Прочность и деформации стержневой арматуры при скоростном импульсивном нагружении
Исследованию динамических свойств арматуры посвящены немногочисленные работы с весьма противоречивыми экспериментальными результатами. В известной мере это может быть отнесено за счет влияния методики эксперимента, поскольку испытания проводились на разнотипном оборудовании, реализующем существенно различные условия нагружения опытного образца. Целью проведенной нами работы явилось получение систематизированных данных о динамических свойствах арматуры в условиях единой методики испытаний.
Исследования проводились с использованием американской испытательной системы МТС-819. Характерной особенностью последней является наличие регулируемого электрогидравлического контура обратной связи, который позволяет в процессе испытания производить контроль и корректирование программного воздействия на опытный образец. Испытания проводили при постоянной скорости деформирования образца (u=const), что для данной жесткости нагружающей системы обеспечивало также режим постоянной скорости деформации (е=const). Статические и динамические испытания образцов проводили при четырех фиксированных скоростях нагружения: 0,04; 0,4; 100; 400 мм/с.
Характерные осциллограммы динамических испытаний арматуры классов A-I, Ат-V И At-VI представлены на рис. 1. Видно, что процесс динамического деформирования СтЗ характеризуется наличием зуба текучести, при постепенной релаксации напряжений от верхнего предела текучести о к нижнему о. Диаграмма арматуры Ат-V без физического предела текучести имеет вид, близкий к диаграмме с линейным упрочнением. Все испытания характеризуются постоянной скоростью деформирования образцов при наличии стабильного нисходящего участка на диаграмме динамического сопротивления стали.
В методическом отношении, с учетом разработанной нами классификации, данные испытания следует рассматривать как скоростные испытания в жестком (е = const) режиме импульсивного нагружения. Для данных скоростей, справедливы условия квазистатического равновесия
Полученные результаты динамических испытаний рассматривали в функции среднеинтегральной скорости пластических деформаций:
Испытания проводили на натурных образцах арматуры диаметром 14— 18 мм с рабочей базой измерений 1= = 200 мм, что заметно превышает малые базы 90-е-130 мм (/<10d), принятые в других исследованиях, в связи с низкими динамическими характеристиками использованного оборудования.
По данной методике была испытана арматура классов А-I, A-II, A-III, Ат-Ш, Ат-V, At-VI. Наряду с общепринятыми марками арматурной стали была изучена новая арматура класса Ат-III из термически обработанной Ст5, сталь 1ULT класса А-II и новая термически упрочненная арматура класса At-VI ИЗ стали 23Х2Г2Т (см. таблицу). Исходные характеристики арматуры при статическом нагружении соответствовали треоованиям норм.
Статистический анализ результатов испытаний по прочности показал достаточно высокую их надежность — средний коэффициент вариации уСр для всех испытанных сталей находится з пределах точности измерений (уср = SG 1,2%). Надежность данных по деформации была ниже, в связи с существенной изменчивостью деформа- тивных свойств арматуры (уСр = о— 10%).
Верхний предел текучести арматуры от для стали класса Л-I довольно близко совпадает с известными экспериментальными данными. Для арматуры классов A-II и A-III рекомендуемые зависимости существенно выше опытных, причем для стали классов А-I и A-II предлагается общая скоростная зависимость о (в), что представляется неправомерным. Использование характеристики о требует известной осторожности, поскольку серия опытов с двумя партиями стали 10ГТ вообще не выявила наличия зуба текучести. При идентичных условиях испытаний последнее, по-видимому, может быть отнесено за счет влияния на структуру стали возможных отклонений в технологии производства арматуры.
Влияние скорости деформации на величину нижнего предела текучести ст выражено слабее, чем для а, при этом опытные значения динамического упрочнения СтЗ оказались несколько меньше рекомендованных в литературе. По поводу надежности определения с высказываются определенные сомнения в связи с существенной неоднородностью скорости локальной пластической деформации в зоне площадки текучести.
Режим регулируемой скорости деформации в зоне площадки текучести практически обеспечить невозможно. В известной мере надежная регистрация а” может быть обеспечена лишь при воспроизводимых условиях динамических испытаний и использовании общего критерия для их оценки. Это достигается постоянством начальной скорости входа в пластическую стадию при макромоделировании условий деформирования всего образца (V=const) и использовании для оценки результатов среднеинтегральной скорости пластической деформации Bp. Эти требования как раз и обеспечивались разработанной методикой испытаний.
Чувствительность условного предела текучести ‘сг0>2 термически упрочненных сталей классов Ат-V И Ат-IV ниже, чем для сталей с площадкой текучести, и близко соответствует скоростным зависимостям кг 1(e), рекомендованным для стали класса A-IV [1]. Временное сопротивление <х арматурной стали характеризуется весьма малой чувствительностью к скорости деформации по сравнению с пределом текучести, что соответствует многочисленным данным, полученным для металлов.
Современный расчет динамического упрочнения арматуры [3] основывается на использовании дислокационного критерия Кэмпбелла. Этот показатель устанавливает связь между временем запаздывания текучести т и величиной динамического предела текучести о(т) при одноосном растяжении с произвольным режимом нагружения a(t):
Для арматуры классов А-I, A-II и A-III значения а соответственно составили: 17,6; 30,5; 50,5, что существенно отличается от принятого а—17. В такой постановке уравнение (4) теряет универсальность физического критерия, а учитывая некорректность выполнения начального условия справедливости критерия для арматуры — делает его использование неправомерным.
Рассмотрим влияние скорости нагружения на деформативные свойства арматуры, включая стадии равномерной и сосредоточенной деформации. Для этого наряду с остаточными удлинениями 6Р и 65 использовали интегральные характеристики предельно равномерных и полных ер деформаций разрушения, замеренные на полной рабочей базе образца. Как видно из рис. 3,6,в, для всех исследованных классов арматурной стали при динамическом нагружении наблюдается устойчивое приращение ев и 8Р. При подобном характере скоростных зависимостей предельные равномерные деформации, как правило, обладают повышенной чувствительностью к скорости деформирования.
Из полученных данных трудно сделать какой-либо вывод о влиянии прочностных свойств арматуры на развитие динамических деформаций. Так, например, максимальное повышение предельно равномерных динамических деформаций одновременно наблюдается для высокопрочной стали класса Ат-VI и средних сталей классов A-II и Ат-III, тогда как в изменении характеристики гв для двух марок стали одного класса (Ст5 и 10ГТ, класс A-II) наблюдается существенная неоднородность.
Для сталей, имеющих физический предел текучести (рис. 3), с ростом скорости деформирования наблюдается увеличение длины площадки текучести к.
В общем развитию пластических деформаций на площадке текучести присуща значительно большая чувствительность к скорости нагружения, чем для равномерных и полных деформаций. Сопоставление опытных данных с зависимостью [1], ранее предложенной для стали 35ГС (кл. A-III), показывает заметное расхождение результатов.
Выявленный в опытах характер скоростных зависимостей прочностных и деформативных свойств арматуры свидетельствует о подобном механизме влияния скорости нагружения на сопротивление деформированию и развитие пластических деформаций. Для описания динамических свойств арматуры в этом случае может быть использовано известное полуэмпирическое уравнение в виде:
<