Содержание к диссертации
Введение
I. Развитие экспериментально-теоретических иследований прочности, жесткости и трещиностойкости изгибаемых железобетонных элементов. влияние поперечного сечения на несущую способность, жесткость и трещиностойкость изгибажых железобетонных шшментов 8
1.1. Несущая способность изгибаемых элементов 8
1.2. Трещиностойкоеть изгибаемых железобетонных элементов 22
1.3. Дефордативность изгибаемых железобетонных элементов 27
1.4. Задачи исследования 30
2. Методика экспериментального исследования 32
2.1. Конструкция образцов. Материалы. Изготовление образцов 32
2.2. Прочностные и деформативные характеристики бетона и арматуры 45
2.3. Испытание образцов 46
3. Прочность изгибаемых элементов с учетом формы попе речного сечения 54
3.1. Характер разрушения опытных образцов 54
3.2. Деформации растянутой арматуры 55
3.3. Деформации бетона сжатой зоны VI
3.4. Высота сжатой зоны бетона при разрушении балок 76
3.5. Опытные и теоретические разрушающие моменты и
их анализ 89
4. Трещиностойкость изгибаемых элементов с учетом формы поперечного сечения . 105
4.1. Характер трещинообразования 105
4.2. Щирина раскрытия нормальных трещин 115
5. Элементов различной форш поперечного сечения 142
5.1. Деформации опытных балок прямоугольной и двутавровой фора поперечного сечения 142
5.2. Деформации балок треугольной формы поперечного сечения и предложения по расчету
вывода .
Литература
- Трещиностойкоеть изгибаемых железобетонных элементов
- Прочностные и деформативные характеристики бетона и арматуры
- Деформации растянутой арматуры
- Щирина раскрытия нормальных трещин
Введение к работе
Бетонные и железобетонные конструкции получают все большее распространение в практике современного строительства. Расширение областей применения предъявляет к конструкциям многочисленные требования, определяемые условиями их эксплуатации. Одной из основных задач в области дальнейшего развития сборного желе-зобетона является снижение веса конструкций, расхода стали и цемента. Выполнение этой задачи может быть достигнуто за счет повышения прочностных характеристик применяемых материалов, улучшения технологии изготовления конструкций, применения эффективных материалов и конструкций. Разработка прогрессивных, экономичных конструкций из более эффективных материалов требует дальнейших исследований с целью уточнения и совершенствования существующих методов расчета железобетонных элементов. Поэтому важными направлениями научных исследований являются развитие теории железобетона, создание конструктивных элементов и изделий на основе достижений фундаментальных наук, разработка новых экономичных материалов и высокопроизводительных технологических процессов Г18 ] .
Железобетонные элементы с поперечными сечениями различных форм (таврового, двутаврового, коробчатого и др.) составляют значительную часть сборных и монолитных конструкций, тогда как данные об их работе под нагрузкой ограничены. Необходимость оценки влияния формы сечения элементов на несущую способность, деформативность и трещиностойкость возникает и при косом вне-центренном сжатии, и при косом изгибе, когда форла сжатой зоны имеет треугольное или трапециевидное очертание. Не в полной мере исследованы вопросы учета в расчетах сжатых и растянутых полок элементов.
В некоторых работах указывается на возможность влияния формы поперечного сечения на параметры, определяющие несущую способность, деформативность и трещиностойкость элементов, однако конкретных данных по этим вопросам имеется недостаточно.
Целенаправленных исследований с элементами непрямоугольной формы сечения, посвященных вопросу изучения несущей способности, деформативности и трещиностойкости, немного. Это работы, выполненные в разное время, в НИИЖБе, МИСИ им. В.В. Куйбышева, в Полтавском ИСИ и др.
Настоящая работа направлена на дальнейшее изучение прочности, трещиностойкости и деформативности изгибаемых элементов по нормальным сечениям с учетом влияния формы поперечного сечения при изменении в широком диапазоне прочностных и деформативных характеристик бетона и арматуры.
Целью работы является совершенствование методов расчета железобетонных конструкций на основе исследований прочности, трещиностойкости и деформативности изгибаемых элементов с различной формой сечения сжатой зоны бетона при изменении в широком диапазоне прочностных и деформативных характеристик бетона, а также степени армирования элементов.
На защиту выдвигаются:
- результаты экспериментально-теоретического исследования прочности по нормальным сечениям изгибаемых элементов на основе: исследований влияния формы сжатой зоны бетона на Гранину предельного армирования, оценки величин предельных дефорлаций арматуры растянутой зоны при разрушении образцов, имеющих разную степень армирования и различную форму поперечного сечения, данных по параметрическим уровням микротрещин ксгс и микроразрушений R сгс в сжатой зоне изгибаемых элементов из бетона разной прочности с учетом формы сечения и степени армирования;
- рекомендации по оценке влияния треугольной формы поперечного сечения на прочность элементов по нормальным сечениям;
- предложения по совершенствованию метода расчета ширины раскрытия нормальных трещин;
- результаты анализа влияния формы поперечного сечения на деформативность элементов и предложения по расчету деформаций изгибаемых элементов треугольной формы поперечного сечения.
Научную новизну работы составляют:
- данные о напряженно-деформированном состоянии изгибаемых железобетонных элементов непрямоугольных форм поперечного сечения в зоне чистого изгиба при изменении в широком диапазоне прочностных и деформативных характеристик бетона и степени армирования сечения;
- предложения по расчету прочности изгибаемых элементов треугольной формы поперечного сечения;
- данные по трещиностойкости изгибаемых элементов, имеющих различную форму поперечного сечения;
- предложения по расчету деформаций изгибаемых элементов треугольной формы поперечного сечения.
Практическое значение работы заключается в том, что в результате проведенных исследований на образцах прямоугольных, двутавровых и треугольных форм поперечных сечений получены новые данные, позволяющие более правильно оценить влияние формы сечения, прочностных и деформативных свойств бетона, степени армирования сечения на прочность, трещиностойкость и деформативность изгибаемых элементов. Полученные данные будут использованы в соответствующих разделах норм и развивающих их пособий Исследования проводились в лаборатории теории железобетона НИИЖБ Госстроя СССР под руководством доктора техн. наук Ю.П. Гущи в группе кандидата техн. наук Й.Ю. Ларичевой. Автор приносит благодарность кандидату техн. наук О.Ф. Ильину.
Трещиностойкоеть изгибаемых железобетонных элементов
В нормах проектирования расчет трещиностойкости по образованию и раскрытию трещин начали учитывать как один из необходимых моментов в общем расчете железобетонных элементов наравне с расчетом прочности, только после 40-х годов. Этому в большей мере способствовала работа проф. Мурашова В.И. [102 J » положившая основу как такового метода расчета образования и раскрытия трещин.
На образование и раскрытие трещин железобетонных элементов могут влиять различные факторы: температурные воздействия, усадка бетона и др. Трещины, в конечном счете, ухудшают эксплуатационные качества и долговечность конструкции.
Проф. Мурашев В.И. для определения ширины раскрытия трещин предложил следующую формулу [102, ЮЗ] Формула (2.1) в дальнейшем была подкорректирована и принята в нормах [120 ] , В развитии теории расчета раскрытия трещин большая работа была выполнена к.т.н. Немировским М.Я. и другими исследователями.
Проф. Столяров Я.М. [116 ] писал: "Общий недостаток всех существующих решений вопроса образования и развития трещин в железобетонных конструкциях состоит в изолированном рассмотрении отдельных факторов, оказывающих влияние на это явление. Только в том случае, когда при изучении напряженного состояния конструкции под нагрузкой будут одновременно учитываться явление усадки и ползучести бетона и происходящие при этом изменения в силах сцепления арлатуры с бетоном, можно ожидать удовлетворительного решения этой сложной задачи, но в этом конечно и состоит вся ее трудность".
Выполненных исследовательских работ непосредственно и попутно затрагивающих трещиностойкость изгибаемых элементов немало [і, 2, 4, 10, 15, 17, 25, 26, 39, 43, 44, 48, 50, 53, 60, 66, 68, 70, 74, 94, 98, 108, Пі, І23, 125, 126 ] , в то же время надо отметить необходимость проведения дальнейших целенаправленных работ в этом направлении. Этот вопрос является очень актуальным. Дело в том, что в результате не комплексного подхода разными исследователями при решении поставленных задач учитывались только отдельные факторы: прочность бетона, процент армирования, диаметр арматуры, учет работы бетона растянутой зоны, относительная высота сжатой зоны, равномерность распределения стержней арматуры по сечению, форма поперечного сечения и др.
Поэтому результаты этих исследований отразились в методах определения ССсгс , принятых в нормах, как в нашей стране, так и нормами различных [50, 53 ] стран.
Целенаправленных исследований, посвященных изучению тре-щиностойкости изгибаемых элементов по нормальным сечениям с элементами различных форм поперечного сечения, (кроме прямоугольных и кольцевых сечений) не много 2, 25, 48, 50, 53, 60, 98, 108 ] .
К.т.н. Нофаль М.Ш. [ 108 ] , анализируя результаты своих опытов с балками различного поперечного сечения, отмечает о влиянии бетона растянутой зоны на момент трещинообразования.
В работе [60 ] к.т.н. Дегтярев В.В. также подтверждает выводы, сделанные Нофалем М.Ш. К.т.н. Дегтярев В.В. отмечает влияние на появление первых трещин конфигурации сечения, коэффициента армирования и марки бетона. К.т.н. Мохамед А. [98 ] по результатам своей работы делает вывод, что форма поперечного сечения оказывает несущественное влияние на ширину раскрытия трещин. Далее он отмечает, что момент образования трещин в двутавровых и прямоугольных сечениях выше, чем в тавровых (особенно в тавровых сечениях с полкой в сжатой зоне).
К.т.н. Губониным Н.Н. [ 50 ] была исследована работа элементов с различными формами поперечного сечения (прямоугольные с Jb = 1,76 8,43$; трапецевидные с ушрениями в растянутой и сжатой зонах с J0, = 4,22 7,22%, тавровые с полкой в сжатой зоне с JtL = 1,63 1,81%). В своих опытах Губонин Н.Н. не обнаружил какого-либо влияния на раскрытие трещин формы поперечного сечения.
К.т.н. Вилковым К.И. [25 ] также были выполнены опыты с балками, имеющими форму поперечного сечения отличную от прямоугольной. Вилков К.И. отмечает: трещины в балках таврового с полкой в растянутой зоне и двутаврового форм сечения развива лись очень быстро (особенно в слабо и среднеармированных); трещины имели большую начальную ширину раскрытия по сравнению с тавровыми с полкой в сжатой зоне и прямоугольными.
В работах, выполненных кандидатами техн. наук Городецким Л.М. [ 44 ] на плотных силикатных бетонах и Мукминовым Л .А. [94 ] , на элементах из керамзитожелезобетона, получено, что опытные данные по &пс и Мсгс переоцениваются нормами. Они предлагают несколько видоизмененные формулы, учитывающие специфические особенности работы вышеназванных бетонов. Это подтверждает ранее сделанные отдельными исследователями выводы о влиянии на величину &огс вида бетона и необходимости его учета при определении ширины раскрытия трещин (последний фактор был учтен в нормах СНиП ЇЇ-2І-75 и СНиП 2.03.01-84).
Мукминов Л .А. делает вывод о некотором влиянии на процесс трещинообразования работы растянутого бетона.
Прочностные и деформативные характеристики бетона и арматуры
Испытание призм и кубов 1,2,3 серий производили на гидравлическом прессе П-250. Кубы центрировали по геометрической, а призмы по физической оси.
При испытании призм из высокопрочного бетона для измере -ния средних деформаций крайнего волокна был использован ком -плект электроники с электротензоиндикаторами, разработанный в НИИЖБ. что дало возможность ползгчить величины деформаций бето на вплоть до разрушения призм (рис.2.6). Кубы для образцов 4,5,6 серии испытывали на испытательной машине фирмы "Тони-Да-тес" с полуавтоматическим пультом управления, обеспечивающим равномерную скорость нагружения.
От всех рабочих стержней были испытаны концевые участки на разрывной машине "Лозенгаузен". Деформации арматуры измеряли с помощью прибора "Шоппер" типа МК-3 на базе 10 см. Испытание арматуры проводили согласно ГОСТ 12004-81. После испытания арматурные стержни по величине б02 были сгруппированы по балкам, чтобы исключить влияние неравномерности роста Ss на деформативность опытных образцов.
Образцы испытывали как однопролетные свободно опертые балки на действие кратковременной нагрузки в силовой раме. Нагрузку передавали в виде двух сосредоточенных сил, приложенных в третях пролета. Общий вид балок и схема расположения приборов показаны на рис.2.7 - 2.Ю.
В зависимости от величины ожидаемой разрушающей нагрузки и прогиба балок были использованы гидравлические домкраты грузоподъемностью 100, 250, 500 кН. Нагружение всех образцов производили ступенями равными 1/20 и І/І0 от величины ожидаемой разрушающей нагрузки. После каждой ступени нагрузки давали выдержку примерно 15 минут. В начале и конце выдержки снимали отсчеты по всем приборам, что давала возможность следить за развитием пластических деформаций в бетоне и арматуре.
Перед разрушением образцов величину ступеней нагрузки уменьшали до возможно малого значения и старались отсчеты по приборам снимать чаще.
В процессе испытания балок замеряли деформации бетона и арматуры, прогибы балок, ширину раскрытия трещин и фиксировали рост трещин по высоте. Продольные и поперечные деформации бетона сжатой грани измеряли электротензодатчиками базой 5 см. Одновременно замер продольных деформаций бетона сжатой грани дуб-.лировали с помощью поверхностных рычажных тензометров базой 10 см и индикаторов на базе 50 см. Деформации бетона на боковой поверхности по высоте сечения определяли с помощью электро-тензодатчиков базой 5 см, расположенных в несколько рядов. При работе с электротензодатчиками был использован комплект тензо-метрической аппаратуры ЦТК-І, Средние деформации растянутой арматуры измеряли прогибомерами конструкции ЦНИИСК, установленными на базе 100 см в зоне чистого изгиба на обоих крайних стержнях балок.
Прогибы определяли в третях и в середине пролета балок прогибомерами 6 ПАО, укрепленными на прогибомерной рамке, которая была подвешена по оси опор балки при помощи струбцин, что автоматически исключало осадку опор.
Ширину раскрытия трещин измеряли на уровне центра тяжести растянутой ардатуры переносным микроскопом МПБ-2 с 24х кратным увеличением, который также был использован для фиксирования начала трещинообразования и наблюдения за ростом трещин по высоте балок.
Измерение деформаций бетона, арматуры и прогибов производили вплоть до разрушения балок. На каждом этапе испытания на поверхности балки наносили картину развития трещин. После испытания зарисовывали на кальку боковую поверхность балок с трещинами, зону разрушения, замеряли защитные слои бетона на сжатой и растянутой гранях и фотографировали. Испытание кубов, призм и балочных образцов проведены согласно ГОСТ [ 45, 46, 47 ] .
Деформации растянутой арматуры
Средние деформации растянутой арматуры $moti$ в сла боармированных образцах I и 4 серий достигали для прямоугольных балок 1,0-1,2$ и 0,89-1,13$, для треугольных 1,10-1,40$ и 1,5--1,70$, для двутавровых балок 1,7-1,80$ и 1,00-1,10$. При этом относительная высота сжатой зоны в момент разрушения образцов составляла для прямоугольных балок 0,25 и 0,145, для треугольных 0,27 и 0,17, для двутавровых 0,13-0,11« Сжатая зона при исчерпании несущей способности двутавровых балок находилась в пределах полки. В среднеармированных балках 2 и 5 серий srr)0 достигали для прямоугольных 0,45$ и 0,32$, для треугольных 0,55$ и 0,91$, для двутавровых 0,63$ и 0,91$, Значения Ща были равны для прямоутольных балок 0,21 и 0,28, для двутавровых 0,10 и 0,16, для треугольных 0,37 и 0,25. Нейтральная ось при разрушении двутавровых балок проходила по ребру. Б сильноарми-рованных балках всех форм сечения 3 и 6 серии величины &sm Q#s не превышали 0,17$ и 0,40$, а значения Ци составляли 0,46--0,52 и 0,25-0,40.средних деформаций арматуры 6Sm , напряжений в арматуре б$т и коэффициента условий работы арматуры jfs6
Был проведен анализ зависимости опытных деформаций арматуры от высоты сжатой зоны. Высоту сжатой зоны бетона при разрушении определяли различными способами: по опытным напряжениям в арматуре, полученным по деформациям арматуры, замеренным в опыте, и диаграмме стали (рис. 3.1а и 3.2а); по опытному разрріающему моменту (рис. 3.16 и 3.26) при прямоугольной эпюре напряжений.
На рис. 3.1 и 3.2 и далее на всех рисунках условные обозначения приняты одинаковыми, а их расшифровка дана на рис. 2.2.
На рис. 3.3 и 3.4 представлены графики зависимости расчетной относительной высоты сжатой зоны бетона от деформаций арматуры при разрушении элементов. При этом величина S$m Qgs представляет собой средние деформации арматуры, замеренные на базе 1000 мм.
Кроме того была проанализирована зависимость т QSS от средней опытной высоты сжатой зоны (рис. 3.5а и 3.6а), определенной по средним опытным деформациям крайнего волокна сжатой зоны бетона Sfa ss и Растянутой арматуры 8sm/0gs . На рис. 3.56 и 3.66 показана аналогичная зависимость, только средняя опытная высота сжатой зоны приведена к прямоугольной эпюре путем умножения на характеристику сжатой зоны бетона (л) , полученную по расчету.
Анализ рисунков показывает, что с повышением прочности бетона и деформаций арматуры соответствующие им значения уменьшаются. Из всех вышеприведенных графиков видно, что деформации арматуры в двутавровых образцах из бетона прочностью 30 МПа меньше, чем в прямоугольных при одинаковых значениях Ц„ . Особен но это различие имеет место для среднеармировашшх образцов, В двутавровых и прямоугольных балках, выполненных из бетона прочностью 80 МПа, деформации арматуры при одинаковом Ци близки между собой.
Сопоставление результатов по образцам треугольной и прямоугольной форм сечений показывает, что в основном для всех процентов армирования при одинаковых значениях относительной высоты сжатой зоны деформации арматуры для образцов треугольной формы сечения выше, чем прямоугольной. Причем, в образцах из высокопрочного бетона отмеченная особенность проявляется сильнее, чем в балках из бетона средней прочности. Лишь на графиках рис. 3.5 и 3.6 при одинаковой величине средней опытной относительной высоте сжатой зоны деформации арматуры для образцов треугольного сечения ниже, чем в балках остальных форм сечения. Объяснение этому будет дано ниже, после анализа предельных деформаций бетона сжатой зоны.
Для анализа влияния формы поперечного сечения образцов на напряжения в арматуре при разрушении была построена зависимость опытного коэффициента условий работы арматуры при напряжениях выше условного предела текучести f = 6sm Qgs/60 % от опытной относительной высоты сжатой зоны бетона. Указанные величины получены в одном случае по опытным напряжениям в арматуре (рис. 3.7а и 3.8а), а в другом - по опытному разрушающему моменту (рис.3.76 и 3.86). Были рассмотрены зависимости коэффициента fs6 , определенного двумя аналогичными способами, от расчетной высоты сжатой зоны бетона (рис.3.9а,б и 3.10а,б).
Щирина раскрытия нормальных трещин
Ширину раскрытия трещин замеряли на уровне центра тяжести арматуры с помощью микроскопа с 24-х кратным увеличением до нагрузок, составляющих 0,8-0,9 от разрушающей.
В ходе испытания образцов, как правило, измеряли 4-8 наиболее характерных трещин, расположенных в зоне чистого изгиба, что позволило получить опытные данные о средней и максимальной ширине раскрытия нормальных трещин.
На рис. 4.7-4.18 представлены графики зависимостей средней и максимальной ширины раскрытия нормальных трещин опытных балок от средней деформации в растянутой арматуре. В слабоармированных балках до определенного уровня нагрузки ширина раскрытия трещин прямо пропорциональна величине возрастающей нагрузки. С развитием пластических деформаций в арматуре происходит более интенсивное раскрытие трещин. В среднеармированных балках по сравнению со слабоармированными пропорциональность между шириной раскрытия трещин и величиной возрастающей нагрузки сохраняется до более высоких относительных уровней нагружения. Это объясняется тем, что в этих балках к моменту разрушения доля пластических деформаций арматуры составляет незначительную часть полных деформаций.
В переармированных образцах арматура во всем диапазоне изменения нагрузки работала упруго, поэтому ширина раскрытия трещин в них почти пропорциональна величине средней деформации арматуры вплоть до разрушения.
Расчетные значения ширины раскрытия трещин опытных балок определяли по формуле СНиП 2.03.01-84 Q№= Z0(3,5-lja)ff, (4.D где 0 - коэффициент, принимаемый для изгибаемых элементов, равным I; LA - коэффициент, принимаемый при действии кратковременных нагрузок, равным I; Г) - коэффициент, принимаемый равным I при стержневой арматуре периодического профиля. На графиках, показанных на рис. 4.7-4.18, нанесены средние опытные и расчетные прямые средней и максимальной ширины раскрытия трещин для всех форм поперечного сечения. Полученные расчетом по формуле (4.1) значения ширины раскрытия трещин, сопоставляли с опытными при напряжениях в арматуре, равных 400 Ша (табл. 4.1). При этом коэффициент армирования сечения принимали согласно указаниям норм не более 0,02.
Сравнение средней опытной ширины раскрытия трещин с расчетной показало, что расчет меньше опыта в балках прямоугольной формы поперечного сечения на Ь%, треугольной на 2% и двутавровой на 25$. Причем, более заметные различия имеют образцы е большими процентами армирования. В балках с процентом армирования меньше 1,5 расчетные значения ширины раскрытия трещин близки к опыт ным (отношение &сгс md /&сгс m,o6si Д этжх образцов равно в среднем 1,08). Для балок с процентом армирования больше 1,5 расчет меньше опыта: для всех двутавровых сечений на 12-40$, для средне и переармированных прямоугольных на 16-30$ и для треугольных балок 6 серии на 30$. Следовательно, рекомендуемый СНиПом предельный коэффициент армирования 0,02 недостаточно полно ограничивает расчетную величину CLCZC
В связи с этим был выполнен расчет ширины раскрытия трещин при расчетном предельном коэффициенте армирования, равном 0,015. Результаты расчета приведены на рис. 4.7...4.18 и табл.4.2, Сопоставление средней опытной ширины раскрытия трещин с расчетной в образцах с процентом армирования более 1,5 дает удовлетворительные результаты: для двутавровых и треугольных сечений расчет меньше опыта соответственно на 6$ и 20$, а для прямоугольных сечений расчет больше опыта на 4$.
В среднем по всем образцам при введении нового предельного коэффициента аршрования средние расчетные значения йсгс хорошо согласуются с опытными.
Что касается максимальной ширины раскрытия трещин, то расчет почти во всех случаях превышает опыт. Дело в том, что определяемые по СНиП значения йсгс средние и максимальные различаются в 1,66 раза (при коэффициенте вариации 0,4 отношение ширины раскрытия трещин с обеспеченностью "плюс 1,64 стандарта" к средним значениям составляет величину 1,66). Однако, для наших опытных данных отношение максимальной ширины раскрытия к средней было примерно 1,3. Поэтому при сопоставлении опыта с расчетом целесообразно ориентироваться на величины средней ширины раскрытия трещин.
