая скоба
d = d'
с
(7)
Ь==С_?______А
€ + </ 2
где размеры с, с', н F показаны иа,рис. 21.
Перспективным является
применение легких перенос-
ных бетатронов * (см. в спис-
ке литературы), обладаю-
щих высокой чувствитель-
ностью и большой прони-
кающей способностью излу-
чения.
Я
Рнс. 21. Определение диаметра армату*
ры н толщины защитного слоя бетона:
I - просвечиваемый бетонный элемент: 2 -
арматурный стержень; 3 — фотопленка, прн*
ложенкая к нижней поверхности элемента;
4 н 4' — положения источника излучения;
а — расстояние от центра стержня до ниж-
ней грани элемента; Ь — толщина защитного
слоя; с — перемещение источника излучения*
с' — сдвиг края проекции при перемещении
источника излучения из 4 в 4'; d - диаметр
стержня; d’ — проекция стержня на фотоплен-
ку; F - фокусное расстояние
2-2. Нейтронные излучения
Для просвечивания дета-
лей и конструкций применя-
ют переносные источники
нейтронных излучений. По-
скольку нейтроны, как элек-
трически нейтральные, не-
посредственно на фотоплен-
ку не действуют, пользуют-
ся следующими приемами:
1) прн «прямом» методе ря-
дом с фотопленкой помеща-
ют нейтроактнвнзирующий-
гя металлоэкраи. Проходя
через последний, нейтроны
возбуждают в нем поток
гамма-излучений, фиксируе-
мый на пленке; 2) прн «кос-
венном» методе облучению
нейтронами подвергается
металлический экран, который тотчас переносится в фотокассету,
где наведенное гамма-излучение облучает пленку. Этот способ дает
более четкие изображения. Применяются также и другие методы
регистрации.
Особенностью нейтронного потока является то, что как замед-
ление скорости нейтронов, так и их рассеяние тем значительнее,
чем легче атомы просвечиваемого материала.
Наиболее эффективным оказывается поэтому применение ней-
тронов для определения влажности материалов— бетона, древеси-
ны и т. д. (различая при этом атомы водорода как-свободной, так
п химически связанной воды); выявления в бетоне пор, заполнен-
* Бсгагроч — НСГ'.ЧПЧл O'lvHb Ж-.ММНО и мучения.
4Я
I
г ных водой, что почти совершенно не обнаруживается другими ме-
тодами; просвечивания пластмасс, в том числе, расположенных
за металлическими оболочками, кт. д.
। В сварных швах металлоконструкций нейтронными излучения-
ми выявляются ликвации (неоднородности химического состава
сплавов, возникающие при кристаллизации), не обнаруживаемые
: рентгеновскими и гамма-методамн.
; Разработка нейтронных методов испытаний продолжается.
i
§ 3. Магнитные, электрические и электромагнитные
методы
3-1. Дефектоскопия металла
Принцип действия. Сущность метода заключается в том, что
1 магнитный поток, проходящий в металле н пересекающий трещи-
ну или иной дефект, встречает большое магнитное сопротивление
в виде прослойки воздуха или пеферромагнитного включения, и
силовые линии, искривляясь, выходят на поверхность, что обуслов-
: ливает возникновение местных потоков рассеяния.
* На рис. 22, а показано такое искажение потока, выходящее за
: контур исследуемого элемента. Рассеивание будет тем значитель-
- нее, чем больше вызывающий его дефект. В одинаковых условиях
: наибольшим является влияние дефекта, ориентированного перпен-
' дикулярно к направлению силовых линий (рис. 22, б).
Рис. 22. Выявление дефектов по рассеиванию магнитного потока:
а — образование местного магнитного потока рассеивания у трещины; <'> —
влияние ориентировки дефекта; I — исследуемый элемент; 2 - трещина*.
3— силовые линии магнитного поля; 4—'местный магнитный поток рас*
свивания; 5 — дефект, ориентированный перпендикулярно магнитным си*
левым линиям; 6 — то же. параллельно нм
Намагничивание производится с помощью электромагнитов с
использованием индукционных токов, циркулярным -намагничива-
ннем (т. е. с пропуском тока непосредственно через исследуемый
элемент) ш т. д. Необходимость намагничивания в двух взаи-мио
перпендикулярных направлениях для выявления различным обра-
зом ориентированных дефектов отпадает при применении комбини-
49
кованного метода—с одновременным воздействием как постоян-
ного поля электромагнита, так в циркулярного поля переменного
тока, что обуславливает переменное направление намагничивания»
Выявление дефектов производится различными методами.
Порошковый метод является самым простым н наиболее доступ-
ным. Для этой ,целЙ**примеияют мелкоразмолотые ферромагнит-
ные порошки А^Д»^ыйсурик, окалину в т. до выбирая дает по-
рошка контрастным по'отношению к цвету предварительно зачи-
щенной проверяемой поверхности^Поррдюк наносится или сухим
(напылением), или в виде суспензии—водной (что предпочти-
тельнее при контроле строительных конструкций) или керосине-
{-ат/тг прием целесообразен при контроле смазанных
Мбюм деталей механизмов).
Над местами расположения дефектов порошок оседает в виде
хоръ^т rtrmwOTwj Четче всего выявляются поверхност-
ные дефекты. Неровности сварных швов не мешают выявлению
дефектов, ио затрудняют исследование .расположенных в глубине.
Так, например, в швах толщиной 10 jhjh удовлетворительно в виде
прямых линий выявляются непровары, расположенные на расстоя-
нии 2—4 мм от «поверхности и идущие вглубь на 3—5 мм.
Магнитографический метод широко применяется при контроле
фарных шяр? металлических трубопроводовГ" Намагничивание
йроизводится соленоидами, охватывающими или "всю трубу, или
часть*6ГПёр1Мйетралри больших диаметрах. Витки соленоида рас-
полагаются параллельно шву по обеим его сторонам. Для фнкса-
цин ддаеков'раеееиванш.на шов накладывается к£дгнитйпя~лентз,
^аналогичная применяемой в магнитной. звукоааписИд^но несколько
обльшей ширины. Использованные ленты размагничиваются и
хтаЕСбвятся"вно®ьпригодными к употр^лению. ~
Для расшифровки^ записи .используют звуковые индикаторы
или устройствд.для визуального наблюдения;Шшульсов на экране
электроннолучевой трубки д сопоставления нх с импульсами от
эталонированных дефектов. Имеются устройства, дающие и види-
мые ’изображения"выявленных дефектов.
Указанным методом может прпиядопиться силошиая проверка
^шврв. Для контроля наиболее серьезные из отмеченных дефектов
дополнительно просвечиваются ионизирующими излучениями.
Такое комбинированное использование разных методов оказыва-
ется весьма эффективным.
Применение магнитоскопов. В качестве примера на рис. 23 схе-
матически показан принцип действия одного из наиболее извест-
ных приборов такого типа — дефектоскопа К. X. Хренова и С. Т. На-
зарова. Сигналы о наличии дефекта в производственных условиях
5£е2?РазУК>тся. обмОЪ в'звуковы^, но могут, быть использованы
как показывающие, так и регистрирующие приборы (измерителя
тока или напряжения, осциллографы и т. я.).
Основным недостатком приборов рассматриваемого типа является довольно
значительная длина базы ях чувствительных элементов (в данном случае сердеч-
ника Я), что затрудняет уточнение границ и протяженности дефектов, поскольку
30
i
Ряс. 23. Схема дефектоскопа К. X. Хренова и С. Т. На*
К! зарова:
1 - электромагнит; 2 — искательная катушка: 3 — проводка к
сети переменного тока: — то же. к усилителю; 5—проверяе-
мый элемент; 6 — дефект
)С
К регистрируются усредненные данные по длине базы искателя. Эти затруднения
... в значительной степени устраняются прн пользовании феррозондами в виде
малогабаритных линейных сердечников сечением до 1—3 мм с катушками.
3-2. Толщииометрия
Я С помощью магнитных » электромагнитных приборов толщина элементов
из ферромагнитных металлов определяется с точностью до нескольких процен-
тов, требуя доступа лишь с одной стироны. При атом используется существую-
'• шая зависимость между регистрируемой величиной магнитного потока и тол-
2.- шиной исследуемого материала. Приборы такого типа просты п надежны в ра-
боте.
При доступе с двух сторон
“ магнитными и электромагнитными
> методами могут быть определены
толщины и неферромагиитных мл-
• терналов. что и используется для
. управления технологическим про-
* цессом на поточной линии. В каче-
ствс примера на рис. 24 приведена
схема магнитного толщиномера,
; где пара феррозондов 4 смонтпро-
. вана вместе с постоянным магни-
‘ том «? в <шупе» Z С другой сторо-
• ны элемента к нему прижат знало-
• гнчный же магнит. Положение маг-
Рис. 24. Схема магнитного толщиномера
для немагнитных материалов:
s нита в щупе регулируется так, что*
7 бы при заданной толщине стенкн
" ток от обоих феррозондов был ра-
вен нулю. Шкала измерительного
прибора 5 отградуирована на от-
‘ клонения от заданной толщины.
/ — проверяемый элемент; 2— «щуп»; 3 — по-
стоянные магниты; 4 — феррозонды; 5 —оегн-
стрнрующнй прибор. (Пунктиром показаны
магнитные силовые линии)
Магнитными н электромагнитными методами
быть измерены также толщины защитных покрытий
с большой точностью могут
на металлах.
51
8-3. Определение напряжений
Магнитные характервстякж ферромагнитных материалов меняются ври вэ>
мененин их напряженного состояния. На этой врннцкпе разработан ряд спосо-
бов в соответствующих приборов для определении напряжении.
Метод, основанный на возникновении магнитной анизотропии под действием
приложенных напряжений. Из числа приборов, работающих по данному прп*
ципу, следует отметить прибор конструкции Н. п. Максимова, схема* преобра-
зователя которого (три сердечника с пятью катушками) показам на рис. Ж
В центре сердечника расположена
питающая катушка 1, а по диатом*
лям его—две пары измерительных
катушек 2 и 3. Магнитный поток ав
средней катушки, попадая в исследуе-
мый материал, рассредоточивается, а
основном, по четырем иаправленвям.
При одинаковой магнитной цроннцае*
мости потоки будут равны, при нала*
чни же магнитной анизотропии—рав*
личны, что и измеряется прибором.
Измерительная схема построена
таким образом, что электродвижущая
сила катушек может определяться как
в каждой диагонали в отдельностц
так и по их разности и сумме. Прв
измерениях <на разность», поворача*
вая сердечник в плане, по экстрему
мам отсчетов выявляется направленна
главных напряжений в металле*. По
повторным измерениям при одинако-
вом положении сердечника можно
судить о постоянстве напряженного
состояния в данной точке или об его
изменении. При измерениях «по сум-
ме» можно' судить о величине глав-
ных напряжений.
Необходимо иметь в виду следу-
ющее:
магнитный поток, проходя в по-
верхностном слое металла, характери-
зует напряженное состояние лишь ва
поверхности элемента;
иа результаты измерений оказы-
вает значительное влияние начальная магнитная анизотропия металла;
прп последовательных нагрузках п разгрузках появляются петли магнитного
гистерезиса, не связанные с механическими напряжениями.
Другим перспективным направлением оц-зпкп напряженного состояния ме-
талла по его магнитным характеристикам является метод «магнитных меток».
Сущность его заключается в наведении внешним магнитным полем остаточной
намагниченности в отдельных локализованных зонах исследуемого металле.
При изменении напряженного состояния последнего меняется и намагниченность
этих «меток», являющихся, таким образом, своеобразными индикаторами меха-
нических напряжений.
Наведение и индикация намагниченности меток производятся с помощью
специальных переносных приборов.
Рассматриваемый метод предложен ** для контроля натяжения арматуры
Ряс. 25. Схема чувствительного эле-
мента прибора Н. Н. Максимова для
определения остаточных напряжений:
/-питающая катушка; 2 н 3 — измери-
тельные катушки: 4 - исследуемый эле-
мент. (Пунктирен со стрелками показано
направление магнитных потоков в иссле-
дуемом элементе)
* Экстремумы m..-x3shi'Svck:;x :мпряж* н;:й обусловливают экстремумы маг-
нитной анизотропии.
** Ю. А. Ни.к-пдгром. В. Ф Дудиным. Е. А. Демченко и В. Г. ЦыбииогоЙ.
52
железобетонных конструкциях. Как наведение, так н индикация состояния
1 * магнитных меток могут осуществляться на оголенной арматуре до ее бетоин-
Чц роикя в уже забетонированных деталях я конструкциях через защитный слой
Жетона.
Необходимо подчеркнуть следующее:
ty? данным методом выявляется лишь изменение напряженного состояния ио
сравнению с имевшим место при нанесении меток;
переход от измерения остаточной намагниченности меток к механическому
«и? напряжению в арматуре может быть произведен лишь при наличии эксперимент
$ талыю установленной зависимости для данной арматуры, поскольку для разных
«№ марок металла эта зависимость не является стабильной;
oot чередование нагрузок н разгрузок сопровождается появлением петель маг-
X*. пятого гистерезиса. Для исключения их влияния требуется повторное иаиесе-
вге' ине меток перед переменой знака изменения напряжений.
Возможны н другие методы оценки напряженного состояния металла, иа-
пример по изменению электрического сопротивления (проводимости) н токових-
рг ревой, успешно разрабатываемые в настоящее время.
3-4. Определение положения арматуры в железобетоне,
толщины защитного слоя и диаметра стержней
Для выявления положения и глубины залегания арматуры
|Д предложены магнитометрические приборы, состоящие из двух
постоянных магнитов, в центральной части магнитного поля кото-
рых расположен на оси маленький магнит, соединенный со стрел-
кой-указателем. При приближении к арматуре напряженность
7 магнитного поля в средней точке изменяется, что обусловливает
возникновение магнитного момента, поворачивающего магнитик
/ со стрелкой. Экстремум отклонения указателя соответствует рас-
положению прибора -на поверхности контролируемого изделия над
осями арматурных стержней, а отклонение стрелки указывает иа
с толщину защитного слоя бетона.
Принцип действия одного из наиболее распространенных прн-
|: боров индукционного типа схематически показан на рис. 26.
£ Индуктивный преобразователь 1 передвигается по поверхности
исследуемой железобетонной конструкции или детали. Отдельно
к от него в корпусе прибора помещен аналогичный преобразователь
2 с ферромагнитным смещаемым элементом <?, предназначенным
для изменения индуктивного сопротивления прн балансировке
। схемы. По мере приближения преобразователя 1 к арматурному
г стержню разбаланс (зависящий от толщины защитного слоя, диа-
метра стержня и ориентировки преобразователя по отношению к
его направлению) будет уменьшаться.
Шкала отсчетного устройства прибора проградуирована в мил-
лиметрах защитного слоя для арматурных стержней -разного диа-
метра.
Установив расположение стержней, передвигают преобразова-
тель 1 вдоль контролируемого стержня до положения, соответст-
зующего минимальному отсчету, следя за тем, чтобы преобразова-
тель находился между пересечениями арматуры. Записав толщины
защитного слоя по шкалам всех диаметров, повторяют отсчет,
поместив между бетоном и преобразователем прокладку, толщн-
53
oft, например 10 мм, из оргстекла, дерева или другого диамагне-
тика. Диамец» арматуры будет соответствовать той из шкал, раэ-
ость отсчете» по которой окажется равной именно 10 мм.
d
Рве. 26. Индукционный прибор для проверки поло-
жения н диаметра арматуры и толщины вашитного
слоя:
J—яыяоеяо* акдукткый преобразователь; 2 - преобразо-
ватель в корвусе прибора; 3 — стержень для регулирования
шукнпаого сопротивления; 4 — проводка к источнику пе-
ранопого тока; о — проводка к отсчетному устройству; 6 —
железобетонный элемент; 7 ~ аркатурный стержень
Приборы рассматриваемого типа надежны н удобны в приме'
яеним.
Академией коммунального хозяйства ин. К. Д. Панфилова разработав
измеритель сечения металла, предназначенный для контроля ва наличием н рас-
наложением арматуры различных промышленных и бытовых сооружений и онрь
деления сечения металлических конструкций, находящихся под защитным слоем.
В остову принципа работы прибора положен метод сравнения частот двух
генераторов с помощью транзисторного смесителя н определения разностном
частоты, возникающей на его выходе при изменении параметров колебательного
контура одного из генераторов, обусловленном воздействием металла.
а
3-5. Определение влажности древесины
По замеренному электрическому сопротивлению можно судить
о состоянии материала в конструкции, пользуясь соответствую*
щими ^ивмс^мосхямн между электропроводимостью и влажностью
для данного сорта дерева.
-''‘'Измерения производятся с помощью игольчатых электродов*
заглубляемых в древесину на 5—10 мм, что характеризует элект-
росопротивление ее аоверхностаого слоя. Для элементов, эксплув*
54
ч
актируемых в течение длительного времени при постоянном темне-
!л ' ратурно-влажностном .режиме (например, для внутренних несущих
конструкций в сооружениях), по этим данным можно судить о
влажности по всей толщине сечений элементов.
§ 4. Контроль проникающими жидкостями
и газами
4-1. Контроль герметичности соединений
В резервуарах, газгольдерах, трубопроводах и других анало-
гичных конструкциях, требующих обеспечения не только прочнос-
ти, но и плотности соединений, контроль осуществляют с помощью
проникающих сред. Кроме применявшихся ранее испытаний водой
и керосином, в настоящее время разработаны и другие приемы
(см. ниже).
Испытания водой. Проверяемые емкости заполняются водой до
отметки, обычно несколько выше эксплуатационной. В закрытых
сосудах давление жидкости повышается дополнительным нагне-
танием воды или воздуха.
Гидростатическим давлением проверяется как плотность, так
и прочность соединений и всего сооружения в целом. Контроль
шзов и соединений заливкой воды совмещается, таким образом, со
статическим испытанием исследуемой емкости.
Отдельные швы металлоконструкций могут проверяться силь-
ной струен воды из брандспойта, направленной под давлением
примерно 1 ат нормально к поверхности шва. При наличии дефек-
тов вода просачивается сквозь неплотности проверяемого соедине-
ния.
Проба керосином. Благодаря своей малой вязкости и незиачи-
: гельиому, по сравнению с водой, поверхностному натяжению ке-
росин легко проникает через самые малые поры и выступает иа
k противоположной поверхности. При опробовании поверхность шва
г одной стороны обильно смачивается или опрыскивается кероси-
ном. Для облегчения наблюдений шов заранее подбеливается вод-
1 ным раствором мела; на этом подсохшем светлом фоне отчетливо
Г: выявляются затем ржавые пятна и полосы при просачивании ке-
u росина.
Проба сжатым воздухом. При наиболее простом применении
данного метода проверяемые швы обмазываются мыльной водой.
С другой стороны шов обдувается сжатым воздухом, подаваемым
из шланга под давлением порядка 4 ат нормально к исследуемо-
му шву. В замкнутые емкости сжатый воздух подается внутрь их
объема. Признаком дефектности шва служит появление мыльных
& пузырей на обмазке.
Более совершенным является применение ультразвуковых «те-
чеискателен», принцип работы которых основан на регистрации
: ультразвуковых колебаний, возникающих в местах нарушения
сплошности под действием вытекающей здесь под давлением струи
55
газа (воздуха). С помощью течеискателеА можно выявлять не-
плотности размером до 0,1 мм при избыточном давлении порядка
0,4 ат. Мест? нахождения дефекта определяется с точностью да
1,5—2 см.
Проба вакуумом. Проверка вдкуумод. требует доступа к конст-
рукции лишь je оди?? ее стороны, что является существенным пре-
имуществом данного метода.
К шву пристаддяется ^еталлнческая кассета в виде плоской?
коробки без дна сдрозрачным верхом, через который виден про-
веряемый шов, ВЗкуум-насосом со шлангом, присоединенным к
кассете, в последней создается небольшое разрежение. Внешним
воздушным давлением стенки кассеты, снабженные по их ннжнему
‘frepHMerpy мягкой резиновой прокладкой, прижимаются при этом к
"Конструкции. Исследуемый ддов предварительно должен быть
смочен мыльныц-раствором. В местах нарушений плотности шва
^воздух, проникая сквозь эти неплотности, образует в мыльной пене
отчетливо видные стойкие пузыри.
При сварке сосудов высокого давления и в других особо ответственных, тре-
бующих полной герметичности конструкциях для увеличения надежности конт-
роля применяется проверка плотности соединений химическими реагентами^
например воадушно-аммиачной смесью или другими газообразными соединения-
мн, обладающими высокой проникающей способностью. Химические методы-
проверки плотности соединений обладают большой чувствительностью и дают
возможность очень четко определять места нахождения дефектов, чем н обус-
ловливается в наиболее серьезных случаях целесообразность применения я этих
более сложных приемов.
4-2. Выявление трещин, выходящих на поверхность
^Псщерхнастные^хрешвны в металлических конструкциях, остав-
шиеся незамеченными при^визуа льном осмотре^могут Т5ыть обна-
ружены с помощью проникающих жидкостей. Контролируемую
поверхность смачивают керосином (или иным легко проникающим
окрашенным составом), через 20—30 мин насухо обтирают и по-
крывают тонким слоем полужидкой меловой обмазкн. После ее
высыхания расположение трещин четко выявляется по темным по-
лосам, выступающим на белом фоне.
В ряде областей кароцного хозяйства ^машиностроении, авиационной про-
мышлежоста и др. дли выявления трещин, км повррхностяых, так и сквозеыХг
широко применяется способ проникающих сред (оде названием «капиллярных^
<ад^Уы5>’ «яюмдасцяняых ® Других методов). '
Особо эффективным оказывается использование жидкостей и породами*
суспензий, люмнвесцирующвх под ультрафиолетовыми лучами. На хорошо обра-
ботанных металлических поверхностях, таким образом, могут быть выявлен*
трешкны с раскрытием поредка мякроиа. Еще меньшие трещины, о раскрытием
до долумяхронв, могут быть обнаружены с помощью люминесцирукхцнх мвь
иитных порошков. __
Люминесцентный метод может быть с успехом применен и для выявляв*
микро/рыши ед поверхности бетонных к железобетонных конструкций н деталей-
S6
J § 5. Другие неразрушающие методы контроля
В промышленности применяются различные методы контроля, перспективные
я в области строительства.
Радиоволновой метод с использованием спектра частот сантиметрового н
‘ миллиметрового диапазонов. Выявляются как прошедшие через материал элек-
' громагнитные колебания («теневой» метод), так н отраженные н рассеянные из*
лучения, изменения резонанса системы, образованной излучателем и исследуе-
мым элементом (резонансный метод), и т. д.
. Применение радиоволновых излучений эффективно при контроле пластмасс,
‘ древесины (в том числе, п в клееных конструкциях), бетона, железобетона н
: других материалов. Радиоволновой метод дает возможность исследовать как на-
I чальную стадию зарождения очагов нарушения сплошности, так и ход дальней-
< шего развития дефектов.
t Тепловые методы. Регистрируются: 1) инфракрасное излучение от внешнего
• источника, отраженное от исследуемого материала нлн прошедшее сквозь него,
' н 2) местные отклонения собственных инфракрасных излучений поверхности
: проверяемого элемента, нагретого, например, пропуском тока через электро-
проводящие материалы.
Местные нарушения картины температурного поля являются чувствитель-
ными показателями наличия дефектов, и том числе, н скрытых, не выявляемых
при применении других методов контроля.
Особенно перспективны голографические методы (от греч. «голос» — весь,
полный), позволяющие получать при изменении условий рассмотрения одной и
г той же заснятой «голограммы» объемные изображения так, как они видны при
различной ориентации точки зрения наблюдателя при непосредственном рассмот-
• рении объекта.
Применение этих методов в дефектоскопии делает возможным всестороннее
исследование дефектов. Возможна также визуализация (делание видимым)
изображений, полученных с помощью радиоволновых, инфракрасных, рентгенов-
ских н других видов излчченпй.
В заключение следует подчеркнуть, что особо эффективным при герлзру-
шаюших методах контроля (так же как и при других видах исследованчи) яв-
ляется комплексное применение различных методов, базирующихся на разных
.физических принципах, ииимно контролирующих и дополняющих Друг друга.
1
I
I
1
ГЛАВА IV
ПЕРЕРАСЧЕТЫ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ
ОСВИДЕТЕЛЬСТВОВАНИЯ
§ 1. Перерасчет конструкций
1*1. Перерасчеты на действие эксплуатационных нагрузок
Перерасчет обследованных .конструкций оказывается необхо-
димым в следующих случаях:
«при недостаточности или полном отсутствии расчетных данных,
с чем часто приходится встречаться .при освидетельствованиях
давно возведенных сооружений с несохранившейся документацией;
при наличии несоответствий между расчетными предпосылка-
ми и установленными при освидетельствовании фактическими
данными в отношении принятой расчетной схемы, нагрузок, раз-
меров, свойств материалов н т. д.;
прн наличии дефектов н повреждений, влияющих на несущую
способность н деформативность сооружения.
Поданным перерасчетов устанавливается возможность нормаль-
ной эксплуатации сооружения или даются рекомендации о необ-
ходимых ограничениях (по величине -пагрузк-и, скорости движения
и т. д.), а также выявляются элементы и соединения, требуюшие
усиления.
Перерасчет по методу классификации. Сущность метода заключается в той,
что наибольшая временная нагрутка, безопасно выдерживаемая сооружением
прн регулярной эксплуатации, выражается в единицах «эталонной» нагрузки;
Определенное, таким образом, число единиц эталонной нагрузки для каждого
нз элементов сооружения представляет его класс. За класс всего сооружена»
в целом принимается наименьший и.< классов составляющих его элементов.
Перерасчет по методу классификации принят при определении несущей спо-
собности мостовых конструкций. Он может быть эффективно использован и о
отношении других типов сооружений.
На рнс. 27 показан пример подобной классификации. Как видно нз чертежа,
непосредственно по графику можно ср;ну выявить как наиболее слабые элемем*.
ты, так н элементы, требующие усиления для обеспечения возможности эксплуа-
тации по заданному классу.
1-2. Перерасчет на испытательную нагрузку
Если в результате освидетельствования принимается решение
о необходимости проведения испытаний, то перерасчет завершает*
ся подсчетом требуемой испытательной нагрузки и определением
58
Рис. 27. График классификации главных ферм мос-
тового пролетного строения:
ч • ферма; б - график клачЧ'ифнкацпп элементов фермы
соответствующих усилий, напряжений, деформаций н перемеще-
h яий в исследуемых конструкциях. Эти подсчеты должны прово-
L литься наиболее точными методами для получен-ня результатов,
£ наиболее близко отражающих действительную работу проверяемо-
го сооружения.
t;
t § 2. Выводы по результатам освидетельствования
; На основании произведенного освидетельствования и выпол-
ненных перерасчетов составляется общая оценка состояния обсле-
дованного объекта и заключение о возможности его эксплуатации.
к Указываются меры, необходимые для приведения и поддержания
£ объекта в должном состоянии, и требования, которые должны
t соблюдаться при его эксплуатации.
Выявленные дефекты, церечисляются^бздодощи дефдоев
К ПоГ ведомости прикладываются необходимые чертежи, зари-
ч совки я фотографии; по. возможности указываются причины по-
Чреждвнк^ и степень их развития. "Особо обмечаются дефект*,
Tpeeyra^ljHeweiBeHHgto устранения, н у казыв ак^тСя'ретошендуе-
'мыё срокипромдення прочих работ.
'В^СЛучае нёсюходМсости даются указания (в дополнение к дей-
ствующим правилам эксплуатации) по организации и проведению*
надзора за состоянием исследованного сооружения.
Если данные освидетельствования н перерасчета нрдостаточин
для суждения о работоспособности рассматриваемого объекта а
проведение его испытаний будет признано целесообразным, то об
этом составляется мотивированное заключение. Намечаются ха-
рактер в объем необходимых (испытаний и указываются подлеж*
щие определению показатели работы сооружения.
П/ ЛГ
* РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ /
! Статические исиытаиия
ч*
h
I
et
tR
Hi
J1 ГЛАВА I
6 ОБЩИЕ ДАННЫЕ
§ 1. Определяемые характеристики
В зависимости от объекта и цели эксперимента устанавлива-
ются:
1) несущая способность, характеризуемая «нагрузкой, при кото-
рой наступает потеря прочности или устойчивости объекта испы-
тания;
2) жесткость, характеризуемая значениями перемещений, пре-
дельными с точки зрения возможности нормальной эксплуатации
объекта;
3) трещиностойкость (в первую очередь для бетонных и желе-
зобетонных конструкции); трещины должны или вообще не появ-
; ляться, или раскрытие их не должно исключать пли затруднять
: эксплуатацию вследствие потери непроницаемости, развития корро-
зии и т. д.; при определении трещиностопкости устанавливают так-
же значения нагрузки, при которой образуются трещины более до-
пустимых по условиям эксплуатации.
§ 2. Задачи испытаний
1. При приемочных испытаниях (при передаче законченных
сооружений в эксплуатацию -и промежуточных приемках в процес-
се строительства) проверяются состояние объекта и соответствие
показателей его работы проектным и нормативным требова-
ниям.
2. Испытания уже эксплуатируемых сооружений производятся:
для проверки возможности продолжения нормальной службы
объекта под эксплуатационной нагрузкой; необходимость такой
проверки (если она не предусмотрена в плановом порядке правила-
ми эксплуатации) -может возникать прн появлении значительных
повреждений, например после пожара и в других аналогичных
случаях, ставящих под сомнение работоспособность сооружения;
для выяснения возможности повышения эксплуатационной на-
6>
трузки лри реконструкции объекта или изменении характера его
использования.
3. Испытания конструкций и деталей при их серийном изготов-
лении производятся путем выборочных испытаний отдельных об-
,4>авцов продукции с д оведением до разрушения.
Задачей испытаний в данном случае является установление
•фактической несущей способности и других характеристик испы-
тываемых образцов продукции с распространением полученных,
результатов на всю изготовленную партию.
4. Научно-исследовательские испытания и испыхтиния ОпЫаиых
объектов производятся:
п-рн применении новых конструктивных решений и для апроба-
ции новых методов расчета;
при использовании новых строительных материалов с характе-
ристиками, требующими проверки под действием нагрузки;
при особых режимах эксплуатации, например в полярных или
тропических условиях, под действием волн и морской воды и т.х
Такие испытания могут производиться или непосредственно в на-
туре, илн лабораторным путем с искусственным обеспечением не-
обходимого режима.
С точки зрения воздействия процесса испытаний на самые объекты, необхо-
димо различать:
объекты, которые после их испытания должны быть сохранены для эксплуа-
тации,— в этом случае, появление в результате испытания каких-либо неиспра-
вимых повреждений пли нежелательных остаточных деформаций недопустимо;
объекты, не предназначенные для дальнейшей эксплуатации, — в этом
случае, если это необходимо для решения поставленных задач, объект может '
быть доведен до разрушения.
§ 3. Выбор элементов для испытания
При приложении нагрузки к сооружению в работу вовлекаются
пли все его конструктивные элементы, или лишь отдельные их со-
вокупности, ближайшие к месту загружеипя. Так, нагрузка, -при-
ложенная к проезжен части моста в любом месте по длине его
пролета, обусловливает появление внутренних сил во всех элемен-
тах поясов и решетки несущих ферм; не включаются в работу
лишь отдельные так называемые «пулевые» стержни. При испыта-
ниях подобного рода сооружений нескольких положений нагрузки
оывает достаточно для обеспечения интенсивной работы всех
главнейших элементов. Задача выбора элементов при назначении
программы испытаний сводится в данном случае к решению вопрб1
еа, где именно целесообразнее размещать измерительные приборы
для оценки работоспособности и состояния сооружения
в целом.
С иным положением приходится иметь дело в большинстве
объектов промышленного и гражданского строительства, состав-
тонных обычно из многочисленных однотипных элементов в опре*
деленном их сочетании. Так, например, в многоэтажном промыт*
|> -
ленном здании каркасного типа нагрузка, приложенная на неболь-
^.шом участке какого-либо из перекрытий, .передается на фунда-
менты через ближайшие ригели -и колонны; колонны: и ригели, уда-
ленные на несколько пролетов от места загружения, почти не-
^вовлекаются в работу. Слабо или совсем не деформируются при-
выкающие ненагруженные плиты того же перекрытия, и практи-
чески совершенно не работают перекрытия других этажей.
При исследованиях подобного рода сооружений выбор элемен-
тов для испытания связан непосредственно с выбором места при-
ложения нагрузки. При этом руководствуются следующими сооб-
ражениями:
1) количество загружаемых элементов должно быть мннималь-
„ ным, ©о избежание чрезмерных затрат времени и средств, необхо-
димых для проведения статических испытании;
2) испытаниями должны быть охвачены все основные виды
г несущих элементов исследуемой конструкции. В .первую очередь-
‘ испытывают элементы, работающие наиболее интенсивно, н эле-
менты с обнаруженными в них дефектами и повреждениями, на-
длежащая работоспособность которых сомнительна;
3) отбирают элементы с возможно более четкой схемой статн-
1 ческого опирания и закрепления. При прочих равных условиях
..желательно выбирать элементы, свободные от дополнительных
?связей с примыкающими частями сооружения, которые могут вно-
сить трудноучитываемые искажения в работу исследуемых эле-
ментов.
При отборе образцов серийного изготовления для их контроль-
ных испытаний исходят из следующих соображений.
Для суждения о качестве изделий рассматриваемой партии
должны быть испытаны наилучшпе и наихудшие образцы. Отбор
чх для статических испытаний производится иа основании осмот-
ра, контроля нсразрушающпмп методами и предварительной впб-
1 рационной проверки. Усредненная оценка дается по результатам
‘‘испытания образцов в состоянии, наиболее характерном для боль-
шинства изделий данной партии.
।
। § 4. Выбор схемы загружения
I Нагрузочная схема уточняется одновременно с выбором эле-
! ментов для испытания, поскольку эти задачи взаимосвязаны.
1 Выбранная схема распределения нагрузок должна обеспечить
появление в исследуемых элементах необходимых напряжений и
деформаций, достаточных для выявления определяемых характе-
ристик, но при этом следует учитывать имеющиеся реальные воз-
можности (наличие определенных видов нагрузки и загрузочных
приспособлений) н стоимость испытания. Последнее очень сущест-
венно, поскольку уменьшение требуемой нагрузки упрощает и
удешевляет процесс проведения испытаний н позволяет уклады-
ваться в более короткие сроки при нагружении н разгрузке.
63-
В качестве примера рассмотрим случай миогопраяепюЙ иеразреэной балки
мест» впмах. На вне. 2Я. б показана линия влияния нагибающего момента
Рис. 28. Загружение многопролетной балки на жестких
опорах:
а —схема балки; б - линия влияния изгибающего момента
в среднем сечении; в — схемы загружения пяти не- трех про-
летов
Рис. 29. Загружение Монолитной раз-
резной плиты;
/ — •ИН'Ы. 2 — ih-cyuuiv 6.» JMI 3 —
жеииыА зчисюк ittitunvM>>fl и.-иги
ординаты линии влияния для крайни!
пролетов балки весьма малы, загружение
этих пролетов практически не отразите!
на показаниях приборов, установленных
в среднем сечении исследуемой балки.
Учитывая желательность экономии иа*
грузки, целесообразно поэтому от затру*
ження крайних пролетов отказаться и
принять для проведения испытания схе-
му по рис. 28, г.
Исходя из аналогичных соображе-
ний, устанавливают схемы нагрузки и в
других случаях. Так, на рис. 29 показана
плита, монолитная в продольном и раз*
резная в поперечном направлениях, под-
держиваемая несущими балками. Для
исследования сечения АВ этой плиты не-
обходимо загрузить ее равномерно рас-
пределенной нагрузкой на участке
(вдоль плиты), равном трем ее пролетам.
Загружение же более отдаленных участ-
коз практически не отражается иа рабо-
те сечения ЛВ.
На рис. 30 показаны загрузочные
схемы для проверки работы колонны
каркасного многоэтажного здания с за-
мополпчеппыми стыками, а на рис. 31 -•
для пены! аипя элементов поясов и рс-
ihcik-i ноля:опальной фермы.
64
Ui
(.
IDZ
Г1
аг
a?
И:
ns
I!
:x,
Й.
m
ic
a - кл MriKcuu.i.it.HOc всртикатьиое усилие; о — на
и а иС»оль|К1и| momvht в продольном наплавлении и
и п поперечном; /I — испыпемля колонна (штрп-
хинной ныделены загружаемые участки)
' Ряд других рекомендуемых схем (для балок, арок, куполов и т. д) и более
“ подробное рассмотрение данного вопроса приводится в курсе Н. Н. Листова
\ «Испытание сооружений», стр. 50—62. Госстройпздат, 1960.
' Уменьшение требуемой нагрузки возможно при переходе к так называемым
эквивалентным схемам загружения.
№ Для примера рассмотрим перекрытие с разрезным заполнением между бал*
ч1С ками (рис. 32), в котором требуется проверить работу балки Л. При распо*
5 ложеиин нагрузки интенсивностью q иа двух плитах пролетом /, примыкающих
*к этой балке (рис. 32, а), на нее будет передаваться усилие P~ql. Зффектив-
11 кость использования нагрузки в данном случае будет равна ОД поскольку
половина силового воздействия воспринимается соседними балками.
3—3108
65
Рис. 31. Загружеиие полигональной
фермы:
а - нагрузка, раелределснная по вс«",у
пролету. б — загружения 0o.ivim4V>civ»«
в - расчетная «.хема фермы
Если распределенная «кружа
на плиты может быть умжячекя, та
для получения того же давяепя па
балку А можно к части ирипмииэ-
тих пролетов (рве. 32, б) ирмвпгвгяп
более интенсивную нагрузку <*. Эм
«эквивалентное» (по действо яэ
балку Л) загружение требует мок-
шего, чем в первом случае, кони
чества нагрузки, поскольку на сосед-
ние балкн будет передаваться соот-
ветственно меньшее давление.
Наконец, наиболее эффектом
эквивалентная схема по ряс. 32»
где то же усилие P**ql передаем*
полностью (например, путем подве-
шпвания груза) непосредственно ис-
пытуемой балке.
Во всех случаях перехода к эоя-
валентным нагрузкам необходимо
предварительно убедиться в том, чм
этот переход ие вызывает нарушешй
обычных условий работы исследуемо*
hOIkipjKUHH.
#)
pj
□гружспие перекрытия с разрезными заполне-
ниями между балками:
' г ’Нфсле.и-нн.зя по всем ширине плит, примыкаю*
ших к ojjh-: Д; о » зквнн 1ЛСНПМЯ распределенная нагрузка;
и -• je-mih.i..<-»«. *«npv u.t«. КПП.1Я h;>.-dvjk3. передаваемая не-
noc|K*.lviB<*n>iu на Oj/ihv
I
к
I
I
I
»
I
« ГЛАВА II
НАГРУЗКИ
&
* При статических испытаниях нагрузка должна прикладываться
Jk объекту постепенно, без рывков н ударов с тем, чтобы влиянием
к сил инерции можно -было пренебречь.
Нагрузка и нагрузочные устройства должны удовлетворять
следующим основным требованиям:
с давать возможность четкого определения усилий, передаваемых
J испытуемому объекту;
j. быть (по возможности) транспортабельными и не требовать
* значительной затраты времени для их приложения и снятия;
при испытаниях с длительной выдержкой должна быть обеспе-
чена стабильность нагрузки (т. е. ее постоянство во времени).
§ 1. Распределенные нагрузки
1-1. Сыпучие материалы
Сыпучие материалы (песок, щебень и др.) ранее широки при-
менялись в строительстве в качестве распределенной нагрузки для
статических испытаний. В настоящее время пользоваться такой
нагрузкой не рекомендуется, поскольку при этом не обеспечивается
выполнение рассмотренных выше требований к испытательной на-
. грузке, а именно:
недостаточна точность оценки приложенного усилия, .поскольку
объемный вес сыпучих тел меняется в зависимости от трудно ре-
гулируемой плотности засыпки; укладка же с применением мерных
ящиков нли с засыпкой в мешки с нх предварительным взвешива-
нием крайне трудоемка;
объемный вес сыпучих тел меняется при нх высыхании и
увлажнении;
приложение и снятие нагрузки требует значительной затраты
времени.
Кроме того, при перемещениях сыпучих масс подымается пыль,
от которой -приходится защищать измерительные .приборы.
1-2. Мелкие штучные грузы
В настоящее время при отсутствии более совершенных и удоб-
ных средств загружения часто приходится применять н мелкие
3* 67
гет значительной затраты времени.
Ь)
Рис. 33. Загружешк- кирпичом или мелкими
блока m:i:
а — правильное элгруженио (H.ncni.iii.if.a
ками): б - iiviip.ji..i злгруженис (vn ioijiiim'1
к.чадяоО Dnep' ijM i.y). / — noji.i’.WMbiii элемент;
штучные грузы (кирпич, бетонные камни небольших размеров л |
т. п.). Этот вид нагрузки имеет ряд недостатков: |
1) вес мелких штучных грузов определяется обычно пробным <
взвешиванием одной или нескольких партий (например, сотни *
кирпича). Действующие нагрузки определяются, таким образом,
цсредненно. Взвешивание же всего груза при испытании практи- :
чески возможно лишь при небольших загружениях;
2) вес кирпича, бетонных камней и других аналогичных ма-
териалов возрастает при насыщении их пор водой. При необходи-
мости выдерживания нагрузки на открытом воздухе приходится
поэтому защищать ее от атмосферных осадков или производить :
повторное взвешивание; j
3) хотя при транспортировании и укладке мелких штучных $
грузов можно применять соответствующие механизмы, весь про- |
цесс в большинстве случаев оказывается все же трудоемким и ,j
II в этом случае, осо-
беино при* применении i
кирпича, также приходит- j
ся считаться с мелкой,
всюду проникающей
пылью, от которой необ-
ходимо тщательно защи- ;
щать приборы. ;
Существенным пре- ji
имуществом данного ви- !1
да нагрузки является 1
\лобство ее укладки да 1
опытный объект, что осо-
бенно важно при прове-
дении испытаний в стес-
ненных условиях.
Следует обращать вин-
маиие на укладку кирпи-
ча и бетонных камней от-
дельными, не соприкаса-
ющимися столбикамш I
(рис. 33, а). При несоб-
людении этого и, в осо-
бенности, прп кладке вперовязку. равномерность передачи нагруз-
ки может быть нарушена за счет образования самонесущих сво-
диков (рис. 33, и).
•.i:ir после iiaipjхенпя- :i — нагрузочные cr<
I — СПЛОШНАЯ КЛЛЛКЭ. 5 ••ОЧгрццпц. р.-чгрч
<1И»ДНК;1 в 1O.UIV к.'!-i’IKII
1-3. Крупные штучные грузы
Крупные штучные грузы (металлические балки и отливки, бе-
тонные и железобетонные детали и т. д.) могут быть точно взве-
шены и замаркированы. Укладка и снятие их с- объекта могут
быть механизированы и не требуют в этом случае чрезмерных за-
трат труда и времени. Но для создания распределенной нагрузи»
68
L
^большеразмерные грузы -не всегда удобны, поскольку вес их пере-
дается на исследуемый объект -практически не по всей опорной
^поверхности, а лишь через отдельные трудно выявляемые точки
соприкасания. Применение подкладок фиксирует этн точки, но
^остается неопределенность в отношении распределения передавав*
Рагмого усилия между отдельными подкладками. Кроме того, при де*
формации испытываемой конструкции схема распределения дав-
ления через подкладки может меняться (рис. 34).
&U. Большеразмерные
^штучные грузы использу-
*°Дют поэтому для слу-
чаев:
У4* а) создания распре-
иделенной нагрузки на
№ элементах с весьма боль-
шой собственной жест-
костью, например, на по-
ивверхности крупных бетон-
<о:ных массивов, где основ-
Mi нос значение имеет обыч-
юено положение лишь цент-
не ра тяжести уложенных
м; грузов;
б) получения погои-
гной распределенной на-
). грузки, например, уклад-
Рнс. 34. Схема загружения жесткими паке-
тами и эпюра передаваемых усилий:
/ — пспыгиплемый элемент. 2 —тот же элемент
в лсформнров.-ншом сисгочнпп после загружения;
J •• lijrpyiKa жестким пакетом; •! —подкладки:
5 — игиСмь-шая иерелав.н-мых усилий; Г — усилия.
персдаваемые мере* подкладки на испытуемый
момент
яе ка таких грузов поперек проезжей части мостовой конструкции для
н создания нагрузки, распределенной вдоль пролета;
с в) в качестве материала для получения сосредоточенных уси-
ро ляй (что рассмотрено ниже).
1-4. Нагружение водой
к Этот вид загружения является наиболее совершенным при
ф- необходимости приложения значительных по величине равномер-
н но распределенных нагрузок.
д: При загружепип плоских горизонтальных поверхностей на них
;а- устанавливаются легкие ограждения (рис. 35), воспринимающие
г. распор заливаемой воды. В эти ограждения помещаются и закреп-
о. ляются водонепроницаемые оболочки. Под оболочки, иепосредст-
р венно на поверхность испытываемого объекта укладывают обычно
в защитные полотнища (например, брезент), края которых также
загибаются и крепятся у ограждения.
Воду заливают при помощи шлангов от водопроводной напор-
ной сети или подают насосом. Быстрый спуск осуществляется с
( помощью сифона (рис. 35) или откачкой.
u Преимущества нагружения водой:
г а) возможность точно определять 'величины загружеиня по из-
3 меренному уровню воды; гарантия равномерного распределения
я нагрузки;
69
б) постоянство загружения при выдерживании;
в) удобство залива и разгрузки без применения физического
труда; плавность загружения и разгрузки н возможность регули-
рования их скорости.
Рис. 35. Загр\женне водой:
1 — |ч-1нл1ина<*м*ч< to-fvKptJU'.v: 2•— лолстнлак'шнй брезент; 3 — водоне-
npouHut’VM..ч iKui*.. -i — «гаАГеиня: 5 — <уфоя. (Крепление огражде-
ний — 1!чд|ьо<...| три и г. д. — на черюжс не показано)
Загружение водор неудобно при неровной, а тем более при не-
горизонтальной поверхности испытываемого объекта, поскольку
устройство всякого рода выравнивающих конструкций значительно
усложняет ее применение. При температурах ниже нуля исполь-
зование воды как загрузочного средства исключено (применение
химических добавок для понижения точки замерзания -практиче-
ски себя не оправдывает).
Использование юризонтальною давления. Вода является обычным загрузоч-
ным средством при испытаниях различного рода емкостей, например резервуаров
и газгольдеров
В отдельных случаях для покыпк-нпя величины горизонтального давление
целесообразно применять за» ручные жидкости с объемной массой больше еди-
ницы. Для этой пели может бьиь использован, например, глинистый раствор
с утяжелителем (барит, молотая железная руда и другие добавки) типа прв-
меняемого прн глубоком бурении для создания нужного давления в скважи-
нах. Объемная масса его прн сихранишш жидкой консистенции может быть ДОМ-
70
Рнс. 36. Испытание плит давлением сжатого воздуха:
/ — испытуемая деталь: 2 — надувная резиновая камера: 3 — упорный щит; 4 — попере-
чины: 5 — тягн; о — нижние продольные балки: 7 — поперечные опорные балки; 5 —фун-
дамент
дева до 13 г/л*. Необходимо, однако, принимать специальные меры для непре-
рывного поддержания утяжеляющей суспензии во взвешенном состоянии (пер-
спективно для этой цели применение метода ультразвуковых колебаний, возбуж-
даемых в жидкости).
1-5. Использование давления воздуха t
Испытание плит под давлением воздуха предложено Ю. М. Кор- ?
чемским и используется для статических испытаний готовой яро-
дукции на заводах железобетонных изделий.
Равномерно распределенная нагрузка, действующая на поверх- ;
ность плиты, создается повышением давления в прилегающих к
детали воздухонепроницаемых плоских мешках («камерах») из ;:
клеенки нли тонкой резины. Камера 2 (рис. 36) в защитном бре-
зентовом чехле помещается между изделием 1 и щитом 3.
Плотность прилегания обеспечивается поперечинами 4, разме-
щенными над щитом и закрепленными в ннжинх поддерживающих
балках 6 тя-гами 5. Необходимое давление в камерах создается с
помощью компрессора; можно пользоваться также баллонами со
сжатым воздухом и др.
Испытание емкостей (резервуаров, газгольдеров), а также напорных труба- >
проводов воздушным давлением запрещено, вследствие возможности внезапного
(практически мгновенного) разрешения конструкций, опасного по своим послед-
ствиям.
§ 2. Сосредоточенная нагрузка
Для создания сосредоточенных усилий применяются: 1) под-
веска грузов; 2) натяжные приспособления; 3) домкраты.
Приложение сосредоточенных усилий требует в большинстве
случаев применения специальных распределительных устройств с
целью предохранения поверхности испытуемого сооружения, кон-
струкции или детали от повреждений в местах приложения сил,
передачи прикладываемой нагрузки именно в требуемых точках, а
также имитации (если это необходимо) распределенного давления.
2-1. Распределительные устройства
Рассмотрим несколько примеров.
1. На рис. 37 показаны детали опирания распределительной бал-
ки (в данном случае уложенною плашмя швеллера /), передающей
давление от нагрузки Р па опорные части А и В.
Рис. 37. Распределительная балка:
/ — распределительный швеллер*. 2 - обьскт. воспринимающий нагрузку; 3 — уголко-
вый коротыш, приваренный к подкладке; 4 - стальной каток; 5 —подкладка
72
J
i)
Рис. 38. Схема распределения сосредо
точенного усилия:
<i — вгртикэльныП рлрез; б —план: 1 —
нагружаемое перекрытие: ? - тяга. пере-
дающая нагрузку: .? — балки распредели-
клетки; 4 — подкладки. псоедяк»-
щис усилия па перекрытие
хц. 2. На рис. 38 схематически no-
сказана имитация распределеиио-
«Uro давления —передача прило-
женной силы в 16 опорных то-
чек.
. Усилие передается через тягу
*’ч2, пропущенную через отверстие
'В0Е в испытуемой плите /. Система
распределительных балочек 3,
^расположенных в несколько яру-
|10Есов, обеспечивает передачу дав-
ления в требуемые точки через
подкладки 4.
Другие примеры распрсделп-
- Отельных устройств схематически
,!Ва: показаны па рис. 39, б и 40, в
Цге
2-2. Подвешивание грузов
Подвешивание грузов являет-
г" :я самым простым, ио и наиболее
громоздким способом создания
сосредоточенных нагрузок. Пре-
имуществом его по сравнению с
другими рассматриваемыми ниже способами является то, что при
li подвеске грузов действующее усилие не меняется при деформациях
испытываемых элементов.
L7 Для подвески грузов к нижним концам вертикальных тяг (чаще
г-;, всего стальных тросов) крепятся или горизонтальные площадки,
1= или загрузочные ящики.
На рис. 39, а показана схема подвески грузов к узлам нижнего
с-, пояса полигональной фермы, а на рис. 39, и — передача усилий к
узлам верхнего се пояса с помощью распределительных балочек 4.
Применение последних уменьшает число тяжей по сравнению с тре-
буемым по варианту рис. 39, а.
В качестве грузов могут быть использованы самые различные
... материалы, удобные для взвешивания, укладки и снятия их. Для
1И облегчения погрузочно-разгрузочных работ площадки (или загру-
!к зочные ящики) подвешивают невысоко над уровнем земли или пе-
рекрытия. Зазор с под грузами (рис. 39) назначают при этом с уче-
том предотвращения возможности опускания груза на основание
при деформировании испытываемой конструкции.
Прн необходимости быстрого снятия приложенных усилий (на-
1 пример, в аварийных случаях) в зазоры между основанием и загру-
~ зочными устройствами загоняют заранее заготовленные клинья,
принимающие на себя давление грузов.
Наполнение подвешенных емкостей водой имеет те же преимущества, что и
при применении воды для создания распределенных нагрузок, а именно — ста-
бильность действующих усилий, исключение трудоемких процессов и т. д. Но
к требуемые для этого емкости должны иметь значительные размеры, выдерживать
73
также в гориэоятальную составляющую гидростатического давления и ве до-
пускать утечки воды. Все это ограничивает возможности применения этого, вооб-
ще говоря, наиболее совершенного вида нагрузки.
Рис 39 Схема подвески грузов:
п-к jj.-r.z .1 .л -л •_ f — через рагпрелелнтельные балочхп; / —
нагружаемая — г. аг-оечи; з—чрузооые площадки; 4 — распре*
зелии ’I ИЫс ба.ючкп
Натяжные устройства
При замене нсдксн1е:шых грузов натяжными приспособлениями:
а) отпадаю- трудоемкие работы по взвешиванию и перемеще-
нию грузов;
б) направление действующих усилии может быть не только вер-
тикальным, но и горизонтальным и наклонным;
в) прикладываемые усилия легко регулируются;
г) требуемые устройства компактны и работа с ними даже в
наиболее стесненных условиях не вызывает затруднений.
74
U Натяжные устройства не обеспечивают, однако, строгого посто-
янства (во времени) приложенных усилий. При длительной выдерж-
ке нагрузки развитие пластических деформаций как в испытывае-
мом объекте, так и в самих натяжных устройствах (главным обра-
зом, в их соединениях) сопровождается некоторым падением
созданного натяжения, что требует периодических подтяжек. На
7 действующие усилия влияют также и колебания температуры, обус-
ловливающие небольшие изменения длины передающих усилия тяг.
Для определения и контроля значений приложенных сил в
«цепь* натяжного устройства должен быть включен динамометр
или заменяющий его динамометрический элемент (например, стер-
жень с наклеенными на нем рассмотренными ниже тензорезисто-
рами).
Для передачи усилий используются обычно тросы, натягиваемые
талями с полиспастами, лебедками или домкратами. На рис. 40 по-
казано несколько примеров загрузочных схем.
На рис. 40; а вертикальное загружеиие перекрытия / осущест-
вляется при помощи самотормозящей ручной тали 3. Для крепле-
ния нижнего конца натяжного устройства применен свободно уло-
женный на пол поддон 5 с грузами, заведомо превышающими вели-
чину прикладываемого к перекрытию усилия.
Рис. 40. Приложение сосредоточенных усилий с помощью талей, лебедок и
полиспастов:
а — натяжное устройство с ручной талью; 6 — с лебедкой; в — с полиспастами: /--
испытываемое перекрытие; 2 —тросы; 3 - таль; 4 — динамометр; 5 - поддонсгруза-
мп; 6 — блоки; 7 — лебедка; 8 - металлическая мачта линии электропередачи; и -
полиспаст
75
На рис. 40, б показана загрузка рамной конструкции прн помо-
щи лебедки, создающей натяжение в канате, перекинутом через
блок 6. , .
На рис. 40, в показано приложение горизонтальных усилий (не-
скольких десятков тонн) к конструкции металлической мачты. Уси-
лия передаются через систему блоков, полиспастов и распредели- .
тельных устройств. <
Трение в блоках, входящих в такелажную схему, создает раз- ;
ность усилий в ветвях тягового троса. Включение силонзмеритель- i
ного прибора должно поэтому производиться в ветви, непосредст-
венно передающей нагрузку на испытываемый объект (например, в
вертикальную, а не в горизонтальную ветвь троса на рис. 40, б).
При необходимости создания сравнительно небольших усилий
(порядка 1 Т и менее) можно применять стальные стержни, натя-
гиваемые стяжными муфтами (с правой и левой резьбой по концам
Рис. 41. Передача усилия на свод тягой со стяжной муфтой:
1 - сиод; - — упоры; —тяга; 7 —сгяжиая ыуфта
муфты). На рис. 41 показано подобное устройство, использованное
для создания усилий в горизонтальной затяжке опытного свода. Из-
мерение действующей силы производится с помощью тензометров»
установленных на затяжке.
2-4. Домкраты
Наиболее удобным средством для приложения к исследуемым
объектам значительных усилий являются домкраты.
Их преимущества: .малогабаритность (но сравнению с другими
видами нагрузочных устройств); легкость создания и регулирования
нагрузки; возможность приложения ее по любым требуемым на-
правлениям.
По способу со»лапия нагрузки применяемые прн испытаниях
домкраты делятся v,i гидродомкраты и винтовые домкраты с РУ4'
ным возбуждением усилия н с электроприводом.
Гидравлические домкраты. Обычные (грузоподъемные) домкра-
ты на 100 и 200 Т с ручным насосом, вмонтированным в хвостовик
корпуса домкрата, при испытаниях применяются редко, лишь пр»
отсутствии других более подходящих типов. Эти домкраты массив-
ны и для их установки и обслуживания требуется несколько че-
ловек.
Удобнее и эффективнее домкраты с вынесенной (общей для
группы домкратов) насосной установкой — ручной илн, что лучше,
76
1
*
1
О
I
электрифицированной. Помимо уменьшения числа требуемого пер-
сонала н облегчения работы* централизованная насосная установка
обеспечивает одинаковость давления во всех обслуживаемых дом-
кратах, что важно с точки зрения четкости режима испытания
{постоянство загрузочной схемы) и позволяет включать устройства
для предохранения от неожиданных спадов давления в результате
местных утечек. В случае необходимости с пульта управления мож-
но также регулировать и поддерживать необходимое давление в
каждом из установленных домкратов в отдельности.
При централизованной подаче давления используют следующие
устройства.
Силовые цилиндры
(«цилиндрическая пара»* рис.
42, а) и телескопические
домкраты (рис. 42, б) раз-
личной грузоподъемности —от 5
до 200 Т.
Телескопические домкраты
(рис. 42, б) имеют несколько вхо-
Рне. 42. Силовые цилиндры:
/ ~ miimi *р: — jiMpHiviiu; 3 — плунжеры
телескопического домкрата; 4— полости
подачи мае.la
дящих друг в друга удлиненных
поршней (плунжеров), увеличи-
вающих их общий (суммарный)
ход. Домкраты такого типа, при-
годные для применения и прн
значительном деформировании нагружаемых конструкций, выпус-
каются разной грузоподъемности, например 120 Т при общем ходе
плунжеров в 500 мм, 40 Т при ходе порядка 700 j/.u и т. д.
При статических испытаниях можно применять также домкра-
ты, предназначенные для натяжения арматуры в
предварительно напряженных железобетонных конструкциях, вы-
пускаемые с разным тяговым усилием и разным ходом поршней
(например* до 1200 мм).
При использовании гидродомкратов существенным является воз-
можность непрерывного наблюдения за возбужденным усилием но
показаниям манометров у домкратов.
В ответственных случаях для контроля величины действующих
усилий следует пользоваться специальными силоизмерителями,
включаемыми между поршнем домкрата и испытываемым эле-
ментом.
Винтовые домкраты применяются при испытаниях значительно
реже гидравлических. Ручные винтовые домкраты удобны лишь при
малых нагрузках (примерно до 1 Г). Для создания усилий до де-
сятков тонн применяются домкраты с электрическим приводом.
Выше указывалось, что при пользовании гидравлическими домкратами с
централизованной насосной установкой обеспечивается сохранение силового ре-
жима испытания, т. е. заданного соотношения между прикладываемыми усилия-
ми. Применение винтовых электродомкратов с централизованным управлением
обеспечивает также деформационный режим испытания.
Так, при штоках с одинаковой резьбой и одинаковым передаточным числом
в механизмах домкратов скорость выдвижения штоков* а следовательно, и ско-
рость деформирования в испытуемом объекте будут одинаковыми во пврп»
ш> всех прикладываемых сил. Применяя же различный шаг резьбы ила разные
передаточные числа, можно добиться выдерживания определенного соотношения
перемещений в заданных направлениях.
Саедует, однако, отметить, что требуемые электродомкраты серийно пока не
выпускаются. Для испытаний сооружений могут быть приспособлены компактные
по своим размерам электродомкраты системы В. Г. Киркина, успешно применяв»
шнеся при передвижках зданий; они обеспечивают заданные скорости выхода
штоков.
2*5. Подвижная нагрузка
При испытании сооружении и конструкции, предназначенных для
пропуска перемещающихся грузов (подкрановые конструкции, шос-
сейные и железнодорожные мосты и т. д.), загружение должно про-
изводиться с максимальным приближением к эксплуатационным
условиям.
Требуемая нагрузка — краны, автомобили, тракторы, дорожные
катки, поезда и т. д. — постепенно (для исключения динамического
эффекта) перемещается по пролету и устанавливается в необходи-
мом, заранее заданном положении.
_ _ Менее точным является
принятие давления на колесо
или скат по паспортным дав-
( Л А нь-\т с непосредственным взве-
----------J С > / шпванием лишь дополнитель-
77?>/////угрузов (например, уклады-
z// z/ заемых в кузов автомобиля).
Рис. 43. Определение нагрузки от колеса ’ И’авпльнсе проверить всю пр»-
накаткой его на контрольную балку: кладываемую нагрузку НИ CT3-
1 - проверяемое колесо: 2 - контрольная бал- ШИ'ППрНЫХ ЭКСПЛуаТЭЦИОННЫХ
весах (автомобильных, вагон-
ных, паровозных) или опреде-
лять давление от каждого колеса в отдельности.
На рис. 13 схематически показана накатка автомобильного ко-
леса на контрольную баночку из полосовой стали. Значение дейст-
вующего усилия подсчитывают па основании измерений прогибов
пли •напряжений в этих палочках под установленными «ад ннмв
грузами.
ГЛАВА III
РЕЖИМ ИСПЫТАНИЯ
При выборе режима испытания устанавливают: 1) требуемую
интенсивность нагружения; 2) ступени приложения и снятия на-
грузки и 3) продолжительность ее выдерживания на испытываемом
объекте.
§ 1. Назначение величины испытательной
нагрузки
Если сооружения или конструкции после испытания должны
быть переданы в эксплуатацию, то испытание не должно ухудшать
их состояния. Это значит, что в процессе приложения и выдержи-
вания нагрузки в испытываемом объекте не должны развиваться
остаточные деформации и, тем более, нарушения сплоши-хти, ко-
торые в обычных условиях эксплуатации не могли бы появиться.
Максимальная испытательная нагрузка* поэтому не должна выхо-
дить за установленный предел. Обычно за этот продет принимается
расчетная нагрузка в наииевыгодиепшем ее положении, за исклю-
чением тех случаев, когда приложение испытательной нагрузки,
превышающей расчетную, предусмотрено соответствующими техни-
ческими условиями.
В качестве примера можно привести правила приемки стальных вертикаль-
ных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов. Емкости, прове-
ряемые на прочность, должны быть заполнены водой до расчетной отметки, а
• Под испытательной нагрузкой в большинстве случаев понимают нагрузку,
прикладываемую к объекту непосредственно в процессе испытании. Действую-
щая при этом на объект полная нагрузка складывается как сумма испытательной
нагрузки, собственного веса конструкций п постоянно приложенных к объекту
усилий (например, веса стационарно установленного оборудования и г. п.).
В курсе «Испытания сооружения* вроф. II. II. Аистова принята другая
терминология: полная нагрузка названа испытательной, а дополнительная, при-
кладываемая во время испытания,— пробной, что неудобно, поскольку под
«пробным загружеиием» понимают обычно кратковременное приложение к объек-
ту начального, как правило, незначительного дополнительного усилия для опро-
бования загрузочных устройств и подготовки объекта к испытанию.
Под контрольной нагрузкой понимают (по ГОСТ 8829—66) заранее назначен-
ную нагрузку, которую должны выдерживать образцы конструкций и изделий
серийного изготовления прн выборочном их испытании. v
7»
избыточное давление воздуха и вакуум в так называемом стазовом яроеямшетм»
резервуара (над залитой жидкостью) должны превышать проектные: избыточное
давление —иа 25%, а вакуум в зависимости от типа резервуаров — на 25—50%.
При испытаниях опытных объектов, передача которых в эксплуа-
тацию ие предусматривается, указанные выше ограничения отпада-
ют и максимум нагрузки назначается в зависимости от поставлен-
ной задачи.
Если целью испытания является определение несущей способно-
сти или исследование условии появления местных повреждений
(трещин, сколов и т. п.), то значения максимальной нагрузки уточ-
няют непосредственно в процессе эксперимента в соответствии с его
результатами. Однако до начала испытания этот максимум должен
быть оценен ориентировочно для подсчета требуемой нагрузки. По-
следняя должна браться «с запасом» во избежание задержек в хо-
де испытания в случае се недостаточности.
Испытание железобетонных изделий серийного изготовления я
отбор контрольных образцов проводятся в соответствии с указания-
ми ГОСТ 8829—66:
при проверке на прочность —контрольная нагрузка принимает-
ся равной расчетной, умноженной иа коэффициент С, численные
значения которого берутся от 1.4 до 2,0 в зависимости от типа конст-
рукции, вида примененного бетона и характера ожидаемого разру-
шения;
:прп проверке на жесткость — контрольная нагрузка принимает-
ся равной нормативной в полнейшем ее положении;
при проверке иа трениинч-тойкисть— для изделий первой кате-
гории трещиностоикости нагрузка берется равной 1,05 от расчетной
и для второй категории — 1,05 ог нормативной.
§ 2. Последовательность приложения
и снятия нагрузки
Ступени нагружения. Прн их назначении исходят из следующих
соображений: с одной стироны, чем меньше каждая ступень, тем
чаще в процессе нагружения могуг быть взяты отсчеты по прибо-
рам. Графики исследуемых характеристик строятся, следовательно,
бол<-А четко (цо oo.-ibuit uy чнсл\ точек); это особенно существенно
при наличии нелинейной иавшпмостн между нагрузкой и исследуе-
мой характеристикой, с jpyioii стороны, с уменьшением ступеней
нагрузки возрастает и.< общее число, что делает процесс испытания
полое длительным в трудоемким.
В каждом конкретном случае приходится находить оптимальное
решение, учитывая эти положения.
Так. например. д.»я контрольных испытаний образцов железобетонных изде-
лий серийного изготовления в ГОСТ 8829-66 даются следующие указания: !
>л®ПРи ПР°ВСРК° прочности ступени (чдолпл) нагрузки не должны превосходить -•
«Ото от сс контрольного (т. е. максимального) значения; i
80 j
। при проверке жесткости ступени должны быть не более 20% от соответст-
4 вующей контрольной;
при проверке трещиностойкости после приложения нагрузки, равной 90% от
f соответствующей контрольной, каждая последующая доля загружения, вплоть до
!> момента появления трещин, должна составлять не более 5% контрольной.
t Для облегчения обработки результатов испытаний последова-
тельные ступени нагрузки должны быть по возможности одннако-
* вымн.
t Начальную ступень нагружения следует брать небольшой (по-
г рядка 5, но не более 10% от ожидаемой максимальной нагрузки),
! поскольку в начале приложения усилий часть их идет на обмятие
t подкладок в опорах и под нагрузочными приспособлениями, обтяж-
ку тяг и т. д. Для уменьшения этих потерь прибегают к повторным
I приложениям и снятиям начальной ступени нагружения. Такие по-
вторные нагрузки полезны также и для проверки возвращения «иа
I нуль» показаний установленных приборов.
I Прн использовании подвижной нагрузки для той же цели дела-
ют пробные обкатки.
Разгрузка. Ступени разгрузки полезно брать такими же, как и
ступени нагружения. Этим существенно облегчается сравнение
«прямых» и «обратных» ходов показании приборов.
Но для ускорения процесса испытания нередко приходится при-
бегать к сокращению числа ступеней разгрузки. Их следует тогда
брать кратными ступеням нагружения, с тем чтобы совпадение со-
ответствующих точек прямого и обратного ходов все же сохраня-
лось.
< При повторных (циклических) загружениях нагрузка после каж-
дого цикла должна сниматься не полностью, а доводиться до уровня
первой (начальной) ступени. Этим обеспечивается необходимая
четкость испытания, поскольку все н.ирузочные устройства остают-
ся включенными. При полной же разгрузке не исключена возмож-
ность небольших перекосов и смещений нагрузочных устройств, что
k затрудняет сопоставление получаемых результатов.
§ 3, Выдерживание нагрузки
Для выяснения закономерности приращения перемещений и де-
формаций после приложения нагрузки обычно бывает достаточна
выдержка:
для металлических конструкций — от 15 до 30 мин;
для железобетонных конструкций — около 12 ч;
для деревянных конструкций — от 24 ч до нескольких
суток.
Если перемещения и деформации при постоянной нагрузке в ука-
занные выше сроки не затухают, то время ее выдерживания удли-
няется. Если замедления нарастания перемещений и деформаций и
в этом случае не наблюдается, то испытываемый объект является
негодным для эксплуатации в заданных условиях.
81
При выборочных испытаниях образцов железобетонных издала* 4
серийного изготовления ГОСТ 8829—66 предусматривает обяза- *
тельную выдержку:
при контрольных загружеииях на жесткость и трещиносто* -
кость—ие меиее 30 жшг,
после каждой промежуточной ступени нагружения—не менее
10 мин.
Указания о длительности выдержки испытательной нагрузки имеются а в
других нормативных документах. Так, например, при приемке стальных верти-
кальных цилиндрических резервуаров выдерживание нх под гидростатическим»
давлением осуществляется: для емкостей до 5000 л3 включительно —не менее
24 ч и свыше 10000 ж3 — не менее 72 ч и т. д.
1
1
h
и».
М;
Ш ГЛАВА IV
%.
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
§ 1. Общие данные
При статических испытаниях определяют:
основные показатели, характеризующие работу исследуемого
-объекта под нагрузкой, а именно — перемещения и деформации1;
усилия и напряжения в элементах исследуемых конструкций;
значения вспомогательных факторов, оказывающих влияние иа
результаты испытаний.
При испытаниях применяют приборы как с непосредственным
отсчетом значений измеряемой величины, так и измерительные пре-
образователи * **, позволяющие осуществлять измерения дистан-
ционно, что существенно расширяет возможности эксперимента.
Преобразователи позволяют автоматизировать процесс измерения
и регистрации значений контролируемых величии и выполнять из-
мерения в местах, не доступных для приборов с непосредственным
отсчетом.
Выпускаются измерительные устройства для следующих основ-
ных измерений:
линейных перемещений — прогибомеры, сдвигомеры, индикаторы
и преобразователи линейных перемещений;
L угловых перемещений — клинометры, отвесы и т. д. и преобразо-
ватели угловых перемещений;
линейных деформаций— тензометры и преобразователи линей-
ных деформаций;
усилий —динамометры и преобразователи сил;
напряжений — преобразователи напряжений бетона, грунта
и т. д.;
* Здесь и в дальнейшем термины «перемещение» и «деформация» трактуются
так же, как это принято в настоящее время в курсах сопротивления материалов,
теория упругости и т. д., а именно: под деформацией понимается относительная
величина, характеризующая изменение размеров (линейных и угловых) в окрест-
ностях рассматриваемом точки, в отличне от перемещения ее, выражаемого в еди-
ницах длины.
♦♦ Преобразователем называется (ГОСТ 16263—70) средство измерений, пред-
назначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной
для передачи, дальнейшего преобразования, обработки в (или) хранения, но не
поддающейся непосредственному восприятию наблюдателя.
В технической литературе вместо термина «преобразователь» часто приме-
няется термин «датчик».
83
** плотности — плотномеры и преобразователи плотности; V
/ температуры и влажности — термометры, влагомеры и преобрэ* ;
зователи температуры и влажности.
При сколько-нибудь значительном количестве установленных
приборов и необходимости проведения неоднократных измерений по
ним наиболее целесообразным является централизованное снятие
отсчетов с помощью соответствующих регистрирующих устройств*
в том числе, и с автоматической регистрацией показаний (с выда- *
чей результатов цифропечатающими аппаратами, а также в виде
перфолент, магнитных записей и с непосредственным вводом полу-
чаемых данных в ЭВМ).
Однако в целом ряде случаев — прп небольшом количестве то-
чек измерений, несложных испытаниях или при отсутствии измери-
тельных устройств, приспособленных для централизованных изме-
рений, приходится пользоваться приборами, требующими снятия
показаний непосредственно на месте.
Ниже рассматриваются различная аппаратура и методы изме*-
рений.
§ 2. Приборы для определения линейных перемещений
^^уДиапазон и требуемая точность измерений
При испытаниях деревянных конструкций, в особенности боль-
шепролетных, приходится измерять перемещения порядка многих
(иногда десятков) сантиметров; перемещения точек металлических
конструкций колеблются в зависимости от размеров испытываемого
объекта—от нескольких миллиметров до десятков их; наиболее
жесткими являются железобетонные конструкции, где перемещения
измеряются нередко п долями миллиметра.
Повышенные требования предъявляются при наблюдениях за
характером затухания прпрашепия перемещений во времени при
к выдерживании нагрузки. В большинстве случаев прп этом измере-
ния оказываются необходимыми с точностью: порядка миллиметра
для деревянных конструкций; десятых и сотых миллиметра—для
металлических и, наконец, сотых и даже тысячных миллиметра (т. е-
порядка микронов) —для железобетонных.
Для удовлетворения этих требований н обеспечения стабильно-
сти показаний необходимы приборы с высокими метрологическим»
характеристиками.
2-2. Основные типы применяемой аппаратуры
Для определения перемещений применяют обычно прогибомерь*
или индикаторы (подразумевается индикатор перемещений).
2-3. Прогибомеры с проволочной связью
Приборы данного типа применяются для измерения перемещений *
порядка сантиметров и более. т
84 1
.• Схема одного из наиболее распространенных прогибомеров
* (Н. Н. Максимова) приведена на рис. 44. Неподвижная ось 1 при-
L. бора при помощи струбцинки, иа схеме ие показанной, прикреп-
f ляется или к испытываемому объекту, или к неподвижной точке.
Вокруг шкива 2 прогибомера, 'Вращающегося на осн 1, перекидыва-
. ется гибкая соединительная проволока 3, натягиваемая гирей 4,
; При изменении расстояния между испытываемым объектом и ие-
; подвижной точкой шкив 2 приводится в движение охватывающей
его проволокой 3. С помощью системы передач этот поворот приво-
дит к смещению стрелки 5. Отсчет берется по круговой шкале иа
диске 7, неподвижно соединенном с осью 1. Вращая эту ось (при
установке прогибомера), можно ориентировать диск со шкалой в
любом положении — вертикальном, как показано иа рис. 44, гори-
зонтальном или наклонном, выбирая наиболее удобное для взятия
отсчетов.
Рис. 44. Схема прогибомера Н. Н. Максимова:
а - вид со стороны циферблата: v - вид сбоку; в — охват втулки проволо-
кой; / — неподвижная ось. 2 -втулка; .. — натянутая проволока; -/—гиря:
5 - стрелка; *> —круговая шкала; 7 —диск: 8 — видная в прорези диска 7
шкала барабанчика для учета числа полных оборотов стрелки 5
Цена деления шкалы — 0,01 мм или (в других вариантах выпол-
нения) 0,1 мм.
Ход прибора не ограничен и лимитируется лишь возможностью
беспрепятственного подъема или опускания груза, натягивающего
проволоку. Полное число оборотов стрелки отсчитывается по шкале
барабанчика 8t видного в прорези диска 7 *.
* Здесь н далее не останавливаемся на различных конструктивных модифи*
нациях рассматриваемых и аналогичных им приборов, с которыми подробно мож-
но ознакомиться в рекомендуемой литературе.
85
Схемы установок. При измерениях вертикальных перемещений
возможны следующие основные варианты.
1. Прн наличии доступной неподвижной точки —схема рис. 45, а
(прибор внизу) и рис. 45, б (прибор наверху). Для учета влияния
осадок опор требуется установка дополнительных прогибомеров в
опорных сечениях.
При испытаниях конструкций, расположенных над водой, при ие
слишком быстром ее течении, иа дно может быть опущен тяжелый
груз (рис. 45, в), к которому предварительно прикрепляется ииж*
иий конец соединительной проволоки.
2. Прн недоступности или большом расстоянии до неподвижных
точек (а также для исключения влияния осадок опор) применяют
системы шпренгелей. На рис. 46, а подвешенный проволочный
Z
СЭ7
Р«С -I.', bcrallu.’iku HponiUOMCpuB С ИрО*
ПОЛОЧНОЙ СВЧ ц.кг
и Пр«.Г!Пч>м« Р1Г1- А. |.ч;-- пр.,.;.. ,.,к VKDen
леа up •..fiitoxt < .. f’p.H(lG«Ki..pw
проле,и..-.: • i. -и.» пр..:.-w.i мцпсн-
лек у грчнн»; н — •P’-’Kpiп-iinv nuti прово-
локи к ти.к«’ । р\ <\. ои' к., дно;
/ —пролет и. .с .;рс. - ..цорц, проги-
оомеры; , ... coc.utuuvv или-... ирово^.хп, -
сваи и nt с.-олбм, 'зкреп.пчшыи n ipyjitc, <> -
опутцсиныЛ на лно р. i.ii
Рис. 46. Установка прогибомеров с про*
вилочной связью с креплением проволоки
к шпренгелю:
а — натяжение шлренгеля пружиной:
шпренгель с грузом: в — подтяжка шпреигеля
ирх/кипой к верхнему поясу: / — пролетное
строение, 2 — опоры; 3 — лрогнбомер; 4 —сое*
днн1пс.'1Ы1ая проволока; 5 — шпренгель W
толстой проволоки нлн троса; 6 — пружяаа.
натягивающая шпренгель 5; 7 — подвешениыв
груз
86
шпренгель оттягивается вниз вертикальной проволокой с пружи-
ной,обеспечивающей практически постоянство натяжения шпренге-
ля и тем самым требуемую неподвижность точки крепления прово-
локи прогибомера. На рис. 46, б показан шпренгель, оттягиваемый
подвешенным грузом. На-
конец, иа рис. 46, в посто-
янство натяжения шпрен-
геля обеспечивается пру-
жинами, соединяющими
его вершину с поясами
испытываемой фермы (и
в этом случае небольшие
перемещения точек креп-
ления пружин к поясам
практически не влияют иа
усилия, передаваемые от
пружин раскосам шпреи-
геля).
Пример установки
прогибомеров для изме-
рения горизонтальных пе-
ремещений приведен на
рис. 47.
На результаты изме-
рений значительное влпя-
. ние оказывает изменение
длины проволоки в завп-
' симости от температуры
воздуха и нагрева ее лу-
чами солнца (стальная
проволока длиной 1 при
Рве. 47. Установка прогибомеров с прово-
лочной связью для измерения горизонталь-
ных перемещений:
/ - воргпклльмэп стспкл резерьуаря; •непод-
вижно заделанный металлический столб; 3 — вы-
нос для креппения прогибомера; 4 — прогибомсо;
5 — соединительная проводе» • С — rov.i. натяги-
вающий проволоку; 7 — привзр^нпии к сгонке
ричервг ара снрАснок для креплен*:*! ьрооолокл
повышении температуры
* всего на 10°С удлиняется более чем на 1 лмО, что должно тща-
тельно учитываться при обработке результатов испытаний.
Если прогибомсры, установленные для исключения влияния осадок опор
(см. рис. 45), находятся в таких же температурных условиях, как и прибор
по середине пролета, то одновременно при этом вводятся и температурные по-
правки.
2-4. Индикаторы
Индикаторы * представляют собой стрелочные контактные при-
боры, т. е. действующие при упоре штифта.
В наиболее распространенных индикаторах массового изготов-
ления цена деления шкалы 0,01 мм, с диапазоном показаний (ходом
штифта) до 10 мм, Индикаторы специального изготовления выпус-
* Применяемое довольно часто наименование «мессура» не является удач-
ным. В переводе (с нем.) этот термин означает «измерительные часы».
87
каются с ходом штифта в несколько десятков миллиметров. Для
особо точных измерений применяются микроиндикаторы с ценой де-
ления шкалы, равной 1 (или 2) мк.
Кинематическая схема индикатора показана на рнс, 48. На
рис. 49 показана схема измерения прогибов балочной конструкции
Рис. 48. Штифтовый индикатор перемещений:
кинематическая схем1'; •'> - индикатор (вид со стороны циферблата);
/ — упорный штифт: 2 — оч.иич кремальера, нарезанная на штифте; 3 —
передаточные шестерни; 4 —сгрслка: 5 - шкала; б —пружина для ликви-
дации зазоров между зубцами шес<ерсн; 7 - шее герм я, натягиваемая пру*
juihcmT
Рис. 4У. Измерение прогибов балочной конструк-
ции штифтовыми индикаторами:
а - расположение индикаторов; б — график упругой ли-
нии деформированной конструкции; / — нагружаемая
конструкция; 2 — жесткий ригель для крепления инди-
каторов: 3 — индикаторы в пролете и 4 — над опорами;
5 - приближенное очертание упругой линии; б —осадки
левой п 7 - правой опор
68
i;
при помощи нескольких индикаторов. Осадки опор исключаются по-
показаниям крайних приборов.
| При больших расстояниях между индикаторами я точками упора
й. между ними помещают жесткие соединительные элементы, напри*
мер легкие штаиги (рис. 50). Наличие подобного рода промежуточ-
ных элементов связано, однако, с возможностью дополнительных
ошибок измерений в результате, хотя и малых, ио трудно устрани-
Рпс. 50. Крепление индикатора к жест-
кий рейке.
I — мепыгывлсмыЛ элемент: 1’- деревянная
рейка: —крепежное устройство н> деревян-
ных ри-к; -/-распорка; 5 — индикатор: 6—
ПОДКЛ.1ДК.1 (упор для штифта индикатора); 7 —
проволочные расчалки, препятствующие коле-
баниям рейки под действием ветра
5_____
Рис. 5J. Установка инди-
катора с применением
проволочной связи:
! - поперечное сечение на-
гружаемой конструкции; 2 —
iiniiiKiiiop. установленный
под конструкцией: 3 —со-
единительная проволока,
натянутая пружиной; 4 —
пружина-. S — заделка в не-
подвижной точке: 6 - удли-
нитель штифта индикатора,
прикрепленный к проволоке
мых постепенных смещений и обмятий в соединениях, коробления
деревянных реек, изменений длины связующих металлических эле-
ментов при переменах температуры и т. п. Сказываются также коле-
бания штанг и реек прн порывах ветра, что прн испытаниях иа от-
89
крытом воздухе делает более целесообразным применение прово-
лочной связи с индикатором. Один из возможных вариантов такого
соединения показан на рис. 51.
2-5. Электромеханические измерители
перемещений
Для преобразования измеряемых перемещений в электрические
сигналы, воспринимаемые на расстоянии регистрирующими устрой-
ствами, предложено большое количество решений, основанных на
изменении электрического сопротивления, емкости, индуктивности
и т. д. в преобразовательном элементе измерительного прибора.
В процессе измерений связь между -неподвижными и перемещающи-
мися точками наблюдаемой конструкции может осуществляться как
гибкой натянутой проволокой, так и с помощью жестких передач.
На рис. 52 перемещение А между двумя вертикальными поверх-
ностями с -помощью жесткого штифта 1 передается -на гибкий упру-
гий элемент с наклеенными -на нем тензорезисторамн 2*. На
рис. 52, а гибкий элемент 3 пердставляет собой рамочку, а на
Рис. 52 Электромеханические изме-
рители перемещений
рис. 52, б консо льную балочку 4t закрепленную в кронштейне 5.
Таким образом можно измерять перемещения до 50 мм с отсчетом
по шкале регистрирующего устройства с ценой деления 0,01 мм.
Возможны и другие решения, основанные иа том же принципе.
В так называемых <следящих» системах, передающих результаты измерения
на расстояния, мигут быть применены сельсины— электрические устройства ДЛЯ
плавной синхронном передачи углов поворота. Завись перемещений на регистри-
рующем приборе можно производить с заданным увеличением.
далее Je^>pe3,,CTOpM — электрические измерители деформации, рассматриваемые
90
§ 3. Геодезические методы измерения перемещений.
Применение отвесов и натянутых нитей.
Фотометрические методы
4
Рис. 53. Под-
весная рейка:
I — рейка: 2 - ин-
нчрпые полоски
со шкалой: 3 —
нивелирная
марка: 4 - вырез
з рейке для под-
вески на марку 3
3-1. Геодезические методы
)*' Под геодезическими методами понимают обычно совокупность
приемов для измерения перемещений в исследуемых конструкциях
$ с помощью геодезических инструментов — нивелиров и теодолитов.
₽- Измерение вертикальных перемещений. Нивели-
рова-иие во время испытания может производиться
по маркам и реперам» установленным для длитель-
иых наблюдений за сооружением. Если постоян-
ен ных марок на сооружении иет» то пользуются, на-
< пример, съемными подвесными рейками с мнлли-
метровой шкалой (рис. 53). При применении пре-
г, цИ’ЗНоиных нивелиров с приспособлением для опти-
ческого смещения линии визирования (рис. 54) воз-
можна оценка определяемых перемещении до
0,01 мм.
Измерение горизонтальных перемещений. Теодо-
лит центрируют над неподвижной точкой, выбран-
I иой иа расстоянии 25—40 я от сооружения в зави-
I симости от его высоты. На наблюдаемых точках
I сооружения -прикрепляют временные марки (из
| плотной бумаги, из узких полос лейкопластыря
| и т. п.).
| При определении перемещений наблюдаемых
I точек используют:
j. 1) способ измерения углов при повторных наве-
дениях теодолита на наблюдаемую марку и марку,
укрепленную в неподвижной точке. Зная расстоя-
ния между центром стояния теодолита и марками,
по изменению замеренных горизонтальных углов
находят линейные перемещения наблюдаемых то-
чек;
* 2) способ «бокового нивелированиям. При каж-
дом отсчете трубу теодолита наводят сначала на
' наблюдаемую марку, а затем поворотом в верти-
: калькой плоскости — иа горизонтальную рейку с
е миллиметровыми делениями, закрепленную так, чтобы оиа заведо-
мо оставалась неподвижной во время испытания. Разности после-
довательных отсчетов по рейке дают искомые линейные перемеще-
ния наблюдаемой точки.
Во всех случаях, однако, недоступными для наблюдений остают-
ся все части сооружения вие зоны прямой их видимости, что яв-
ляется серьезным ограничением применения геодезических методов.
91
Рве. 54. Оптическое смещен» ли-
нии визирования:
/ — зрительная труба нивелира; 2 —
линза объектива; 3 — плоскопараллель-
ная стеклянная пластинка; 4 —ось ара-
щенпя пластинки 3; е —смещение ня-
нин визирования
3-2. Гидростатическое нивелирование
Этот способ основан на определении взаимного превышения
проверяемых точек по уровню стояния жидкости в сообщающихся
сосудах. Применяется как для построения профилей (для этой цели
и был предложен в геодезии), так и для наблюдения за осадками.
Схема установки показана иа рис. 55. Стеклянные трубки / с
внутренним диаметром иорядка 8 л/.ч, вставленные в тройиички 2,
Рис. 55. Установка для измерения верти-
кальных перемещении гидростатическим
методом:
*’ см'ишя схема; Л —измерительная трубка,
it.i поле гайке: / — стеклянные
трВ'кн; ;* ipnftitti'tKit: •< соединительные
i::.i пн и. 4 - миллнметрозыс шкалы; 5 — под-
•.мака :н кринтения ичмерительноЛ трубки*.
<• — }р.*:ПН1|П*Л|>НЫГ| бак
крепятся у наблюдаемых точек сооруже-
ния. На тройники надеты соединяющие
их гибкие шланги 3. Система заполняет-
ся водой, слегка подкрашенной (обычно
t в красный цвет раствором фенолфталеи-
ч на, не осаживающегося на стекле) для
- облегчения взятия отсчетов. Отсчеты (с
^ точностью до 1 мм) по шкалам 4 берутся
по низу мениска жидкости, образованно-
го жидкостью, или по поплавку (на чер-
теже не указан). Для сохранения посте-
янства уровня жидкости в системе прн
^взаимных смещениях отдельных ее час-
г'тей служит присоединенная к ней вырав-
кивающая емкость 6.
I? Этот способ определения вертикаль-
ных перемещений целесообразен в труд-
: недоступных условиях и в особенности
при отсутствии прямой видимости, когда
геодезические методы неприемлемы. Гид-
ростатическое нивелирование исзамеии-у
мо при наблюдениях за осадками при пе-
редвижках зданий. При отрицательных
температурах вода заменялась при этим
техническим спиртом.
Чувствительность метода может быть значи-
тельно повышена установкой в трубках (с внут-
ренним диаметром порядка 5 ело специальных
головок с микрометренным пингом. гоичающпмея
коническим острием (рис. 56, и). Уровень жидко-
сти в этом случае очень точно огмгчасгся но
своеобразному «всплеску» мениска при опускании
острия (рис. 56, б). Используется также зажига-
ние лампочки включенной слаботочной иепи. От-
счеты берутся по шкале па головке мпкромстрсн-
яого винта с ценой деления, равной 0,01 .о.
При испытаниях сооружений могут быть
успешно применены комплекты -гидроета гнческих
уровней», серийно выпускаемых для контроля
отметок опор при монтаже машинных установок.
.. 9
Рис 56. Прецизионное опре-
деление положения уровня
жидкости при гидростатиче-
ским нивелировании:
а•- микрометрическая голоска:
П — hnitiiiKT острия конуса с.
уропчом ж>ыкости; / — головка
микрометрсяного винта: ?—из-
мсритс.п.иая шкала. 3 — метал-
лическая насадка, налетая на
стеклянную трубку; •> •• сгеклян
пая тр>ика; 5 — стальной стер-
жень глубиномера с кониче-
ским острием: 6 - жидкость;
7 —• мепнек жидкости, охваты-
вающий острие конуса в момент
контакта
3.3. Отвесы
Отвесы применяют при определении взаимных горизонтальных
смещений точек, расположенных на одной вертикали. Различают
два типа отвесов — прямой и обратный.
Прямой отвес. Гибкая стальная проволока («нить» отвеса), за-
крепленная наверху, натянута подвешенным снизу грузом (рис.
57). Во избежание раскачивания отвеса груз опускается в сосуд с
93
вязкой жидкостью, обычно с минеральным мас-
лом. Нить отвеса по всей ее высоте не должна*
касаться поверхности сооружения.
Измерение перемещений наблюдаемых точек*
производится различными способами; с точно-
стью до нескольких миллиметров отсчет может
быть произведен по шкалам горизонтальных ли-
неек, прикрепленных на нужных уровнях к по-
верхности сооружения.
Для прецизионных измерений (в первую оче-
редь, в шахтах плотин, где отвесы являются наи-
более подходящими для определения горизон-
тальных перемещений на разных уровнях) при-
меняются * координатные приставки» различной
конструкции (рис. 58). Отсчет целых миллимет-
ров ведется по шкалам, нанесенным на направля-
ющих линейках 5, доли миллиметра (до 0,05мж>
отсчитываются по барабанам микрометрениых
винтов, служащих для перемещения микроскоп
пов 4 при ориентировке их иа нить 2 отвеса.
Рис. 57. Измерение горизонтальных перемещений прн по-
мощи отвеса:
а —общая схема; б - нить отвеса перед шкалой; I — исследуемое
сооружение: 2 — проволока отвеса; 3 — кронштейн для креалепжв
проволоки; 4,—нагягивающий груз; 5 — сосуд с вязкой жидкостью,
6— горизонтальные линейки, прикрепленные к сооружению; 7 —
шкала линейки
Рис. 58. Схема оптического коордпнатометра (горизонталь-
ная проекция):
/ — исследуемое сооружение (стенки шахты); 2- проволока отвесе;
3 — консольно закрепленные линейки со шкалой; 4 — михрооимы
для паводки па проволоку, передвигаемые мнкрометреннымп вкп—
теми по направляющим линейкам 3
Рис. 59. Схема обратного отвеса'
/ — наблюдаемая марка; 2 - пропалока otueca; 3 н 4 — гтепкн сосуда;
5 - кольцевой поплавок; 6 — стержень для подвески проволоки; 7, - ви-
зирный штифт
Обратный отвес служит для выноса вверх,
через вертикальную шахту или трубу, положе- &
ния-марки, заложенной у основания.
Схематически один из вариантов коиструк- j-
ции отвеса показан па рис. 59. Проволока 2,______
подвешенная к штоку 6, поддерживается по-
плавком 5, погруженным в сосуд с жидко-
стью, закрепленный на заданном уровне над
наблюдаемой точкой /. Горизонтальные пере-
мещения определяются по положению визир-
ного штифта 7.
На рис. 60 приведена схема обратного отвеса для
наблюдения за горизонтальными перемещениями по-
7
?
верхности грунта и частей сооружений относительно
глубинного репера /. заложенного на дне скважины.
Обсадная труба 2, опущенная в скважину, и поме-
щенный над ней сосуд' 3 заполнены водой. Инварная
проволока 4 натянута поплавком 5 с визирным штиф-
том б, над центром которого устанавливается микро-
скоп 7 для снятия отсчетов.
Ряс. 60. Схема обратного отвеса для наблюдения за го-
ризонтальными перемещениями относительно глубин-
ного репера:
1 — репер; 2 — обсадная труба; 3 — сосуд, закрепленный пад
обсадпой трубой; 4 — инварная проволока; 5— поплавок; 6 — ап-
аярсы! штнфт; 7 — микроскоп; 8 — поверхность грунта
9$
3-4. Метод натянутой нити
Для точек, расположенных по прямой (в горизонтальном <ство-
ре>), перемещения, перпендикулярные направлению створа, могут
измеряться с помощью натянутой проволоки, что целесообразно
при отсутствии прямой видимости или при большой длине створа
(порядка нескольких сотен метров), т. е. в случаях, требующих пе-
реноса оптических инструментов с визированием на промежуточ-
ные марки, что снижает точность получаемых результатов и затруд-
няет работу.
На рис. 61 схематически показана натянутая проволока /, ори-
ентированная концевыми фиксаторами 4 и поддерживаемая по дли-
Ркс. 61. Применение натянутой проволоки для определения горизонтальных
смещений:
а — общая схема; б - устройство слисмюшнх опор 5; / — проволока; 2 — натягиваю*
щий груз; 3 - лебедка; «/ — концевые фиксаторы; 5*. плавающие опоры; 6 — ванноч-
ка; 7 — поплавол. '> BH.ikit. поддерживающие проволоку
не в ряде точек плавающими опорами. Горизонтальные перемеще-
ния, перпендикулярные направлению створа, возникающие в соору-
жении, определяют (до ОЛ л/.v) по изменению положения поплавков
7 плавающих опор относительно корпуса их ванночек 6 (отсчеты бе-
рутся по линейкам с нониусами, на рисунке не показанными).
Рассматриваемый метод разработан для наблюдения перемеще-
ний в гидротехнических сооружениях. В потернах плотин прн длине
створов, например, до 600 .и разброс показаний при повторных от- ;
счетах в большинстве случаев не превышает ±0,2 мм.
3-5. Стереофотограмметрическая * и фотограмметрическая съемки .
В настоящее время эти съемки все шире применяются как прн
натурных испытаниях сооружении, так и при испытаниях, проводи-
мых в лабораторных условиях, в том числе, и при испытании строи- "
тельных моделей.
* Стереофотограмметрня— от греч. слов: стереос— пространство, фото —
свет, грам(ма) —запись и метрео — измеряю.
Эффективно используется в разных областях техники: при составлении карт
и планов, определении объемов открытых горных выработок, монтаже сложных
крупногабаритных машин и оборудования, съемке п обмерах памятников архи-
тектуры и др.
96
а)
Рис. 62. Схема геометрических построений
прн фотограмметрической съемке:
а — пространственная схема; б — гоонзонтальяая
проекция; 1 — исследуемый объект; 2 — фототео-
долит нлн специальная фотокамера; 3 — кассета
с фотопластинкой; S — оптический центр фотспса*
меры
Принцип действия. На выбран-
ном расстоянии У (по геодезической
терминологии <отстоянии>) от объекта
съемки устанавливается фототеодолит
или специальная фотограмметрическая
камера. Как видно из рис. 62, точке W
с координатами X и Z на снимке соот-
ветствует точка п с координатами х в
z, связанными соотношениями
У У
х = — х; Z = —z, (9)
где f—фокусное расстояние фотокамеры.
Если расстояние У известно, то, измерив на снимке х и z, мож-
но найти координаты точки М
Для решения пространственной задачи, т. е. определения по вы-
полненным снимкам также и значения У, необходима съемка с двух
точек (рис. 63), называемых соответственно левым и правым конца-
ми базиса В <гъемкн. Наблюдаемой точке с абсциссой л на левом и
правом снимках будут соответствовать точки «1 и п* с абсциссами
Xi н х2. Найдя разность этих абсцисс p=Xi—х2, называемую «гори-
зонтальным параллаксом>, определяем значение У по формуле
У==В-£-
Р
(Ю)
4—3108
97
Рис. 63. Геометрические построения при съемке с двух
позиций:
7 — лспый снимок; 2 - правый снимок; В — база съемки
ав
та
зир
10
эш
Xi
ЗЯ
31
1б(
зге
3C-S
:зе
•♦л;
'•'з
-л
Обработка снимков, т. е. измерение координат и нахождение па-
раллаксов исследуемых точек, производится с помощью прецизион-
ного оптического прибора — стереокомпаратора.
Определение перемещений. Болес простым является случай
плыкои задачи, когда наблюдаемые точки, перемещаясь, не выхо-
дят ил плоскости. При этом достаточно произвести съемку объекта
до и после его деформации с одной точки установки инструмента.
Такая сьемка называется фотограмметрической.
В случае пространственной задачи необходима стереометричес-
кая съемка. В этом случае участки исследуемой поверхности как до»
так и после деформации, должны быть засняты каждый раз с двух
неизменных позиции.
Преимущества рассматриваемых методов:
1) одновременность фиксирования всех точек сооружения, отра-
жаемых па снимке;
2) возможность определения перемещений в произвольно боль-
шом числе точек, отмеченных иа снимке;
3) обработка снимков производится в спокойных камеральных
условиях, с возможностью повторной проверки полученных данных;
сами же фотографии являются надежным документом, отражаю-
щим состояние исследуемого объекта в момент съемки.
Недостатки: 1) требуется применять специальную аппаратуру»
а обслуживающий персонал должен иметь соответствующую подго-
товку; 2) съемка ограничена пределами прямой видимости; 3) необ-
ходимы подготовительные работы для обеспечения неизменности
точек установки инструментов в процессе испытания и 4) большие
сооружения приходится снимать с нескольких позиций, что наруша-
ет одновремеииость съемки и усложняет камеральную обработку.
При съемке с расстояния в 10 м и более можно пользоваться
обычными фототеодолитами. Подсчеты и экспериментальная про-
верка показывают, что при К= 10 м погрешности в определении пе-
ремещений в плоскости сооружения получаются менее 1 жле, а пе-
ремещения из плоскости сооружения — примерно 3 мм.
При более близких расстояниях (когда это возможно по услови-
ям съемки) точность получаемых результатов повышается. Ио при
этом необходимы уже специальные фотокамеры; такие камеры се-
рийно пока не выпускаются. Особенно важно обеспечение возмож-
ности съемки с близких расстояний при лабораторных испытаниях
моделей сооружений.
3-6. Прочие методы определения перемещений
Для наблюдения за перемощениями в высотных конструкциях
(например, телевизионных башнях», ч пол темные галереях, а также
и в других случаях эффективно применение а также совре-
менных высокоточных радио- и емтодильномероа и т. д.
। ‘ § 4. Измерение угловых перемещений
L Углы наклона элементов, подлежащие м--.»епщп, нрь испы-
таниях в пределах расчетных нагрузок, ка - н: двплне ';слнк1к
В большинстве случаев приходится учшивг.г:, ъ •<<•.; « par.vcc п .мину-
ты, а При испытаниях особо жестких Ж<’>( 'ЮбсТОЩ;! jv кодетрук-
। ций — и секунды. Приборы и npuciiO' of iciKin, г:мен!,-:*:ые для пз-
мерения столь малых углов, должны обладать высокой чусстпптель-
г иостью.
При загруженнях за пределами расчетных нагрузок и б особен-
ности при приближении к стадии разрушения, угловые иерсмеше-
’ иия начинают резко возрастать, и для определения их оказываются
более целесообразны геодезические методы и фотосъемка. Ниже
мы рассмотрим основные типы приборов и приспособлении для из-
мерений малых угловых перемещении.
^Л^Клииометры *
Клинометры с уровнем. Кинематическая схема их показана на
рис. 64. Высокочувствительный уровень 2 приводится в горизон-
• тальное положение вращением микрометрениого винта 3. Отсчеты
берутся по шкале барабана 4 микрометрениого винта. Разность от-
счетов при положениях, показанных на рис. 64, а и б, дает значение
искомого угла а.
* От греческих слов клнно (наклоняю) н метрео (измеряю).
4* 9»
6)
Рис. 64. Клинометры с уровнем:
/ ~ исследуемая конструкция; 2 — высоко*
точный уровень; '3 — микрометренный
винт; 4— барабан мпкромшрснного пинги
со шкалой; 5 — шарнирная опора
Цена деления шкалы раз* 3
лична в различных приборах 1
данного типа. В одной из май- 41
более совершенных конструк- я
цнй (клинометре Столпами) це-
на деления равна 1", а .разброс
отсчетов при повторных навод-
ках микрометрестного винта ле- *
жит в пределах нескольких де- з1
Ленин шкалы.
Клинометры с отвесом- £
маятником Н. Н. Аистова. Схе- ;
ма прибора показана иа
рис. 65. Отвес 2 опирается .
при помоши призмы 3 иа опо-
ру, расположенную внутри
корпуса 4 клинометра. Поло- э
жеиие отвеса фиксируется мик-
рометренным винтом 5. Отсче- ;1
ты берутся по шкале 6 бараба-
на винта с иеной деления в 5".
Разность отсчетов соответст-
вующих положениям рис. 65, а.
и б дает определяемый угол
наклона а.
Во избежание смещения ?
отвеса мпкрометренным вин-
том контакт их отмечается
электросигналом (при сопри-
косновении острия внита 4 с от- г
весом 2 замыкается слаботоч- ,
пая электрическая цепь). ”,
Оба рассмотренных прибо-
ра не требуют связи с каким-
либо репером, что является (в
особенности при длительных
наблюдениях) серьезным пре-
имуществом клинометров по
сравнению с другими (описанными ниже) устройствами для изме-
рения угловых перемещении. Недостатком является необходимость
вращения микрометренных винтов клинометров перед каждым 1
отсчетом, поскольку'прикосновения к прибору являются источником
погрешностей.
Клинометры с отвесом должны быть установлены так, чтобы
плоскость качания маятника-отвеса была ориентирована по направ-
лению угловых перемещений. Установка клинометров с уровнем
возможна в любом направлении.
• Различные конструктивные варианты клинометров Н. Н. Аметова подроб-
но освещены в его курсе <Иснытания сооружений».
100
Рис. G5. Клинометр с отзесоч-маятниким:
I - исследуемая конструкция; 2 — отвес: 3 -
опорная при тми; 4 — корпус прибора; 5-
м'.кромстрк лный винт; 7» - барабан
Если действительная ориентация
? угловых перемещений неизвестна, то
. клинометры с уровнем могут быть
' установлены «розеткой» (рис. 66).
' Направление перемещений опреде-
; ляется при этом по показаниям вза-
имно перпендикулярных клиномет-
? ров по правилу сложения векторов
Третий клинометр — контрольный.
t 4-2. Способ жесткого рычага
К наблюдаемому сечению кре-
пится Металлическая консоль Рис. ОС. Установка клинометров
(рис. 67). Линейные перемещения розеткой (горизонтальная проек-
двух точек консоли, обусловленные , ц,,я):
’ наклоном сечения, измеряют с но- ’ " ’’" пр'Йы: 3 “квнт'
мощью прой!бомсров. Зная раз-
. иость перемещений на базе В, определяем угол наклона а.
Преимущества способа:
1) измерения производят npoi нбомсрамн вместе мепсе распро-
страненных клинометров;
2) прогибомеры могут быть устаиотеиы а местах, более удоб-
ных для взятия отсчетов.
Но, с другой стороны, па показания пригибомсров влияют изме-
нения температуры и другие рассмотренные щ.нге факторы.
4-3. Оптическое определение угловых перемещений
К наблюдаемой точке прикрепляется небольшое зеркальце (от-
сюда и другое название — «зеркальный способ»). Зеркало 1
(рис. 68) ориентируют так, чтобы с помощью зрительной трубы 2
(обычно, геодезического инструмента) мог быть сделай отсчет но
шкале 3 измерительной рейки, расположенной рядим с ьпстру-
‘ ментом.
! При изменении наклона исследуемого элемента на угол « зер-
. кальце поворачивается вместе с ним на тот же угол, что сопровож-
дается поворотом «оптического рычага» СВ па угол 2а. Зная рас-
, стояние L между рейкой и зеркальцем и изменение а отсчетов по
рейке, находим значение а из соотношения
а
Для облегчения ориентировки зеркало шарнирно крепится к ус-
тановочной струбцине (рис. 68, б) так, чтобы оно могло поворачи-
ваться вокруг двух взаимно перпендикулярных осей / и //.
Применение зеркального способа особенно целесообразно при
наблюдениях за отдаленными точками сооружения, трудно доступ-
101
Рис. 67. Измерение угла наклона при помощи
жесткой консоли:
а — горизонтальное крепление консоли: б — вертикальное
крепление консоли; / — испытываемый элемент: 2 — жест*
кэм консоль; 3 — соединительна» проволока: 4 и 5 —про*
гибомеры; б — неподвижные опоры для креплеиня про*
гнбомеров; at и в; —линейные перемещения намеренные
мрогнбомерами
102
Рис. 68. Намерение углов наклона е
икшощыо зеркала:
а - общая схема; б —крашенке аеркыа;
/ —аеркало в покожепв до деформацяж
/'-после деформация; J-sditumu
Труба; а - шкала квмеритмько* petxa;
4—струбцина; / // —оса вращения мр~
сала; а—резкость отсветов ко рейке до к
после деформацкм
f ними во время испытания. Другая область применения—наблюде-
? ния за изменением углов наклона весьма гибких элементов (напри*
( мер, яа моделях), где исключена установка сравнительно тяжелых
клинометров нля крепление консолей с прогибомерами.
§ 5. Измерение деформаций
При исследованиях конструкций и деталей в различных облас-
тях техники (машиностроении, авиационной промышленности
и т. д.) широко применяется тензометрирование с использованием
тензометров* и преобразователей деформации разного принципа
действия.
В настоящее время для измерения деформаций при испытаниях
сооружений, строительных конструкций и деталей наиболее широко
используются тензорезисторы.
5-1. Тензорезисторы
Тензорезисторы** предназначены для дистанционных измере-
ний деформаций. Принцип действия тензорезисторов основан на нз-
* От лат. «тензум» (напрягать, растягивать) и грея, «метрео» (намеряю).
Термин темэорезмстор [от лат. «резного» (сопротивляться)] примят в на-
стоящее время вместо применявшегося равее названия «тензометр (или тензодат-
чик) сооротжления».
10В
мененни омического сопротивления /? проводников и полупроводни-
ков при деформации.
Основной характеристикой тензорезистора является его коэффи-
циент тензочувргвительности
к = ~м/1
отношение относительного изменения электросопротивления Д/?//?
тензорезистора к вызывающей это изменение деформации 8=Д///
исследуемого материала, где I — длинз (базз) проводника.
Для изготовления тензорезнсторов используются обычно спла-
вы меди и никеля (константан, элннвар и др.), характеризующиеся
высоким коэффициентом тензочувствительности К, постоянством
значений К в требуемом диапазоне деформаций, большим удель-
ным омнческнм сопротивлением p=R/Fl (где F — поперечное сече-
ние проводника, которое поэтому может быть взято достаточно ма-
лым) и практически постоянством значений р прн колебаниях темпе-
ратуры, возможных в условиях пользования тензорезисторами при
испытаниях строительных конструкций.
Следует подчеркнуть, что с помощью тензорезнсторов измеряется относитель-
ное удлинение е, а не изменения А/ длины базы (как у тензометров).
Однако длина базы имеет существенное значение и для тензорезнсторов, по-
скольку при исследованиях материалов с неоднородной структурой для получе-
ния усредненных значений деформаций в рассматриваемой зоне длина базы долж-
на в несколько раз превосходить размеры наиболее крупных составляющих ма-
териала; при исследовании же деформаций в зонах концентрации напряжений
длину базы следует, наоборот, брать по возможности наименьшей.
При испытаниях строительных конструкций используют прово-
лочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы.
Петлевые проволочные тензорезисторы (рис. 69, а) из тонкой
проволоки (диаметром 12—30 л/к), приклеенной к бумажной или
пленочной подложке, были еще сравнительно недавно основным ти-
пом прибора, применявшегося при испытании сооружений. Эти теи-
зсрезисторы (с базой обычно от 5 до 100 мм) удобны в работе и ие
сложит»! в изготовлении. Однако им свойственна в большинстве слу-
чаев поперечная чувствительность, обусловленная наличием за-
крут леинй, соединяющих прямые участки тензорешеткн н восприни-
мающих деформации, направленные перпендикулярно к продольной
оси тензорезистора; наличие поперечной чувствительности теизоре-
зистора снижает его осевую тснзочувствитсльпость.
От этого недостатка свободны беспетлевые тензорезисторы
(рис. 69, б) с иизкоомными медными перемычками. Из-за отсут-
ствия поперечной тензочузствителыюстп и лучших услозий переда-
чи деформаций (ввиду продолжения прямолинейных участков теи-
зорешеткн и за перемычки) база нх может быть уменьшена до 2—
3 мм,
В настоящее время зсе большее распространение получают
фольговые тензорезисторы (рнс. 69, в) из металлической фольги
толщиной не более 4—6 мк. Этим тензорезисторам при изготовле-
нии фотолитографскнм способом могут быть приданы любые очер-
ки
Рис. G9. Теп.^резнстогы:
ч — прппоючнын б - пг^вплоч: ый
Сч-чП’.1 глеяой: в — фи.-ьг- «»ы : •' — лолглпоел
n:ikot!i.iit: / — iснjo'iyac । ян:•’ :ыгые -лемгни.».
— швкаомныс п>'рс*у.ы’<к:1: — пило.ише кон-
г.«лг j 4 — подложка («основа- J и я.»к.ъеннмй
и.1 i н-люрететкой злыглп1.н1 слой тонкий бу«
маги; I — база тснзорсзнсгпра
ания, требуемые условиями эксперимента. Вследствие низкой по-
перечной чувствительности и плоского сечения элементов тензоре-
' тетки, они имеют 'При той же площади сечения более развитую
:оверхность приклейки, что улучшает условия нх работы.
Полупроводниковые тен-
орезисторы (рис. 69, г) по
сравнению с рассмотрениы-
р- in выше типами обладают
значительно большей тензо-
•• (увствптельностью, однако
пленяющейся при деформа,
дни и при изменениях тсм-
и 1ературы. Несмотря на это,
[?)ни эффективно примеия-
.отся в упругих элементах
)азличиых измерительных
приборов (например, дина-
мометров), где большое зиа-
1ение имеет их высокая чув-
ствительность, а отмеченные
. ледостатки могут быть ком-
пенсированы.
Тснзорезнсторы, приме-
чаемые при испытаниях со-
оружен и й, дол жн ы давать
I зозможность измерения де-
[ формаций до 10’5 в дпапа-
юпе: при исследовании уп-
ругой стадии работы мате-
риала —до (5ч-7)•IO-3 и уп-
руго-пластической — до
10“1 и более. Необходимым
/условием является также
стабильность показании тен-
зорезисторов, их влагостон-
кость и т. п.
Влияние температурных
погрешностей, обусловлен-
ных температурным коэф-
фнциентом изменения сопротивления тензонитей 0 и разностью тем-
пературного коэффициента расширения материала тензорезистора
ат и исследуемого материала ам, исключают установкой компенса-
ционных тензорезисторов (см. ниже).
В случаях, когда установка компенсационных тензорезисторов
невозможна или они не могут быть помещены в те же температур-
ные условия, используют так называемые самокомпенсированные
тензорезисторы, материал которых должен удовлетворять условию
0—(ам—(Хт)Л, где К—коэффициент тензочувствительностн теизо-
резистора.
105
Повышенные требования предъявляются к глубинным тензоре- *
зисторам разной конструкции, закладываемым в толщу схватываю- *
кцегося материала (например, бетона), когда должна быть обеспе- а
чеиа их безотказная работа в течение длительного времени. л
’ гранильною мосты:
XOp.l i
" - МСГ1
• «.''••про-
мчи мое»
eru./i рсо-
5-2. Проведение измерений
Измерения сопротивления тензоре-
зисторов в процессе испытаний весьма
малы (тысячные доли ома). Для изме-
рения столь малых колебаний сопро-
тивления применяют в большинстве
случаев мостовые измерительные схе-
мы * (рис. 70).
Во внешние плечи моста включены
«рабочий» теизорезистор с сопротив-
лением /?ь воспринимающий наблюда-
емые деформации, и «компенсацион-
ный^ теизорезистор с сопротивлением
-помещаемый в одинаковых с
ним температурных условиях в непо-
средственной близости от рабочего, но
не подверженный воздействию измеря-
емых деформаций. Во внутренние пле-
чи включены тензорезисторы с сопро-
тивлениями и /?4, помещаемые в
регистрирующем приборе и связанные
с рабочим и компенсационным тензо-
реднеторами электропроводами. Как
тзестно. мост будет сбалансирован
(т. е. ток в его измерительной диагона-
ли bd будет равен нулю) при условии
ЯЛ = (12)
Возможны два метода измерений:
1) метод отклонений (называемый
также а методом непосредственных от-
счетов»), когда изменение сопротивле-
ния Л/?, рабочего тензорезнстора опре-
деляется по силе тока, возникающего в
измерительной диагонали ранее сба-
лансированного моста, и
з
а
я
я
3
<
:а
и
2) нулевой метод (более совершенный), при котором относитель-
ные изменения сопротивления ARJRi определяют балансировкой
моста г помощью включенного в цепь (рис. 70, б) реохорда тп из-
* Здесь и далее пе останавливаемся на целом ряде особенностей, связанных ‘
с конструкцией рассматриваемых приборов, подробно освещаемых в рекомендуе- !
мой литературе. 5
106
^фсиением отношения сопротивлений п/г2. Этот метод является ос-
б^ювным при статических испытаниях.
В настоящее время для питания измерительных мостов в подав*
пиошем большинстве случаев пользуются переменным током. Систе-
коммутаторов с переключателями позволяют последовательно
фисоединять к отсчетному устройству большое количество (до ие-
^^кольких сот) тензорезисторов. Прн использовании автоматически
^действующей аппаратуры на регистрацию показаний каждого тен-
'•Ьюрезнстора требуется всего несколько секунд. Возможен непосред-
ветвенный ввод получаемых данных в ЭВМ для нх обработки.
Ч Все это, а также дешевизна, крайне малый вес, малые габариты
'^^тензорезисторов и возможность крепления (приклейки) в любых
точках исследуемой конструкции обусловливают широкое их при-
вменение.
Однако поверка тензорезисторов возможна лишь выборочно пу-
Ь;тем наклейки нескольких образцов из кажлой изготовленной пар-
1?тви на специальные испытательные балочки (например, равного
^^сопротивления), деформации которые прн. /щрузси заранее из-
•I вестиы.
5-3. Электромеханические тензометры
•• Эти тензометры с наклеенными па их \ прут ле ?.1смеиты тепзо-
'резнсторами (в двух вариантах показангы..- па рв-. 71) по шшнци-
: пу действия аналогичны рассмсчрепным В’-ч»ч гр »мссинческнм
^измерителям перемещений.
°)
Рис. 71. Электромеханические нь'-пегри с 1>-пзорезн-
•• cw;av!t:
а — консоаьно-рамныА: С> — р.»мпьгГ.; :;|.;.мг..см:»й конст-
рукция; 3 — жесткие «лемс.иы lui-ov-crpa. 3 - упругий
элемент; 4 - тентореикгоры. 3 * арубщта; ь — анкера с крс-
. нежными винтами; I-• расстояние между ижмичи олпо./мн;
L — расстояние между осями опорных ап'-'.рча
Электромеханические тензометры являются приставными прибо-
г рами дистанционного действия. База их может варьировать от не-
скольких до многих десятков сантиметров. Каждый тензометр
градуируется и поверяется индивидуально. Существенно, что отсче-
ты по ним могут быть взяты сразу после установки прибора (по-
скольку ждать твердения клея, как при использовании тензорезис-
торов, наклеиваемых на поверхность конструкций, в данном случае
не приходится).
107
5-4. Струнные тензометры
В этих приборах дистанционного действия использована зави-зк
симость между частотой f собственных колебаний и натяжением о=я
струны, определяемая выражением
я
оз)
— плотность ее материала.
где /—длина струны, а р
Рис. 72. Струпные тензометры:
< - приставной <M.ni < накладной.); б - <л-
к t.M.oir. / - конструкция: - —
U iMH'uH ctd.li.u I • стр) ПК опоры Л.1Я
j •...»! ..eq cip'iiM. 1 диски; 5 -
। i- .1. -iHi-o ihyr.i.,.. л — ,.:сК1рАмлпн1|;
н.ные ’ qwifc:'! /-длина < tpxitij;
'. v. • д- меж «у средними сечениями
дт|.он ;
Струнные тензометры
применяются как пристав-
ные (рис. 72,а), так и за-^
кладываемые в толщу мате-
риала конструкций, напри-г?
мер в бетон массивных гид-г
ротсхнических сооружений.
В этом случае (рис. 72,6)
струна 2 защищается от со-
прикосновения с бетоном
трубками 5, жестко соеди-
ненными с дисками < втоп-
леиными в кладку. i
При деформации бетона
расстояние L между диска-
ми меняется, что сопровож-
дается изменением натяже-
ния струны. Если ft и Ь —
поеледов ател ьно за мерен*
иые частоты ее собственных
колебании, то значение де-
формации е может быть
найдено из выражения
л /2Р it2 !г\
(14)
где Г модуль упругости материала струны.
Для возбуждения колебании используется помещенный рядом
со струной электромагнит 6, в котором возникшие колебания стру-
ны в свою очередь индуцируют переменный ток той же частоты f,
определяемой с помощью регистрирующих устройств, соединенных
с тензометром проводами 7.
Для исключения влияния температуры и других возможных воз-
действий, влияющих па получаемые результаты, рядом с группами
заложенных в бетон «рабочих» тензометров помещают «компенса-
ционный» прибор, уложенный таким образом, чтобы деформации
бетона на него ие действовали. Учитываются также показания за-
ложенных в кладку телетермометров и т. д.
108
Струнные тензометры применяют главным образом для длитель-
[ ^ вых измерений, поскольку существенным их преимуществом по
сравнению с тензорезисторами является то, что на частоту колеба-
ний струны не. влияют возможные утечки тока и изменения омиче-
ского сопротивления в соединительных коммуникациях, с чем при-
ходится серьезно считаться и принимать соответствующие защитные
керы при пользовании тензорезисторами.
/ 5-5.' Механические тензометры
I).»
в* Механические тензометры представлены рядом типов различио-
1ы' го конструктивного оформления. Остановимся несколько подробнее
сс^ на одном наиболее распространенном ддаажном-тенаометра (Гу-
(JJ? генбергера*), схематически показанном иа рис. 73. Как видно из
(J- рисуакаДдри, деформации исследуемого материала йбнец ccrpejp-
ки 8 тензометра перемещается' вдоль шкалы 10 с миллиметровыми
® Рис. 73. Кинематическая схема рычажного теиэо-
V метра:
в а—начальное положение; б — смещения рычагов после де-
формации (показаны пунктиром); / — испытываемый эле-
мент; й- острие неподвижной я <—подвижной ножек: 3—
, неподвижная и 6 - подвижная ножки; $-ось вращения
1 ножки 5; 7 —передаточный стерженек; в—стрелка; Я—ось
В вращения стрелки» /0—шкала; /««база тензометра
К
| .
2 * От названия спецнализнровалной швейцарской фирмы, выпускающей
точные измерительные приборы, улучшившей конструкцию данного типа тензо-
метра.
109
делениями в новое положение с? (на схеме взят случай сжатия).*0
Увеличение k прибора определится при этом из соотношения *
яи
ь b s
* = Т=Т“ (15)ж
ил
где a, b, г, s — плечи рычагов, а А — изменение расстояния между
точками опирания 2 и 4.
Чаще всего тензометры данного типа выпускаются с тысячекрат-
ным увеличением, что при базе I—20 мм дает возможность оцени-
вать определяемую деформацию до 8=10“*. Имеются образцы дан-
ных тензометров с увеличением и в несколько тысяч раз и базой до <
2 мм, используемых при измерениях, например, в зонах концентра- I
ции напряжений.
При необходимости получения усредненных результатов (в слу-
чае неоднородных материалов — древесины, бетона, каменной клад-
ки и т. д.) база измерений должна быть увеличена, для чего при-
меняются специальные удлинители (рис. 74). Крепление тензометра
к поверхности исследуемого элемента осуществляется с помощью
струбцин и других аналогичных приспособлений.
Рис. 74. Тензометр с удлинителем базы:
I — нспмпи'асмин элемент: 2 — тензометр: 3 — подвижная
Ц'»жка ivii «oMCipa. отртая на элемент ?; 4 — нсподвнж-
и .я ножка тецзоуетрэ. пс касающаяся поверхности зле*
.пим: 5 — стержень удлинителя: ь —упорная ножка
ул.тшш-.-ля; 7-- С1лдинительнын в»м»т: ^ — отверстие в
удлинителя для струбцины или другого крепеж*
Ич.о приспособления: I — база тензометра; L — база тен-
зометра с удлинителем 1
Па рис. 75 показана схема одного из рычажных тензометров с
индикатором. Этот тип более тяжел и громоздок по сравнению с
легкими и удобными тензометрами Гугенбергера. В рычажных тен-
зометрах другой, распространенной у нас системы (Н. Н. Анстова,
см. «Испытание сооружений»), индикатор заменен микрометрен-
ным винтом, используемым так же, как и в рассмотренных выше
клинометрах его системы. Преимуществом этих приборов является
их малогабаритность и несколько большая, по сравнению с другими
типами, устойчивость иа исследуемой конструкции; недостатком —
но
иеобходимость вращения микрометрениого винта перед каждым от-
счетом.
Установка рычажных тензометров требует (несмотря на просто-
му этой операции) некоторого навыка — при недостаточном прижи-
ме опорных ножек возможно их «проскальзывание» при деформа-
циях материала; при излишнем же натяге возрастает трение в осях
рычажных передач, 1ВлнЯ1ощес на точность ипь/релий.
i6
Р»С. 75. РыЧ.тЖИЫЙ Г-.; ’«-Тр с ,14 ;.Ч« по-':
I IU*nt4Tt4B.i<;*.llJii ••.H'lf.',. . - I • ,.L . • v;... » I
полнижиая и -i •!<».«*•. I • I- . I' I .. •!.
л - ад, npauiciui -i j'i 1»; . > ‘ . । . • 1 ... ,
/ ...... M •
Градуировка тензометров щ ль* ч'кт; ь;.-.^ч,
ПОСКОЛЬКУ ИХ увеличение еб\с,юн.и:-н\.е . и н.-ш: :‘bi-
чагов, не остается стабильным (з.чпяпт .!.: г.!ьм . > i.ro:; ц,-
ный износ опорных призм).
Установленные тензометры должны <'ы i :< .лигь к. * .зг'.'г
сферных воздействий и освещения ирчмьпч: ,.*••> i.ji, •<. > Чч?'т
внтельны они также к сотрясениям и y.i-ipdM.
Несмотря на все эти недостатке, механически* i -н.-'-ь ’.ры при-
меняются как в лабораторных', тал и ь на ирных ус. и •* :< « слу-
чаях проведения измерений в небольшом количестве точек, .Уступ-
ных для непосредственного снятия отсчетов. Применяются o-ni так-
же для контроля показаний, получаемых с помощью тензометров
иных систем.
5-6. Другие методы измерения деформации
В лабораторных условиях прн т.жреинях, т[чГ< «юч повышенной точное сн,
применяются оптические и оптико-механические тсн.^мстри с пключг-ппычи в их
конструкцию легкими зеркальцами, создающими. как :t « опигк-еких клинометрах
(см. рис. 68), незесомые ^оптические рычаги -. В глких тензометрах двигается
увеличение до 10 тыс. рал База их может быть доведши до 1 льч.
В малогабаритных оптических тензометрах для резкого уменьшения длины
оптических рычагов используют автоколлимашюнные системы (световые лучи,
отражаясь от зеркальной поверхности, проходят затем ту же оптическую систему
в обратном направлении).
Для получения общего представления о возникающих деформациях наиболее
простым и наглядным является метод лаковых покрытий, тонким слоем наноси-
мых на наблюдаемые участки поверхности конструкций и образующих, после вы-
сыхания лака, хрупкую пленку, плотно связанную с материалом. При деформа-
ции последнего в'пленке образуются (при определенных значениях деформации,
111
зависящих от состава примененного лака) хорошо заметные мелкие трещины, i
ориентированные нормально направлению максимальных удлинений. В сжатых я
зонах лаковое покрытие следует наносить после нагруження конструкции; о ха-
рактере деформаций в этом случае судят по трещинам, образующимся при раз-2
грузке. -1
Для более детальных исследований при испытаниях моделей н отдельных
элементов эффективен метод сеток, наносимых на наблюдаемую поверхность тон-
кими (порядка десятых миллиметра) штрихами. При загруженни объекта испы-
тания очертания сетки искажаются, давая отчетливое представление о направле-
нии н интенсивности возникших деформаций. После соответствующих замеров и
вычислений могут быть получены и требуемые числовые характеристики.
В настоящее время все более широкое применение получает метод муаров,
являющийся развитием метода сеток. При этом методе наблюдаемая сетка, на-
несенная непосредственно на поверхность или отраженная иа ней от специально-
го экрана, фиксируется дважды (до и после деформации) на одном и том же
фотоснимке, с той же позиции. Изображения сеток, накладываясь друг на друга,
образуют иа снимке характерные муаровые полосы, положение н очертание кото-
рых позволяет с большой точностью определять значения необходимых для оцен-
ки деформации параметров. Для ускорения обработки могут быть использованы
автоматические считывающие устройства с передачей полученных данных иа
ЭВМ.
Среди прочих способов исследования напряженно*деформированного состоя-
ния материала следует в первую очередь отметить поляризационно-оптический ме-
тод, заключающийся в просвечивании поляризованным светом образцов, выпол-
ненных из оптичсскн-актпвного материала.
В настоящее время этот метод начинает применяться с использованием отра-
женного поляризованного света и прп испытаниях конструкций из обычных ма-
териалов; в этом случае оптически-активное покрытие в виде сплошного слоя на-
носят на наблюдаемую поверхность пли наклеивают иа нее заранее заготовлен-
ные гибкие фотоупругие пластинки.
Возможности использования рентгеновского излучения н применения поляри-
зованного ультразвука для оценки напряженно-деформированного состояния рас-
смотрены выше.
§ 6. Динамометры
Прп испытаниях строительных конструкций наряду со специаль-
ными применяются также динамометры обычного типа, используе-
мые и для других целей в строительной практике. Наиболее распро-
страненными из них являются динамометры, основанные иа механи-
ческом принципе действия, с упругими элементами, соедниениымн
со стрелкой или другим указателем, по положению которого бе-
рется отсчет по шкале. В большинстве случаев эти динамометры
громоздки и тяжелы и не всегда обеспечивают необходимую точ-
ность и диапазон измерений.
В настоящее время все шире применяются электромеханические
динамометры с тензорезисторамм. На рис. 76, а показан тяговый
динамометрический элемент в виде стального стержня «круглого по-
перечного сечения, близкого по очертаниям к стандартным образ-
цам, используемым при испытании металла на растяжение; на
рис. 76, б — кольцевой динамометр для сравнительно небольших
сжимающих усилий, а на рис. 76, в — толстостенный цилиндр для
измерения значительных сжимающих усилий. Показанные на этих
схемах тензорезисторы как активные (рабочие), так и компенса-
ционные, расположены симметрично. Последовательное соединение
112
тензореэисторов в каждой группе исключает влияние возможной
внецентренности приложения нагрузки. Рассматриваемые динамо-
метры компактны, не-тяжелы и соответствуют предъявляемым к
ним требованиям.
Рнс. 76. Динамометрические элементы с тенэореэвсто*
раин:
в —для измерения растягивающих усилий; б в е - то же.
для сжатия; / — сплошной стержень круглого сечения; i —
кольцевой динамометр; 3 — толстостенный цилиндр; 4 —
активные (рабочие) тензорезисторы; б — компенсационные
тензорезисторы
В отдельных случаях используются динамометрические устрой-
ства других конструкций, как например контрольная балка для из-
мерения усилий от подвижной нагрузки (см. рис. 43).
4*- 3108
ГЛАВА V
ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ ?
§ 1. Подготовительные работы
Большая трудоемкость н стоимость статических загружеиий, на-
ряду с трудностью (а в отдельных случаях и невозможностью)
повторения испытаний требуют тщательной предварительной отра-
ботки их программы. Правильность ее выбора в значительной сте-
пени предопределяет как эффективность всей предстоящей работы,
так и надежность всех данных, получаемых в результате испытания.
Перед началом испытаний должна быть проведена необходимая
подготовка: смонтированы нагрузочные приспособления и подготов-
лена нагрузка; установлены подмости и ограждения; обеспечено,
если это вызывается условиями испытаний, дополнительное освеще-
ние мест установки приборов; согласованы перерывы в эксплуата-
ции исследуемого объекта и т. д.
Предварительные подсчеты. Уточняется требуемая испытатель-
ная нагрузка и определяются соответствующие этой нагрузке зна-
чения перемещении, деформаций, напряжений и усилий, возникаю- ;;
щнх в исследуемых элементах конструкций. 5
Такие подсчеты являются продолжением перерасчетов, выпол-
няемых по результатам освидетельствования (см. выше раздел два,
гл. IV) и производятся с учетом всех выявленных при этом отступ-
лении от проекта, уточненных характеристик материала, обнаружен-
. ных ослаблений и т. д. В сооружениях с неявно выраженной расчет-
ной схемой (допускающей выбор нескольких возможных вариантов)
предварительные подсчеты должны быть выполнены по всем этим
схемам. Сравнение с результатами испытаний позволяет в дальней-
шем выбрать из них наиболее близкую к действительной работе
сооружения.
Аналогично поступают в отношении модуля упругости и других
характеристик материала, если до начала испытания значения их
не могут быть надежно определены. Эти подсчеты ведутся в преде-
лах возможных диапазонов с дальнейшим уточнением фактических
значений по результатам испытаний.
§ 2. Размещение приборов
Перед испытанием составляется схема расположения измери-
тельных приборов с указанием их типа и характеристик. При этом
учитываются следующие положения:
114
г 1) двмерюия_.даиболее ответственных параметров, определяю-
. щих даботй^бсобность сооружения, следует, (для исключения воз-
i моЖности тшпбвкУ'щ№Г«^оватвг применяя приборы различного
принципа действия. Так, например, прогиб ферм, измеренный с до*
мощью а^отибомербНТ^елесосЮргазно тфоверять путем нивелиро-
вания;
•^2) ^группам- однотипных приборов добавляется контрольный^
находящийся в тех же условиях, тго расположенный йаэлементе, не
учЯвтеующсм в работе ГсооруЖёПйя.Измёнеиие показаний контроль*
ного прибора позволяет учесть влияние внешних факторов на
результаты измерений и внести в них соответствующие по-
правки;
3) вд_о же время не, следует без особой в этом необходимости
увеличивать* общее число устанавливаемых приборов. Лишние при-
t б(ф5ГиУдлйяййг снятие отсчетов н, нёпринося особой пользы,
( усложняют проведение испытаний и обработку их резуль-
* татов;
* 4) при прочих равных условиях приборы лужио. устанавливать
’ там, где измеряемыедтоказатели достигают наибольших'значений,
’ Йё[^есообразио~ставить приборы к зоне «Нулевых* отсчётов (На-
* пример, тензометры вдоль нейтральной оси изгибаемого элемента),
* поскольку даже небольшие погрешности измерений в данном случае
будут сильно искажать полу-
чаемые результаты.
&
I
Е 2-1. Размещение приборов
при измерении прогибов
I
Чтобы определить про-
; гиб балки с учетом осадки
jjnop, необходимо устано-
вить не меиёё трех прогибО•
<мёров (рис. 77, а). Дри ие-
• Доступности опориых хече-
иий для установки приборов,
крайние прогйббКеры Сдви-
гаются BHyipbjnpiK5OTajc cO’
отаеготвующимучетоьГвлй*
яиия этого смещения^ при
обработке ^ез^ьтатов^ ис-
пытаний.
Для уточнения очертаний
упругой лицин нагружаемых
фгемейтбв требуется ббль-
mjg—число прогИбойеров,
распределевдыхвдоль Про-
лета (Сй/рис. 49).
Рис. 77. Расстановка приборов ври яэ*
мерении прогибов:
а —прн доступности опорных сечеянй бе***»
б — прн крайних прогибомерах. сдвжжутых
вдоль пролета; I — пролет балки; Г — расстоя-
ние между сдвинутыми прогибомервми; / —
врогнб среднего сечеянж с учетом осшн
спор; Г — частичное смещение среднего сече-
вкя. мфнхсяронанное прн сдвинутых- ковйних
приборах; Д У, 8 - ярогкбомеш
115
2-2. Размещение приборов при измерении углов наклона Ч
В балочных конструкциях наиболее целесообразно измерять яр» hl
ворот опорных сечений (рис. 78). В разрезных балках угол наклону ля
упругой линии здесь является максимальным н вблизи опор nwjtf *i«
ие меняется, что позволяет без существенных •погрешностей в ре- it
зультатах измерений выбирать для установки приборов наиболее
удобные позиции. Возможен также вынос клинометров и ) ко®0®* )л|
ли балки за опорами. ЗД
Рис. 78. Установка приборов для измерения углов
наклона:
/, 2 - клинометры; 3 - начальное положение осн балки;
-» — упругая линия изогнутой осн балки
Более сложный случай размещения клинометров при неизвест-
ной заранее ориентировке угловых перемещений (установка «розет-
кой») приведен выше на рис. 66.
Размещение приборов при измерении деформаций
«И
•а
'1
лз
:л
Выбор позиций для крепления тензорезисторов, механических 5
тензометров и других приборов, применяемых при определении де- $
формаций, важен с точки зрения возможностей и полноты анализа Ч
напряженно-деформированного состояния исследуемого материала.
Ниже кратко рассмотрены основные случаи, встречающиеся при ис- 4
пытаниях конструкций и их отдельных элементов. 1
Измерения при одноосно-напряженном состоянии материала— •<
при определении продольных деформаций (нормальных к попереч- *1
Рис. 79 Расстановка тензометров по периметру попе-
речного сечения стержней:
/“< —тензометры, установленные перпендикулярно плоскост*
сечения
Пб л!
/ йыы сечениям элементов) в стойках, колоннах, ригелях рам, поясах
я решетке ферм, балочных конструкциях и т. д.
* В качестве примера на рис. 79 показано несколько поперечных
’ сечений *. Базы.црибрров на схемах^рриентированы по направлению
1 измеряемых деформации, т. е. перпендикулярно плоскости чер-
’ те>агз------ *'
’ одной лишь продольной силы при отсутствии изгибаю-
! щегр момента. К сечеиии создается равномерное напряженное со- '
стояние.
'Для определения возникающих деформаций теоретически была
бы достаточна -устайбйка одного Лишь Прибора. Считается, однако,
необходимым проведение измерений ие меиее чем в двух точках
(рис. 79,о)поскольку: 1}.жсчет поодному лищьпрйбор/йедоств-
точно надежен ввиду возможности случайиы?Г^пргрещностей и
2)Пм)тсутЙйии эксцентриситета приложения усилия необходимо
убедиться по равенству показаний обоих приборов. '
аЬвМе^ЯЬ^д^йСтвие Продольной силы и изгибающего момента. '
В сеуешпГ создается^ неравномерное напряженно^д^дрмй^юанное
'’^Б^ди^ялосхсстъ действия момента известна, то для измерения
возникающих деформаций необходимо установить ие менее двух
приборов —в точках пересечения периметра сечения с плоскостью
к Действия сил (на рис. 79, а момент приложен в плоскости У). Для
. с контроля целесообразно выбрать еще одну позицию для проведения
т измерений в наиболее напряженной зоне сечения. При небольшом
расстоянии между крайними точками в плоскости действия момента
(плечо h иа рис. 79, а) установка контрольного прибора обяза-
тельна.
Если плоскость действия момента неизвестна, то необходима ус-
( тановка трех приборов—для определения воздействий М» и
t Соответствующий пример приведен на рйс. 79, 6. На рис. 79, в
. покаваната-ясн7Ьтанрвках но с добавлением контрольного Прибора.
J Действие продольной силы, изгибающихмоментов и Цзгибно-
* крутильного момента В. Для определения АС М», и & требуется
। установить не менее четырех приборЬв. Иа рисТтэ/е приведен со-
к ответствующий пример" для ТОНкостеПного двутавра. И здесь целе-
сообразно включать дополнительно контрольный прибор.
Измерения при плоско-напряженном состоянии материала. Из-
мерять деформации в условиях плоско-напряженного состояния
I приходится при испытаниях листовых конструкций" (резервуаров,
газгольдеров и т. д.), балок-стенок и др.
Для уточнения напряженного состояния материала необходимо
при этом устанавливать в рассматриваемой точке несколько тен- .
ЗбМётров ио разным направлениям. Наиболее удобио при этом
"применять тензорезисторы, приклейка которых в любом заданном
направлении не вызывает затруднений. Количество тензорезисто-
' * Примеры относятся к металлическим конструкциям, но те же соображения
справедливы и для элементов из любых других материалов.
6-3108 И7
ров, требуемых в кёждой точке, определяется условиями поставлен-
ной задачи. Рассмотрим два случая. !
Случай 1. Направление главных напряжений, (а, следовательно, *
н главных деформаций) в исследуемой точке известно. Должны 1
быть найдены главные деформации вшах и етш* (задача с двумя
неизвестными). Для их определения требуется крепление не менее 1
двух теизорезисторов, ориентируемых обычно по заданному направ- *
лению главных напряжений под углом 90* друг к другу (рис. 80, а). л
Для контроля показаний добавляют третий теизорезистор под* уг- я
лом 45° к предыдущим (рис. 80, б—«прямоугольная розетка»). ®
я
Рнс. 80. Схемы размещения теизорезисторов в двухмерном поле деформа-
цнй: ;;
а —под углом 90; б - прямоугольная розетка: а - веерная прямоугольная розетка,
г— равноугольная дельта-розетка; 6 Т-дельта-розетка
Случай 2. Главные направления неизвестны. Должны бытьопре-
делены как величины, так и направления еШах и етш (задача с тре-
мя неизвестными). Необходимо крепление -не ме«ее трех тензорезис-
торов. Чаще всего применяется та же прямоугольная розетка
(рис. 80, б). Для контроля может быть под углом добавлен четеер-
тый теизорезистор (рис. 80, в — «веер»).
__________
* По найденным значениям еВах и деформация в любом другом яаправ-
леаян определяют расчетным путем.
118 <
Возможно ИСДРл^ование^ррэетрк^ и других конфигураций, на-
ек призер <равноугольной> розетки (рис. 80, а) с тремя тензорезис-
торам?, ^итмр|ЦШШЯЙУ ТГОгуглом 60° друг к другу. Развитием
ее является Т-дельта-розетюа с^чётырьмя теизорёзисторами (рис.
80^; —w—
I* ‘Ввиду небольших размеров теизорезисторов размещение их на
3 поверхности конструкций обычно не вызывает затруднений. В очень
• стеотенны£условцдх, для экономии места (а также при резко ме-
7 намОемся поле напряжений), можно пользоваться розетками с сов-
мешенными теизорезисторами (рис. 81), наклеенными заранее на
Общую основу.
Рис. 81. Розетки с совмещенными теизорезисторами:
а — прямоугольная и б — равноугольная ромткн
Измерение деформаций при объемно-напряженном состоянии
материала. Систематически такие наблюдения, проводится иа объ-
* ектах гидротехнического строительства, где установка- закладных
тензометров при бетонировании массивов крупных плотин необхо-
дима для дальнейшего наблюдения за их работой в процессе экс-
плуатации. В других случаях подобные измерения ставятся, глав-
ным образом, с целью исследований.
Рассматриваемая задача является методически наиболее сложной, посколь-
1 ку измерительные приборы .должны быть расположены в толще материала и при-
сутствие их не должно вызывать искажений поля напряжений в исследуемой
। точке. ‘
Направление деформаций в материале в общем случае неизвестно. Для
определения величин главных деформаций (3 параметра) н их ориентации (также
3 параметра) требуется установка в зоне каждой исследуемой точки не менее
i подборов. Целесообразно применять ^ля.этой цедцДв крупных бетонных
Вдеснвах) рассмотренные выше струнные тензометры, обеспечивающие в данных
условиях получение наиболее надежных результатов. ~
Во время бетонирования важно сохранить заданную ориентацию устанавли-
ваемых приборов, для чего тензометры крепят к легкому, но прочному каркасу
нз арматурной проволоки. Рядом с каждой группой тензометров помещают конт-
рольные приборы для исключения влияния изменений температуры, усадки бето-
на и других факторов, носящих искажения в регистрируемые показания.
в«
119
§ 3. Основные работы, выполняемые в процессе
испытания
3-1. Установка приборов н подготовка к наблюдениям
Измерительные приборы должны быть закреплены на испыты-
ваемой конструкции заблаговременно для обеспечения стабильно-
сти их показаний *, а также защищены от внешних воздействий и
случайных повреждений.
Перед длительными испытаниями наблюдение за показаниями
установленных приборов целесообразно провести в течение суток
до загружения для выявления (и учета в дальнейшем) изменений
нх показаний при суточных колебаниях температуры.
Поверхности нагружаемых конструкций в зонах возможного по-
явления трещин белятся для облегчения наблюдений во время ис-
пытаний. Существующие повреждения отмечаются как на объекте,
так и в соответствующих ведомостях (если это уже не было сдела-
но ранее в процессе предварительного освидетельствования). Ря-
дом с установленными приборами в порядке последовательности
взятия отсчетов краской наносят их помер. Проверяется удобство
доступа как к приборам, так и к элементам конструкций, подлежа-
щих наблюдению, достаточность их освещения и т. д. Проверяется
выполнение всех требуемых мер по технике безопасности.
3-2. Предварительное загружение *
Предварительное загружение является начальным контрольным -
этапом испытания. На этом этапе проверяют: готовность и надле-
жащее действие всех подготовленных приспособлений, в первую
очередь нагрузочных; надежность крепления и правильность пока-
заний установленных приборов, а также окончательно отрабатыва-
k ют намеченный процесс проведения испытания.
Интенсивность предварительного загружения принимают обыч-
но равной первой ступени нагрузки, предусмотренной программой
испытания.
Выявленные во время загружения неудовлетворительно рабо-
тающие приборы подлежат исправлению или замене. При этом
может быть два случая.
Случаи 1. Исследуется объект, неоднократно подвергавшийся
действию внешней нагрузки. В этом случае нет оснований ожидать
сколько-нибудь заметного изменения его состояния в результате
еще одного загружения перед началом испытаний. Показания всех
установленных приборов должны были бы, следовательно, после
• В течение некоторого времени после установки приборов наблюдается, в
большинстве случаев, самопроизвольное изменение их показаний—так называе-
мый «дрейф нуля». У прогибомеров это связано с постепенной вытяжкой прово-
локи и обмятнямп в креплениях; у наклеенных теизорезисторов — с твердением
клея н т. д.
120 *-
снятия. предварительной нагрузка вернуться к своим первоначаль-
ным значениям.
—-^Невозвращение показаний может быть результатом:
1)^ак.называемой обкатки *, т. е. небольшого^вподие допусти-
мого смещения «нуля» прибора при первом цикле загружения.' При-
бор как бы прирабатывается к объекту н при следующих циклах
дает надежные показания;
2) дефектной установки (которая должна быть неправлена)
или неуддВЛСТВорнтельногд состояния самого прибора, подлежаще-
го замене.
Случай 2, Исследуемый объект нагружается впервые. Прн пер-
вомлагруженнн^ооруЖеннй л отдельных конструкций возможно
появлеййгё^бстаточны? перемещений и де^"-'—'—_____________
объятием ^соединений и мест опирания, осадками нагружаемых
опор? взаимными смещениями элементов и т. д.' Невозвращение
приборов на нульпосле снятия первой нагрузки не может при этом
рассматриваться как показатель дефектно?™ ЙХ установки.
Для выявления неудовлетворительно ~рйбогающнх-~приборов в
данном случае требуется внимательное наблюдение за изменением
. нх показаний как прн приложении первой нагрузки, так и при по-
степенном ее снятии.
3-3. Запись показаний приборов
Непременным-условием является максимально возможное * со-
блюдение одновременности записи по всем установленным прибо-
рам. Нанлучшнмобразом это требование обеспечивается при ав-
томатической регистрации показаний.
Прн обычной записи число приборов, поручаемых каждому на-
блюдателю, должно быть по возможности небольшим. После запи-
си показаний по всем приборам рекомендуется делать повторный
отсчет по первому из них. Разность двух последовательных показа-
ний дает важную для оценки результатов характеристику интен-
сивности развития пластических деформаций после каждой ступе-
ни нагружения.
Помимо записи показаний приборов, должны тщательно .отме-
чаться: 1) время записи и 2) условия проведения испытания (дан-
ные об изменениях температуры н других атмосферных факторов^
случайные толчки н удары, воспринимаемые исследуемыми конст-
рукциями н т. д.), которые могут быть использованы прн оценке по-
лучаемых результатов.
3-4. Наблюдения за состоянием нагружаемого объекта
Перед началом испытаний отмечают все трещины, сколы н дру-
гне повреждения, обнаруженные в элементах нагружа^МДХ-кпнгт-
* Термин «обкатка» прибора заимствован из мостоиспытательной практики,
* где обкаткой называют первый (пробный) пропуск подвижной нагрузки но мосту
перед его испытанием.
121
рукдий. После приложения каждой ступени нагрузки производится
повторный их осмотр для выявления как вновь появляющихся ШК
врежденнй, так н степени развития уже имеющихся.
Отметки на поверхности элементов осуществляют нанесением
краской тонкой черты рядом с каждой трещиной (но не поверх
иее); аналогично, с небольшим отступлением, обводят контуры ско-
лов и других повреждений. Концы трещин отмечают поперечным
штрихом, рядом с которым пишут ступень нагрузки, соответствую-
щей отмечаемой длине трещины. Совокупность таких отметок дает
наглядную картину постепенного развития повреждений ло мере
роста испытательной «нагрузки.
Трещины заканчиваются обычно тонкими «волосными» участками, границы
которых ивогда с трудом просматриваются. Полезно применять в этом случае
лупу. Рекомендуется также смачивать поверхности у конца трещины быстровспа-
ряющейся жидкостью (нзпример, ацетоном): жидкость, попавшая в трещину, ис-
паряется несколько позже, оттеняя, таким образом, предел ее распространения.
Повреждения отмечаются в специальных ведомостях, а также
(что очень целесообразно) наносятся от руки с примерным соблю-
дением масштаба на форматках с вычерченной иа них разверткой
контролируемых детален. Аналогично должны отмечаться и рас-
хождения в швах и соединениях, искривления и взаимные сдвиги
элементов и т. д.
В процессе загружеиня и после окончания испытания необходи-
ма фотосъемка, особенно поврежденных мест. Снимки являются
важным документальным подтверждением результатов испытания.
Наличие серии таких фотографий значительно облегчает как обра-
ботку полученных данных, так н их оценку.
§ 4, Техника безопасности при испытаниях.
статической нагрузкой
4-1. Предохранительные устройства
Для обеспечения безопасности при приложении и выдержива-
нии нагрузки должны быть приняты меры иа случай разрушения
или потери устойчивости испытываемой конструкции. Для этой це-
ли под нагружаемым объектом устраивают леса, устанавливаю!
стойки н т. д., не касающиеся испытываемой конструкции н не ме-
шающие ее деформации под нагрузкой*. Эти предохранительные
устройства должны быть достаточно прочны и устойчивы, чтобы
полностью воспринять на себя вес нагружаемой конструкции в слу-
чае исчерпания ее несущей способности.
* При испытаниях отдельных фрагментов конструкций для предохранения
нх от потери устойчивости могут применяться крепления, воспроизводящие связи,
существующие между рассматриваемыми элементами н прочими частями конст-
рукции в законченных сооружениях.
122
Предохранительные леса и стойки используют обычно и для
устройства ходов и площадок для установки н взятия отсчетов по
измерительным приборам, а также наблюдений за состоянием про»
веряемых элементов во время испытаний. Все эти вспомогательные
конструкции и подходы к ним должны быть надежны и надлежа-
щим образом ограждены.
v 4-2. Обеспечение безопасности работы
с нагрузочными приспособлениями
Нагрузочные н распределяющие нагрузку устройства должны
отвечать требованиям техники безопасности в отношении их состо-
яния, быть надежно закрепленными и иметь все необходимые за-
щитные ограждения.
Там, где подвешены грузы, должны быть предусмотрены меры
на случай срыва грузов нлн резкого опускания их вместе с испы-
тываемой конструкцией; свободный зазор под грузами должен быть
минимальным с учетом ожидаемых прогибов и осадок конструкции
при ее загруженин; под подвешиваемыми грузами должна быть
сделана песчаная подсыпка или уложены смягчающие удар про-
слойки.
В случае необходимости, следует предусмотреть меры для бы-
строго удаления грузов с испытываемого объекта. В этом отноше-
нии наиболее удобны саморазгружающиеся устройства, например
домкраты, усилия в которых резко падают при внезапном переме-
щении нагружаемой конструкции в направлении создаваемых с
помощью этих домкратов силовых воздействий.
ГЛАВА VI
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИИ
§ 1. Графическая обработка
Первым этапом обработки является тщательный контроль до* е
стоверности полученных экспериментальных данных. Различного ро-
да отклонения в правильности хода приборов (переломы графиков,
резкие «выпады» отдельных точек и т. д.) оценивают прн этом с
точки зрения возможности их появления по условиям работы кон-
струкции и сравнивают с одновременно отмеченными показаниями
других приборов, а также записями в журналах испытаний.
В ряде случаев отклонения показаний приборов, совпадающие
с моментами образования трещин в нагружаемых конструкциях,
сдвигами элементов и т. д., могут быть объяснены влиянием этих
факторов и отсчеты признаны в достаточной степени надежными.
Рис. 82. Построение графика показаний
прибора с учетом поправок:
/ — график покзшппЛ рабочего и 2--контрольно-
го приборов; «У — откорректированный график ра-
бочего прибора
Отдельные поправки в
графики показаний могут
быть внесены на основа-
нии измерений контроль-
ными приборами. В каче-
стве примера иа рис. 82
показан ход рабочего 1 н
контрольного 2 прогибо-
мера. Оба прибора, уста-
новленные в непосред-
ственной близости друг
от друга, находились в
одинаковых условиях в
отношении температуры,
нагрева солнечными луча-
ми, воздействия порывов
ветра и т. д., но прогнбо-
мер 2 не регистрировал
перемещений. Изменения его показаний вносят поэтому как поправ-
ки при вычерчивании графика <?, который и принимается в качестве
исходного для дальнейшей обработки *.
Внесение поправок в показания приборов возможно лишь при наличии
для этого соответствующих оснований (как в случае, приведенном на пне. 82).
Без этого ссглзжнванне» получаемых графиков недопустимо.
124
Примеры построения графиков. На рис. 83 показана совмещен-
ная схема «время—нагрузка—деформация». Эта схема дает на-
глядное представление как о режиме приложения, выдерживания
1 и снятия, нагрузки, так и о соответствующих деформациях и разви-
тии их во времени.
Рис. 83. Совмещенный график «время—нагрузка—деформа-
ция»:
I - нагружение; Zf—выдерживание под напигэкоа; ZZZ—разгрузка;
/V — наблюдена» после свята нагрузки
-Другой характерный при-
мер приведен на рис. 84, где
показан график осадок. По оси
абсцисс отложены значения
нагрузки, по осн ординат—из-
меренные перемещения (отло-
женные в данном случае вниз).
Вертикальные отрезки графи-
ка, соответствующие выдержи-
ванию нагрузки, расшифровы-
вают рядом на вспомогатель-
ных кривых «осадка—время».
Рас. 84. Граф» измерения осадою
I—зависимость «нагрузка—деформа-
ада»; 8 к 3—возрастание деформации по
времени ори выдерживании приложенных
ступеней нагрузки
125
6-3108
§ 2. Обработка результатов измерения перемещений
2-1. Подсчеты прогибов при загружении простой балки
Расположение прогнбомеров показано на рис. 77. f
Прн установке приборов над опорами и по середине пролета
(см. рис. 77, а) прогиб f легко получить из соотношения
{ !h +/1сч
/ = 02----7—» t(16).
А
уде 01 н 0з — осадки в опорных сечениях, а у%—перемещение сред-
него сечения.
Прн крайних положениях приборов, симметрично смещенных
внутрь пролета (см. рис. 77,6),
, 0i' + 03
=№——
где Г — часть прогиба среднего сечения, отнесенная к расстоянию <
Г между сдвинутыми прогибомерами. Путем аналогичных вычнсле- -
ний определяют соответствующее значение Г и при несимметричном :
расположении приборов по пролету балки.
Переход от f' к полному значению прогиба f производится с '
учетом очертания упругой линии изогнутой балки. В таблице призе- !
дены данные соответствующего пересчета, исходя из теоретическо-
го очертания упругой линии для двух практически важных случаев:
сплошной равномерно распределенной нагрузки и сосредоточенно-
го груза, приложенного по середине пролета. Расположение прибо-
ров принято симметричным по рис. 77, б. Крайние прогнбомеры
находятся на расстоянии а от опорных сечений балки с пролетом /.
Подсчет производится по формуле
f=*r, (is):
где коэффициент к зависит от отношения а/l (см. таблицу).
Таблица
Значения переходного коэффициента к
ft 1 При равномерно расиреде- леннип нагрузке При сосредоточенном грузе по середине пролета
0,10 1.457 1,420
0,09 1,396 1,364
0,08 1,338 1,312
0,07 1,285 1,264
0,06 1,236 1,218
0,05 1,189 1,176
0,04 1,146 1,136
0,03 1,106 1,099
0,02 1,068 1,064
0,01 1,033 1,031
126
Данные таблицы подсчитан^ для балок постоянного сечения,
к Диалогичным путем могут быть получены значения переходных
коэффициентов и при других схемах загруження, для балок пере-
менного сечення н прн произвольном (несимметричном) располо-
доний прогнбомеров по длине пролета.
2-2. Определение опорных моментов и изгибной жесткости балок
по измеренным прогибам и углам наклона
На рнс. 85, а показана балка постоянного сечення с располо-
женной по ее пролету нагрузкой любого вида, обозначаемой далее
индексом <Р». На балку действуют также опорные моменты МА и
Мв, значения которых чаще всего (например, в ригелях рам, в не-
разрезных балках н т. д.) неизвестны н должны быть определены
экспериментальным путем. Будем считать, что уточнению подле-
жит также фактическое значение изгибной жесткости балки £/.
Для определения трех неизвестных (MAt Мв и Е) необходима
ft установка н взятие отсчетов по трем приборам, например измерение
прогиба f в каком-либо промежуточном сечении балки и определе-
Ч вне углов наклона аир изогнутой осн в опорных сечениях
. (рнс. 85, б).
Считая, ввиду малости деформаций, что tga^a н tgp&p, мо-
жем написать (прн среднем приборе по середине пролета):
И . М*1 . мв1 ,
1 6£/ ’
« МА1 МВ1 ЗЕ1 ’ (19)
МвР
f-ft- 1 16Е/ А 16ЕГ
* где ар, ₽р и fp — углы наклона и прогиб от заданной нагрузки в ** простой балке пролетом 1 прн отсутствии опорных моментов. Эти
> величины определяют расчетным путем.
Ч Подставив подсчитанные значения ар, Рр н fP и полученные по
* показаниям «приборов а, р н f -в уравнения <(19) н решая эту систему
уравнений, находим искомые МА, Мв н EI *,
Прн возможности осадки опор (рис. 85, в) прогибомеры, кроме
установленного в пролете, должны быть помещены н в опорных се-
чениях 4 н В. Подсчет прогиба f (за вычетом осадки опор) рас-
* Зная £1 н подсчитав (на основании произведенных измерений) момент инер-
ции / рассматриваемого сечення, находим фактическое значение модуля упруго-
сти £ исследуемого материала в данном его состоянии. Числовое значение мо-
дуля упругости необходимо при дальнейшей обработав результатов испытаний
; для перехода от найденных значений деформаций к соответствующим им напря-
жениям.
6* Ж
-------------
Рис. 85. Исследование работы балки прн действии
опорных моментов:
а —схема загружения: б - очертание упругой линии; е —
упругая линия прн наличии осадки опор; г —результи-
рующая эпюра изгибающих моментов: д — вспомогатель-
ная схема для подсчета величины опорных моментов
У
1
J0
X
Ж
•ia
jer
Тй(
J3
лй
3
d
r.i
л!
Ж
. I
:aj
> 31
смотрен выше. Угол у, определяющий наклон балки, вызванный
неравномерностью осадок, находится нз соотношения
у = arctg Ув ^Уа
(20).
где ув и ул — измеренные осадки опорных сечений.
Для нахождения углов аир отсчет по левому клинометру, как
видно из рис. 85, в, должен быть уменьшен, а по правому увеличен
на у.
Если установка приборов в опорных сечениях невозможна, то
их смещают внутрь пролета.
I На рис. 85, г показана результирующая эпюра моментов для
I рассматриваемой балки. Если считать, что концевые прогнбомеры
I и клинометры поставлены в сечениях I н 77, удаленных на расстоя-
I ния а и b соответственно от левой и правой опор, то необходимые
I подсчеты могут быть проведены в следующем порядке:
I 1) по полученным данным определяют условно «опорные» мо-
I менты Л/оп1 и Л/0Пп для балки с пролетом равным расстоянию
между сечениями 7 и 77, в предположении воздействия на эту бал-
I ку той части заданной нагрузки, которая приложена по длине
Одновременно определяют и значение жесткости £7;
2) теоретически подсчитывают изгибающие моменты Мр1 н Alp11
в сечениях 7 и 77 для простой балки пролетом I прн действии на иее
всей заданной нагрузки Р, но при отсутствии опорных моментов;
3) вводя вспомогательные обозначения
ЛЛ = Л1оп + Л1р;
Мп = М?п + Л1£,
из геометрических соотношений по рис. 85, д окончательно находим
Мх = Л11 + (Л11-Л1п)у;
Мв = Л4п-(Л11-Л4п)у.
(21)
122)
I 2*3. Подсчеты при измерении перемещений в двух направлениях
! Прн испытаниях ряда конструкций (рамных, арочных н т. д.)
приходится считаться с одновременным развитием как вертикаль-
ных, так и горизонтальных перемещений.
На рис. 86, а в качестве примера показано несимметрично за-
груженное, арочное перекрытие. Допустим, что участок АВ этой
> арки в результате деформаций переместился в новое положение
А'В'. Намеренные «горизонтальные перемещения концевых сечеаий
А и В этого участка (отнесенные к центрам тяжести сечений) обо-
129
Рис. 86. Перемещения в несимметрично загруженной арке:
а — схема загружения; б - перемещение участка АВ
значим через хА и хв, а соответствующие вертикальные составля-
ющие через у а и ув (рис. 86, б). Из рисунка следует:
ЛА' = ^х\+у\; BB' = ix^ + yY (23), ।
При определении углового перемещения участка АВ длину его
I можно (при сопоставлении с величинами перемещений АА' и
ВВ') считать практически неизменной. Переход отрезка АВ в по-
ложение А'В' может, следовательно, рассматриваться как резуль- j
тат параллельного его переноса в положение А'В" н последующего .
поворота на угол у вокруг точки А'. Поскольку треугольник В"А'В'
является равнобедренным, то для у справедливо выражение
. у В"В'
где В" В' = У (хв - ха)2 + (у в - у а)2 (25)
и sinJb«4- <26>
Подставляя эти значения в уравнение (24), находим определяе-
мый угол поворота в виде
у = У ~ х*)2 + G/в — </а) 2 (27)
130
§ 3. Обработка результатов измерения деформаций
3-1. Главные деформации
Обработка результатов измерения деформаций облегчается,
если установка тензометров или наклейка теизорезисторов произ-
водилась по направлению главных деформаций. В простейших слу-
чаях эти направления заранее известны, а в более сложных могут
быть определены, например, путем иаиесения хрупкого лакового
покрытия на поверхности исследуемых элементов.
Часто, однако, ориентация главных деформаций не может быть
заранее установлена и приходится считаться с тем, что установка
тензометров или наклейка теизорезисторов производится по отно-
шению к главным осям под неизвестным углом. Этот угол а, так
же как и значения главных деформаций, должен быть в таком
случае уточнен расчетным путем.
Приводим формулы для соответствующих подсчетов для двух
чаще всего применяемых типов розеток:
для прямоугольной розетки (рис. 87, а)
Рис. 87. К ориентации розеток теизорезисторов относительно главных
осей:
а - прямоугольная и б - равноугольная розетки; /. 2, 8 —тензореэпсторы; X, У —
главные оси; а — угол между осью X п направлением тензорезястора 1
епи,х = ^4^±¥^(е‘-й)2 + (8»-е»)2’> Я>
ш1п 2
ei + ea
82---2--
tg2a==2-----±; (29)
ei—ез
131
для равноугольной розетки (рис. 87, б)
- e‘+*+e* ^у(Е1 _8,)*4-(е2-е,)*+(е,-bi)2; (30)
О J
3
. _ 1 8а — 8s
tg2a = —-------------------
УЗ 81 + 82 + 83
es-------------—
(31)
Аналогичные формулы для других типов розеток приводятся в
рекомендуемой литературе.
При большом количестве экспериментальных данных обработ-
ка ведется с помощью вычислительных машин. Если это почему-
либо исключено, то целесообразно применять для той же цели гра-
фические приемы обработки.
3-2. Переход от деформаций к напряжениям
В упругой стадии работы материала при одноосном напряжен-
ном состоянии (и проведении измерений в направлении действую-
щего усилия) переход от деформации е к определяемому напряже-
нию о базируется на соотношении а=£е.
При двухосном напряженном состоянии материала исходят из
обобщенного закона Гука:
£
Ощах = Т---г(втах 4“ M8min) J
1 — ц2
£
Gmln = , „ (8тШ + Ц8тах),
1 — Д2
(32)
где « — коэффициент Пуассона.
В пластической стадии работы деформации и соответствующие
им напряжения также взаимосвязаны. Прн обработке эксперимен-
тальных данных используют рассматриваемую в теории пластично-
сти зависимость между в, («интенсивностью» деформаций) и о»
(«интенсивностью» напряжений) в исследуемой точке материала.
<fi н связаны с главными напряжениями (ah оз. Оз) и главными деформациям»
(вь Сз. ез) выражениями:
«1 = ( У^2; 2) V (®i+ («2— °з)2 *+ (°з — а1)2»
<1 » (VI з) / (еГ-ч)2 + (€2- €3)2 + (ч- чЯ*
(33)
При переходе от измеренных деформаций к напряжениям, учи-
тывая фактические размеры исследуемых элементов, можно опре-
делить значения внутренних усилий, возникших в конструкции под
действием приложенной нагрузки.
132
3-3. Определение опорных моментов путем измерения деформаций
При данном методе (предложенном С. Г. Тахтамышевым) в се-
чениях изгибаемых элементов, по их верхней и нижней граням из-
меряют продольные деформации материала. По показаниям прибо-
ров выявляют сечения, где изгибные деформации» а следовательно,
и значения изгибающих моментов равны нулю.
Построив затем эпюру моментов от вызывающей деформацию
нагрузки в предположении шарнирного опирания элемента, можно
путем несложных вычислений определить фактические значения
возникших опорных моментов.
В качестве примера на рис. 88 приведена эпюра, построенная
для случая действия на элемент одного сосредоточенного груза,
приложенного по середине пролета. Предположим, что отсутствие
изгибающих моментов выявлено иа расстояниях а и b от левой и
правой опор.
Рис. 88. К определению опорных моментов по дан-
ным тензометрических измерений:
а — нагрузочная схема; б - результирующая эпюра мо-
ментов
схемы
(34>
МР—
На основании показанной иа рисунке геометрической
можно написать:
! Ма = Мр —— Мл — ----Мв —- == 0;
Ч л * *
— Мл-—Мл—т—= о,
5 */* * *
в
11 где МЛ и Мв—подлежащие определению опорные моменты;
1за
f
изгибающий момент под грузом Р в простой балке с шарнирными
опорами.
Решая уравнения (34), находим искомые значения ЛТЛ и Мв.
§ 4.Оценка результатов статических испытаний
Оценка результатов испытаний производится иа основании все-
стороннего их анализа и сопоставления с данными теоретических
расчетов, уточненных в соответствии с фактическими размерами,
характеристиками материала и состоянием проверяемого объекта.
Наиболее полная оценка может быть дана при рассмотрении
| результатов испытаний до исчерпания несущей способности. При
। этом могут быть выявлены следующие основные вопросы:
I каким образом происходит потеря несущей способности (в ре-
' зультате разрушения материала в одном или нескольких основных
! элементах конструкции; из-за потери устойчивости отдельных эле-
ментов нлн всей конструкции в целом; из-за нарушения работы
связей и соединений и т. д.);
соответствует ли фактическая разрушающая нагрузка теорети-
ческой н степень их расхождения;
соответствуют ли измеряемые во время испытания перемещения
и деформации вычисленным теоретически.
На основании анализа характера потери несущей способности
могут быть сделаны рекомендации по усилению выявленных бо-
лее слабых элементов и узлов в аналогичных конструкциях. Сопо-
ставление фактической и теоретически ожидаемой разрушающих
нагрузок дает возможность при превышении разрушающей нагруз-
ки нал ее теоретическим значением оценить неучтенные ранее из-
лишние запасы прочности с вытекающими отсюда практическими
выводами. Наступление же разрушения при нагрузке, меньше тео-
ретической, может свидетельствовать о недоброкачественности
примененных материалов и выполнении работ иа проверяемом.
объекле. В обоих случаях расхождение может быть также следстви-:
ем неправильно выбранной расчетной схемы или проведения само- ,
го расчета. Окончательные выводы могут быть сделаны на основа-'
нни анализа и сравнения измеренных перемещений и деформаций.,
с теоретическими, а также рассмотрения условий появления и по-.'
степенного развития трещин и других повреждений в объекте ис-;
.пытания во время его загруженпя.
При испытаниях до разрушения контрольных образцов продук-*
ции серийного изготовления (например, стеновых панелей н других
аналогичных элементов и конструкций) выводы по результатам ис-
пытаний делают с учетом соответствующих нормативных указаний.^
Так, например, если разрушение отобранных для испытания панелей проис-$
ходит при нагрузке, меньшей 100%, но ие меньшей 85% контрольной (см. выше jg
гл. 3, § 1), то требуется повторное загруженне такого же количества образцов.*
Всю проверяемую партию считают выдержавшей испытание, если при этом по-
вторном опробовании нн одни образец не разрушился прн нагрузке, меньшей <1
85%. В противном случае партию бракуют.
134
I
В панелях, признанных гоццлми по их несущей способности, измеренные про-
гибы ио должны превышать контрольные более чем на 10%. Если в панелях не
допускаются трещины по условиям их эксплуатации, а при испытаниях они по-
являются при нагрузке, меньшей контрольной, то партия приему не подлежит
и т. л.
Наиболее сложной является оценка результатов испытаний со-
оружении, предназначенных к эксплуатации, поскольку суждение
о их фактической несущей способности и прогнозы в отношении
предстоящей их работы приходится в ряде случаев делать на осно-
вании приложения к ним нагрузки, не превышающей расчетной.
Основными показателями, используемыми при этой оценке, яв-
ляются перемещения и деформации, измеренные прн испытании, и:
; результаты наблюдений за появлением и развитием трещин и псь
врежденпй в нагружаемых конструкциях.
При анализе этих данных исходят из следующих соображений:
' 1) экспериментально выявленное напряженно-деформированное
состояние проверяемых конструкций должно соответствовать тео-
- ретическому. В тех случаях, когда значения предельных перемеще-
нии нормированы по условиям эксплуатации, эти требования долж-
ны быть соблюдены;
%
I
2) при испытаниях объектов, многократно подвергавшихся си-
ловым воздействиям, выявление сколько-нибудь значительных ос-
таточных перемещений и деформаций после приложения и снятия
такой же испытательной нагрузки является признаком неудовлетво-
рительной работы сооружения. Причины этого должны быть выяв-
лены и на основании их сделаны соответствующие практические
выводы;
9 3) остаточные прогибы железобетонных впервые нагружаемых
9 конструкций не должны превосходить 1/3 прогиба, измеренного
9 при нормативной нагрузке;
R 4) существенные заключения могут быть сделаны (в том числе
Ч и для объяснения появления чрезмерных остаточных прогибов) иа
< основании наблюдений за нарастанием перемещений при выдержи-
3 вании нагрузки иа сооружении и за постепенным уменьшением их
й после снятия нагрузки (см. рис. 83). При нормальной работе соору-
в жеиия эти изменения должны постепенно затухать; отсутствие явно
В!
выраженного затухания свидетельствует о неудовлетворительном
состоянии сооружения; в случае же ускорения процесса нарастания
перемещений во время выдерживания нагрузки сооружение по его
состоянию должно быть признано негодным для передачи в экс-
плуатацию;
5) в предварительно -напряженных конструкциях после их за-
гружения н обратного снятия нагрузки не должны уменьшаться
усилия в напряженных элементах.
При. наличии многочисленных результатов испытаний однотип-
ных конструкций, проведенных в сопоставимых условиях, наиболее
общие выводы по ним получают путем статистической обработки
соответствующих экспериментальных данных.
РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ
Динамические испытания
ч
1Г
I
!
ГЛАВА I
ОБЩИЕ ДАННЫЕ
§ 1. Основные характеристики динамической работы
строительных конструкций
аР
Ы. Нагрузки
Под динамическими нагрузками понимают воздействия» меняю**
щнеся настолько быстро, что в элементах конструкций возникают По
силы инерции, существенно влияющие на их работу. ззд
Величина, направление н место приложения нагрузок могут из*
меняться независимо друг от друга или одновременно.
Основные виды динамических воздействий:
1) усилия, возникающие при работе стационарно установленно-
го оборудования, — силы инерции движущихся частей механизмов
и машин, удары падающих частей силовых установок (молотов,
копров) и т. д.;
2) подвижная нагрузка—от кранов, электрокаров, железнодо-
рожного и автодорожного транспорта; при движении людских масс
(ходьба «в ногу», бег) и т. д.;
3) пульсации ветра, вызывающие колебания высоких дымовых
труб, мачт, башен и т. п.;
4) сейсмические воздействия при землетрясениях и крупных
взрывах (например, иа выброс породы, вызывающие далеко рас-
пространяющиеся колебания грунта); удары воздушной взрывной
волны и т. д.
По закономерности изменения динамических воздействий во
времени различают:
а) периодически меняющиеся нагрузки. Одним из основных вн-
дов таких воздействий является гармоническая нагрузка, меняю-«а®,
щаяся по синусоидальной кривой. Любая другая более сложная
многократно повторяющаяся нагрузка может быть представлена в
виде суммы отдельных гармонических воздействий;
б) циклические незакономерные загружения, носящие характер '*5®
случайных процессов;
136
в) импульсивные нагрузки как одиночные (эпизодические), так
и повторные. По продолжительности их действия различают крат-
ковременные и мгновенные импульсы (или удары).
Характеристиками импульсивной нагрузки,
кону Р(0, являются:
меняющейся во времени t по за-
1) продолжительность воздействия т;
2) величина импульса
Рис. 89. График пульсацион-
ной нагрузки
S= f P(t)de,
О
3) форма импульса
/(0 =
где Ро — максимальное значение воздействия
(рнс. 89).
1-2. Работа конструкций при динамических воздействиях
Под действием динамической нагрузки в элементах конструкций
возникают (носящие в большинстве случаев характер колебаний)
перемещения, деформации, напряжения и усилия.
Периодические колебания — колебания, повторяющиеся через определенные
промежутки (цикл) времени (рнс. 90, а н б). Основные параметры периодических
колебаний: Т — период колебания, равный продолжительности одного цикла (сек);
л»1/Г — частота колебания, равная числу циклов колебаний в единицу времени;
©»2л/Т— циклическая частота (или «круговая» частота), равная числу циклов
колебаний в 2л сек.
При гармонических колебаниях (рис. 90, б), встречающихся наиболее часто,
перемещения г определяют в зависимости от времени t:
z as a sin (at + а), (37)
где а — амплитуда колебаний (2а—размах колебаний); (о/+а —фаза колебаний,
определяющая положение колеблющейся точки в момент времени /; а —началь-
ная фаза (прн /«0).
При гармонических колебаниях скорости и ускорения колеблющихся точек
изменяются также гармонически.
Любое периодическое колебание может быть получено в результате наложе-
ния друг на друга определенного числа гармонических колебаний с соответствен-
но подобранными частотами и амплитудами.
Средн непериодических колебаний наиболее существенными с точки зрения
исследования динамических деформаций являются затухающие колебания
(рис. 90, в). На рис. 90, в показаны возрастающие колебания, соответствующие
обычно началу динамического процесса. На рис. 90, д приведен график колебаний
с меняющимися раэмахамн и частотой, вызванных воздействием циклической не-
закономерно меняющейся нагрузки. ____
При совместном действии двух периодических колебаний с близкими между
собой периодами Ti и 7» возникает явление биения (рнс. 90, в). Период результи-
рующего колебания Т определяется соотношением
Г-ж2/(1/Гх+1/Г2). (38)
137
в период taenft
(39)
Гб«2/(1/Г1-1/Г2)-
Рис. 90. Колебания:
о — периодические; б — гармонические (частный с.тхчаП периодических коле»
баний); в — затухающие; е — возрастающие; <?-незакономерные; в — биения 1
I
4
С точки зрения динамических характеристик- (г. е. связи между колебаниями
и вызывающими их динамическими воздействиями) различают:
собсгденные (или «свободные») колебания, возникающие в результате началь- ‘
кого возмущения (например, удара, внезапного удаления какой-либо связи I
и т. п.), протекающие затем (постепенно затухая) без приложения каких-либо i
новых внешних воздействий: [
вынужденные колебания, происходящие прн систематических повторных при-
ложениях возмущающих сил;
автоколебания, т. е. установившиеся колебания при наличии внешнего неиз-
менно деГн-1 '.уюшего источника энергии (например, колебания высоких гибких
мачт пли поперечные колебания мостов больших пролетов прн ветре постоянной
скорости). Амплитуда автоколебании определяется свойствами колебательной си-
стемы и не зависит от начальных условий, при которых эти колебания возникли.
Основном динамической характеристикой каждой конструкции ।
являются свойственные ей частоты свободных колебаний. По мере :
приближения частоты вынужденных колебаний конструкции к час- j
тоте ее собственных колебаний возрастают амплитуды вынужден- ।
иых колебаний (а следовательно, и внутренние усилия и яапряже- ।
ния), обусловленные этими воздействиями. Наибольшие амплиту-
ды возникают при резонансе, соответствующем совпадению
вышеуказанных частот.
138
Совокупность частот собственных колебаний конструкции на-
зывается спектром ее частот. Число колебаний, образующих спектр,
определяется степенью свободы колеблющейся системы, т. е. коли-
чеством параметров, необходимых для определения координат всех
ее точек в любой рассматриваемый момент времени.
Строительные конструкции являются, вообще говоря, системами
с бесконечно большим числом степенен свободы. Условно, к систе-
мам с одной степенью свободы могут быть отнесены конструкции с
обертонами колебаний (т. е. с колебаниями более высоких частот),
в десятки раз превышающих частоту основного, т. е. самого низко-
го тона. Примером таких конструкций могут служить: гибкие балки
с одним тяжелым сосредоточенным грузом, по сравнению с кото-
рым собственным весом балок можно пренебречь; массивные фун-
даменты на податливом основании (если рассматривать только
поступательные или только вращательные колебания груза) н т. д.
При нагрузке, распределенной вдоль гибкого элемента, а также
в случае, когда собственным весом элемента по сравнению с при-
ложенной нагрузкой нельзя пренебречь, приходится считаться как
с основным тоном колебания, так и с наличием обертонов. На
рис. 91, а графически по-
казан начальный участок
спектра (т. е. основной
тон с частотой, условно
принятой за единицу, и не-
сколько следующих обер-
тонов) для простой балки,
на рис. 91, б —для балки,
заделанной одним концом,
н на рис. 91, в—для бо-
лее сложной конструкции.
В курсе динамики соо-
ружений подробно рас-
сматривают способы вы-
числения частот спектра
собственных колебаний
для разнообразных кон-
струкций, При динамиче-
ских испытаниях эти ча-
стоты определяют экспе-
Рнс. 91. Спектры частот свободных колеба-
ний:
а — одиопролетной балки с шарнирно опертыми
концами; б - балки, заделанной одним концом;
а — неразрезиой равиоаролетной балки. (Цифры
над вертикальными штрихами соответствуют по-
рядковому номеру частот. Частота основного тома
условно примята за единицу)
риментальным путем.
С точки зрения оценки работы конструкций необходимо' знать
основную частоту и несколько следующих за ней обертонов.
Каждой частоте спектра соответствует своя форма колебаний
данной конструкции. В качестве примера иа рис. 92 показаны фор-
мы колебаний балки с шарнирно опертыми концами, соответствую-
щие основному тону (рис. 92, а) и первым двум обертонам
{рис. 92, бив).
Чтобы вызвать вынужденные колебания с формой, соответству-
ющей тому или иному тону спектра, необходимо воздействие на
139
систему возмущающих
______----------- нагрузок с частотой, рав-
н°й частоте рассматрявае-
'_____----------------_мого тона. При приложе-
Рис. 92. Формы колебании однопролетной
шарнирно опертой балки:
a — колебания основного тона: б н в —первого и
второго обертонов
нии импульсивных нагру-
зок возникают сложные
затухающие колебания,
являющиеся результатом
наложения друг на друга
свободных колебаний раз-
ной интенсивности, соот-
ветствующих разным ча-
стотам спектра. Так, на-
пример, у простой шар-
нирно опертой балки удар
по середине пролета вы-
зывает наибольшие по величине колебания основного тона
(рис. 92, а), ударом же в четверти пролета можно вызвать доми-
нирующие колебания второй формы (рис. 92, б).
§ 2. Динамические характеристики материала
2-1. Динамический модуль упругости
Соотношение о—е, характеризующее модуль упругости, зависит
от скорости приложения нагрузки. Чем быстрее меняются внешние
силовые воздействия, тем меньше сказывается влияние упругого
последействия и пластических деформаций. Этим объясняется бо-
лее линейная зависимость между а п е при динамической работе
материала и некоторое превышение динамического модуля упру-
гости по сравнению со статическим его значением.
Для металла разница между Едпп и Естат весьма мала, напри-
мер для стальных конструкций эти величины можно считать прак-
тически совпадающими.
Для бетона, древесины и других строительных материалов рас-
хождения между динамическими и статическими значениями моду-
ля более существенны.
Динамические значения модуля упругости определяются обычно
путем вибрационных испытаний, а также исследованиями материа-
ла с помощью ультразвуковых колебаний.
2-2. Динамические прочностные характеристики
Прн увеличении скорости приложения нагрузки проявляется в'
большинстве случаев тенденция к увеличению предела пластично-
сти и предела прочности загружаемого материала. С другой сто-
роны, при резких силовых воздействиях (ударах) возможно внезап-
ное появление и почти мгновенное развитие трещин, которые могут
140
привести к хрупкому разрушению конструкций при сравнительно
малых приложенных усилиях. Эта склонность к хрупкому разруше-
нию характеризуется ударной вязкостью материала.
Склонность к хрупкому разрушению, с которым приходится счи-
таться, в первую очередь, в металлических конструкциях, возраста-
ет в местах концентрации напряжений (у отверстий, вырезок и т.п.)
и при понижении температуры.
При длительных вибрационных нагружениях возможно появле-
ние и развитие усталостных трещин. Прочность материала опреде-
ляется при этом, как известно, пределом выносливости, зависящим
как от вида материала, так и от характеристик загрузочного цикла.
2-3. Внутреннее трение
Внутреннее трение является одной из главнейших динамических
характеристик материала. Наличие внутреннего трения (называе-
мого также внутренним неупругим сопротивлением, демпфировани-
ем и т.д.) обусловливает затухание свободных колебаний. От интен-
сивности внутреннего трения в материале в значительной степени
зависят и амплитуды вынужденных колебаний; чем больше внут-
реннее трение, тем меньше, при прочих равных условиях, оказыва-
ется амплитуда установившихся вынужденных колебаний, а следо-
вательно, и величина соответствующих им динамических напряже-
ний. Все указанные факторы крайне важны с точки зрения условий
динамической работы конструкций.
Внутреннее трение вызывает необратимое поглощение (превра-
щение в тепло) механической энергии, сообщаемой колеблющейся
системе внешними воздействиями. Количественной характеристикой
внутреннего трения является коэффициент поглощения ф— отно-
шение энергии, необратимо поглощенной материалом конструкции
за цикл колебаний, к средней (за тот же цикл) полной механиче-
ской энергии колебаний рассматриваемой системы.
В динамических расчетах вместо коэффициента поглощения
пользуются пропорциональным ему параметром
называемым коэффициентом внутреннего трения (или коэффици-
ентом иеупругого сопротивления).
При испытаниях строительных конструкций значения ф и у опре-
деляют обычно по полученным данным о затухании свободных ко-
лебаний, пользуясь соотношением
ф«2б, (41)
где б — логарифмический декремент колебаний.
Способы определения значении б по результатам испытаний
рассматриваются в гл. V, § 2 настоящего раздела.
141
Кроме внутреннего трения, на режим как свободных, так и вынужденных
нолебаинй, влияет также «кулоновое> трение в соединениях н опорах, действие
которого должно быть учтено.
Сопротивление же колебаниям, оказываемое воздушной средой (аэродинами-
ческое сопротивление), крайне незначительно, н в обычных условиях работы кон-
струкций им можно пренебречь.
§ 3. Задачи динамических испытаний
Ниже рассмотрены основные задачи динамических испытаний,
определяемые характером и назначением исследуемых объектов и
их состоянием.
3-1. Испытание сооружений и отдельных конструкций,
подлежащих сдаче в эксплуатацию
Объекты, рассчитанные на воздействие динамических нагрузок
(мосты, конструкции ряда промышленных сооружений и т. д.), ис-
пытывают с целью проверки их работы в условиях, максимально
приближающихся к эксплуатационным. При этом определяют ди-
намические параметры; так, например, по частоте собственных ко-
лебаний отдельных элементов можно судить о нх жесткости, а сле-
довательно, и о соответствующем модуле упругости материала;
путем рассмотрения формы колебаний можно выявить наличие рас-
хождений между принятой расчетной схемой и действительной ра-
ботой исследуемого объекта и т. д.
Существенна возможность сопоставления прочностных характе-
ристик однотипных элементов в сооружениях путем сравнения час-
тот и интенсивности затухания их собственных колебаний. При не-
значительной затрате труда и времени могут быть, таким образом,
выявлены ослабленные участки в исследуемых объектах.
3-2. Испытание сооружений и конструкций,
находящихся в эксплуатации
Повторные динамические испытания дают возможность путем
сопоставления их результатов судить об изменении состояния ис-
следуемого объекта во времени. С этой целью динамические испы-
тания могут производиться:
а) в плановом порядке, если это предусмотрено правилами экс-
плуатации;
б) после ремонтов и усилений;
в) при наличии сомнений в надлежащем состоянии и сохране-
нии необходимой жесткости и несущей способности объекта, напри-
мер, прн сильном поражении коррозией, после пожаров и т. п.
От статических испытаний, которые могут быть поставлены с
той же целью, динамические проверки выгодно отличаются мень-
шей трудоемкостью и возможностью проведения их в более сжатые
сроки.
142
Прп динамических испытаниях эксплуатируемых конструкций
могут ставиться и другие задачи. Так, например, при необходимо-
сти размещения нового динамически действующего оборудования в
ряде случаев оказывается целесообразным предварительная экспе-
риментальная проверка частот собственных колебаний конструкции
во избежание нежелательного совпадения этих частот с частотой
силовых воздействий от подлежащих установке агрегатов.
Если чрезмерные колебания наблюдаются при работе уже смон-
тированного оборудования, аналогичные экспериментальные иссле-
дования ставятся для обоснования и разработки мер по устранению
вибраций.
3-3. Испытание строительных деталей серийного изготовления
Малая трудоемкость и быстрота проведения динамических испы-
таний позволяют применять их для контроля качества выпускаемых
изделий.
Основными параметрами, чувствительными к наличию дефектов
и пониженным характеристикам материала в исследуемых образ-
цах, являются частота и интенсивность затухания их собственных
колебаний.
Проведенная динамическая проверка не снижает несущей спо-
собности испытанных деталей и ие препятствует их использованию
по основному иазиачеиию.
ГЛАВА II
НАГРУЗКИ
§ !• Ударная нагрузка
Одиночным ударом возбуждаются собственные колебания в ис-
следуемых конструкциях и элементах.
С точки зрения организации эксперимента ударные испытания
относятся к числу наиболее простых, поскольку необходимые для
создания удара приспособления сравнительно несложны и для
уточнения основных параметров возбужденных колебаний (их час-
тоты и интенсивности затухания) ие обязателен точный замер вели-
чины сообщенного импульса; необходимо лишь обеспечить силу,
удара, достаточную для отчетливой записи колебаний с помощью
примененной измерительной аппаратуры.
1-1. Вертикальные удары
Для возбуждения колебаний в сравнительно легких и податли-
вых элементах (например, в плитах и балках перекрытий) можно
осуществить удар ручной трамбовкой.
При исследованиях более тяжелых и массивных конструкций
требуются и более сильные ударные воздействия. Для этой цели
еще сравнительно недавно использовались падающие грузы (с мас-
сой от 100 кг и выше) с высоты 1—1,25 м\ груз поднимали с по-
мощью переносных приспособлений типа легких ручных копров. На
конструкцию в месте падения груза укладывали слой песка для
предохранения поверхности элементов от повреждений при ударе
и исключения подскока груза, поскольку повторное его падение
после отскока искажало запись возбужденных колебаний.
Затруднения, связанные с применением падающих грузов, отпа-
дают при использовании так называемого «обратного удара>, воз-
никающего при резкой разгрузке конструкции. Для получения этого
динамического эффекта к проверяемой конструкции в сечеиии, вы-
бранном по условиям эксперимента, прикрепляют тягу с включен-
ным в нее динамометрическим элементом, например стальным
стержнем с заданным пределом прочности. При соответствующем
значении усилия, передаваемого с помощью тяги, этот стержень
разрывается, обеспечивая тем самым практически мгновенное сня-
тие приложенной нагрузки.
144
1-2. Горизонтальные и наклонные удары
Для создания горизонтальных ударов чаще всего пользовались
подвешенным грузом, оттягиваемым от
(пример такого устройства, действую-
щего по принципу «тарана», схемати-
чески'показал на рпс. 93). В настоящее
время этот примитивный метод, где это
возможно, также заменяется «обрат-
ным» ударом, создаваемым с помощью
натяжных приспособлений и обеспечи-
вающим возможность получения дина-
мических воздействий в любом требуе-
мом направлении, с заранее заданной
силой удара.
В отдельных случаях, например при
изучении сейсмостойкости конструк-
ций, возможно применение направлен-
ных взрывов небольшой мощности,
произведенных на* соответствующем
расстоянии) от исследуемого объекта.
конструкции перед ударом
Рис. 93. Горизонтальный
удар «тараном»:
I — исследуемая конструкция:
2 - подвешенное тяжелое брев-
но в оттянутом положении перед
ударом; 3 —то же. в момент
удара: * — подвески
§ 2. Вибрационная нагрузка
Вынужденные колебания исследуемых объектов создаются с по-
мощью вибрационных машин и гидродомкратов с пульсирующим
воздействием.
‘При натурных испытаниях пользуются обычно вибрационными
машинами с вращающимися неуравновешенными массами, приво-
димыми в движение электромотором.
2-1. Простейшие машины с одной неуравновешенном массой
При вращении неуравновешенной массы т (рис. 94) с угловой
скоростью ® развивается центробежная сила
Р =s теаР, (42)
где е—расстояние от центра тяжести неуравновешенной массы до
центра вращения.
При сохранении заданной скорости вращения величина центро-
бежной силы Р остается постоянной, направление же ее непрерыв-
но меняется. Горизонтальная и вертикальная составляющие (X и У)
силового воздействия, передаваемого на испытываемый объект, ме-
няются при этом по гармоническому закону:
X ® me®8 cos а, I ‘<43>
У = те®2 sin а, * ч
где а—угол, характеризующий положение неуравновешенной мас-
сы в рассматриваемый момент времени.
14Б
Силовые воздействия подобного рода довольно часто встреча-
ются в условиях эксплуатации. Однако с точки зреиия поставлен-
ной задачи, заключающейся в выявлении динамических характе-
ристик исследуемой конструкции, одновременное действие пульса-
ций в двух взаимно перпендикулярных направлениях нежелательно,
так как при этом усложняются проведение необходимых иистру-
Рис. 94. Центробежный вибратор ненаправ-
ленного действия:
/ — неуравновешенная масса; 2 — впашающнйся
диск; J— корпус BiiCipaiopa; 4 — испытываемый
объект; 5 — крепления
ментальных измерении и последующая обработка и оценка •полу-
ченных результатов. Вибрационные устройства рассматриваемого
простейшего типа применяются поэтому лишь при отсутствии более
совершенного вибрационного оборудования.
2-2. Вибрационные машины направленного действия
с неуравновешенными массами, вращающимися
вокруг параллельных осей
Усилия, возникающие прн работе вибрационной машииы с дву-
мя неуравновешенными массами, вращающимися в разные стороны
вокруг параллельных осей Oi и О2, схематически показаны иа
рис. 95.
Примем, что массы т и эксцентриситеты е грузов 1 и 2 равны
между собой. Допустим» что скорости вращения грузов ш постоянны
и по абсолютной величине равны; совпадают также по своей абсо-
лютной величине и углы а (рис. 95), характеризующие (в любой
момент времени) положение вращающихся грузов относительно
горизонтали.
146
При соблюдении всех этих условий вертикальные составляю-
щие У| и У2 при воздействии на испытываемый объект центробеж-
ных сил будут суммироваться; горизонтальные же составляющие
тех же сил — взаимно погашаться.
S
Рис. 95. Центробежная вибрационная машина с двумя груза-
ми, вращающимися в противоположных направлениях вокруг
параллельных осей О| и О*:
/м2- неуравновешенные массы: 3 — вращающиеся диски: 4 — корпус
вибрационной машины; 5 — испытываемый объект; б — крепления
На основании формулы (39) результирующая У вертикальных
воздействий в момент положения грузов под углом а будет равна
У = У4-(- У2 = 2me©2sina. (44).
Экстремальные значения У прн а=±90°
Утах== dz 2шеш2, (45)
min ь
На рнс. 96, а показаны силовые воздействия при четырех наи-
более характерных положениях вращающихся грузов. На рнс. 96,6
приведен график равнодействующей У, меняющейся во времени по
синусоидальной кривой. Для соблюдения этой закономерности н
погашения горизонтальных усилий требуется строгая синхронность
вращения неуравновешенных грузов. Это обеспечивается обычно
наличием зубчатого зацепления между вращающимися элементами
вибрационной машины (см. рис. 95).
Для возбуждения колебаний в крупных конструкциях, например, в пролетных
строениях мостов, прн испытании которых требуется приложение различным об-
разом ориентированных силовых воздействий, применяются вибрационные маши-
ны с восемью неуравновешенными массами (рнс. 97).
147
Рис. 96. Усилия, развиваемые вябрацяонвоЙ
машиной направленного действия с неурав-
новешенными массами, вращающимися в
разные стороны:
а —схемы положения грузов; б —график измене-
ния равнодействующего усилия во времеви
Рис. 97. Вибрационная машина с восемью эксцентриками для испытаний
пролетных строений мостов:
а —вид сбоку; б —внд с торца: в — горизонтальная проекция: / — корпус машины;
2 н 3 - днскн с эксцентриками; 4 - поперечные валы: 6 - продольные вялы; б — рель-
совое основание; 7 — колеса тележки вибрационной машины. (Электродвигатель виб-
ромашины. помещенный bhvtdm коопуса 1, ue показан)
148
Корпус 1 рассматриваемой вибромашины представляет собой массивную ва-
гонетку. Па концах двух пар параллельных валов 4 и 5 насажены диски 2 и 3 с
закрепленными. на них неуравновешенными массами. Валы вращаются мотором
с регулируемой частотой (направление вращения валов показано на рисунке
стрелками). Для обеспечения жесткой связи между испытываемым объектом и
источником колебаний вибрационная машина с помощью специальных захватов
крепится к рельсовому пути.
Регулирование взаимного положения неуравновешенных масс дает возмож- 1
ность получать следующие силовые воздействия:
1) вертикальные возмущающие силы; '
2) горизонтальные возмущающие силы, направленные вдоль или поперек >
продольной оси моста;
3) пэры сил, действующие в вертикальной плоскости» проходящей через про-
дольную ось моста или перпендикулярно к ней;
4) пары сил. действующие в горизонтальной плоскости (па уровне располо- •
ження осей валов вибромашины). ।
При расположении грузов в исходном положении по схеме рис. 97 вибро- I
машина создает вертикальные воздействия. На рис. 98, а показано положение
эксцентриков, необходимое для создания переменных горизонтальных усилий, на-
правленных поперек продольной оси моста. Для этого эксцентрики 2', 4 п 4' в 1
исходном положении должны быть повернуты иа (80* относительно эксцентриков
1,2,3 и 3'. На рис. 98, б показаны соответствующие центробежные усилия, воз-
никающие при работе машины в момент поворота всех грузов иа угол ф по срав-
нению с их положением по рис. 98, а.
Рис. 98. Вибрационная машина с восемью дисками, с эксцентриками, уста*
новлеяными для возбуждения горизонтальных поперечных колебании:
а-схема расположения неуравновешенных маес; б -.в^буждаемыеуеялиявмо-
мент помоста воащающнхея дисков яа угол ф; /—4 и Г —4 — неураввоаешеяжые мас-
сы (вкод^рюш)*, Z —вертикальные составляющие мотубежных сил?
тальные составляющие, параллельные продольной ося вибратора; У — мряаовтальяыа
составяяюшне, аормадькне к продольной осм
149
Если массы всех эксцентриков равны между собой, то, как видно на рисун-
ка, составляющие усилий Xi и Х^ (так же как и X/ н Х^) взаимно уравновеши-
ваются. Для уравновешивания направленных в разные стороны пар Zi—Z/ и
Z3—(так же как н nap Z2' и Z/—Z/) необходимо соответственно отре-
гулировать эксцентриситеты установки грузов на боковых дисках е и на торце-
вых дисках s'. Моменты будут погашаться при наличии соотношения
Ве = £е', (46)
где В и L—расстояния между плоскостями вращения грузов (рнс. 98, а).
Схемы расположения эксцентриков для создания других перечисленных вы-
ше силовых воздействий, а также нх сочетаний могут быть получены путем ана-
логичных рассуждений.
2-3. Вибрационные машины с эксцентриками,
вращающимися в разные стороны вокруг одной общей оси
Вибромашины данного типа более компактны по сравнению с вышерассмот-
ренными, но конструктивно более сложны; онн позволяют возбуждать различ-
ным образом ориентированные силовые воздействия, в том числе, и направленные
под произвольным углом к вертикали.
Принцип действия. Примем, что два параллельных между собой диска с не-
уравновешенными грузами 1 и 2 (рис. 99) с массами т вращаются с одинаковой
угловой скоростью ш, но в разные стороны вокруг общей осн 3. Пусть, в процессе
вращения, оба груза одновременно приходят в свои крайние верхние положения
(рис. 99, а); совпадает в таком случае и момент прихода грузов в наииизшне
положения, или, как принято говорить, точки совпадения положения грузов ле-
жат в вертикальной плоскости.
Рис. 99. Усилия, развиваемые прн вращении в противопо-
ложных направлениях двух равных по массе эксцентриков
вокруг общей оси:
а - исходное положение; б —• усилия, возникающие прн повороте
каждого эксцентрика на угол ф; / и 2 — неуравновешенные массы
(эксцентрики); 3 — ось вращения; Z — вертикальная результирую-
щая сила
В момент, соответствующий повороту грузов на угол <р (рнс. 99, б), верти-
кальные составляющие центробежных сил складываются (равнодействующая их
=2nteo)2 cos ф), горизонтальные же составляющие mew* sin <р приводятся
к паре сил с плечом о, действующей в горизонтальной плоскости. При вращении
грузов в вертикальной плоскости будут, следовательно, возникать знакоперемен-
ные усилия, меняющиеся по гармоническому закону, в горизонтальной же плоско-
сти по тому же закону меняется знакопеременный момент.
150
Если отрегулировать взаимное положение обоих грузов так, чтобы их совпа-
дение происходило в плоскости, наклоненной к вертикали под заданным углом,
то знакопеременная сила будет действовать в этой наклонной плоскости, а зна-
копеременный момент d другой, наклонной плоскости, перпендикулярной к
первой.
Дальнейшим развитием машин данного типа являются вибрационные маши-
ны с двумя парами эксцентриков, вращающимися вокруг общей оси. Варьируя
взаимным положением эксцентриков и направлением их вращения, можно полу-
чать самые разнообразные сочетания усилий и моментов, воздействующих на
исследуемый объект.
2-4. Гидравлические пульсаторы
Для создания циклических воздействий прн стендовых испыта-
ниях фрагментов конструкций н отдельных их элементов чаще всего
применяют гидравлические силовые ци-
линдры (домкраты), соединенные с на«
сосной установкой и специальным агре-
гатом — пульсатором, возбуждающим
переменный поток жидкости.
Преимуществами данного способа
возбуждения динамических нагрузок яв-
ляются:
возможность создания значительных
усилий (порядка десятков н сотен тонн)
в самых различных сочетаниях этих си-
ловых воздействий по нх величине, на-
правлению и фазе;
днстанцнонность возбуждения;
возможность программирования ре-
жима длительных испытаний н автомати-
зации всего процесса.
По своей конструкции домкраты цик-
лического действия выпускают в различ-
ных вариантах. В качестве примера на
рнс. 100 показана схема домкрата, пред-
назначенного для возбуждения пульса-
ционных усилий.
Рис. (00. Схема домкрата
циклического действия:
/ и 2 —упорные поверхно-
сти (у испытываемого объ-
екта и у стенда); 3 — ци-
линдр; 4 - плунжер; 5 — по-
лость для нагнетания мас-
ла; 6 — установочный шток;
7 к 3 — шарппры; 9 —стяги*
вающие пружины
Перспективными по своим возможностям при испытаниях конструкций яв-
ляются роторные пульсаторы с дополнительным (по сравнению с нх обычным j
устройством) вращением нх центральной осн (рис. 101) *.
Ротор 1 с поршнями 2 вращается эксцентрично относительно статора 3. Вви-
ду наличия эксцентриситета поршни при каждом обороте несколько выдвигают-
ся н затем вновь втягиваются.
В центральной оси роторного пульсатора у плоскостей вращения поршней
имеется два «окна» 5. н б с перемычкой 4 между ними. Одно окно сообщается с
резервуаром масла, а другое (через систему трубопроводов) — с рабочей полостью
обслуживаемого домкрата.
♦ Предложение Ю. Е. Тябликова и А. Т. Оганесяна.
151
Если центральная ось неподвижна, то прн положении неремычкя я направ-
лении вращения ротора, показанных на ряс. 101, масло будет на трубопровода
всасываться в окно 5 я поступать под выдвигающиеся поршня. В окно о масло
будет выжиматься вдвигаемыми поршнями я уходить яэ него далее в коммуни-
кационную систему. Окно 5 будет, следовательно, все время всасывающим, а
окно б—нагнетающим.
Рис. 101. Схема роторного пульсатора:
/ — ротор; 2 - поршни; 3 — статор; # — перемычка цент*
ралыюй осн; $ и 6 — окна центральной осн
Если при вращении ротора центральная ось будет также вращаться, то каж-
дое из окон будет попеременно становиться то всасывающим, то нагнетающим и
направленно потока масла в трубопроводах будет циклически меняться (ревер-
сация потока). Регулировка эксцентриситета ротора и скорости вращения цент-
ральной осн дает возможность менять закономерность изменения интенсивности
подачи, а следовательно, и кривую нагружения во времени, позволяя таким об-
разом варьировать режим вибрационных испытаний.
ГЛАВА III
ИЗМЕРЕНИЯ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ
§ 1. Общие данные
Определяемые характеристики. При динамических испытаниях
так же, как н при статических, определению подлежат перемеще-
ния, деформации, напряжения н усилия, возникающие в исследуе-
мом объекте под действием приложенной нагрузки. В ряде случаев
необходимо также знать соответствующие скорости и ускорения.
Прн процессах, носящих вибрационный характер, требуется
установить частоту, а иногда и фазы вибраций.
Условия проведения измерений. Быстропротекающне процессы
могут быть лишь в отдельных случаях более нлн менее надежно
оценены путем визуальных наблюдений за показаниями приборов.
Как правило, необходимо применять средства измерений с автома-
тически действующими регистрирующим и устройствами.
Искажения, вносимые в получаемые результаты инерционными
силами движущихся частей приборов и трением в них, а также
влиянием инерции и сил трення во всякого рода соединениях н кон-
тактах между исследуемым объектом и чувствительными элемен-
тами средств измерений, должны быть сведены к минимуму. Это
достигается применением электрически н оптически действующих
безынерционных систем. При этом обеспечивается: 1) возможность
получения весьма больших увеличений — в сотни и тысячи раз, не-
возможных при использовании механических 'передач, и 2) возмож-
ность дистанционных измерений, что при динамических загруже-
ниях нередко бывает важным н с точки зрения техники безопас-
ности.
§ 2. Измерение перемещений
При измерениях динамических перемещений, ие носящих вибра-
ционный характер, ранее применяли различные самопишущие при-
боры механического действия. В настоящее время все шире поль-
зуются оптическими методами, в том числе «замедленной» кино-
съемкой, позволяющей детально расшифровывать ход быстропро-
текающих процессов. Особенно перспективна в этом отношении
стереофотограмметрическая съемка.
153
Чаще дсега-при динамических испытаниях приходится опреде-
лять параметры вибрационных перемещений. СоответствующйГтгэ*--
мерения выполняют прн этом рассмотренными ниже методами и
средствами.
2-1. Вибромарки
Вибромарки применяют для ускоренной приближенной оценки
размаха колебаний установившегося режима. Внбромарку в виде
острого клнна (рнс. 102, а) вычерчивают на бумаге и наклеивают
на исследуемый объект так, чтобы основание клина располагалось
по направлению колебаний.
Рис. 102. Вибромарка:
а — в состоянии покоя: б — прн внб-
рзцпяк в направлениях, показан-
ных стрелками
Как известно, глаз обладает свойством удерживать зрительные,
впечатления около десятой доли секунды. Наблюдателю, находя-
щемуся вне объекта, при частоте порядка 500 колебаний в минуту
и более движущаяся вибромарка будет казаться раздвоенной —
крайние ее положения видны отчетливо, а между ннмн образуется
размытый фон с выделяющимся на нем темным клином
(рис. 102,6).
Из подобия треугольников (см. рнс. 102, а н б) вытекает соот-
ношение
с = (47)
где с—подлежащий определению размах колебаний; h/L — отно-
шение основания к высоте внбромаркн; I — высота темного клнна,
измеряемая по рискам вибромарки с точностью до полуделения.
154
Для получения четких результатов колебания должны быть ста-
бильны, так как при меняющихся их размахах темный клин стано-
вится размытым. При наложении одновременных колебаний в не-
скольких направлениях изображение как темного клипа, так и
делительных рисок расплывается.
Отношение h)L берут обычно 1 :10. При измерениях малых пе-
ремещений можно доводить Л до 5 мм и брать h!L=X: 20. Хорошие
результаты дает фотографирование вибромарки с соответствую-
щей выдержкой.
2*5
2-2. Применение инертной массы* (теоретические основы метода)
Рассмотрим массу т (элемент 1 на рис. 103, соединенный упругой связью 3
с элементом 2, колеблющимся в направлении оси X». Примем, что момент t
при перемещении элемента 2, равном х, масса mt совершающая вынужденные ко-
лебания, окажется в положении /', переместившись прн этом вдоль осн X напра-
во на *+£.
Инерционная сила, действующая на мас-
су т, в момент t равная /п(х+£), будет в
таком случае направлена налево. В ту же
сторону действует и усилие, передаваемое
на массу tn связью 3, равное где с —
«коэффициент восстановления» упругой свя-
зи (для пружины совпадающий с ее жест-
костью).
Напншем уравнение динамического рав-
новесия массы т:
Рис. 103. К исследованию колебаний
т (х + Й 4- с£ = 0, (48) инертной массы с упругой связью
Предположим далее, что колебания элемента 2 определяются выражением
№<jsino>/, (^9)
где о — амплитуда, a to — циклическая частота рассматриваемых колебаний.
Решая совместно выражения (48) и (49), находим, что масса т совершает
вынужденные колебания вдоль оси X, характеризуемые соотношением
л
₽ =------------smwf,
(g;«)2-i
(50)
где ,____
451)
циклическая частота свободных колебаний массы т, удерживаемой связью 3.
На основании рассмотренных соображений могут быть сделаны следующие
практически важные выводы. BL,na«.
Случай 1 — Я значительно меньше w. Дробью я1<& в знаменателе выраже-
ния (50) можно пренебречь по сравнению с единицей. Прн этом получим
(52)
т. е. масса т будет совершать относительно элемента 2 колебанияс той же ча<^®“
той to и с той же амплитудой а, но в противоположной фазе. Это значит, что
инертная масса прн достаточной податливости упругой связи практически не будет
менять своего положения в пространстве, что и используется в рассмотренных
далее приборах.
Называемой также «сейсмической массой».
1»
Случай 2 — 7 значительно больше <о. В знаменателе выражения (50) можно
в данном случае пренебречь единицей, после чего получим
€ se--81П яа о»2 sin «//о2. (53)
(f/to)2
Имея в виду, что на основании выражения (49)
х = — aw2 sin w/, (54)
переписываем формулу (53) в виде
6 = — х/72. (55)
Это значит, что перемещения массы т относительно элемента 2 будут в лю-
бой момент пропорциональны ускорению этого элемента.
На данном принципе действуют виброметры ускорения*.
2-3. Виброметры и их применение
Приборы и установки для измерения параметров внбрацнй при-
меняют в различных областях народного хозяйства. При испыта-
ниях сооружении, наряду с наиболее совершенными из этих средств
измерений, в ряде случаев приходится прибегать и к более простым
приемам. Ниже рассмотрены соответствующие приемы с использо-
ванием инертной массы.
Измерение вертикальных колебаний. Наиболее простым спосо-
бом является подвеска инертной массы с помощью пружины к вы-
шерасположенным конструкциям (рис. 104,а). Соответствующая
длина пружины обеспечивает частоту собственных колебаний этой
массы, достаточно низкую по сравнению с частотой наблюдаемых
вибраций.
Для проведения измерений при отсутствии самопишущих при-
боров могут быть использованы индикаторы перемещений (те же,
что и при статических испытаниях), прикрепляемые к исследуемой
- конструкции или к установленным на ней тяжелым, устойчивым I
штативам.
На рис. 104,6 показано переносное устройство с инертной мас-
сой, закрепленной на горизонтальном конце ломаного рычага, удер- .
живаемого пружиной. Отсчеты берут по индикатору. Как показы-
вают теоретические подсчеты, несовпадение точки крепления
пружины к рычагу с осью его горизонтального плеча значительно ;•
снижает частоту собственных колебаний системы, что и требуется
по условиям эксперимента. Минимально возможная частота оказы-
вается равной около 0,1 гц, поскольку дальнейшее повышение точ- ;
ки крепления пружины делает систему неустойчивой (становится
возможным поворот рычага из вертикальной плоскости).
На рис. 104, в инертной массой является тяжелая дбойма, при-
крепленная к подставке прибора изогнутыми листовыми пружина-
мн. Индикатор закреплен в гнезде обоймы. й
* Называемые также «акселерометрами». Приведенные здесь и далее термя-
иы —по ГОСТ 16819-71.
156
Рлс. 104. Устройства для измерения вертикальных коле-
баний;
а • инертная масса. подвешенная к пружине. б- • го же. с рм*
нагом; е—на изогнутых листоных пружинах; / — инертная мас-
са; 2 •цилиндрическая пружина; 3 листовые пружины; 4—
рычаг; 5 — стойка; 6’ • подставка прибора; 7 индикатор
Измерение горизонтальных колебаний. На рнс. 105, о показан
простейший прием измерения горизонтальных колебаний с исполь-
зованием инертной массы в виде металлической или деревянной
балки, подвешенной к козлам. Горизонтально ориентированный
штифт индикатора нлн самопишущего прибора должен быть уперт
в торец горизонтального маятника.
На рис. 105,6 показано переносное устройство с массой /, при-
крепленной к стойке 4, Ось вращения маятника, как видно из схе-
мы, наклонена к вертикали под углом t, что понижает частоту ко-
лебаний инертной массы. Поскольку угол i может быть взят сколь
; угодно малым, то теоретически может быть достигнуто любое снн-
жение частоты. Однако одновременное уменьшение восстанавли-
вающей силы при выходе инертной массы из положения равновесия
устанавливает возможный минимум частоты на уровне 0,6—0,7 гц.
На рис. 105, в показан высокочастотный горизонтальный маят-
ник (для акселерометров) с двумя плоскими пружинами.
7-3108
157
. a)
Рнс. 105. Устройства для намерения го-
ризонтальных колебаний:
а — инертная масса на подвесках; б —горн*
зонтальный маятянк с наклонной осью: е -
то же, с плоскими листовыми пружинами (схе-
ма дана в горизонтальной проекции): / —
инертная масса; 2 — подвески; 3 — упорный
штифт; 4 — стойка; $ — плоские листовые пру*
жнны; fi — подставка прибора; 7 — индикатор
При быстрых знакопеременных движениях стрелки индикатора на его цифер-
блате хороню виден затемненный сектор (рис. 106. «), позволяющий при устано-
вившемся режиме колебании определять их размах. Основным условием правиль-
ности измерений является прн этом непрерывность сохранения контакта между
штифтом индикатора и фиксирующим его положение упором; это будет соблюде-
но, если на всех фазах колебаний сила инерции движущегося штифта не пре-
взойдет прижимающего усилия пружины индикатора. Соответствующие пределы
измерении для обычно применяемых приборов с ценой деления шкалы в 0,01 мм
поинезены на рис 106, б
i)
Рис. 106. К применению индикаторов для измере-
ния колебаний:
аопределение размахе колебаний; б — предельные па-
раметры измеряемых колебаний: / — иозерхиость вибри-
рующего элемента; i — шкале ииджкатора (показвиача-
стячно): 3 - сектор» перекрываемый аибрируювей стрел-
кой индикаторе; a - направление стрелки а состоянии
окон
159
7*
При иеустановившемся режиме отсчеты по индикаторам затруднены. Более
четкие показания во всех случаях могут быть получены с помощью самопишущих
приборов. В наших условиях наиболее распространенным из них является нибро-
граф системы Гейгера (рнс. 107). В этом приборе различно ориентированная
(вертикально» горизонтально или наклонно) инертная масса /, удерживаемая
спиральной пружиной, дает возможность записывать колебания, направленные
таким же образом. Запись ведется на движущейся бумажной ленте, приводимой в
движение часовым механизмом, помещенным внутри корпуса прибора. Меняя
податливую пружину па жесткую, можно этот же прибор использовать в качестве
акселерометра.
Рис. 107. Схема вибрографа Гейгера:
а — поперечный и й продольный разрезы: / — инертная мае-
<'«. }ста»нч».1 еми.1 я н положении, необходимом при записи гори-
читальных колебаний: 1’— пружина, закрепленная на осн 3 («>:
л--1нг»и|к. передающий персчеииннн кнертиоЛ массы „еру 3
np-.|6..p.i, а корпус прибора; 4 — бхмажная лен hi. приао-
iiim.’-i к ir.si/tu tun* M.icoHMM х:ехаи11змом; 7 — нерсла1«>чпыг ры
Ч.1ЖМ1
IkcMcip" h i imaiu.-ii.iK' рфаботтшую конструкцию, общие недостатки (ука-
занные пиши vvx.inn'K4 ки\ передач имеют место и в данном случае, огранпчн*
'’.•и, <Mi:p:r.n р. in• tms>жи»><i:< увеличения записей (практически не более чем в
I? p.i'i. пн» гр\Л11-.1«'1 p.iciii।|фровку колебаний с размахом порядка десятых
*.ы.мп меч:*.» и менее /Вчини* результаты дают вибрографы с безынерционной
o n ii'ieei oii репктраткй. Однако их применяют редко ввиду бесспорных препму-
щеч ip. p.H . xh тренних ihiAe виброиргоПразователей дистанционного действия.
2*4. Вибропреобразователи
Чдек 1 рнчсские вибронреобразователн вырабатывают дистан-
ционно передаваемые сигналы информации о наблюдаемых переме-
щениях (лииенны.х и угловых), их скорости и ускорении.
Различают преобразователи индукционные, индуктивные, ем-
костные. омического сопротивления и т. д.
Па рнс. 108, и показана наиболее простая схема индукционного
измерительного преобразователя, представляющего собой соленоид,
в катушке которого при вибрациях магнитного сердечника возни-
кает электродвижущая сила, пропорциональная.скорости колеба-
ний. Индукционные преобразователи, применяемые в многочислен-
160
ных конструктивных вариантах”4, просты. надежны и обладают до-
статочной чувсгвитсльпостью при использовании сильных манннов.
В UH(itii:riieHbix прсибра шпателях под действием вибраций ме-
няется индуктивное сопротивление. На рис. 108. б схематически по-
казан преобразователь данного типа с переменным при вибрациях
зазором между якорем и сердечником. Такие преобразовазелп
имеют высокую чувсп»||ГСЛ1>ность и реагируют на тиснения в де-
сятые доли микрона.
11пду ктнвныс преобразо-
ватели других конструкции
основаны на изменении маг-
нитной проницаемости их
сердечника прн колебаниях,
использовании токов Фуко,
магии гоупругого эффекта
и т. д.
Емкостные преобразова-
тели 11 ре д ст а вл я ю г собой
конденсаторы с .меняющей-
ся при вибрациях емкостью.
Обладая исключительно вы-
сокой чувствительностью.
< ни позволяют измерять
различные параметры коле-
баний как линейные, так и
угловые. Однако они требу-
ют защиты от посторонних
электрических нолей и реа-
гируют на изменения влаж-
ности н температуры окру-
жающей среды. Йх приме-
нение целесообразно поэто-
му, главным образом, прн
особо точных исследованиях
в лабораторных условиях.
Измерительные преобра-
зователи, основанные иа из-
менениях омического сопро-
тивления, наиболее универ-
сальны. При испытании
строительных конструкций
Рис. 108. Измерительные преобразователи
вибраций:
(I - индукционный; б - индуктивный: / — по*
С1ОЯНПЫЙ магнит; 2 — катушка; 3 - сердечник;
4 — якорь
основным видом данного ти-
па преобразователей явля-
ются тензорезисторы, приме-
няемые, в первую очередь, прн измерениях деформаций.
Запись быстропротекаюших динамических процессов при приме-
нении преобразователей, передающих электрические сигналы, про-
* На данном принципе действуют также сейсмографы, регистрирующие коле-
бания земной коры.
16!
изводится с помощью многоканальных светолучевых магнитоэлек-
трических осциллографов. При высокочастотных вибрациях приме-
няют осциллографы с электроннолучевой трубкой.
§ 3. Измерение деформаций. Контроль частот
Измерение деформаций осуществляется с помощью тензорезис-
торов, по своей конструкции и способам крепления к исследуемым
элементам аналогичных применяемым при статических испытаниях.
Приборы же, основанные на механическом принципе действия, и
измерительные преобразователи других систем ввиду свойственных
нм недостатков при исследованиях динамических деформаций ма-
териала строительных конструкций в настоящее время приме-
няются лишь в редких случаях *.
Сигналы, вырабатываемые тензорезисторами, записываются иа
осциллограммах многоканальных осциллографов. В ряде случаев
эффективно использование для данной цели эпюрографов, которые
дают возможность рассматривать и фиксировать передаваемые на
экран осциллографа изображения сигналов от установленных в раз-
личных позициях тензорезпсторов. Подробнее данный метод реги-
страции рассмотрен ниже.
Определение частот зарегистрированных вибраций при наличии
записанных виброграмм не вызывает при их обработке каких-либо
затруднений.
Рис. 109. Многоязычковый частотомер:
а — продольный разрез: б —поперечный оазреэ; в — вид
сверху; 1 — наконечники; 2 - стальные пластинки; 3 -
корпус прибора: 4 - шкала частот
* В других областях техники, например при исследованиях работы элемен-
тов машин и механизмов, измерительные преобразователи других систем (рас-
сматриваемые в рекомендуемой литературе) находят широкое применение.
162
Удобными для целен контроля являются частотомеры, основан-
ные на механическом принципе действия, в особенности многоязыч-
ковый частотомер (рис. ЮС) с набором гибких, консольно закреп-
ленных пластинок 2. с разной частотой собственных нх колебаний.
На свободных концах этих пластинок находятся наконечники-ука-
затели 1.
При установке частотомера на вибрирующий объект пластинки,
частоты которых близки или точно совпадают с частотой восприни-
маемых колебаний, начинают резонировать, позволяя (как показано
на рис. 109, о) легко брать соответствующие отсчеты по шкале при-
бора. Частоты собственных колебаний соседних пластинок отли-
чаются друг от друга на 1.0—0.5 гц, а в отдельных приборах и па
0,2 гц, что в обычных условиях испытаний вполне удовлетворяет
предъявляемым требованиям.
ГЛАВА IV
ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ
§ 1. Подготовительные работы
Динамические испытания, как правило, менее трудоемки и про-
водятся быстрее, чем испытания статические, связанные с приложе-
нием и снятием громоздкой нагрузки и длительным выдерживанием
ее на обьекте*. Но, с другой стороны, при динамических испыта-
ниях требуется обеспечение безотказного действия ряда механизмов
(источников динамических воздействии, регистрирующих приборов
и т. д.) и четкое соблюдение синхронности их включения и работы.
Разработка программы, предусматривающей все взаимосвязан-
ные детали предстоящих испытаний, является поэтому первым и
наиболее важным предварительным этапом.
Подготовительные работы - - крепление конструкций, устройство
подмостей и ограждений, подводка освещения к местам установки
приборов и т. д., остаются, в основном, темп же, что и прн статиче-
ских пспi,iганиях. Дополнительно необходимы: устройства для
крепления вибринпопиых машин и приложения ударных нагрузок;
клине прокладки, предохраняющие элементы сооруже-
и । « т иовш-жлоний при ударах; хстройства для искусственного
• чждсьич юлчков при пропуске подвижной нагрузки и т. д.
.'Леры п«. технике беюпасноети дополняются установкой ограж-
> мс •xa:iii шов, создающих динамические воздействия; при
подвижной пагр\ <кп иа больших скоростях предусматри-
вал меры jin исключения возможности несчастных случаев.
§ 2. Размещение приборов и проведение испытаний
Приборы должны быть помешены в тех сечениях и точках объек-
! =. । .'> наиболее отчетливо мог\т быть выявлены значения опреде-
гвм:.(.х параметров. Поскольку при динамических испытаниях в ря-
де : л\чае|: применяются довольно сложные приборы (имеющиеся в
распоряжении испытательных групп обычно в ограниченном коли-
честве). существенна возможность неоднократного использования
одною и /ого же прибора с установкой его в разных позициях. Вы-
* Исключением являются испытания иа выносливость, требующие приложения
чч'?н тысяч и мил пюпов циклов нагружения, на что сходит обычно не менее
нескольких суток.
164
зываемое этими перестановками некоторое увеличение длительно-
сти всей работы компенсируется сокращением количества необхо-
димой аппаратуры и обслуживающего ее квалифицированного
персонала.
Так же как н при статических испытаниях, наиболее ответст-
венные измерения рекомендуется дублировать л применять для со-
поставления результатов приборы различного принципа действия.
В то же время не следует без достаточного для этого основания у ве-
лпчивать общее количество точек измерения во избежание ненуж-
ного усложнения как самого испытания, так и обработки его ре-
зультатов.
Отметчики времени. Для анализа записи динамических процес-
сов и сопоставления показаний, установленных в разных местах
приборов, необходимо четко отмечать время измерения. Такне от-
метки синхронно наносятся па все диаграммы при замыкании сла-
боточной цепи, в которую должны быть включены регистрирующие
устройства всех действующих приборов.
Замыкание цепи производится пли автоматически, например, при
нажатии специально установленных педалей при въезде и сходе
подвижной нагрузки с объекта, или включением вручную специаль-
ного контакта в нужный момент времени. Для повторных отметок,
например через каждые 10- 30 сек, используют «контактные часы*,
регулярно с заданной частотой замыкающие цепь.
В отдельных приборах (например, в оппсаипы.х выше самописцах Гейгера и
др.) имеются устройства для отметок времени через заданные интервалы ог рас-
положенного внутри корпуса прибора часового механизма. Более надежными (при
наличии нескольких приборов) являются, однако, централизованные сигналы,
гарантирующие строгую синхронность нанесения отметок.
При дистанционной регистрации показаний удобно совмещение записей ио
группе приборов на одной лейте регистрирующего устройства (например, много-
канальиого осциллографа).
§ 3. Испытания ударной нагрузкой
Ударные испытания просты, требуют минимальной подготовки
и сравнительно несложного оборудования. Наиболее удобны удар-
ные испытания для сравнительной оценки динамических характери-
стик однотипных конструкций, например свай, балок п плит пере-
крытий. Однако, чем массивнее исследуемые элементы, тем слабее
сказывается на них действие удара, что требует применения более
чувствительной аппаратуры илн увеличения силы удара,' чем прак-
тически и ограничивается .возможность применения данного метода
иопытаний.
Определяемые характеристики. Частоту и интенсивность затуха-
ния собственных колебаний, возникших в результате удара, опреде-
ляют путем обработки записанных виброграмм. Очень важно, что
значения рассматриваемых параметров не зависят от силы удара.
Это дает возможность проверять и уточнять полученные данные
путем повторной записи при дополнительных ударных воздействиях.
165
г
Возможно также использование одного и того же прибора с уста-
новкой его в разных позициях.
При ударных испытаниях могут быть исследованы также ско-
рости распространения ударных волн, установлена форма колеба-
ний (что, однако, удобнее делать вибрационным путем), а также
исследована чувствительность сооружения к действию ударов, на-
пример, для выяснения возможности работы на данном объекте под-
лежащего установке прецизионного оборудования.
Если для сравнительных оценок параметров однотипных кон-
струкций требуется уточнение только частот собственных колебаний,
то вместо самопишущих приборов могут быть использованы много-
язычковые частотомеры (см. рис. 109), что значительно упрощает
I проведение испытаний.
I § 4. Испытания вибрационной нагрузкой
При испытаниях вибрационной нагрузкой в исследуемых конст-
рукциях возбуждаются вынужденные колебания в широком диапа-
зоне частот, включая зону резонанса.
Вибрационные испытания позволяют наиболее полно и всесто-
ронне выявить динамические характеристики обследуемых объек-
тов. Но, с другой стороны, для их проведения требуются специаль-
ные вибрационные машины и наличие возможности крепления л
пуска их на объекте.
В отдельных, сравнительно редких случаях, в качестве источника силовых
возленс1впй может быть использовано хсгаиовлеппое на испытываемом объекте
динамически неуравновешенное технологическое оборудование при возможности
1нмеииння частоты оборотов пли возвратни-иоступательных ходов движущихся
частей •»тнч механизмов. Однако предварительно необходимо уточнять (что часто
ловольпи сложно) фактические значения развиваемых оборудованием динамнче-
сг.пх воздействии; эти штрудненпя огпалают при использовании заранее уже вы-
веренных вибрационных машин.
Определяемые характеристики. Прп вибрационных испытаниях
получают «-резонансные кривые», дающие значения измеренных ве-
личии (перемещений, деформаций и т. д.) в функции частот возму-
щающих сил.
При обработке этих кривых могут быть получены частоты соб-
ственных колебаний исследуемых элементов и интенсивность зату-
хаш:'1 возникших колебании.
При поддержании строго стабильного режима работы вибра-
ционной машины регистрирующие приборы могут быть использова-
ны неоднократно, с перестановкой их с места па место. Прп этом
для определения перемещении можно пользоваться не только запи-
сывающими приборами (что предпочтительнее), но и приборами с
визу ал иным отсчетом.
Определение частоты собственных колебании можно произво-
дить даже без установки каких-либо измерительных приборов на
самом объекте, поскольку момент резонанса может быть четко вы-
явлен по положению «пики» иа кривой расхода энергии вибрацион-
ной машины.
166
Особенности вибрационных испытаний. При постепенном изменении числа обо-
ротов вибрационной машины приходится считаться с возможностью «срывов»*
частот (рис. ПО).
На рис. ПО, а показана зависимость между числом оборотов <о вибрационной
машины и потребляемой ею мощностью V. На диаграмме отчетливо виден пик
резонанса с максимумом в точке /, соответствующей частоте <o>.
На рнс. ПО, б показам ход эксперимента прн постепенном возрастании ско-
рости вращения. При изменении мощности иа валу электродвигателя вибромашины
от нуля до 17| скорость вращения плавно возрастает до (оь Однако прн дальней-
шем самом незначительном увеличении W скорость вращения резко возрастает
до <i)j, соответствующего точке 2 кривой. Криволинейный участок /—2 графика,
показанный пунктиром, оказывается, следовательно, исключенным из экспери-
мента.
Обратная картина (рнс. ПО, а) наблюдается при постепенном уменьшении
скорости вращения. Скачок появляется в данном случае между точками 3 н 4
кривой в исключенным оказывается весь пик резонанса.
Рис. 110. К срывам резонансной кривой:
а — общее очертание кривой расхода анергии: б — разрыв непрерывности при пря-
мом ходе: е - то же, прн обратном ходе; W — потребляемая энергия; а> — частота
Рассмотренные явления обусловливаются тем, что электродвигатели вибро-
машпн являются одновременно источником энергии и возбудителем частоты с
определенной для каждого двигателя связью между данными характеристиками.
Эти две функции должны быть разделены, что осуществлено, например, у рас-
смотренного выше гидропульсатора ** с дополнительным вращением его цент-
ральной оси (стр. 152).
При использовании обычного оборудования эксперимент проводят сначала с
возрастанием, а затем' с уменьшением скорости вращения. Таким образом, удается
путем наложения результатов, полученных при прямом и обратном ходах, по-
строить почти все очертание резонансной кривой за исключением ее крутой нисхо-
дящей ветви /—3, что ке снижает, однако, общей ценности получаемых резуль-
татов.
* Внезапное скачкообразное изменение скорости вращения называют «эффек-
том Зоммерфельда» по фамилии автора, впервые описавшего подобного рода
срывы.
** В описанном гидропульсаторе одни из двигателей, вращающий ротор,
является основным источником энергия колебания. Скорость его вращения влияет
только на амплитуду возбуждаемых колебаний.
Другой же двигатель, вращающий центральную ось пульсатора с золотни-
ком, задает частоту и фазу возбуждения.
Прн таком разделении назначения каждого из двигателей срывов частот не
наблюдается.
167
§ 5. Испытания эксплуатационной нагрузкой
Основным преимуществом рассматриваемых испытаний является
возможность получения данных о действительной работе как всего
сооружения в целом, так и отдельных его элементов в эксплуата-
ционных условиях. В случае, когда исследуемое сооружение уже
эксплуатировалось или полностью подготовлено к использованию,
такие испытания не требуют сколько-нибудь сложной подготовки
и могут быть выполнены в кратчайшие сроки.
К недостаткам таких испытаний относятся:
многообразие, а в ряде случаев и неопределенность возникаю-
щих силовых воздействии и трудность выделения влияния отдель-
ных факторов;
затруднительность, а иногда и практическая невозможность
повторения испытаний с точным воспроизведением тех же условий
загружения, например, при повторных пропусках безрельсового
транспорта и т. п.
При испытании эксплуатационной нагрузкой определяют следу-
ющие характеристики:
значения перемещений, деформаций и усилий, возникающих в
элементах сооружения под действием эксплуатационной нагрузки;
определение частоты собственных колебаний по наступлению
состояния резонанса и ио частоте затухающих собственных колеба-
нии. возникаютиX после резкого выключения или остановки дейст-
вия натру %ок:
недопустимые (т. с. вызывающие чрезмерные перемещения, де-
формации и напряжения) режимы работы установленного обору-
ломания или скороеги пропуска подвижной нагрузки.
Особенности испытаний эксплуатационной нагрузкой. При пс-
следоваших чипампческпх воздействий от стационарно установлен-
!К1-) оборудования необходимо, кроме наблюдений прн нормальном
реж име его работы, проведение таких же измерений прн тяжелых
... ноях: ускоренном пуске, резком торможении и т. д.
Прн испытаниях подвижной нагрузкой должны быть предусмот-
ри. и ы: иаписвы годней шее расположение пропускаемой нагрузки
и. с. вы<ыв.по1иес наибольшие усилия в исследуемом объекте),
! ;= «*; icvKiie ее (кпростн (соогвс!ствующпе состоянию резонанса),
р. : rop.Mo.-Keinie и г. д. При пропуске безрельсового транспорта
б .п-,. кроме тою. воспроизведены вертикальные удары,
uo.-Kiiia- .ipn наличии HvpoBiioc'iuii полотна (имитируемых спе-
• ложспеымп полкладками>, и горизонтальные воздействия
• р.ю.оу. и iMoHeiinii направления твиження машин (например,
об|.е,-д I..-5 быстром ходу препятствия, установленного па проезжей
' Ле‘ lit).
.1 ля 1.01 r.pamciiua возможности несчасшых случаев, связан-
ь»- е iipoiix ‘.ком подвижной нагрузки на больших скоростях, долж-
' ..!|ь приия1Ы предохраните 1ьныс меры: установлены огражде-
на:). предупредительная сигнализация и т. д.
ГЛАВА V
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИИ
Обработка результатов динамических испытаний складывается
яз двух основных операций:
1) общего анализа исследуемых процессов и
2) установления численных значений параметров, характеризую-
щих эти процессы.
Подлежащие обработке экспериментальные данные могут при
этом иметь форму графиков, записанных приборами, как правило,
в функции времени, и дискретных (т. е. прерывных во времени) циф-
ровых отсчетов илн различным образом зафиксированных отметок *.
Графики, построенные в функции времени, являются наиболее
удобной и наглядной формой при исследовании нестационарных,
т. е. изменяющихся во времени процессов. При стационарных про-
цессах графики не столь обязательны (они полезны для контроль-
ного просмотра) и могут быть замерены рядом дискретных изме-
рений.
Этапы обработки: 1) зарегистрированные сложные процессы
разделяют на более простые составляющие; Так, например, колеба-
ния любых сложных очертаний приемами гармонического анализа
могут быть представлены в виде сумм простых гармонических ко-
лебаний;
2) определяют численные значения параметров, характеризую-
щих исследуемые процессы;
3) полученные данные в случае необходимости подвергаются
дальнейшей обработке. Так, например, путем дифференцирования
и интегрирования, выполняемого обычно при помощи специальных
устройств, по измеренным перемещениям определяют скорости и
ускорения и наоборот; путем сопоставления одновременно получен-
ных данных выявляют формы колебаний и т. д.
4) на основании произведенной обработки дают обшую оценку
динамической работы исследуемого объекта.
Способы проведения обработки. Рассмотренные выше этапы ана-
лиза динамических процессов широко применяются в самых раз-
личных областях техники: в машиностроении, самолетостроении,
прп исследованиях сейсмических процессов, в геофизической раз-
ведке и т. д.
Обработка получаемой информации в значительной степени или
* В последнее время прибегают к фиксации электрических сигналов электро-
магнитным путем на магнитной ленте. Полученные результаты могут быть
представлены в виде осциллограмм (а также визуально просмотрены иа экране
осциллографа) или в виде серии дискретных измерений. Отработанные ленты
легко размагничиваются н могут быть использованы неоднократно.
1»
полностью автоматизирована. Для этой цели применяют специаль-
ные приборы и их комплексы.
Результаты измерений можно переносить на перфокарты и
перфоленты для дальнейшей обработки их иа ЭВМ. Возможна
также передача электрических сигналов от измерительных прибо-*
ров и непосредственно на вычислительные машины.
§ 1. Графики динамических процессов
Графики, построенные в функции времени, являются наиболее
распространенным видом документации динамических испытаний.
При пользовании механическими самопишущими приборами на движущейся
бумажной ленте прибора вычерчивается обычно лишь одна диаграмма (рнс. III).
Хотя скорость движения ленты может регулироваться, для точного определения
масштаба времени необходимы дополнительные отметки.
Рис. 111. Образцы записей механического
самописца:
а - <<» ступенчатыми отметками воемеин; б - с
«л метками, нанесенными вибрирующим пером
0)мстч»на времени; 1 - бумажная лента: 2 —за-
пись основной диаграммы; 3 и 4 — отметки, нане-
сенные «пером времени»; Г—.интервалы ступен-
чатых отметок; / - период колебаний «пера вре-
мени»
Гакпе отметки наносятся обычно «пером времени». При разомкнутой электри-
ческой цепи, присоединенной к прибору, перо времени вычерчивает на ленте пря-
мую линию. Прн замыкании же цепи с помощью контактных часов нлн другим
способом перо подтягивается в магниту внутри корпуса прибора и фиксирует
170
на ленте отметку в виде небольшой ступеньки (рис. 111. а). Частоту нанесения
таких отметок (через 1—2 сек или иные интервалы) назначают в соответствии
со скоростью движения ленты.
На рнс. Ill, б показан другой вид отметок для больших скоростей. Отметки
наносятся пером времени, удерживаемым гибкой пластинкой: отрываясь прн раз-
мыкании цепи от магнита, такое перо вычерчивает на ленте затухающую кривую
собственных колебаний с частотой, например в 25 или 50 гц.
При записях, выполняемых с помощью осциллографов, на их
движущейся фотоленте может одновременно фиксироваться ряд
диаграмм (до 8, 12 и даже 24). Показания группы приборов на од-
ной ленте дают возможность надежной увязки полученных данных
а — масштаб времени определяется но записи колебаний задан-
ной частоты- б — масштаб времени дается отметками в виде
поперечных линий; / - леита нлн пленка: 2 - записанные
осциллограммы; 3 - колебания заданной частоты; 4 — попереч-
ные липни масштаба времени
171
одна из записей -колебания со строго заданной частотой (ряс. 112, а);
применяются также отметки времени в виде поперечных линий, за-
свечиваемых иа фотоленте (рис. 112, б), например, вспышками нео-
новой лампы.
Эпюрограммы дают совмещенные условные изображения сигна-
лов, передаваемых одновременно рядом приборов иа экран свето-
лучевого осциллографа-эпюрографа конструкции В. Л. Бурнштейиа.
В качестве примера иа рис. 113, а приведена эпюра распределе-
ния продольных деформаций по высоте изгибаемой балки. Каждому
тензорезистору, установленному в рассматриваемом сечении
(рнс. 113,6), соответствует иа эпюрограмме свой сигнал с длиной,
пропорциональной интенсивности измеряемой деформации.
Рнс. 113. Эпюрограмма:
.1 '.р.-и .пнцч'Грифа; б- нагружаемая балка: / —
жрапл. - — ми<ч»табная cvixfl: >1 енотовые
m па.ч г. I - 1сц н»рс «нсторы. наклеенные на боковой
поверхности балки
По мерс изменения значений определяемых величин непрерывно
меняются и сигналы на экране эпюрографа, но в каждый отдельно
взятый момент по этим сигналам могут быть сделаны дискретные
отсчеты.
Регистрация янорограмм прн динамических процессах пронзво-
aurcsi иа фотоснимках с минимальной выдержкой и точной отмет-
кой момента съемки. Возможна также киносъемка экрана эпюро-
графа с последхкипой обработкой отдельных наиболее характерных
кадров.
172
§ 2, Определение параметров колебательных процессов
2-1. Определение размахов и амплитуд колебании
При заданном масштабе измерений р;нмах определяется как
разность значений экстремальных ординат колебании за рассмат-
риваемый период (рис. 114,а).
Для измерения амплитуд
до начала испытаний на гра-
фике должна быть нанесена
«нулевая линия», соответствую-
щая показанию записывающе-
го прибора в состоянии равно-
весия; после окончания испы-
тания нулевая линия должна
быть нанесена для проверки
(рис. 114, б). На графиках
значительной длины положе-
ние нулевой линии окончатель-
но устанавливают прн анализе
диаграммы.
Для автоматизации трудо-
емких измерении, связанных с
ручной обработкой графиков,
имеются так называемые «очис-
лителп» виброграмм, где за-
АЛА
Рас. 114. К измерению размлховпампли-
туд колебаний:
и фиксация размаха .1; г* 1«> же. змилп-
ij;i а; / • нх.пензм линия, «diuivjiui.iu к» н.>
иссиния \да|)я: к» пледе wm<nm«
la’.'ieo.iiHtft; J •• участок нулгной тям»"» п->
CtpOcimUu при .»ир:|Г»01М' диаграммы
меры ординат производят с
помощью чувствительных фотоэлементов с автоматическим точным
приведением к середине толщины линии записи. Результаты изме-
рений получают в виде дискретных отсчетов па лентах для дальней-
шей обработки их на ЭВМ.
2-2. Измерение
периодов колебаний
Прп заданном масштабе
времени определение перио-
дов колебаний ие
ляет затруднений,
чии строго стабильного ре
жима для уменьшения по-
грешностей измерения вдоль
оси абсцисс целесообразно Рнс. 115. К определению периода установив-
г iniivno млчАЛаппй'
производить. иа участке,
включающем несколько ЦИК- диграмма: ^-расстояние'(в меж-
лов колебаний, с вычислени- ...
ем по полученному результа- ;у длш1а ;вП)1СН п „а,НЫ.х колебаний; т
ту продолжительности одно-
го периода (рнс. 115).
.5=ЛДАЛЛ/\Л
<г
шнхея колебаний:
пера времени; 2 - обрабатываемая
ду записанными отметками яременп во» задан-
ном интервале в т с&е. х — замеренная по графи*
продолжительность одного периода измеряемы*
колебаний я секундах
2
173
2-3. Переход от перемещений к скоростям и ускорениям и обратно
Перемещения, скорости н ускорения связаны между собой диф-
ференциальными зависимостями.
Операции перехода могут быть выполнены графически, путем
аналитической обработки и с применением приборов. Все эти спо-
собы подробно рассматриваются в специальной литературе.
Наиболее простым является случай установившихся гармониче-
ских колебаний с амплитудой а и частотой описываемых урав-
нением
у = a sin ш/. (56)
Переход от измеренных амплитуд к максимальным ускорениям
может быть выполнен путем простейшего пересчета, поскольку уско-
рение
у = — aw2 sin ы/. (57)
। Из сопоставления формул (56) н (57) находим требуемое соотиоше-
। ине в виде
! |max//| = aw2. (58)
Аналогично для определения максимальной скорости получаем
|max z/l ==П(о. (59)
2-4. Определение коэффициента поглощения
Определение ф по затуханию свободных колебаний. При наличии
развернутого во времени графика затухающих колебаний (рис. 116)
находят логарифмический декремент б, связанный с ф зависи-
мостью (41):
ф = 26.
Логирафмический декремент
подсчитывают по формуле
6 = In — (60)
fln+i
где ап н ап+1 — измеренные иа
графике амплитуды п и п+1
циклов колебаний *.
Несмотря на принципиаль-
нее но. к определению логарифмы* иую простоту данного метода»
‘ivhi‘eMe"r.i колебании прн практическом его примене-
иии приходится сталкиваться
со следующими затруднениями:
’ Измерение амилитхд можно заменить намерением соответствующих разма*
хов ко.к-баннн, что может быть выполнено «х предварительного проведения
нулевой липни на графике.
174
1) затухание колебании в большинстве случаев происходит на-
столько медленно, что соседние амплитуды графика ан и Un+j весь-
ма мало отличаются друг от друга. Для увеличения этой разности
с амплитудой ап сопоставляется амплитуда более отдаленного
цикла — п+т (рис. 116).
Подсчет ведется в таком случае по формуле
6 = —In——, (61)
Un+m
которая дает усредненное значение декремента колебаний по д ihhu
взятого участка развертки, содержащего т циклов колебаний;
2) значения 6 ие остаются строго стабильными по длине диа-
граммы. Декремент колебаний следует поэтому определять не для
одного, а для нескольких участков по длине графика с отнесением
получаемых значений б к середине каждого участка.
По полученным данным строят затем графики, представляющие
зависимость ф от амплитуд динамических напряжении;
3) рассмотренный способ выявления ф по виброграммам зату-
хающих колебаний оказывается трудно применимым при сложном
очертании диаграмм, обусловленном наложением друг на друга
затухающих колебаний разных частот. В таких случаях целесооб-
разнее определять ф по резонансным кривым.
Определение ф по резонансным кривым. По измерениям, произ-
веденным при вынужденных колебаниях в зоне резонанса, коэффи-
Рис. 117. К определению ф по резонансной кривой расхода
мощности:
/ - пик резонанса при большом коэффициенте поглощения; 2 — то
же, при малом
175
цнеит поглощения может быть определен несколькими способами.
Из числа рекомендуемых рассмотрим два способа, имеющих наи- *
большее практическое значение при испытаниях натурных объектов,
1. Определение if по кривой расхода мощности при резонансе.
На рис. 117 приведены кривые расхода энергии IF при работе цент-
робежных вибрационных машин для двух значений if. Начальный и
конечный участок этих кривых соединен пунктирной линией ОА,
выделяющей очертание пика резонанса.
Как показывают соответствующие подсчеты, if может быть опре-
делено по формуле
Пг—ni
Ф== Л—-----
По
(62)
где «о—резонансная частота; П| и «з —частоты точек С и D резо-
нансной кривой, лежащих на пересечении этой кривой с отрезком
CD, проведенным параллельно 0/1 через середину высоты Wo пика
резонанса.
!' о'отнегствнн с подсчетами
быть сирс.те’к'Н нг формуле
2. Определение if по шири-
не резонансного амплитудного
пика. На рис. 118 по оси орди-
нат отложена амплитудная
кривая перемещений или де-
формаций, зафиксированных
любыми приборами, установ-
ленными на испытываемом
ответствует вынужденным ко-
лебаниям, вызываемым рабо-
той центробежной вибрациои-
гон центробежной вибрацион-
ной машины. По осн абсцисс
отложена безразмерная вели-
чина п.'п^ равная отношению
частоты оборотов машины к
резонансной частоте.
коэффициент поглощения может
2л
ф = ---/>< 1 ~ь-).
гд-' л — измеренная по графику ширина петли резонанса на поло-
вине (’С 1Ч4С011,1
При кругом । >чср1 ап пн пика резонанса Ь- значительно меньше
eiinniii:.i и vol Ирак; inn ckiiX подсчетов этой величиной можно пре-
Hcopi-lb. к и да
2я/,
|3
(64)
176
3. Дополнительные замечании- llptt малых значениях ф ви «можно явление
«срыва'» резонансной кривой, условно показанное иа рис. 117 пунктирной нисхо-
дящей ветвью EF пика резонанса. Точное определение частоты я* в формуле (02)
и значении b в формулах (63) и (64) становится и этим случае невозможным *.
При определении ф по кривой расхода muiuiukth нгобходнмо учитывать, что
при натурных испытаниях энергия, потребляемая вибрационной Maimiuoii, рас-
ходуется не только на возбуждение колебаний п iicv.ivтуечы \ ’.пеней г.ix ю»нсг
рукцип, но и во всех прочих колеблющихся элементах (части с более значитель-
ным коэффициентом затухания) на преодоление трепня в соединепнях и т. д
Все ,ю может несколько завысить получаемые значения ф.
§ 3. Определение других динамических характеристик
3-1. Формы колебаний
Для выявления форм колебаний необходима одновременная за-
пись динамических перемещений в ряде точек колеблющейся систе-
мы с дальнейшим графическим анализом полученных результатов.
При установившихся, стро-
го стабильных колебаниях
можно пользоваться также из- I Ш 1
меренпямп, полученными с по-
мощью переставляемых прибо-
ров (в том числе, и с визуаль-
ным отсчетом), прн условии
правильной оценки фаз коле-
баний.
В качестве примера на рис.
119 приведены две возможные
формы колебаний одного и то-
го же стержня. Как видно из
рис. 119, а и б, абсолютные
значения амплитуд в сечениях
I н П мало отличаются друг от
Друга; фазы же колебании в
этих сечениях на рис. 119, а
совпадают, а на рис. 119 б ока-
зываются противоположными.
Для выявления фактиче-
ской формы колебаний можно
воспользоваться. например,
вспомогательной балочкой /,
установленной на вибрирую-
щем элементе (рис. 119, п).
При совпадении фаз колебаний
Рнс. 119. К определению формы коле-
баний:
а и б — очертания упругой линии колеблю»
щеи.я епеч’мы; в— >пк*ры пспемстценир
K. IIOMOI .1 Гс.п ной бзличкн / Н|>|1 копсблпняч
формы - —то же. при котсб.чшпх
формы
* Прибегают иногда к следующему искусственному' приему: восходящую
ветвь пика резонанса получают при возрастающем числе оборотов вибрационной
машины, вплоть до момента срыва в точке /?; обратным ходом получают отре-
зок .If. Затем наносят па графике наиболее вероятное очертание нисходящей вет;
вп £/’. Данный прием дает, конечно, возможность лишь ориентировочной оценки
значения ксэфф*ш»пчна поглощения.
177
в сечениях / и II показания амплитудомера (или другого прибора)»
перемещаемого вдольбалочки/, будут оставаться почти неизменны-
ми (соответствующая эпюра измеренных амплитуд показана на
рис. 119, в). В случаеже разности фаз получаемые отсчеты будут
меняться по длине балочки, возрастая к ее краям от некоторой <иу*
левой» точки в промежуточном сечении /// (рис. 119, г).
Для выявления фаз при изгибных колебаниях пользуются также
тензорезисторамн, которые наклеивают до начала испытания в рас-
сматриваемых сечениях. Обработка записанных с их помощью виб-
рограмм деформаций даёт возможность убедиться в совпадении или
сдвиге фаз колебаний в сопоставляемых сечениях.
Этот способ может быть применен и в конструкциях более слож-
ного очертания.
3-2. Прочие данные
Прн динамических расчетах в ряде случаев пользуются значе-
нием приведенной массы, вычисляемой по соответствующим форму-
лам. В простейших системах значение приведенной массы можно
определить и по экспериментальным данным. Так, например, для
простой балки приведенная масса т связана с циклической часто-
той собственных колебаний соотношением
1/ К
0)=^-, (65)
’ т
где К — коэффициент жесткости балки.
Для нахождения m измеряем w дважды, помещая по середине
пролета балки дополнительные массы /П| и т2, равные 10—20%
от /и.
В соответствии с формулой (65)
и 1/ к <01 = 1/ (66) г пг + nti v 1/ К <02 = у . (67) 1 т + гп2 ' г
После исключения А из соотношений (66) и (67) получаем зна-
чение т в виде
2 2 Hl2(t)2 — /П(0)1 т == ; ~ (68) <«)“ — (•)- ' г
Инерционные силы Qim, возникающие в элементах конструкции»
определяются соотношением
<?ип== — ту, (69)
где г/ — ускорение массы т. Значения этих ускорений могут быть
178
I найдены экспериментально по показаниям акселерометров или но
: данным обработки виброграмм перемещений.
! В тех случаях, когда значения приведенных масс woiyr бык»
установлены с требуемой точностью, достаточно определить у лишь
для точек приведения.
В более сложных случаях, где метод приведения масс не может
быть использован, рекомендуется следующий прием: конструкция с
учетом ее конфигурации и действующих на нее нагрузок разби-
вается на ряд простейших элементов с массами Ш|, нь и т. д.;
определив экспериментальным путем ускорения центров тяжести
этих масс, находим по формуле (69) приложенные к ним инерцион-
ные силы.
Динамические напряжения о;1Ш| могхт быт», найдены расчетным
путем по действующим динамическим нагрузкам и уточненным зна-
чениям инерционных сил.
Полученные значения ол11ц в пределах упругой работы материа-
ла могут быть проверены ио показаниям тензорезисторов и других
приборов, измеряющих деформации, при условии, если динамиче-
ский модуль упругости материала известен.
Вышеприведенные примеры не исчерпывают всех вопросов, воз-
никающих при обработке результатов динамических испытаний, но
дают необходимое представление о них в пределах поставленной
задачи.
§ 4. Оценка и использование результатов
динамических испытаний
Наиболее полное представление об условиях работы исследован-
ных конструкций даст сопоставление экспериментально определен-
ных значений динамических параметров (частот колебаний, значе-
ний перемещений, деформаций и т. д.) с соответствующими нм тео-
ретическими при условии, что в расчетах отражены необходимые
“ данные, характеризующие фактическое состояние проверяемого
объекта.
При наличии нормативных требований, например, в отношении
значений параметров вибраций, не препятствующих работе преци-
зионных станков, н т. д. полученные фактические значения не долж-
ны превосходить допускаемых.
Экспериментально определенные частоты свободных колебаний
элементов конструкции позволяют уточнять требования к режиму
эксплуатации (в отношении действия установленного оборудования,
скорости пропуска подвижной нагрузки и т. д.) для предупрежде-
ния возможности резонанса. Если же резонанс и связанные с ним
нежелательные явления уже имеют место, то полученные данные
о частотах собственных колебаний используют при разработке не-
обходимых защитных мер.
При динамических испытаниях однотипных конструкций и эле-
ментов сопоставление частоты и интенсивности затухания колеба-
179
ннй позволяет давать сравнительную оценку состоянию и работо-
способности объектов.
В заключение следует отметйть, что при проведении через опре-
деленные интервалы повторных испытаний одного и того же соору-
жения сопоставление получаемых динамических характеристик
позволяет (по уменьшению частоты собственных колебаний отдель-
ных элементов н всей конструкции в целом, ускорению затухания
колебаний, изменению очертания пика резонанса при вибрацион-
ных испытаниях и т. д.) давать объективную оценку изменению
состояния проверяемого сооружения. Такая возможность, не тре-
бующая сколько-нибудь значительных затрат времени и труда и ие
нарушающая условий работы проверяемых объектов, является од-
ной из наиболее ценных особенностей динамических испытаний.
ЛИТЕРАТУРА
i О с и о в и ы е у ч с 6 и ы с рук о в оде г в а
I
। Листов II. II. Испытание сооружений. Оройиздаг, I960.
К о п ч и и с ь н й И. Л. Испытании сооружений. Изд-во «Высшая школа»,
; 1961.
Красиков В. И. Испытание строительных конструкции. Госстройиэдат,
. 1952.
; Крылов И. Л., Глухове кой К. Л. Испытание конструкций сооруже-
ний. Стройнздат, 1970.
Новгородский М. Л. Испытание материалов, изделий и конструкции.
Изд-во «Высшая шкала*, 1971.
Почтовик Г. Я., Злочевский Л. Б., Яковлев Л. И. Методы и
средства испытания строительных конструкций. Изд-во «Высшая школа», 1973.
Я к\ боп ск ни Б. В, Ермолаев И. И. и др. Испытание железобетон-
ных конструкций к сооружений |1<д-во -Высшая школа-, 1965.
Дополнительная л и т е р а ту р а
К разделу первому
Тимошенко С. П. История науки о сопротивлении материалов, с крат-
кими сведениями из истории теории упругости н теории сооружении. Пер. с англ.
Гостехнздат, 1957.
Воробьев В. А. [н др |. Бетатроны в дефектоскопии. Атомнздат, 1973.
К разделу второму
Воробьев В. А. Радиационная дефектоскопия бетонных п железобетон-
ных конструкций. Стройнздат. 1972.
Г у р в II ч А. К.. Ермолов И. И. Ультразвуковой контроль сварных
швов. Государственное издательство технической литературы УССР, 1972.
Крылов Н. А., Калашников В. А.» Полищук Л. М. Радиотех-
нические методы контроля качества железобетона. Стройнздат, 1966.
Ливанов М. М. Геодезия в строительстве. Стройнздат, 1973.
Назаров С. Т. Методы контроля качества сварных соединений. Изд-во
«Машиностроение», 1964.
Поль Э. Неразрушающие методы испытания бетона. Пер. с нем. Строй-
издат, 1967.
Румянцев С. В. Радиационная дефектоскопия. Атомнздат, 1968.
Скрамтаев Б. Г., Лещинский М. Ю. Испытание прочности бетона
в образцах, изделиях и сооружениях. Стройнздат, 1964.
Соколов В. С. Дефектоскопия материалов. Госэнергоиздат, 1961.
ГОСТ 1497—61. Металлы. Методы испытания на растяжение. Изд-во стан-
дартов, 1972.
ГОСТ 3242—69. Швы сварных соединений. Методы контроля качества. Изд-во
стандартов, 1969.
ГОСТ 7512—69. Швы сварных соединений. Методы контроля просвечиванием
проникающими излучениями. Изд-во стандартов, 1969.
1SI
ГОСТ 10180—67. Бетон тяжелый. Методы определения прочности. Изд-во
стандартов, 1969.
ГОСТ 11498—65. Древесина. Методы определения твердости. Изд-во стандар-
тов, 1970.
ГОСТ 14782—69. Швы сварных соединений. Методы ультразвуковой дефекто-
скопии. Изд-во стандартов, 1970.
ГОСТ 16483—70. Древесина. Отбор проб и методы испытаний. Изд-во стан-
дартов, 1970.
ГОСТ 17623—72. Бетоны тяжелые, легкие и ячеистые. Радиоизотопные мето-
ды определения объемной массы. Изд-во стандартов, 1972.
ГОСТ 17624—72. Бетой тяжелый. Ультразвуковой метод определения проч-
ности. Изд-во стандартов, 1972.
ГОСТ 17625—72. Конструкции и изделия железобетонные. Методы опреде-
ления толщины защитного слоя бетона и расположения арматуры просвечива-
нием ионизирующими излучениями. Изд-во стандартов, 1972.
Руководство по наблюдениям за деформациями зданий и сооружений.
НИИОПС Госстроя СССР. Стройиздат, 1967.
Указания по определению эталонным молотком прочности бетона и раствора
в изделиях н сооружениях. Изд-во Минтяжстроя СССР, 1969.
Инструкция по контролю качества железобетонных изделий, деталей и кон-
струкций радиотехническими методами (И-95-69) Министерства строительства
СССР. Изд. треста Оргтехстрой, 1969.
Рекомендации по проведению пооперационного контроля качества прн изго-
товлении и изготовленных бетонных н железобетонных изделий неразрушающпмп
методами. ВНИИЖелезобетон Министерства промышленности строительных мате-
риалов СССР. Стройиздат. 1970.
Временные указания по контролю и опенке прочности; жесткости п трещнно-
стойкости железобетонных изделий и конструкций неразрушающимн методами
(СП 417—-70) Госстроя СССР. Стройиздат, 1971.
Рекомендации по контролю качества клеевых соединений деревянных строи-
тельных конструкций н деталей. ЦПНИСК Госстроя СССР. Стройиздат, 1971.
К разделу третьему
Г si и «бург М. Б. Натурные исследования крупных гидротехнических
• женин. Изд-во * Энергия*, 1964.
Новицкий И. В, Кнорине В. Г. [н др.]. Цифровые приборы с частот-
huv.»i ъичпкамн. Изд-во «Энергия», 1970.
Панкратьев Ю. И.. Пузанов Б. С. (и др.]. Инженерная фотограм-
метрия. Изд. Львовского университета, 1964.
Пн тлю к Д. Д. Испытание строительных конструкций на моделях. Строй-
Р у .ч г а 3 >‘.1ектрпческпс тензометры сопротивления. Пер. с. четкого. Изд-во
«Мнр>, 1964
1 а м а р и н Л. Л Испытание и оценка несущих свойств предварительно
панряжеяных железобетонных конструкций. Стройиздат, 1967.
Текарис И. Муаровые полосы при исследовании деформаций. Пер. с англ.
Изд-во «Мир». 1972.
I ОСТ 1263—70. Государственная система обеспечения единства измерений.
Метрология. Термины н определения. Изд-во стандартов, 1970.
ГОСТ 8829—66. Изделия железобетонные сборные. Методы испытаний и
оценки прочности, жесткости н трешиностойкостп. Изд-во стандартов, 1966.
испытаниям железобетонных панелей промышленных зданий.
НИИСК и НИИЖБ Госстроя СССР. Стройиздат, 1970.
Руководство по тензометрнрованию строительных материалов, изделий и кон-
!1У. Госстроя СССР. Изд. отдела научно-технической ннформацнн
НИИЖо, 19/1.
182
К разделу четвертому
Гевоидян Т. А.» Киселев Л. Т. Приборы для измерения и регистра-
ции колебаний. Машгиз, 1962.
Сорокин Е. С. Динамический расчет несущих конструкции зданий. Строй-
издат, 1956.
Тя 6.1 и ко в Ю. Е. Машины с гидравлическим возбуждением. В сборнике
под ред. С. В. Серенсена «Динамика машин для испытаний на усталость*. Изд-во
«Машиностроение*, 1967.
Шапиро Г. А. и др. Вибрационные испытания цапни Сгрошвдат, 1972
ГОСТ 16819—71. Приборы внброизмерительные. Термины и определения.
Изд-во стандартов, 1971.
Инструкция по расчету перекрытий па пмпхльспвпые пагррки. ЦНИИСК
Госстроя СССР. Стройпздат, 1966.
Инструкция по расчету покрытий промышленных зданий, воспринимающих
динамические нагрузки. ЦНИИСК Госстроя СССР. Стройиздат. 1967.
Инструкция ио расчету конструкции промышленных маний нсоорхжеппй hj
динамические нагрузки. ЦНИИСК Госстроя СССР. Стройиздат, 1970.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие.......................................................... 3
Раздел первый. Вводная часть......................................... о
Глава I. Действительные условия работы сооружений.................—
§ 1. Требования к сооружениям и опенка их работ.................—
§ 2. Условность расчетной схемы.................................—
§ 3. Условность расчетных характеристик........................ 8
3-1. Отклонения фактических значений oi нормативных . . . —
3-2. Отклонения от основных рабочих гипотез в отношении ма-
териалов ..................................................—
3-3. Неоднородность работы составных сечений............ 9
§ 4. Нтмснеиия в работе сооружения во времени...................—
4-1. Переменность внешних возлейс1впй......................—
4-2. Изменения свойств материалов.........................10
4-3. Расстройства стыков и соединений элементов...........И
4-4. Выводы................................................—
Глава II. Уточнение денствптелы1ип работы сооружении эксперимен-
тальным путем....................................................12
§ I. Основные определения.......................................—
§ 2. Исторический об тор.......................................13
Р.т -.те,, в’орон. Освидетельствование............•..................17
Глава I. Ознакомление с документацией, осмотр сооружения н конт-
рольная проверка размеров н сечении................................—
$ I. О Hiai.oe.ii пни с документацией и осмотр сооружения........—
$ 2 Проверка геометрических размеров.......................... 18
2*1. Проверка основных геометрических параметров и конфи-
22. Контроль сечений и проверка очертаний ответственных
элементов . ..........................................19
§ 3. В»4ивтеине н регистрация осадок и повреждений..............20
3-1. Осадки и смещения......................................—
3*2. Развитие трещин и раскрытие швов.....................22
Глава И. Проверка качества н состояния материалов it соединений 24
§ I Общие данные..................................................—
2. Отбор образцов ..........................................25
$ 3 Испытание материала непосредственно в конструкции............27
3-1. Испытание древесины на срез............................—
3*2. Испытания бетона на срез и отрыв в конструкции. ... 28
$ 4. Оценка прочности материала по механическим характеристикам
его поверхностного слом.......................................—
4-1. Опенка прочности металла............................30
4-2. Оценка прочности бетона.............................31
4-3. Оценка прочности древесины..........................34
§ •”». Сравнительная оценка различных методов исследования мате-
риалов ......................................................35
184
183331331ss ass 13й з i1 is « i i iss s ।i isss i issss r iss's is i1 is
1
Глава III. Неразрушающне методы контроля........................37
$ 1. Акустические методы.....................................
1-1. Ультразвуковые методы..............................
1-2. Применение ультразвуковых методов..................
1-3. Другие акустические методы ........................
§ 2. Ионизирующие излучения..................................
2-1. Применение рентгеновского и гамма-излучений........
2-2. Нейтронные излучения...............................
§ 3. Магнитные, электрические н электромагнитные методы......
3-1. Дефектоскопия металла..............................
3-2. Толщннометрия......................................
3-3 Определение напряжений..............................
3-4. Определение положения арматуры в железобетоне, толщи-
ны защитного слоя и диаметра стержней...................
3-5. Определение влажности древесины....................
§ 4. Контроль проникающими жидкостями н газами.................
4-1. Контроль герметичности соединений..................
4-2. Выявление трещин, выходящих на поверхность.........
' § 5. Другие неразрушающне методы контроля......................
Глава IV. Перерасчеты ц общие выводы по результатам освидетель-
ствования .....................................................
§ 1. Перерасчет конструкций..................................
1-1. Перерасчеты на действие эксплуатационных нагрузок. .
1-2. Перерасчет на испытательную нагрузку..............
§ 2. Выводы по результатам освидетельствования...............
Раздел третий. Статические испытания................................
Глава I. Общие данные...........................................
$ 1. Определяемые характеристики.............................
§ 2. Задачи испытаний........................................
1 § 3. Выбор элементов для испытания...........................
§ 4. Выбор схемы загружения...................................
Глава II. Нагрузки..............................................
§ 1. Распределенные нагрузки..................................
1-1. Сыпучие материалы.................................
1-2. Мелкие штучные грузы..............................
1-3. Крупные штучные грузы.............................
1-4. Нагружение водой..................................
f 1-5. Использование давления воздуха....................
, V § 2. Сосредоточенная нагрузка...................................
1 2-1. Распределительные устройства......................
1 2-2. Подвешивание грузов...............................
2-3. Натяжные устройства...............................
2-4. Домкраты..........................................
2-5. Подвижная нагрузка................................
х^Глава Ш. Режим испытания.......................................
§ 1. Назначение величины испытательной нагрузки................
§ 2. Последовательность приложения н снятия нагрузки.........
§ 3. Выдерживание нагрузки...................................
*; Глава IV. Измерительные приборы н их применение...............
§ 1. Общие данные.............................................
§ 2. Приборы для определения линейных перемещений .......
2-1. Диапазон и требуемая точность измерений. • ............
2-2. Основные типы применяемой аппаратуры..............
2-3. Прогибомеры с проволочной связью.............•. • .
2-4. Индикаторы........................................
185
F
2-5. Электромеханические измерители перемещений............90
§ 3. Геодезические методы измерения перемещений. Применение от-
весов н натянутых нитей. Фотометрические методы.............91
3-1. Геодезические методы...................................—
3-2. Гидростатическое иивелнроваиие........................92
3-3. Отвесы...............................................93
3-4. Метод натянутой инти..................................96
3-5. Стереофотограмметрическая и фотограмметрическая съемки 97
3-6. Прочие методы определения перемещений.................99
§ 4. Измерение угловых перемещений...............................—
4-1, Клинометры............................................ —
4-2. Способ жесткого рычага...............................101
4-3. Оптическое определение угловых перемещений...........—
§ 5. Измерение деформаций......................................103
5-1. Тензорезисторы........................................—;
5-2. Проведение измерений.................................106
5-3. Электромеханические тензометры.......................107
5-4. Струнные тензометры..................................108
5-5. Механические тензометры..............................109
5-6. Другие методы измерения деформаций...................111
§ 6. Динамометры...............................................112
Глава V. Проведение испытаний..................................114
§ I. Подготовительные работы.....................................—
§ 2. Размещение приборов.........................................—
2-1. Размещение приборов при измерении прогибов...........115
2-2. Размещение приборов при измерении углов наклона . . .116
2-3. Размещение приборов при измерении деформаций .... —
§ 3. Основные работы, выполняемые в процессе испытания.........120
3-1. Установка приборов и подготовка к наблюдениям .... —
3-2. Предварительное загружение.............................—
3-3. Запись показаний приборов .......................... 121
3-4 Наблюдения hi состоянием нагружаемого объекта ... —
4. Техника безопасности при испытаниях статической нагрузкой 122
41. Предохранительные устройства............................—
1-2. Обеспечение безопасности работы с нагрузочными приспо-
соблениями ...........................................123
1 . ага \ 1. Обработка результатов статических испытаний.........124
- § 1. Графическая обработка.......................................—
§ 2. Обработка ре<у.тыакш птмерення Перемещении................126
2-1. 11<).тсчс1Ы прогибов при загруженнн простой балки ... —
\2*2- Определение опорных моментов и нзгибной жесткости ба-
лок ио измеренным прогибам н углам наклона . . . 127
2-3. Подсчеты при измерении перемещений в двух направле- 129
пнях.....................................................
§ 3. Обработка результатов измерения деформаций................131
3 I. Главные Деформации ....................................—
3-2. Переход от деформаций к напряжениям..................132
\j3-3. Определение опорных моментов путем измерения дефор-
маций .................................................133
§ 4 Оценки результатов статических испытаний..................134
Раздел че ж е рт ы й. Динамические испытания........................
Глава 1. Общие данные..............................................—
§ I. Основные характеристики динамической работы строительных
конструкций .................................................... —
1-1. Нагрузки...............................................—
1-2. Работа конструкций прн динамических воздействиях . . .137
186
§ 2. Динамические харакн!рпси1кч и.перил м.....................I |п
2-1. Динамический модуль упругости
2-2. Динамические прочностные хлплкп-нипhi.ii
2-3. Внутреннее трение........... ......... : I:
§ 3. Задачи динамических испытаний .... ............ II J
3-1. Испытание сооружении и отдельных конструкций. шит.-
жащих сдаче в эксплуатацию...............................
3-2. Испытание сооружений и конструкций, находящихся в ч.с
илуатации . .............................................
3-3. Испытание строительных тст.мей серппкого и я •, • ИХ
Глава И. Нагрузки................................................ ’II-
1-1. Вертикальные удары.................................
1-2. Горизонтальные и наклонные удары.................... 15
§ 2. Вибрационная нагрузка...................................
2-1. Простейшие машины с одной iieypai’iioHeiuviniiu’i м пм-й —
2-2. Вибрационные машины направленного денет впя с не\ р.:вп.--
вешенными массами, вращающимися вокрхг в । .н.. \
осей................................................. .46
2-3. Вибрационные машины с эксцентриками. врань-нопилпь я и
разные стороны вокруг одной общей оси...........!5б
! 2-4. Гидравлические пульсаторы............................151
‘ Глава III. Измерения при динамических испытаниях..................153
§ I. Общие данные
§ 2. Измерение неремешеинн.......................................—
2-1. Впбромаркп...........................................!;И
2-2. Применение инертной массы (теоретические основы мето-
да) ..................................................!55
2-3. Виброметры и их применение...........................156
2-4. Вибропреобразователи ................................160
§ 3. Измерение деформаций. Контроль частот.....................162
Глава IV. Проведение испытаний...................................161
§ 1. Подготовительные работы.....................................—
§2. Размещение приборов и проведение испытаний...................--
G 3. Испытания ударной нагрузкой............................... 165
$ 4. Испытания вибрационной нагрузкой...........................166
§ 5. Испытания эксплуатационной нагрузкой.......................168
Глава V. Обработка результатов испытаний.........................169
§ I. Графики динамических процессов.............................179
§ 2. Определение параметров колебательных процессов.............173
2-1. Определение размахов и амплитуд колебаний..............—
2-2. Измерение периодов колебаний ......................... —
2-3. Переход от перемещений к скоростям и ускорениям н об-
ратно ............................................... 174
s 2-4. Определение коэффициента поглощения.....................—
§ 3. Определение других динамических характеристик..............177
3-1. Формы колебаний........................................—
3-2. Прочие данные........................................178
$ 4. Оценка и Использование результатов динамических испытаний 179
и*^рлтура...........................................................181