ПРИМЕНЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА МАШИНОСТРОЕНИИ

Изучение работы бетона и железобетона с учетом специфики его применения в элементах машин

Основные требования, предъявляемые к железобетону при его применении в конструкциях большинства машин, заключаются в снижении деформативности, максимальном сохранении перво - 16 начальных размеров и формы элементов при любых воздействиях: многократно повторные нагрузки с различными скоростями их приложения, изменение режима температурно-влажностной среды и др. Этими требованиями и определяются такие задачи исследова­ния железобетона, как изыскание мер, обеспечивающих неизме­няемость во времени первоначальных размеров элементов машин и выявление возможности повышения предела упругой работы [1]И жесткости железобетона при распределенных и местных много­кратных нагрузках.

Однако для многих железобетонных элементов машин, так же как и для строительных конструкций, несущая способность (проч­ность) является основным критерием, определяющим необходимые размеры их сечений. Поэтому одновременно с указанными за­дачами исследовалась также возможность повышения прочности железобетонных, предварительно напряженных, элементов.

Деформации железобетона вследствие усадки. Стабильность работы железобетонных элементов станков определяется в основ­ном двумя факторами: деформациями усадки и жесткостью креп­ления в бетоне различных металлических закладных деталей, через которые передаются эксплуатационные нагрузки.

Так как напряжения от эксплуатационной нагрузки в станинах станков обычно незначительны, то упругие деформации не яв­ляются решающими, и не ограничивают нагрузок.

Усадочные деформации обычного бетона невелики и примерно эквивалентны понижению температуры на 15° С. Они зависят от массивности конструкции, температуры, влажности и других факторов.

Усадка бетона может быть значительно сокращена за счет увеличения плотности бетона, качества заполнителей и цемента. Арматура также ограничивает усадку бетона. На основании имею­щихся данных можно считать, что в железобетонных элементах при обычных процентах армирования арматура может умень­шить усадочные деформации бетона до двух раз, причем с увели­чением процента армирования усадки уменьшаются.

Известно, что коэффициент линейного набухания бетона в не­сколько раз меньше коэффициента линейной усадки. Однако, несмотря на относительно высокие показатели сохранения ста­бильности размеров бетонных и железобетонных элементов и наличие серьезных, долголетних исследований в этой области, для машиностроения потребовалось поставить специальные исследо­вания с целью уточнения целого ряда характеристик.

Исследование усадки железобетонных образцов показало, что их усадочные деформации через 3—4 месяца почти прекращаются, поэтому предварительная выдержка железобетонных элементов

ДО их механической обработки нй станках может обеспечить боль­шую стабильность размеров. Изменения размеров вследствие набухания бетона и последующего его высушивания при возмож­ных изменениях влажности в производственных зданиях могут происходить в пределах до 10% от полной величины усадки.

Следует отметить, что изоляция поверхности путем окраски или создания металлического кожуха уменьшает усадку, однако не исключает ее. Если усадка неизолированных образцов через

3 месяца прекратилась, то усадка образцов, изолированных металличес­кими кожухами или обмазками, к этому времени хотя и была примерно в 1,6 раза меньше, однако она еще не ста­билизировалась и продолжалась при­мерно вдвое дольше. В конечном итоге деформации изолированных образцов все же были меньше. При абсолютно полной герметичности железобетонных элементов усадки не происходит. Изо­ляция поверхности после окончания процесса усадки может обеспечить пол­ную стабилизацию размеров и исклю­чить набухание бетона.

Изучаются также вопросы о влия­нии процента армирования на умень­шение усадки. Как правило, различ­ные металлические закладные детали в виде направляющих, крепежных плит и т. п. насыщают железобетонные сечения металлом в значительно большем объеме, чем обычная арматура, что способствует уменьшению усадки. При увеличении процента армирования до 10% усадка уменьшается до 5—7 раз. На графике приведены данные о величинах усадки бетона в приз­мах 150 X 150'X 1250 мм в зависимости от процента армирова­ния (фиг. 1).

При несимметричном армировании следует опасаться искрив­ления элементов вследствие неравномерной усадки бетона. Чтобы избежать этого, грани, противоположные тем, в которых уста­навливаются закладные металлические детали, должны иметь специальную арматуру.

Арматура может применяться также в виде жестких прокатных профилей, при этом усадка бетона не окажет на деформации эле­ментов сколь-нибудь заметного влияния, что было, в частности, подтверждено опытом изготовления клети прокатного стана.

Предел упругой работы и деформативность предварительно напряженных железобетонных элементов. Как известно, предел упругой работы обычных (ненапряженных) бетонов, примерно в 2,5—3,5 раза ниже марочной (кубиковой) прочности. ё свйзй с тем, что во многих элементах машин возникают большие сосре­доточенные нагрузки, бетоны даже самых высоких марок не могут дать удовлетворительного решения, если при этом не применяются специальные конструктивные мероприятия, увеличивающие пре­дел упругой работы и одновременно предел прочности.

Наиболее эффективным мероприятием, обеспечивающим ре­шение этих задач, является двухосное и трехосное предваритель­ное напряжение железобетонных элементов.

Если всестороннее (трехосное объемное) обжатие трудно соз­дать в обычных металлических конструкциях машин, то в предва­рительно напряженном железобетоне оно вполне возможно как по конструктивным, так и по технологическим соображениям.

Известно, что при всестороннем сжатии могут быть существенно изменены свойства и технические характеристики материалов. Исследованиями было, например, установлено, что материалы, хрупкие в условиях одноосного напряжения, как например, мрамор и другие, при трехосном сжатии приобретают пластиче­ские свойства. При этом резко возрастает их прочность по сравне­нию с прочностью в обычных условиях (при отсутствии бокового давления). Объясняется это тем, что каменные материалы при сжа­тии разрушаются от растяжения в поперечном направлении.

Железобетонные элементы, имеющие даже ненапряженную обойму в виде стальной трубы или спиральной арматуры при осевом сжатии, находятся в условиях трехосного напряжения.

Однако элементы с ненапряженной обоймой при выских на­пряжениях, которые на них можно передать по условиям проч­ности, имеют повышенные величины деформаций как продольных, так и поперечных.

Если для обычных бетонов нормальной предельной деформа­цией при сжатии принято считать епр = 1,5 о/оо или 1,5 мм пог. м, . то экспериментальные исследования железобетонных колонн со спиральной ненапряженной обоймой показали, что они еще имеют значительную прочность на сжатие при укорочениях до 30 мм/пог. м.

Поэтому бетон в обойме может иметь деформации, в 20 раз превышающие укорочение бетонных призм, не имеющих обоймы при их разрушении.

Если для обычных железобетонных элементов коэффициент поперечного расширения (коэффициент Пуассона) равен 76, то в элементах с ненапряженной обоймой он может доходить до V2.

Тем не менее, исследования показали, что железобетонные цилиндрические элементы с ненапряженной обоймой из стального листа могут найти в машиностроении довольно широкое приме­нение не только для стоек прессов, клетей прокатных станов и других неподвижных элементов различных станин, восприни­мающих значительные нагрузки, но также и для подвижных

2* 19
Рабочих элементов, как например, плунжеров, подштамповых блоков и др.

На фиг. 2 показаны опытные образцы трубобетонных эле­ментов. Образцы первого типа имели обойму из листовой стали

Марки Ст. 3; второго типа, кроме такой обоймы в средней части, имели и пакет металлических тру­бок. Наружный диаметр образцов 210 мм, высота 410 см. Кубико - вая прочность бетона 318 кГ/см2. Наружная листовая обойма по высоте образца имела различную толщину, что моделировало одну из конструк­ций плунжера. Увеличение толщины обоймы у торцов вызвано как кон­структивными соображениями, так и желанием увеличить прочность в наиболее сильно напряженном се­чении. В среднем сечении толщина была минимальной, и площадь ме­талла обоймы равна 25,1 см2, что составляло 7,4% от площади попе­речного сечения образца. В образцах второго типа за счет тру­бок площадью 39см2 процент армирования был увеличен до 19%. Основные показатели, полученные при их испытании, приведены в табл. 1. Из этих данных видно, что обойма позволяет повысить 20

Прочность образцов в 4,2—7,8 раза (по сравнению с неармиро - ванными элементами). Однако, как указывалось, работоспособ­ность элементов, применяемых в машиностроении, определяется часто не их несущей способностью, а пределом упругой работы.

В трубобетонных элементах в обойме стали появляться первые поперечные пластические деформации значительно раньше, чем была исчерпана несущая способность, а именно в образцах пер­вого типа при 80 т и в образцах второго типа при 200 т. Разрушаю­щая нагрузка образцов соответственно была равна 460 и 840 т: Следовательно, упругая работа этих трубобетонных образцов была в 5,7 и 4,2 раза ниже предела их прочности.

Максимальные величины поперечных относительных деформа­ций при эксплуатационной нагрузке были получены в моделях плунжера первого типа, они составляли 25-10~5D модели.

С увеличением мощности обоймы улучшаются все характе­ристики трубобетонных конструкций (увеличивается их прочность, выносливость и жесткость). Однако бетонные цилиндры, армиро­ванные по наружному контуру высокопрочной проволокой, навиваемой на затвердевший бетон с одновременным ее напряже­нием (спирально армированные предварительно напряженные элементы), работают еще более эффективно (фиг. 3).

При действии эксплуатационных продольных нагрузок бетон и в поперечном направлении остается сжатым за счет предвари­тельного напряжения.

Такое армирование имеет много преимуществ: рационально используются прочностные свойства высокопрочной проволоки; резко увеличивается предел упругой работы при напряжениях, значительно превышающих расчетную призменную прочность

Бетона соответствующей марки; увеличиваются жесткость и вынос­ливость конструкций, их работоспособность при значительных местных нагрузка^ и др.

Исследования, например, показали, что бетонные цилиндры, обвитые предварительно напряженной спиральной обоймой, при величине поперечного обжатия бетона до 0,3Rnp работают еще упруго при напряжениях в бетоне 1,3—1,4Rnp, в то время как для обычного бетона предел упругой работы примерно равен 0ARnP.

С увеличением поперечного сечения обоймы и величины попе­речного обжатия увеличивается прочность образца, а с увеличе­нием прочности растет и абсолютный предел упругой работы.

Полное использование несущей способности таких образцов в конечном счете происходит вследствие разрыва спиральной обоймы (фиг. 4). Следовательно, мощность обоймы и лимитирует их несущую способность. Но, в свою очередь, величина двухосного напряжения, создаваемого спиральной обоймой, ограничивается растягивающими деформациями бетона в продольном направле­нии. При значительных величинах поперечного обжатия дости­гается предельная растяжимость бетона и происходят разрывы 22 образцов на ряд дисков или же образуются трещины при наличии вертикальной арматуры.

Устранить это явление можно путем напряжения образцов в третьем направлении.

Поскольку продольная арматура обжимает образцы непо­средственно, а осевые растягивающие деформации от спиральной арматуры возникают в результате поперечного расширения при боковом обжатии, то относительно небольшое продольное напря­жение позволяет резко увеличить степень бокового обжатия. Таким образом, несущая способность железобетонных элементов может быть доведена до очень больших величин.

ШШШШ^іШШШШЗШШ Д1І1

При наличии мощной продольной арматуры, что имеет место в трубобетонных элементах, может быть создана и мощная пред­варительно напряженная обойма без продольного напряжения, т. е. можно ограничиться двухосным предварительным напряже­нием.

Сочетание трубобетона с напряженной спиральной обоймой позволяет создать элементы большой прочности.

Так, образцы диаметром 200 мм (из бетона марки «400»), имею­щие армирование в виде пакета стальных трубок (процент арми­рования 11,9) и предварительно напряженной спиральной обоймы с боковым обжатием 400 кГ/см2 (равным кубиковой прочности бетона), выдержали многократную нагрузку в 1000 т, при кото­рой средние напряжения в поперечном сечении образцов были 3180 кГ/смг. До напряжений 1200—1300 кГ/см2 бетон работал упруго. В дальнейшем эти образцы были испытаны до разруше­ния. К моменту разрушения среднее напряжение в поперечных сечениях образцов было порядка 5000 кГ/см2.

Имеется практическая возможность поднять величину напря­жений от эксплуатационных нагрузок примерно до 4—5Rnp. Испытания показали, что при таких соотношениях модуль дефор­мации снижается незначительно.

Двухосно напряженные элементы хорошо работают при опи- рании их одним торцом на кольцевые основания или отдельные

Опоры, что характерно, например, для архитравов цилиндрических прессов. При исследовании установлено, что несущая способ­ность таких элементов в результате двухосного предваритель­ного напряжения резко (в 1,5—2,5 раза) возрастает. С извест­ным приближением можно считать, что до определенных границ их несущая способность прямо пропорциональна величине боко­вого обжатия.

Испытания на выносливость образцов в ненапряженной обойме - и двухосно напряженных образцов цилиндрической формы под­твердили эффективность таких методов армирования.

Фиг. 5. График измеиеиия поперечных и продольных деформаций в трубобетон­ных элементах при многократно повторных нагрузках:

А — продольные деформации; б — поперечные деформации; 1 — статика; 2 — дефор­мации после 2- 10" циклов; 3— деформации после і00• 103 циклов.

Модель трубобетонного плунжера (см. фиг. 2, а) была испытана на выносливость при q = 0,125 и напряжениях в бетоне, близких к пределу выносливости бетона принятой марки.

Произведенными испытаниями установлено, что бетон даже в ненапряженной обойме из стали хорошо сопротивляется много­кратно повторяющейся нагрузке. После 100 тыс. циклов происхо­дит стабилизация продольных и поперечных деформаций (фиг. 5).

Последующие статические испытания образцов, выдержавших 3,5-10® циклов повторений нагрузки, не показали снижения проч­ности по сравнению с таким же образцами, испытанными только статической нагрузкой.

Выносливость элементов, работающих на центральное сжатие (плунжеры), проверялась также на двухосно напряженных образ­цах при боковом обжатии обоймой 80 кГ/см2. Образцы из бетона марки«500» нагружались штампами, площадь которых была в 2 раза меньше площади образца, 24

Давление под штампом составляло 500 кГ/см2. Это дало среднее напряжение в бетоне образца 250 кГ/см2.

После 2-Ю8 циклов никаких признаков, которые обычно пред­шествуют усталостному разрушению, обнаружено не было. Мо­дуль упругости образцов после этих испытаний остался без изме­нений.

Выносливость двухосно напряженных цилиндрических эле­ментов, работающих на изгиб, проверялась на образцах различной высоты при разных отношениях многократно повторной нагрузки к статической разрушающей и др.

Образцы, имеющие высоту, равную 0,2 диаметра, т. е. с наи­менее выгодными соотношениями размеров, испытывались много­кратно повторной нагрузкой, равной 0,7 от разрушающей стати­ческой нагрузки для аналогичных образцов, и выдерживали без признака разрушения 9,5 млн. циклов нагружения.

Такие же образцы при пульсирующей нагрузке, равной 0,8 от статической разрушающей, и при характеристике цикла на­пряжений q = 0,125 разрушались после 2-10® циклов. Харак­терно, что деформации и напряжения в наружной спиральной предварительно напряженной обойме возрастали лишь при пер­вых 100— 200 тыс. нагружений, а затем оставались почти постоян­ными на всем продолжении испытания.

Несмотря на столь сложное напряженное состояние испытанных конструкций, полученные результаты подтвердили указание строи­тельных норм, согласно которым несущая способность элементов конструкций, работающих на воздействие многократно повторяю­щейся нагрузки и имеющих армирование в виде спиралей, сеток и колец, а также элементов, подвергаемых местному сжатию, определяется расчетом только на прочность.

Особенно эффективно предварительное напряжение сказывается при работе конструкции на осевое растяжение и при необходимо­сти обеспечения трещиностойкости конструкции. Эти условия предъявляются к конструкциям, работающим на внутреннее дав­ление.

Исследования железобетонных двухосно и объемно-напряжен­ных полых цилиндров доказали их надежную работу при внутрен­нем давлении до 400 атм.

Рабочее давление в железобетонном двухосно-напряженном цилиндре может примерно в 1,2 раза превышать призменную проч­ность бетона, а предельное давление, которое приложено к внут­ренней поверхности железобетонного двухосно-напряженного цилиндра, может примерно в 1,7 раза превышать призменную прочность бетона.

Чтобы увеличить интенсивность поперечного обжатия без опасности возникновения трещин и тем самым увеличить несущую способность полых цилиндров, необходимо трехосное предвари­тельное напряжение, причем как и для сплошных цилиндров уко­рочение от предварительного напряжения в вертикальном направ­лении должно быть больше, чем удлинение, возникающее при обжатии элемента в поперечном направлении.

Влияние предварительно напряженной обоймы на увеличение жесткости конструкции особенно наглядно выявляется при срав­нении образцов с ненапряженной обоймой и такой же обоймой, но предварительно напряженной. Так, например, при давлении на бетон 600 кГ/см2 поперечные деформации образцов с ненапряжен­ной обоймой имели величину 60—74- 10~в, а у образцов с обоймой того же поперечного сечения, но навитой с напряжением в про­волоке оа = 7600 кГ/см2, величина поперечных деформаций со­ставляла около 40>10~5, т. е. в 1,5—2 раза меньше (фиг. 6).

Исследование продольных и поперечных деформаций цент­рально сжатых элементов показало, что коэффициент поперечного расширения в двухосно-напряженных элементах, работающих в упругой стадии, оказывается меньше, чем в ненапряженных, но - увеличивается с ростом напряжений и переходом в пластическую стадию работы и может доходить до 0,4—0,5.

При обычных же напряжениях от эксплуатационной нагрузки коэффициент поперечного расширения колеблется в пределах 0,17—0,22, причем с увеличением интенсивности бокового обжа­тия эта величина уменьшается.

Испытание трех серий образцов из бетона марки «500» при боко­вом обжатии 0; 80 кГ/см2; 275 кГ/см2 показало, что при одинаковых напряжениях от вертикальной нагрузки 400 кГ/см2 продольные деформации для образцов были соответственно равны 1,2 мм/м; 1 мм/м; 0,9 мм/м, а поперечные 0,4 мм/м; 0,22 мм/м; 0,17 мм/м.

Двухосное предварительное напряжение способствует умень­шению как продольных (в 1,34 раза), так особенно и поперечных 26 деформаций (в 2,35 раза), причем с увеличением интенсивности бокового обжатия деформации уменьшаются.

Приведенные сравнительные данные хотя и получены в ре­зультате испытаний элементов с одинаковыми напряжениями, но тем не менее они не характерны, так как относятся к различным стадиям работы образцов под нагрузкой.

Поэтому предварительно напряженные образцы нагружались более интенсивно, а именно до напряжений в 1350 кГ/см2, что близко к предельным напряжениям для образцов с боковым обжа­тием 80 кГ/см2, но не исчерпывало несущей способности образцов с обжатием 275 кГ/см2.

При этом деформации были соответственно следующие: про­дольные 6,4 и 5,2 мм/м, а поперечные— 2,0 и 1,4 мм/м. Поэтому при увеличении напряжения в 3,3 раза продольные деформации возросли в 6,4 и 5,8 раза, а поперечные — в 9,8 раза.

Следует отметить, что даже при столь высоких сжимающих напряжениях как 1350 кГ/см2 (что соответствует расчетным на­пряжениям в наиболее нагруженных стальных элементах машин) поперечные деформации в 1,4 мм/м для многих деталей не выходят за пределы допустимых по эксплуатационным требованиям.

Резкое уменьшение деформации при одновременном возраста­нии прочности может быть получено при сочетании предварительно напряженной спиральной обоймы из тонкой проволоки с трубо - бетоном.

Так, при нормальных напряжениях 400 кГ/см2 поперечные деформации имели значение 12,8 • 10~5.

При исследовании работы железобетонных предварительно напряженных полых цилиндров, рассчитанных на действие внут­реннего гидростатического давления, также было выявлено, что коэффициент поперечного расширения является переменной вели­чиной, зависящей от интенсивности предварительного напряже­ния.

В массивных железобетонных элементах, нагружаемых много­кратно повторяемыми местными нагрузками, как правило, при­ходится считаться не с общими, а местными деформациями, ко­торые могут повлиять как на общий предел упругой работы эле­мента, так и на прочность контактирующих (сопрягающихся) между собой элементов, а также на степень точности работы ма­шины.

Известно, например, что в прессах многократно повторяю­щееся воздействие вызывает изгиб архитрава и подштамповых блоков. В результате в подштамповых блоках прессов со временем образуются чечевицеобразные выработки, снижающие точность штамповки деталей.

Степень износа подштамповых плит в зоне контакта зависит от таких факторов, как соотношение жесткостей и характе­ристик материалов, контактирующих элементов: распределения напряжений по поверхности контакта, степени обработки поверх­ности, частоты циклов повторяющейся нагрузки.

Проведенные исследования показали, что бетон в предвари­тельно напряженной обойме работает как упругий материал в пре­делах от 2,6Rnp до 5Rnp. При больших удельных давлениях по контакту появляются значительные пластические деформации, в результате чего в бетоне под жестким штампом происходит пере­распределение усилий, и экспериментальная эпюра (контактных напряжений) приобретает сглаженный характер по сравнению

С теоретической, полученной для упругого материала (фиг. 7, а и б). В средней части контактной площади бетон работает в условиях объемного сжатия под действием внешней нагрузки и реактивного сопротивления обоймы. Это повышает предел упругой работы ма­териала, поэтому для гибких штампов при давлениях, принимае­мых при проектировании станин равными 300—400 кГ/см2, харак­теры теоретической и экспериментальной эпюр совпадают (фиг. 7, в и г).

Проведенные исследования показывают, что для расчетных нагрузок при передаче нагружения через набор подштамповых плит под углом несколько больше 45° в бетоне может быть полу­чено равномерное распределение напряжений.

Что касается истирания бетонной поверхности и влияния двух­осного предварительного напряжения на местное смятие, то про­веденные экспериментальные исследования показали, что поверх­ность бетона архитрава, работающего на изгиб, после 3,5 млн. 2§ циклов иагружения с местньш давлением 400 кГ/см2, равным ма» рочной прочности бетона, оставалась в месте контакта с металли­ческим штампом неповрежденной и никаких признаков истирания не было обнаружено. Общая остаточная деформация смятия бе­тона по контуру штампа возникала при первом статическом нагру - жении и в дальнейшем не увеличивалась. Она составляла около 0,6 мм.

При испытании на сжатие трубобетонных образцов fi = 12%, заполненных бетоном марки «300» при среднем напряжении 477 кГ/см2 отмечены деформации 0,18 мм, а в образцах, имевших дополнительную преднапряженную обойму fx = 13%, эти дефор­мации составляли всего 0,03 мм.

Следовательно, смятие контактной поверхности существенно уменьшается при наличии бокового обжатия по сравнению с не - обжатым бетоном.

Экспериментальные исследования показали также, что в за­висимости от жесткости штампа резко меняется характер дефор­мированной поверхности бетона под штампом.

Например, в образце из бетона марки «300» при боковом об­жатии 40 кГ/см2, напряжении 400 кГ/см2 для жесткого штампа с площадью, равной площади образца, деформации в теле бетона под поверхностью штампа по краям составили 8-10"3, а средние — не превышали 2-10-"3.