Содержание к диссертации
Введение
Глава 1: Анализ и современное состояние исследований фиброжелезобетонных элементов с высокопрочной арматурой без предварительного напряжения 11
1.1. Краткий обзор исследований в области трещиностойкости и деформативности бетона 11
1.2. Механизм ограничения развития и распространения трещин 22
1.3. Исследования в области фибробетона 26
1.4. Экспериментально-теоретические исследования В.П. Некрасова...27
1.5. Современное состояние исследований фибробетона и конструкций из него 34
1.5.1. Изгибаемые фиброжелезобетонные элементы, армированные высокопрочной сталью 34
1.5.2. Сжатые фиброжелезобетонные элементы с высокопрочной арматурой без предварительного напряжения 39
Выводы 43
Глава 2: Разработка методов расчетной оценки работы фиброжелезобетонных элементов с высокопрочной арматурой (Вр-И) без преднапряжения 46
2.1. Результаты пробных испытаний 48
2.2. Обоснование структурной модели разрушения фиброжелезобетонного элемента при изгибе 50
2.3. Расчет прочности фиброжелезобетонных изгибаемых элементов с высокопрочной арматурой (Вр-П) без предварительного напряжения 54
2.3.1. Определение граничной высоты сжатой зоны R В фиброжелезобетонных изгибаемых элементах с высокопрочной арматурой без предварительного напряжения 56
2.3.2. Учет работы высокопрочной арматуры (Вр-П) за условным пределом текучести 59
2.4. Расчет по II группе предельных состояний изгибаемых фиброжелезобетонных элементов с высокопрочной арматурой (Вр-П) без предварительного напряжения 59
2.4.1. Расчет по образованию трещин нормальных к продольной оси элемента 59
2.4.2. Определение шага трещин 61
2.4.3. Определение ширины раскрытия трещин 65
2.4.4. Расчет кривизны элемента 67
Выводы 69
Глава 3: Экспериментальные исследования фибробетона и фиброжелезобетонных конструкций 71
3.1. Описание серий образцов и технология их изготовления 71
3.2. Организация эксперимента 74
3.2.1. Прочность арматурной стали 74
3.2.2. Класс бетона 75
3.2.3. Призменная прочность бетона и фибробетона 77
3.2.4. Модуль упругости бетона Еь и фибробетона Е^ 78
3.2.5. Прочность бетона и фибробетона на растяжение 79
3.2.6. Сцепление арматуры с бетоном 80
3.2.7. Сопротивление фиброжелезобетонных изгибаемых элементов с высокопрочной арматурой (Вр-П) без предварительного напряжения 84
3.3. Анализ результатов исследований 86
3.3.1. Несущая способность 86
3.3.2. Момент трещинообразования 88
3.3.3. Шаг трещин 91
3.3.4. Ширина раскрытия трещин 94
3.3.5. Прогиб фиброжелезобетонных изгибаемых элементов 97
Выводы 100
Глава 4: Практический расчет фиброжелезобетонных изгибаемых элементов высокопрочной арматурой (Вр-П) без предварительного напряжения 102
4.1. Расчет I серии 102
4.1.1. Расчет прочности 102
4.1.2. Расчет по второй группе предельных состояний 104
4.2. Расчет II серии 111
4.2.1. Расчет прочности 111
4.2.2. Расчет по второй группе предельных состояний 113
4.3. Расчет III серии 121
4.3.1. Расчет прочности 121
4.3.2. Расчет по второй группе предельных состояний 123
4.3.3. Расхождение опытных и расчетных значений 132
Выводы 133
Заключение 134
Список использованной литературы
- Механизм ограничения развития и распространения трещин
- Обоснование структурной модели разрушения фиброжелезобетонного элемента при изгибе
- Призменная прочность бетона и фибробетона
- Расчет по второй группе предельных состояний
Введение к работе
В настоящее время железобетон является основным материалом современного строительства, кроме того, все шире он применяется в машиностроении, судостроении и других областях промышленности. Несмотря на то, что железобетон существует уже 1,5 века, он продолжает оставаться объектом дальнейших исследований, направленных на улучшение его эксплуатационных качеств, так как наряду с неоспоримыми достоинствами по сравнению с другими конструкционными материалами имеет ряд недостатков. Главные из них - слабая трещиностойкость, низкие ударная прочность и вязкость при разрушении.
В настоящее время необходимую трещиностойкость большинства ЖБК создают предварительным обжатием бетона растянутых при эксплуатации зон. Несмотря на эффективность этого метода, следует отметить, что технология преднапряжения усложняется с усложнением форм конструкций, с не типичностью размеров элементов и сооружений и пр.
Вскоре после появления системы предварительного обжатия бетона П.Л. Нерви заявляет о создании «качественно» нового материала на основе мелкозернистого бетона и стали - армоцемента. Армоцемент отличается от обычного железобетона повышенным сопротивлением раскрытию трещин. Это один из немногих материалов, получивших широкое применение без солидного экспериментально- теоретического обоснования. Сам создатель объяснил уникальные свойства материала так: «Сущность этого материала в основе своей элементарна - это упругость и повышенная деформативность железобетона. Эти качества повышается пропорционально утонению диаметров и повышению дисперсности равномерно распределенной арматуры внутри бетонной массы» [134].
Армоцемент имеет относительно высокую однородность бетона, благодаря использованию заполнителя с размером крупности 1-Змм, реже 5-6мм; армирование производится ткаными или сварными сетками с
5 соответствующими диаметрами проволоки 0.7-1.5мм и 2-6мм. Уменьшение
диаметра проволоки приводит к уменьшению расстояния между стержнями в
бетонной массе; растет, удельная поверхность сцепления стали с бетоном;
процесс микротрещинообразования из-за однородности бетона протекает более
равномерно. Попытки теоретического объяснения этого явления были
предприняты Д. Ромуальди и Г. Батсоном.
Действительно, эти два материала - предварительно напряженные и армоцемент - безусловно, отвечают требованиям по трещиностойкости, жесткости, прочности, но за последние годы строителям приходится все чаще и чаще сталкиваться с проблемами обеспечения трещиностойкости конструкций и сооружений, процесс преднапряжения которых настолько многоделен, сложен и трудоемок, что применение этого метода становится практически нецелесообразным
Армоцементом [61], [104] называется цементно-песчаный бетон, армированный мелкими стальными проволочными сетками с размером ячеек от 5 до12 мм и диаметром проволок до 1,5 мм. Основные преимущества армоцемента по сравнению с железобетоном:
-армоцементные конструкции легче железобетонных в среднем на 30-50 %; -динамика трещинообразования армоцемента характеризуется большим количеством трещин, но со значительно меньшей шириной раскрытия; -высокие однородность и плотность армоцемента обеспечивают лучшую сопротивляемость водопроницаемости; -возможность изготовления конструкций сложных профилей.
Как конструктивный материал армоцемент впервые был использован в 1854 году французом Ламбо, а в Росси в 1954 году при строительстве рынка в Ленинграде. Большой вклад в развитие армоцементных конструкций внесли И.И. Ахфердов, Ю.М. Баженов, В.К. Балавадзе, В.А. Гастев, А.А. Гвоздев, Е.Я. Гродский, И.А. Лобанов, А.П. Морозов, Г.С. Родов, А.В. Саталкин, Г.К. Хайдуков, Г.Д. Цискрели и др. Ю.М. Баженов разработал методику подбора
состава мелкозернистого бетона [4,5], которая используется специалистами и производственниками уже полвека.
В разработке методики расчета и теории железобетона огромный вклад внесла школа В.М. Бондаренко [18,19,20], в частности- инженерные методы нелинейной теории железобетона.
В 1970-ые годы исследования физико-механических свойств новой разновидности дисперсно-армированного железобетона-тяжелого армоцемента (ТАЦ) показали возможность применения его в конструкциях высокого давления (КВД) наряду с предварительно-напряженным железобетоном [65,112]. В отличие от армоцемента ТАЦ имеет размер ячеек 12x24 мм при диаметре арматуры 3-5 мм, объемное содержание арматуры может доведено до 16-18%.
Разработка новой разновидности железобетона- ТАЦ, выполненные ЛИСИ совместно с ЛенЗНИИЭП и ВНИПИЭТ показало, что раскрытие трещин в бетоне до ширины 0,1 мм, при растяжении, наблюдается при напряжении в арматуре равном 567 МПау что 1,8 раза превосходит расчетное сопротивление арматуры класса Вр-1. Это позволило рекомендовать применение ТАЦ для создания ненапряженных КВД в различных отраслях техники.
Однако и высокодисперсное армирование имеет существенные недостатки- процесс армирования многоделен и требует специальных фиксирующих устройств; применяемое из-за малых промежутков между арматурой послойное бетонирование требует в каждом конкретном случае специальных виброукладочных органов; чередование процессов (армирование и бетонирование) предлагает особо четкую организацию технологических процессов, высокую квалификацию исполнителей при высоком уровне культуры производства.
Новым направлением железобетонного строительства, имеющим большие перспективы, является дисперсное армирование бетона тонкими, короткими стальными и синтетическими отрезками (фибрами).
7 Впервые сталефибробетон был предложен российским инженером В.П.
Некрасовым в 1907 году, а в последующие годы появились и за рубежом. Например, Портер Г.Ф. (США) объявил в 191 Огоду о возрастании механических характеристик бетона при добавлении к смеси резанной тонкой и гвоздей примерно в 8 раз. В 1914году Файклин В. применяет металлических включений для дорожных покрытий, позднее в США были проведены испытания взлетно-посадочных полос из фибробетона. Впоследствии в изучении свойств фибробетона внесли свой вклад такие Российские ученые-исследователи, как А.П. Павлов, Г.И. Бердичевский, А.Е. Десов, Б.А. Крылов, И.В. Волков, И.А. Лобанов, Л.Б. Курбатов, В.К. Кравинский, Д.С. Аболиньш, Ф.И. Рабинович, В.П. Рыбасов, Г.К. Хайдуков и многие другие [1,17,28,34,48,51,78 и др.].
Основное преимущество фибробетона перед обычным бетоном заключается в более высокой предельной растяжимости и сжимаемости, более высокой прочности на растяжение (вероятно, и на срез), в большем количестве образующихся при изгибе трещин и, как следствие, меньшей ширине раскрытия трещин и повышенной жесткости. Однако с появлением трещин, вследствие частичного или полного выключения из работы растянутой зоны бетона, в сечении и элементе возникают качественные и количественные изменения, которые могут дать представления о возможного возникновения опасности для долговечности сооружения. Но до настоящего времени сделанные исследования и практика эксплуатации железобетонных сооружений показывают, что появление трещин в растянутом железобетоне, как, правило, неизбежно. Волосные трещины иногда образуются даже при очень тщательном проектировании и возведении сооружений, причем еще до того, как конструкция нагружена полной эксплуатационной нагрузкой. Известно, что появление трещин само по себе не является признаком опасного состояния конструкции [67], если раскрытие их ограничено величиной, не вызывающей
8 снижения прочности и долговечности, а также нарушения нормального режима
эксплуатации сооружения.
Строительное производство сегодня ориентированно на возведение и реконструкцию жилья, банков, офисов, спортивных сооружений и так далее. В таких условиях требуются новые конструктивные решения и конструкционные материалы, позволяющие существенно снизить массу элементов, по сравнению с традиционными, при обеспечении их высокой надежности, долговечности, архитектурной выразительности, а также экономической целесообразности. В этой связи решение задачи по использовании высокопрочной арматуры без предварительного напряжения является крайне актуальным. В данном случае фрезерованные фибры из слябов существенно повышает трещиностоикость растянутых зон элементов, то есть создается некая благоприятная среда для более полного использования, чем в обычном железобетоне прочностных свойств высокопрочной арматуры. По данным ведущих отечественных и зарубежных специалистов, в частности, профессора А.Л. Шагина (г. Харьков) в ряде регионов СНГ имеется дефицит обычных классов арматуры при наличии достаточного количества высокопрочной. Вместе с тем материальная база по производству строительных материалов и конструкций не позволяет в ряде случаев широко внедрять предварительно напряженные конструкции. Известно [10], что с повышением прочности арматурных сталей стоимость их растет существенно медленнее (см. рис. 1.1).
Удельная стоимость арматуры "П, равная отношению ее цены Q (руб/т) к
расчетному сопротивлению Rs, снижается с увеличением прочности арматуры.
Таким образом, замена обычной арматуры на высокопрочную без предварительного напряжения сулит значительные выгоды. Прежде всего, фибробетон удобен при укладке в тонкостенные конструкции и элементы сложных форм, чем обычное армирование, которых имеет технологические трудности; почти не подвержен усадочному трещинообразованию и стоек влиянию высоких температур; позволяет упростить арматурные работы. При
9 этом это высокая сопротивляемость образованию и развитию трещин,
вследствие чего повышаются сопротивление ударным, взрывным и
вибрационным воздействиям, вязкость при разрушении и упругость в работе
при нагрузках эксплуатационного уровня. Одним словом, повышается
прочность, трещиностойкость и жесткость конструкций, которые, в свою
очередь, делают здания и сооружения надежными и долговечными. А эти
факторы в настоящее время весьма актуальны, так как на реконструкцию,
восстановление и усиление затрачивается не мало производственных и
материальных средств.
О 200 400 600 800 1000 1200
Rs>MUa
Рис. 1.1. Диаграмма относительной стоимости арматурных сталей Для фибрового армирования бетонов наиболее широко применяются стальные и стеклянные волокна. Достаточно эффективной является стальная фибровая арматура. Так как ее модуль упругости на порядок превышает модуль упругости бетона, то при достаточной анкеровке в бетоне может быть полностью использовано прочность и получен наибольший вклад фибры в работу элемента в стадиях до и после образования трещин.
10 В настоящее время налажено отечественное массовое производство
стальной фибры резанной из тонкой листовой стали и фрезерованной из слябов
(в Москве, Санкт-Петербурге, Магнитогорске, Кургане и Челябинске) [76,111].
Фибробетоны с оптимальными свойствами могут быть получены при использовании соответствующих армирующих волокон. Волокна, которые применяются или могут применяться для дисперсного армирования можно классифицировать по структурному, геометрическому и природному признаку.
Основная идея данной работы состоит в реализации основных преимуществ фибробетона и использовании его как «среды», обладающей повышенными растяжимостью, трещиностоикостью и прочностью по сравнению с обычным бетоном, для возможности применения высокопрочной арматуры (без предварительного напряжения) с полной реализацией ее прочностных свойств. Удачные попытки применения высокопрочной арматуры в сочетании с фибровым армированием уже есть [2,41,113,114], однако применительно к фрезерованным фибрам такие исследования не проводились.
Цель диссертационной работы:
-экспериментальное и теоретическое исследование
фиброжелезобетонных изгибаемых элементов с высокопрочной арматурой класса Вр-П при кратковременных испытаниях и обоснование ее эффективного использования без предварительного напряжения.
Для реализации данной цели ставится следующие задачи: -определение физико-механических характеристик фибробетона с фрезерованными фибрами из слябов стали марок СтЗПС, СтЗСП; -изучение влияния объемного процента фибрового армирования фрезерованными фибрами на прочность, трещиностойкость и жесткость изгибаемых элементов;
-изучение напряженно-деформированного состояния изгибаемых
фиброжелезобетонных элементов при кратковременном действии нагрузки; -создание расчетного аппарата фиброжелезобетонных изгибаемых элементов.
Механизм ограничения развития и распространения трещин
Одной из значимых дат в развитии строительных конструкций является 1928 год, когда французский ученый Фрейсене открыл предварительное напряжение арматуры. Преднапряженные конструкции отвечают повышенным требованиям по трещиностойкости и жесткости железобетонных конструкций. Несмотря на эффективность этого метода, следует отметить, что технология преднапряжения усложняется с усложнением форм конструкций, с не типичностью размеров элементов и сооружений.
Вскоре после появления системы преднапряжения П.Л. Нерви заявляет о создании «качественно» нового материала на основе мелкозернистого бетона и стали. Армоцемент отличается от обычного железобетона повышенным сопротивлением раскрытию трещин, большей деформативностью без существенного их развития. Сам создатель объяснил уникальные свойства материала так: «Сущность этого материала в основе своей элементарна упругость, железобетона повышается пропорционально утонению диаметров и повышению дисперсности равномерно распределенной арматуры внутри бетонной массы» [134].
Известно, что уменьшение диаметров проволоки при высоком процентном содержании в бетоне и равномерном распределении арматуры по сечению уменьшает расстояние между стержнями в бетонной массе. Кроме того растет удельная поверхность сцепления стали с бетоном. Вследствие малых промежутков между арматурой и ее равномерности распределения по сечению, создается положение, когда армирование начинает влиять на свойства окружающего бетона, повышается степень стесненности деформаций бетона. Процесс трещинообразования из-за снижения концентраций напряжений у концов трещин протекает более равномерно. Достигая определенных размеров, внутренние трещины попадают в положение, которое не происходит дальнейшее развитие или распространение трещин. Это явление получило название «механизм торможения трещин».
В основе теоретического объяснения «механизма торможения трещин», Ромуальди и Батсон предлагают «концепцию промежутков» между арматурами в бетоне, полученная с позиций модифицированной Ирвиным, Орованом и Капланом [79] теории Гриффитса.
Теоретически полученную формулу для определения напряжений, соответствующих образованию трещин в дисперсно армированной конструкции Ромуальди и Батсон подтвердили экспериментально на балках размерами 200x12,5x7,5 см, растянутая зона которых армировались проволоками с промежутками между стержнями в бетоне от 1,3 до 0,25 см.
На Рис. 1.5 представлена график зависимости коэффициента увеличения трещиностойкости балок от расстояния между стержнями, при этом процент армирования принимали постоянным и равным 1,47%. Из графика видно, что с уменьшением расстояния между стержнями до 0,25 см в одном и том же проценте армировании трещиностойкость повысилось в 2 раза.
Таким образом, авторам удалось теоретически обосновать и экспериментально подтвердить влияние армирования на свойства бетона.
В обычном железобетоне расстояния между арматурами по сравнению с критическими размерами трещин велики, поэтому трещины становятся мобильными, не встречая препятствий. Спонтанное трещинообразование выключает из работы бетонное сечение весьма быстро. Силы поверхностного сцепления бетона с арматурой из-за относительно малой поверхности сцепления значительно меньше усилий в стали, в связи, с чем нарушается условие совместности деформаций компонентов. Депланация бетона в трещине вокруг арматурных стержней имеет местный характер и почти не сказывается на ширине ее раскрытия.
С уменьшением расстояния между стержнями в бетоне до 1 см и менее в железобетоне начинают существенно сказываться явления, присущие композиционным материалам [3,21,25,44,60,93]. Прежде всего, это проявляется во взаимовлиянии локальных напряжений, вследствие чего поле напряжений становится более однородным, процесс внутреннего трещинообразования -более энергоемок из-за его равномерности в объеме и способности арматуры адсорбировать упругую энергию. В результате сцепления арматуры с бетоном в бетонной матрице устанавливается сложное напряженное состояние, которое благоприятно сказывается на его свойствах. По мере увеличения деформаций арматуры трещины, достигнув критического уровня, выходят на поверхность, они располагаются с более частым шагом и по-прежнему испытывают сдерживающее влияние арматуры, поэтому ширина раскрытия трещин может быть незначительной вплоть до разрушения элемента.
Регулярное высокодисперсное армирование является одним из эффективных методов обеспечения требуемой трещиностойкости. Однако и высокодисперсное армирование имеет существенные недостатки. Процесс армирование многоделен и требует применения специальных фиксирующих устройств, послойное бетонирование требует в каждом конкретном случае использования специальных виброукладывающих органов, чередование процессов (армирование и бетонирование) предлагает особо четкую организацию технологических процессов, высококвалифицированных исполнителей при высоком уровне производства.
Обоснование структурной модели разрушения фиброжелезобетонного элемента при изгибе
Бетон, как известно, не является абсолютно монолитным материалом уже с начала его структурообразования. Развитие микротрещин, хаотически расположенных в объеме бетона, определяется формой, размерами и ориентацией относительно направления действия растягивающих напряжений.
Поэтому вклад их в разрушение материала может быть различным.
В традиционно армированном железобетоне разрыв бетона может произойти в результате роста размеров одного или нескольких микроразрушений, получивших в силу ряда причин предпочтительное развитие по сравнению с остальными.
В бетонной матрице, равномерно пронизанном хаотически расположенной тонкой арматурой, рост внутренних трещин блокируется фибрами. При этом сглаживается концентрация напряжений, и в бетоне создается, в результате бокового давления стержней на бетон, особое напряженное состояние. Составляющие сил бокового давления сцепления стремится прижать внутренние поверхности трещин к друг другу. В таком дисперсно армированном бетоне создаются предпосылки для плавного накопления микроразрушений по всему объему при постепенном включении всего механизма ограничения и торможения их роста. Ограниченное развитие внутренних трещин по всему бетонному объему означает повышение предельной технической растяжимости бетона.
В связи с вышеизложенным возможно принять следующие предпосылки по разрушению сечений при изгибе. Когда внешняя нагрузка возрастает от нуля до разрушающей, в опасной зоне по длине элементов последовательно наблюдаются следующие характерные стадии напряженно — деформированного состояния, отличающиеся между собой как в количественном, так и в качественном отношении.
Под Стадией I принято напряженно-деформированное состояние фиброжелезобетонного элемента до образования трещин в его растянутой зоне, то есть когда фибробетон растянутой зоны сохраняет сплошность и работает под воздействием нагрузки квазиупруго (напряжения пропорциональны деформациям); деформации растянутой зоны не превосходят значения n n,tu - —; эпюры нормальных напряжении в бетоне сжатой и растянутой Е1Ь зон сечения близки к треугольным. Усилия в растянутой зоне в основном воспринимается фибробетонным слоем. Роль растянутой рабочей арматуры незначительна. Стадия 1а. С увеличением нагрузки сечение элемента растянутой зоны продолжает работать упруго, нулевая линия лежит ниже центральной оси балки. При дальнейшем увеличении нагрузки характерно следующее: фибробетонный слой сечения работает упруго, но в крайних волокнах растянутой зоны начинают развиваться неупругие деформации, характеризующие появление трещины на поверхности элемента. Только, что появившаяся трещина сразу не доходит до уровня рабочей арматуры (как в железобетоне) и без ацетона обнаружение ее представляется не возможным.
При этой стадии напряженно-деформированного состояния фиброжелезобетонного изгибаемого элемента принято производить расчет момента трещинообразования, когда растянутый фибробетонный слой работает упруго с величиной деформаций крайнего волокна _ _ Rfbtn
В стадии II. при дальнейшем увеличении нагрузки в фибробетоне растянутой зоны идет образование смежных трещин с незначительными приращениями, как по высоте, так и по ширине. Если в железобетонном элементе образование трещин означает выход из работы бетона растянутой зоны, то в фиброжелезобетонном элементе - нет. Здесь каждая микротрещина заблокирована фибрами, которые не дают трещине беспрепятственно развиваться. При этом характерно образование все время новых смежных трещин, соответсвено уменьшение расстояния между трещинами.
Призменная прочность бетона и фибробетона
Нормативные характеристики бетона на растяжение для всех серий образцов определялись путем испытания призм размером 10x10x40 см на изгиб, по разрушающему моменту г W 6 _Г Мр bh кьт - кы, ег - — — : W —ыГ (3"9) у=1,7 - коэффициент, учитывающий криволинейный характер эпюры напряжений в бетоне растянутой зоны. Таким же образом были получены нормативные характеристики фибробеТОНа На раСТЯЖеНИе Rjbtn Rflt,ser
Расчетные сопротивления бетона и фибробетона по I - ой группе предельных состояний определялись как частное от деления нормативной прочности на растяжение нормативных сопротивлений сжатию и растяжению на соответствующие коэффициенты надежности по бетону при сжатии увс=1,3 и при растяжении yet=l,5. Расчетные сопротивления, модуля упругости бетона и фибробетона (в кг/см ) в зависимости от процента фибрового армирования и класса бетона даны в таблице 3.3.
Экспериментальные исследования проводились с целью: -изучения закономерностей сцепления арматуры с бетоном и фибробетоном; -оценки влияния процента фибрового армирования, класса бетона на длину анкеровки высокопрочной арматуры.
Опытные образцы представляли собой бетонные и фибробетонные призмы, армированные одним центрально расположенным стержнем диаметром 5 мм класса Вр-П. Сечение призм 10x10x30 см.
Каждая серия включала в себя 6 призм из них, 3 железобетонные и 3 фиброжелезобетонные. Призмы испытывали на выдергивание. Класс бетона и процент фибрового армирования приняты такими же, как для каждой серии.
В ходе испытания измеряли сдвиг относительно загруженного и незагруженного торцов призм с помощью индикаторов часового типа с ценой деления 10"2 и 10"3 мм. Для установки индикаторов на торцах призм были изготовлены специальные металлические приспособления (хомуты на 2-х болтовых соединениях с диаметром 5 мм), состоящие из 2-х частей с болтовыми соединениями.
Для замера деформаций волокон устанавливались электромеханические тензометры системы Н.Н. Аистова - ТА-2, ЛИСИ 1963 г. и для замера прогибов -индикаторы ИЧ-10, ГОСТ 577-60. На фотографиях 3.6, 3.7, 3.8 представлены опытные образцы 3-х серий после их испытания, где видно характер развития трещин.
Анализируя характер разрушения фиброжелезобетонных элементов, следует отметить повышенную вязкость при разрушении и прочность. Очевидно, повышение несущей способности достигнуто за счет использования фибрового армирования, а достаточная вязкость разрушения обусловлена специфическим механизмов рассеяния энергии разрушения композиции.
Несущая способность опытных балок определялась максимальной нагрузкой, которую выдерживали образцы в процессе испытания. Характер разрушения изгибаемых элементов был приблизительно одинаков в отличии от образцов 1-ой серии и чисто железобетонных. Разрушение образцов происходило по нормальным сечениям в зоне чистого изгиба, в результате пластических деформаций в растянутой арматуре, приводящих к раздроблению бетона сжатой зоны. При этом у образцов 1-ой серии и железобетонных балок исчерпание несущей способности наступало как по сжатой, так и по наклонному сечениям и носило хрупкий характер разрушения, свидетельствующая о неполном использовании прочностных и упругопластических характеристик растянутой арматуры.
Экспериментальные значения разрушающих моментов показывают (см. таблицу 3.5.), что при не больших процентах фибрового армирования ( 1% по объему) влияние фрезерованных фибр на несущую способность изгибаемых элементов почти отсутствуют. Для образцов II и III серий, где процент фибрового армирования 1 и 2 %-тов соответственно, повышение несущей способности в сравнении с аналогами без фибр значительное и составляет 27 и 30 %-тов. Влияние фрезерованных фибр на несущую способность изгибаемых элементов представлено на рисунках 3.8, 3.9.
Расчет по второй группе предельных состояний
В процессе работы над диссертацией получены следующие новые теоретические и экспериментальные результаты: А) Теоретические исследования.
1. На основе традиционных методов расчета железобетонных конструкций, предложен новый подход расчета фиброжелезобетонных изгибаемых элементов с высокопрочной арматурой (Вр-И) без предварительного напряжения. Новизна заключается в учете работы фибробетонного (растянутого) слоя в работе изгибаемого элемента под нагрузкой, а именно при расчете фиброжелезобетонных конструкций как по I, так и по II группам предельных состояний предлагается в расчетные формулы вводить величину аы, которая характеризуется как доля участия в работе изгибаемого элемента фибробетоного слоя. Это означает, что в фиброжелезобетонных изгибаемых элементах в предельном состоянии напряжения в трещине растянутой зоны (фибробетона) не равны нулю, как принято в существующих нормах [90], а равен величине on,t.
2. Такой подход связан спецификой работы материала (фибробетона), фрезерованные фибры из сляба имеют исключительно неровную поверхность, в результате чего не происходит выдергивание (проскальзывание) из тела бетона матрицы. Фрезерованные фибры работают вплоть до исчерпания несущей способности. 3. Величина Cfbt определяется как разница прочностных свойств фибробетона и бетона на растяжение по формуле:
4. С учетом принятых положений выведены формулы для расчета прочности (см.ф.2.3), момента трещинообразования (см.ф.2.9), шага трещин (см.ф.2.16), ширины раскрытия трещин (см.ф.2.18) и кривизны фиброжелезобетонных изгибаемых элементов (см.ф.2.30).
5. При расчете граничной высоты сжатой зоны R, величина предельных деформаций бетона bui принята с учетом экспериментальных данных различных исследователей, в том числе экспериментальными данными настоящей работы (см. гл. 2, пункт 2.4).
6. Учитывая специфику работы бетонных материалов армированных фрезерованными фибрами из сляба при расчете момента трещинообразования форму эпюры напряжений фибробетонного слоя принята трапециадальной с ординатой крайнего растянутого волокна Rft,t,ser что соответствует упругой работе растянутой зоны.
7. Коэффициент \/s, учитывающий неравномерность деформаций арматуры между трещинами определяется графически как отношение площади эпюры напряжений растянутой арматуры ко всей площади эпюры напряжений на этом участке (см. гл. 2, пункт 2.3.3.).
8. Определение шага трещин, ширины раскрытия трещин производится аналогично существующим нормам. Но при этом величина напряжений в арматуре вводится в расчетные формулы за вычетом доли работы фибробетонного слоя ( см. гл. 2, пункты 2.3.2., 2.3.3.).
9. Кривизна фиброжелезобетонных изгибаемых элементов вычисляется также с учетом работы фибробетонного слоя через средние деформации продольной арматуры esm и сжатого бетона Єьт- Распределение эпюр нормальных усилий сжатого и растянутого зон принимается прямоугольными.
Б) Экспериментальные исследования 1. Экспериментами установлены прочностные характеристики фибробетона и бетона. 2. Выдергиванием высокопрочной арматуры (Вр-П) из тела призматических элементов были косвенно получены характеристики сцепления арматуры с бетоном и фибробетоном. 3. Проведены экспериментальные исследования напряженно деформированного состояния железобетонных и фиброжелезобетонных изгибаемых элементов с высокопрочной арматурой класса Вр-И без предварительного напряжения при различных процентах (0.25, 1 и 2 %-тов) фибрового армирования и при различных по высоте сечения (0.25h и 0.5h) насыщении фрезерованными фибрами.
4. В экспериментах изгибаемых элементов исследовались: несущая способность и характер разрушения элементов, процесс образования и развития нормальных трещин, ширина раскрытия трещин и прогибы.
5. Влияние фибрового армирования на работу фиброжелезобетонных изгибаемых элементов с высокопрочной арматурой без предварительного напряжения сказывается при проценте фибрового армирования больше 1%. В) На основании проведенных исследований могут быть сделаны следующие выводы:
1. Доказана принципиальная возможность эффективного использования высокопрочной арматуры без предварительного напряжения в изгибаемых железобетонных элементах в сочетании с армированием растянутых зон фрезерованными фибрами при объемном проценте фибрового армирования свыше 1 %.
2. Экспериментально обнаружена исключительно высокая эффективность работы фрезерованных фибр в сечении с трещинами, благодаря их хорошему сцеплению с бетоном, подтвержденному практически отсутствием фактов их выдергивания из бетонной матрицы.
3. Армирование растянутых зон изгибаемых железобетонных элементов фрезерованными фибрами при насыщении 1 % и более повышает момент трещинообразования на 30- 60 %, снижает ширину раскрытия трещин в 2 и более раз и повышает несущую способность на 30 и более процентов. Расстояние между трещинами в предельной стадии оказались в 2-ьЗ раза меньше, чем в железобетонных элементах без фибр.
Похожие диссертации на Эффективное использование высокопрочной арматуры в изгибаемых элементах без предварительного напряжения
