Проверка возможности повышения усталостной прочности арматуры путем изменения геометрии профиля

Для проверки возможности повышения усталостной прочности арматуры путем изменения геометрии профиля в НИС Гидропроекта было испытано четыре серии образцов стержней марки Ст5 с различной формой периодических выступов. Испытания профиля № 3 имели целью установить нижнюю границу усталостной прочности арматуры, которую дает геометрия профиля, чтобы дать оценку существующему профилю. Образцы всех серий, кроме серии с фрезерованными ребрами (профиль № 2), для исключения влияния начальных напряжений подвергались высокотемпературному отпуску при 650°С.

Режим отпуска не изменил механических характеристик арматуры. Для образцов серий 122, 123, 126-129 средние значения временного сопротивления Ов, предела текучести от и предельного удлинения 6io составили 325 МПа (3250 кгс/см²); 563 МПа (5630 кгс/см²) и 24% соответственно.

Как уже отмечалось, очаги усталости в стержнях периодического профиля зарождаются у места соединения продольных и поперечных ребер, что свидетельствует о наличии здесь значительной концентрации напряжений, одним из способов снятия которой может служить удаление продольного ребра. Для проверки этого предположения была испытана серия образцов, у которых фрезеровкой было удалено продольное ребро. Однако усталостная прочность этих образцов (серия 125) практически совпала с прочностью стержней в состоянии поставки (серии 121-123), т. е. удаление продольного ребра никакого эффекта не дало. По-видимому, при удалении продольного ребра не только не были сняты начальные напряжения, но и образовались другие геометрические концентраторы напряжений.

Профиль типа винтовой нарезки показал выносливость несколько большую (на 2%), чем у существующего профиля. Более существенное увеличение усталостной прочности (на 11%) было получено для профиля № 2. Усталостные обрывы этих образцов происходили на некотором удалении от кольцевых ребер. Более благоприятное напряженное состояние профилей № 1 и 2 подтверждается и характером статического обрыва при испытании «половинок» образцов после усталостных испытаний. Разрыв происходил с образованием «шейки», по длине образцов следов усталостных трещин не обнаруживалось. Резкие концентраторы напряжений в профиле № 3 привели к значительному (до 40%) снижению усталостной прочности.

Статические разрывы половинок этих образцов происходили хрупко, в сечениях обрыва наблюдались пятна усталости, ориентированные к острым ребрам, образованным фрезерованными поверхностями, по всей длине образцов наблюдались резко раскрывшиеся трещины усталости. Резкая концентрация напряжений образцов этой серии привела к заметному снижению временного сопротивления. Данные испытаний образцов серий 124-130 приведены.

Результаты испытаний показывают, что возможно увеличение усталостной прочности за счет изменения существующего профиля на 10%, что является, по-видимому, предельным и соответствует профилю № 2, обладающему плавными переходами от тела стержня к кольцевым ребрам, создающим благоприятное напряженное состояние. Все остальные типы периодических выступов могут дать только более сильный концентратор напряжений либо, в лучшем случае, равноценный. Дальнейшее повышение усталостной прочности следует искать путем создания оптимально распределенных остаточных напряжений, образующихся при прокатке, либо специальными мероприятиями.

Уральским политехническим институтом имени С. М. Кирова и Магнитогорским металлургическим комбинатом был разработан новый периодический профиль для стержневой арматуры железобетонных конструкций, предназначенной для работы под многократно повторной нагрузкой. Результаты контрольных испытаний показали, что стержневая арматура с новым профилем на 5-15% прочнее стержней с профилем по ГОСТ 5781-61 даже при статической нагрузке, без снижения сцепления с бетоном. Технология и стоимость проката арматуры с новым профилем остаются прежними.

Стержневая арматура была прокатана из стали двух марок: 35ГС и 25Г2С с профилем «елочка» по ГОСТ 5681-61 и профилем новых типов I и II. Периодический профиль типов I и II показан.

Эффективность нового периодического профиля предложено оценивать коэффициентом экономичности. Полученный экспериментально коэффициент экономичности новых профилей для стержневой арматуры приведен.