«ТРУДЫ НОВОСИБИРСКОГО ИНСТИТУТА ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА ВЫПУСК 60 ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛЬДА НА ОПОРЫ МОСТОВ И ГИДРАВЛИКА СООРУЖЕНИЙ ИЗДАТЕЛЬСТВО ТРАНСПОРТ МОСКВА ...»
9. Коржавин К.Н. Воздействие льда на инженерные сооружении Новосибирск. Изд-во Сибирского отделения АН СССР, 10. Войтковский К.Ф. Механические свойства льда. М, Изд-во Академии наук, 11. Кузуб Г.Я. Температурный режим ледяного покрова некоторых рек Западной Сибири. Новосибирск. Труды ЗСФ АН СССР, вып. V, 1955.
12. Бернштейн С.А. Ледяные переправы. XVIII сборник отдела инженерных исследований Научно-технического комитета НКПС, М., 1929.
13. Коренев Б.Г. Вопросы расчета балок и плит на упругом основании. М, 1954.
14. Scheicher F. Kreisplatten auf eiosticher Unterlage, Berlin. 15. Тимошенко С. П. Пластинки и оболочки. М., Физматгиз, 1963.
16. Лехницкий С.Г. Плоское напряженное состояние и изгиб неоднородной трансверсально-изотропной плиты. Известия АН СССР. Отделение технических наук. «Механика и машиностроение», № 1, 1963.
17. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. М., Гос. изд-во «Высшая школа», 1961.
База нормативной документации: www.complexdoc.ru Проф. К.Н. КОРЖАВИН, инж. Ф.И. ПТУХИН
ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ НАГРУЖЕНИЯ НА ОЦЕНКУ
ПРОЧНОСТИ ЛЬДА В РАСЧЕТАХ ЛЕДОВЫХ НАГРУЗОК
Строительство крупных гидротехнических и транспортных сооружений различного назначения в районах с длительным зимним периодом часто вызывает необходимость определения ледовых нагрузок, действующих на сооружения во время весенних ледоходов. Это требует знания механических свойств ледяного покрова и их изменения в зависимости от различных факторов.В частности, одним из наиболее существенных показателей механических свойств ледяного покрова, определяющих величину возможных нагрузок на сооружения, является его предел прочности.
Ныне действующие технические условия определения ледовых нагрузок на речные сооружения (СН 76-59) рекомендуют вполне определенные расчетные величины прочности льда. Имеются такие данные и в проекте новых норм. Однако как действующие, так и разрабатываемые нормы рекомендуют для ответственных сооружений уточнять величины расчетной прочности ледяного покрова непосредственными экспериментальными измерениями с учетом конкретных условий предполагаемого района строительства. Эти уточнения неизбежны для районов Заполярья и низовьев сибирских рек, в связи с чем большое значение приобретают вопросы разработки методики объективной оценки пределов прочности льда по испытаниям его образцов с учетом факторов, непосредственно связанных со способом экспериментального определения прочности.
Известно по данным экспериментальных определений, что наряду с другими факторами на оценку прочности льда оказывает существенное влияние скорость деформирования или нагружения испытуемых образцов ледяного покрова. При переменных напряжениях, быстро растущих до значений предела прочности, скорость деформирования и продолжительность действия нагрузки в большой степени будут определяться скоростью возрастания напряжений. Вследствие этого как изменение скорости деформирования, так и скорости нагружения должно качественно одинаково влиять на изменение прочности. Очевидно, База нормативной документации: www.complexdoc.ru поэтому в равной мере часто оба эти показателя рассматриваются в качестве характеристики скоростного режима нагружения.
При разрушении образцов льда с достаточно высокими значениями названных показателей скоростного режима нагружения рядом авторов [1-5] были получены противоречивые результаты. В одних случаях было отмечено увеличение предела прочности с возрастанием величин показателей скоростного режима нагружения образца, в других - предел прочности, наоборот, становился меньше. Независимо от характера изменения прочности льда влияние скорости нагружения существенно сказывается в диапазоне скоростей нагружения при испытаниях образцов на различных испытательных машинах.
Поэтому учет влияния скорости нагружения, особенно имея в виду отсутствие стандартной методики испытаний, регламентирующей скоростной режим, имеет важное значение как для объективной оценки прочности льда по данным разрушения образцов на испытательных машинах, так и для разработки стандартной методики таких испытаний. Последнее значительно облегчило бы теоретическое обобщение данных многих исследователей и выбор расчетных значений прочности льда на его основе.
Выяснение причин получения противоречивых результатов при исследовании влияния на прочность льда рассматриваемых экспериментирования. Это не всегда можно сделать по данным публикаций из-за отсутствия подробного описания методики опытов. Во всяком случае можно полагать, что различие результатов объясняется прежде всего существенно отличными скоростями нагружения. При относительно малых скоростях нагружения лед ведет себя как большинство упруго-вязких тел, и если скорость его нагружения не превышает некоторого предела, прочность возрастает с увеличением скорости нагружения. Этот вывод подтверждается [1] и хорошо иллюстрируется [3] графиками (рис. 1), на которых нетрудно видеть, что превышение некоторого «критического» значения скорости нагружения ведет к уменьшению предела прочности с увеличением скорости нагружения.
База нормативной документации: www.complexdoc.ru Рис. 1. Зависимость предела прочности на сжатие от скорости нагружения для погребенного льда естественной структуры по данным Л.С. Хомичевской:
1 - при температуре -10°С; 2 - то же 5°С; 3 - то же 2,5°С; 4 - то же В свое время были выполнены опыты [4, 5] по установлению зависимости предела прочности льда на сжатие от скорости деформирования, причем в исследованном диапазоне скоростей деформирования, которые определялись исходя из скорости хода подвижной траверсы испытательной машины, было получено уменьшение величины предела прочности с увеличением скорости деформирования. Следует оговориться, что дальнейшие исследования показали условность определения скорости деформирования исходя из скорости холостого хода подвижной траверсы пресса, поскольку оно выполняется без учета изменения скорости ее движения, связанного с соотношением жесткостей испытательной машины и деформируемого образца. Как показало осциллографирование процесса нагружения, скорость деформирования, оставаясь постоянной вплоть до разрушения образца, существенно отличается по величине от скорости, в основу определения которой положена величина скорости холостого хода траверсы пресса. Поэтому данные, полученные в зависимости от условных скоростей деформирования, пригодны лишь для сопоставления результатов опытов, полученных на машинах с примерно одинаковыми рабочими характеристиками.
В дальнейшем нами были выполнены исследования изменения прочности льда в зависимости от скорости нагружения.
Использование этого показателя в качестве скоростной База нормативной документации: www.complexdoc.ru характеристики режима нагружения имеет некоторые методические преимущества перед скоростью деформирования.
Во-первых, фиксировать скорости нагружения образцов при работе с осциллографом можно проще и с меньшими искажениями, чем искажения скорости деформирования. Во-вторых, при определении фактического давления ледяных полей на сооружения (опоры мостов или другие) скорость изменения нагрузки, а следовательно, и напряжений легко может быть зафиксирована осциллографированием при монтаже датчиков на динамометрических плитах типа предложенных В.К. Моргуновым [6]. Непосредственное же измерение скорости деформирования ледяного поля при взаимодействии его с сооружением практически невыполнимо. Измерение фактического давления на сооружение с записью изменения нагрузки во времени на осциллограф была бы весьма полезно. Результаты таких исследований позволили бы сопоставить данные лабораторных и натурных наблюдений и дали бы экспериментальный материал для разработки зависимостей для пересчета данных от лабораторных к натурным условиям и уточнения зависимости прочности льда от скорости нагружения в области весьма высоких скоростей нагружения.
В настоящее же время для рассмотрения противоречий, существующих по данному вопросу, вынужденно пользуемся результатами преимущественно лабораторных исследований.
Причина существования двух отмеченных видов зависимости прочности льда от скорости нагружения, по-видимому, кроется в особенности внутренних процессов деформирования и перераспределения внутренних напряжений между компонентами материала, т.е. между отдельными его «зернами», имеющими различные реологические свойства.
В случае приложения нагрузки распределение внутренних напряжений в ледяном поле будет следовать не только закону поля напряжений, созданному внешней нагрузкой. В силу различия свойств смежных «зерен» величина напряжений в каждом элементарном объеме материала будет отклоняться от рассчитанной в предположении его идеальной однородности и сплошности. Кроме того, это должно усугубляться наличием различного рода посторонних включений и нарушений строения ледяного тела (минеральные частицы, трещины и т.п.), которые служат концентраторами напряжений.
Неравномерность распределения внутренних напряжений, вызываемая перечисленными факторами, не может оставаться База нормативной документации: www.complexdoc.ru постоянной во времени в силу протекания внутренних процессов в нагружаемом теле [1, 7].
Снижение предела прочности льда с увеличением скорости нагружения не противоречит тому представлению о механизме деформирования поликристаллического льда, которое дается К.Ф.
Войтковским [7]. Согласно этому представлению процесс деформирования состоит из двух противоположных процессов:
нарушения внутренних связей и расслабления ледяного тела;
восстановления этих связей и упрочнения.
Если напряжения не ведут к нарушению сплошности образца и процесс деформирования достаточно длителен (малые скорости нагружения), то наряду с нарушением связей происходит восстановление их, залечивание нарушений. В результате местных внутри- и межкристаллических сдвигов и скольжений напряжения в перенапряженных точках релаксируют, уменьшаются местные градиенты напряжений.
При больших скоростях возрастания напряжений из-за недостатка времени для выравнивания внутренних напряжений неоднородность их распределения будет возрастать. Будут расти местные напряжения и градиенты напряжений в элементарных объемах материала, что в результате должно повести к быстрому накоплению нарушений в слабых и перенапряженных местах образца. Равновесие процессов нарушения и восстановления связей будет нарушено, образец разрушится. При этом среднее разрушающее напряжение, определенное для единицы площади сечения образца, может быть тем меньшим, чем быстрее возрастает неоднородность распределения внутренних напряжений и чем быстрее растут местные градиенты напряжений. Весь процесс носит деформационно-релаксационный характер.
С целью феноменологического описания поведения тела под нагрузкой во времени его свойства обычно аппроксимируются свойствами соответствующей реологической модели [8, 9]. Это приводит к большей или меньшей идеализации как самого тела, так и его свойств, но дает возможность получить математические зависимости между напряжениями и деформациями, а также скоростями их изменения, которые позволяют проанализировать поведение тела при различных скоростях режима нагружения.