книги из ГПНТБ / Гольденблат И.И. Теория ползучести строительных материалов и ее приложения

ПРЕДИСЛОВИЕ

Строительные материалы под действием 'приложенных к ним сил обнаруживают в определенных условиях свойства ползуче­ сти, т. е. способность деформироваться во времени без увеличе­ ния напряжений.

Для металлических конструкций, находящихся под действи­ ем высоких температур (например, для различного рода трубо­ проводов и резервуаров, для хранения горячих жидкостей или газов и т. п.), для массивных бетонных и железобетонных кон­ струкций (арочных мостов, плотин и т. п.) фактор ползучести имеет существенное значение. Достаточно отметить, что напря­ жения в арматуре статически неопределимых железобетонных конструкций могут в процессе ползучести, как показывают экс­ перименты, увеличиться в 2—2,5 раза, а прогибы — в 3—4,5 раза.

В действующих «Строительных нормах и правилах» указано: «Несущая способность каждого вида конструкций или основа­ ний определяется по правилам, установленным соответствующи­ ми нормами и техническими условиями проектирования кон­ струкций или оснований с учетом в необходимых случаях свойств пластичности и ползучести материалов» и «В тех слу­ чаях, когда конструкции работают в условиях высоких, дли­ тельно действующих температур (резервуары для горячих жидкостей, фундаменты и другие конструкции печей и т. п.), в расчетах этих конструкций должно учитываться свойство пол­ зучести материалов, из которых изготовлена конструкция («Строительные нормы и правила» гл. II, Б, § 2, пп. 3 и 6, Госстройиздат, 1954).

За последние годы издан ряд хороших книг по теории упру­ гости и пластичности, написанных применительно к потребно­ стям конструктора-строителя. В то же время у нас нет такого издания, в котором систематически излагалось бы современное состояние теории ползучести строительных материалов и ее приложения. Авторы полагают, что предлагаемый труд будет в некоторой степени способствовать восполнению этого пробела.

Книга состоит из двух частей: первая посвящена основам теории ползучести, во второй излагаются практические приемы

3

расчета конструкций на ползучесть. Книга предназначается для

инженеров-проектировщиков, научных работников и аспиран­ тов !.

Первая часть книги состоит из четырех глав. Глава I посвя­ щена изложению общих свойств процесса деформации. Глава II посвящена теории возможных форм связей между полями на­ пряжений, деформаций, скоростей деформаций и т. д., вытекаю­ щих из общих (тензорных) свойств этих полей. Эта глава носит вспомогательный характер. Уравнения и формулы, выведенные в главе II, широко используются в последующих главах книги.

Глава III посвящена термодинамике обратимых и необрати­ мых деформаций. По поводу содержания этой главы необходимо заметить следующее. Устанавливаемые термодинамикой общие фундаментальные соотношения между параметрами, характери­ зующими процесс деформации, позволяют значительно сокра­ тить объем экспериментальных работ, необходимых для разра­ ботки конкретной теории деформации тех или иных материалов. Однако даже в тех случаях, когда по каким-либо причинам не представляется возможным использовать аппарат термодина­ мики обратимых или необратимых процессов, все же сохраняет все свое значение качественное использование термодинамики, заключающееся в анализе процесса деформации, в терминах основных термодинамических понятий и идей (обратимые, необратимые, равновесные и неравновесные процессы, рассеяние энергии и рост энтропии, релаксация и скорость установления термодинамического равновесия и т. д.).

Глава IV книги посвящена основам теории пластичности и ползучести. Изложение теории пластичности было необходимо в связи с тем, что эта теория лежит в основании одного, полу­ чившего широкое распространение варианта теории ползучести, носящего название теории старения. Кроме того, знание основ теории пластичности необходимо для понимания различных ва­ риантов объединенной теории пластичности и ползучести. Неко­ торое место в главе уделено изложению весьма перспективной термодинамической теории ползучести. В целом глава IV со­ держит критический обзор общих соотношений различных ва­ риантов феноменологических теорий ползучести.

Эти общие соотношения имеют не только принципиальное, но и большое практическое значение. Вместе с тем для построения на основе общих соотношений конкретных теорий ползучести для того или иного материала необходим некоторый минимум экспериментальных данных. Этого минимума данных, охваты­ вающих поведение материалов при определенных условиях на­ гружения, не имеется в настоящее время, ни для одного мате­ риала.

1 В книге отражены вопросы, интересующие главным образом конструк­

тора-строителя. Приемы расчета на ползучесть, которые могут иметь интерес только для машиностроителей, в книге, естественно, не получили отражения.

4

Поэтому в практике проектирования получили распростране­ ние грубо приближенные приемы расчета, основанные на далеко идущей экстраполяции крайне ограниченных экспериментальных данных на различные случаи напряженного состояния и нагру­ жения.

Инженер, использующий эти приемы (некоторые из них излагаются во второй части книги), должен помнить об их условном и ограниченном характере.

Задачей ближайшего будущего является, таким образом, ши­ рокое развитие экспериментальных работ, необходимых для по­ строения уточненных теорий ползучести.

Поле деятельности в этом отношении остается открытым для углубленных изысканий.

Вторая часть книги состоит из трех глав. Главы V и VI по­ священы практическим приемам расчета на ползучесть бетонных и железобетонных конструкций. Здесь на основе методов, разра­ ботанных Н. X. Арутюняном и И. И. Улицким, рассмотрены задачи о температурных напряжениях в больших бетонных мас­ сивах, задачи о комбинированных арочных системах со смещаю­ щимися опорами и т. д.

В настоящее время проведены экспериментальные работы, в результате которых предлагаются разные уточнения функцио­ нальных соотношений, принятых Н. X. Арутюняном. Но посколь­ ку на основе этих материалов конкретные методы расчета не разработаны, решено сохранить без изменения методы, предло­ женные Н. X. Арутюняном.

Несколько замечаний следует сделать о расчете на ползу­ честь изгибаемых балочных железобетонных элементов. Строго говоря, начальный упругий прогиб таких элементов должен был бы определяться по теории В. И. Мурашева. Более того, теория самого процесса деформации ползучести изгибаемых элементов должна была бы учитывать представления о факторах жестко­ сти таких элементов, развитые в работах В. И. Мурашева. Поскольку такой теории еще не существует, сочтено полезным изложение методов расчета на ползучесть изгибаемых элемен­ тов по Н. X. Арутюняну и И. И. Улицкому.

Методы, изложенные в главах V и VI, иллюстрируются боль­ шим числом примеров, доведенных до конечных числовых ре­ зультатов С

Глава VII посвящена практическим приемам расчета на пол­ зучесть стальных конструкций. Методы расчета поясняются рядом примеров.

Решения XXI съезда КПСС о повышении качества и сниже­ нии стоимости промышленной продукции и строительства обя-

1 Авторы настоящей книги не претендуют на полноту изложения теории ползучести. В частности, не получили отражения многие важные результаты исследований Ю. Н. Работнова и его учеников; Л. М. Качанова, А. Р. Ржаницина и др. (вопросы устойчивости при учете фактора ползучести, вариацион­ ные принципы и т. д.).

5

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПОЛЗУЧЕСТИ

Глава 1

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПРОЦЕССА ДЕФОРМАЦИИ

В последние годы многие исследователи в СССР и за рубе­ жом уделяют большое внимание изучению процессов деформа­ ции строительных материалов. Особенно много работ посвящено изучению процессов пластических деформаций и ползучести при различных скоростях нагружения, в разных температурных условиях и т. д.

Эти исследования показали, что общие закономерности, ха­ рактеризующие процессы деформации в различных условиях, очень сложны. Установлено, в частности, что. одни и те же строительные материалы ведут себя по-разному в зависимости от скорости нарастания деформации, характера напряженного состояния конструкции и т. д.

Таким образом, существующие элементарные представления о процессах деформации оказываются недостаточными для пра­ вильного понимания работы материала в конструкции. Для создания подлинно рационального инженерного сооружения, способного надежно работать в сложных условиях, инженер обязан быть знаком с современным состоянием науки о дефор­ мации материалов.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА ДЕФОРМАЦИИ

Равновесные и неравновесные процессы деформации. Равно­ весным состоянием: тела называют такое состояние, в котором тело может находиться неограниченно долго; при этом размеры тела, его температура и величины внешних приложенных к нему сил остаются постоянными. Тело, находящееся в равновесном состоянии, весьма медленным, постепенным изменением внешних сил и температуры окружающей среды можно перевести в дру­ гое равновесное состояние. Если этот процесс изменения проте­ кает очень медленно, можно пренебречь небольшими отклоне­ ниями от равновесия, представив, что тело проходит через ряд равновесных состояний, непрерывно вытекающих одно из дру­ гого. Процесс деформации подобного рода называется равновес­ ным процессом. Точнее: равновесный процесс — бесконечно

7

медленный процесс. Практически можно говорить о равновесном процессе, если он протекает достаточно медленно.

Если процесс изменения состоит из ряда неравновесных со­ стояний, следующих одно за другим, его называют неравновес­ ным процессом. Пример равновесного процесса — упругая де­ формация; пример неравновесного процесса—деформация пол­ зучести.

Обратимые и необратимые процессы деформации. Равновес­ ный процесс деформации, как правило, может протекать и в обратном направлении, т. е. равновесные процессы обратимы. Однако, если система, совершающая равновесный процесс, харак­ теризуется наличием односторонних связей, то такой процесс, несмотря на свой равно­ весный характер, будет необратим. Пример такой системы показан на рис. 1.01. Здесь благодаря односторонним зажимам А про­ цесс разгрузки будет протекать иначе, чем

процесс нагрузки, вследствие чего кривая деформации примет вид, показанный на рис. 1.02.

Неравновесные процессы всегда необратимы. Следовательно, процесс ползучести необратим.

Квазиравновесные процессы. Упругая деформация и вязкое течение. Релаксация. Время релаксации. Равновесный процесс деформации твердых упругих тел является простейшим приме­ ром обратимого процесса. Такого рода процессы в случае малых деформаций и линейной связи между напряжениями и дефор­ мациями изучаются в классической теории упругости. Близкими к ним являются почти равновесные, или, как иногда говорят, квазиравновесные, процессы деформации.

8