Содержание к диссертации
Введение
1, Состояние вопроса и задачи исследованин 10
1.1. Развитие взглядов на преднапряжешше конструкции 10
1.2. Некоторые положения норм проектирования железобетонных конструкций 12
1.3. Исследования и опыт применения конструкций со смешанным армированием 15
1.4. Анализ выполненных работ и задачи исследования 36
2. Мелодика проведения экспериментальных исследований 39
2.1. Конструкция опытных образцов, армирование 39
2.2. Материалы для изготовления опытных панелей 41
2.2.1. Бетон. Прочностные и деформативные характеристики бетона - 41
2.2.2. Арматура. Прочностные и деформативные характеристики арматуры 47
2.3. Изготовление опытных панелей 52
2.3.1. Установка для изготовления панелей 52
2.3.2. Натяжение арматуры и контроль величины предварительного напряжения 55
2.3.3. Бетонирование 65
2.3.4. Передача усилия предварительного натяжения с арматуры на бетон, хранение образцов до их испытания 66
2.3.5. Сроки изготовления и испытания панелей 71
2.4. Испытание опытных образцов 72
2.4.1. Установка для испытания 72
2.4.2. Измерительные приборы и аппаратура, применяемые при проведении испытаний 73
2.4.3. Испытание опытных образцов 81
2.4.4. Геометрические размеры сечений 84
3. Трещиностойкость многопустотных панелей перекрытий со смешанным армированием 85
3.1 Напряженно-деформированное состояние сечений опытных панелей при передаче усилия предва рительного напряжения на бетон 85
3.2. Потери предварительного напряжения 91
3.2.1. Потери от релаксации напряжений 93
3.2.2. Потери от усадки, быстронатекающей ползучести и ползучести бетона во времени 95
3.2.3. Сравнение расчетных и опытных значенхй потерь предварительного напряжекия 101
3.3. Момент образования трещин 108
3.3.1. Анализ экспериментальных данных по моменту образования трещин 108
3.3.2. Сравнение опытных и расчетных значений момента образования трещин 120
3.4, Ширина раскрытия трещин 129
3.4.1. Анализ экспериментальных данных ширины раскрытия трещин 129
3.4.2. Сравнение опытных и расчетных значений ширины раскрытия трещин 151
Выводы по 3 главе 164
4. Прочность многопустотных панелей перекрытий со смешанным армироввнием 168
4.1. Анализ экспериментальных данных по прочности опытных образцов 168
4,1,1, Характер разрушения 168
4.1,2» Деформации бетона сжатой зоны.Прогибы 169
4.1.3. Напряжения в рабочей арматуре 178
4.2. Совместная работа напрягаемой и ненапрягаемой арматуры 187
4.2.1. Стадия изготовления 187
4.2.2. Стадия эксплуатации и разрушения 188
4.3. Сравнение расчетных и опытных значений разруша ющих моментов 192
Выводы по 4 главе 199
5. Многопустотных перекрытий со актированием 202
5.1. Конструкции опытных панелей 202
5.2. Технология изготовления 207
5.3. Испытание опытных панелей 214
5.4. Результаты испытании 221
5.4.1. Момент образованил трещин 221
5.4.2. Ширина раскрытия трещин 224
5.4.3. Прочность 231
5.5. Экономическая эффективность ирименения много
пустотных панелей перекрытий со смешанным ар
мированием 235
Выводы по 5 главе 238
Заключение 240
Список использованной лотературы
- Исследования и опыт применения конструкций со смешанным армированием
- Передача усилия предварительного натяжения с арматуры на бетон, хранение образцов до их испытания
- Потери предварительного напряжения
- Совместная работа напрягаемой и ненапрягаемой арматуры
Исследования и опыт применения конструкций со смешанным армированием
Действующие в настоящее время в СССР нормы СНиП II-2I-75 / 82 / распространяются на проектирование обычных железобетонных конструкций, предварительно напряженных с рабочей полностью напрягаемой арматурой, а также на конструкции со смешанной напрягаемой и ненапрягаемой ардатурой. Дяя расчета предварительно-напряженных конструкций, армированных сталями различных видов, используется метод предельных состояний.
Разделение требований к трещиностойкости железобетонных конструкций на категории было впервые введено в "Инструкцию по проектированию предварительно-нацряженных конструкций" (СН 10-57) / 40 /.
В этой инструкции требования к трещиностойкости в зависимости от назначения конструкции, условий ее эксплуатации и чувствительности арматуры к агрессивным воздействиям были отнесены к различным категориям.
Такие же категории требований к трещиностойкости с некоторыми изменениями были сохранены и в нормах проектирования железобетонных конструкций 1962 года / 80 /, впервые объединивших предписания, относящиеся к обычным и преднапряженным конструкциям.
При разработке рекомендаций ФШ-ЕКБ, под влиянием принятых в СССР требований к трещиностойкости, в них были введены классы проверок трещиностойкости.
- ІЗ Всего введены четыре класса, при описании требуемых для них проверок ограничимся случаем неагрессивной среды.
I класс - при действии всех характеристических нагрузок не должно быть превышено предельное состояние погашения обжатия;
2-й класс - цри действии всех характеристических нагрузок не должно быть превышено предельное состояние образования трещин, а при действии постоянных и длительных нагрузок - предельное состояние погашения обжатия;
3-й класс - при действии всех характеристических нагрузок не должно быть превышено предельное состояние раскрытия трещин, а при действии постоянных и длительных нагрузок - предельное состояние образования трещин (или, возможно, погашения обжатия);
4-й класс - при действии всех характеристических нагрузок ширина трещин ограничивается только эстетическими требованиями, а при действии постоянных и длительных нагрузок не должно быть превышено предельное состояние раскрытия трещин,
При разработке новых норм, категории требований к трещино-стойкости, принятые в нормах 1962 года, были критически пересмотрены, сопоставлены с классами требований ШІЇ-ЕКБ и в результате проведенной работы изменены.
В действующих в настоящее время нормах (ЖиП П-21-75 к тре-щиностойкости конструкций или их частей предъявляются требования трех различных категорий, относящихся к нормальным и наклонным к продольной оси элемента трещинам, в зависимости от условий эксплуатации конструкций и коррозионной стойкости (вида) применяемой арматуры.
При требованиях I категории трещиностойкости в конструкции не допускается образование трещин, но растягивающие напряжения в определенных пределах могут возникать.
При требованиях П категории трещиностойкости в конструкции допускается кратковременное раскрытие ограниченных по ширине трещин, при условии, что будет обеспечено их последующее надежное закрытие (зажатие). Допускаемая ширина кратковременного раскрытия трещин в зависимости от условия работы конструкции и вида арматуры составляет О,05...О,15 мм.
При требованиях Ш категории трещиностойкости в конструкции допускается кратковременное и длительное раскрытие ограниченных по ширине трещин. В зависимости от условий работы конструкции и вида арматуры ширина кратковременного раскрытия трещин не должна превышать 0,15...0,4 мм, а длительного - 0,1...0,3 мм.
Категории требований к трещиностойкости относятся ко всем железобетонным конструкциям - цредварительно напряженным и обычным, и предъявляются на всех стадиях их работы (изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатации).
Следует особо подчеркнуть, что к разным частям одной и той же конструкции могут цредъявляться требования различных категорий трещиностойкости, и классифицируются не требования к конструкции в целом, а к трещиностойкости их частей.
При расчете конструкций по пригодности к нормальной эксплуатации (по предельным состояниям 2 группы) особым образом производится учет действующих нагрузок /81,82 /.
Изложенные выше некоторые положения Советских норм проектирования железобетонных конструкций, учитывающие особенности работы как предварительно-напряженной, так и обычной арматуры, основаны на многочисленных исследованиях, выполненных в нашей стране, и проверены практикой проектирования и эксплуатации конструкций. На некоторые исследования даны ссылки в работах: С.А.Дмитриева / 33 /, А.А.Гвоздева и др. / 66 /. Исследования и опыт применения конструкций со смешанным армированием
Использование частичного преднапряжения в железобетонных конструкциях, при котором, в отличие от так называемого "полного преднапряжения, допускается иметь в цреднапряженных конструкциях (в стадии эксплуатации) трещины ограниченного раскрытия, закрывающиеся при определенном уровне нагружения, а также применять в элементах конструкций одновременно с нацрягаемой арматурой обычную арматуру, привлекает в последние годы пристальное внимание советских и зарубежных исследователей и специалистов, работающих в этой отрасли. Основной причиной такой заинтересованности являются открывающиеся возможности снижения расхода стали, и улучшение некоторых характеристик преднацряженных конструкций.
Передача усилия предварительного натяжения с арматуры на бетон, хранение образцов до их испытания
Целью испытания было изучить работу железобетонных балок с частичным преднапряжением на изгиб. Балки загружались ддумя сосредоточенными силами так, что участок между ними длиной 30 см находился в условиях чистого изгиба. При изучении работы балок по нормальным сечениям основной задачей являлось исследование влияния толщины защитного слоя, а также числа и диаметра ненапрягаемых стержней на ширину раскрытия трещин.
Исследования показали, что максимальная ширина раскрытия трещин црямо пропорциональна отношению: .величины действующего момента к разрушающему (предельному) моменту (М/Мu ) На эту зависимость оказывает влияние как диаметр стержней, так и их количество.
В балках с одинаковым армированием раскрытие трещин, соответствующее определенному уровню напряжений, на уровне арматуры растет с увеличением защитного слоя бетона.
В Японии также исследовалось влияние ненапрягаемой арматуры на работу балок с преднапряженной арматурой, не имеющей сцепления с бетоном при кратковременном и длительном нагруже-нии / 120 /
Результаты испытания показывают, что предельная прочность цреднапряженных балок без сцепления, но с ненапрягаемой арматурой в количестве большем 2 10 выше, чем в таких же цреднапряженных балках со сцеплением, но без ненапрягаемой арматуры независимо от принятого уровня преднацряжения. Измеренные напряжения в цреднапряженных стержнях без сцепления с бетоном перед разрушением балок уменьшаются с увеличением количества не-напрягаемых стержней.
Конструкции с цреднапряженной арматурой, не имеющей сцепления с бетоном, но при наличии ненапрягаемой арматуры, могут выгодно использоваться при требованиях, предъявляемых к цред-напряженным элементах Ш класса по нормам ЕКБ-ФШ.
В ряде работ японских исследователей большое внимание уделяется изучению работы различных конструкций на нагрузки типа сейсмических, В частности, в Дії,114/ приводятся результаты, полученные на основе исследовании, выполнявшихся по разным программам и имевших целью изучение поведения частично преднапряженных конструкций при внешних воздействиях, имитирующих сейсмическое загружение.
Біли получены данные о том, что балки класса Ш обладают большей податливостью и соответственно лучше поглощают энергию чем балки класса I той же прочности. Основной результат этих исследований состоит в том, что отсутствие сцепления напрягаемой арматуры с бетоном в частично преднапряженных конструкциях не оказывает существенного влияния на их работу при знакопеременном циклическом загружении. Отмечается более высокая эффективность смешанного армирования при знакопеременном циклическом нагружении по сравнению с полностью преднапряженными железобетонными элементами той же конструкции,
Большое количвство: .работ, связанных с изучением частично преднапряженных конструкций были проведены в гмынии /99,123/,
В румынских нормах, также как и в советских, предусмотрены три категории требований по трещиностойкости. Для проверки положений румынских норм по ширине раскрытия трещин в лаборатории Бухарестского политехнического института были выполнены теоретические и экспериментальные исследования частично преднапряженных элементов с высокопрочной арматурой / 99 /, Было испытано 28 балок прямоугольного и таврового jсечений пролетом 4,7 м.
Экспериментальные данные по ширине раскрытия трещин сравнивались с теоретическими, полученными по румынским и советским нормам, рекомендациям ЕКБ-ШП и по зависимостям, предложенным авторами, На основании проведенных исследований были сделаны следующие основные выводы: - момент образования трещин пропорционален уровню предварительного напряжения; - расчет по раскрытию трещин по предложениям авторов и рекомендациям ФШІ-ЖБ дает близкие результаты: экспериментальные величины расходятся с теоретическими до 2-3 ; румынские нормы также дают приемлемые результаты, но расхождение с опытными данными достигает 6$; расчет по рекомендациям советских норм дают большие отклонения,
В работе Г.Сандулеску рассматривается целесообразность использования частичного цреднапряжения в конструкциях зданий и инженерных сооружений / 123 /. Приводятся в общей постановке области применения полного и частичного цреднапряжения. Отмечаются следующие преимущества частичного цреднапряжения: - возможность общего снижения расхода высокопрочной стали и бетона благодаря уменьшению усилия обжатия; - возможность целесообразного снижения марки бетона; - возможность уменьшения расхода стали путем обрыва арматуры по эпюре моментов; - уменьшение технологической энергоемкости путем снижения передаточной прочности бетона; - большие возможности оптимизации конструктивных решений с учетом их специфики»
Потери предварительного напряжения
Релаксация или уменьшение напряжений во времени наблюдается в напрягаемой арматуре при неизменной величине деформаций. В наших экспериментах измерить потери преднапряжения от релаксации напряжений в чистом виде не представилось возможным. По этой причине, оценка потерь предварительного напряжения от релаксации производилась по существующим экспериментально-теоретическим зависимостям.
Исследованию явления релаксации напряжении высокопрочной арматурной стали посвящен рад работ / 44,47,49,52,53,60,61,62,68/. Установлено, что релаксация напряжений зависит не только от величины предварительного напряжения, но и от механических характеристик исходной арматуры, химического состава и структуры, температуры, технологии изготовления конструкций и условий их дальнейшей эксплуатации, времени, прошедшего с момента натяжения. Следует отметить, что релаксация напряжений в арматурной стали изменяется в широких пределах. Даже для одного класса и марки стали опытные значения потерь при прочих равных условиях проведения опыта могут отличаться от средних на 20-30 и более.
В СНйП П-21-75 рекомендуется определять потери преднапряже-ния от релаксации напряжений при механическом способе натяжения высокопрочной стержневой арматуры по формуле: 6,1= 0.1-бо-20, МПа. (3.1) Эти потери считаются предельными и достигаются за І05 часов. В наших экспериментах продолжительность испытаний была намного меньше. При проведении экспериментальных работ были определены все механические характеристики исходной арматурной стали, а также фиксировалось время с момента натяжения арматуры до испытания опытных панелей. Поэтому наряду с потерями от релаксации напряжений, подсчитанными по формуле СНиП П-21-75, были определены потери по формуле, предложенной в работах / 49,52,53 /«учи тывающей большинство факторов, влияющих на релаксацию напряжений: i б, %«=10.a(- r].(5 + tgt).Mna, ((32) где 0 - начальное контролируемое напряжение; &0j? условный предел текучести исходной арматуры (в состоянии поставки); "t - время в часах от начала натяжения стержней до испытания конструкции.
Сравнение потерь от релаксации напряжений, определенных по СНиП П-21-75 (формула 3.1) и по формуле (3.2) приведено в табл. 3.1.
Из анализа формул (3.1) и (3.2), а также сравнительных данных, приведенных в табл.3.1 можно отметить следующее. Увеличение условного предела текучести исходной арматуры ( б2 ) приводит к уменьшению отношения р. , и при прочих равных условиях к уменьшению потерь, опредеГейшх по формуле (3.2), не влияя на потери, определяемые по формуле (3.1). Это приводит к.увеличению отношения б /б . Так для панелей с напрягаемой арматурой диаметром 14 мм, имеющей условный предел текучести 834...971 МПа отношение б т /б4н в среднем составляет 1,22; для панелей с арматурой диаметром 10 мм, для которой условный предел текучести составляет 995...1040 МПа это отношение увеличивается в среднем до 1,39; для панелей с арматурой диаметром 12 мм и условным пре - 95 делом текучести I055...1I55 МПа оно увеличивается в среднем до 1,67.
С другой стороны увеличение предварительного напряжения ( б0) и времени изготовления и испытания опытных панелей ( t ) приводит к увеличению потерь преднапряжения от релаксации напряжений, определенных по формуле (3.2.). Причем увеличение б в большей степени влияет на увеличение потерь,определенных по формуле (3.2)лем по формуле (3.1). Это приводит к уменьшению отношения б т / бл» Так для панелей с напрягаемой арматурой диаметром 12 мм, имеющей примерно одинаковое значение условного предела текучести ( бїї \ увеличение времени изготовления и испытания панелей с 408 до 2064 часов и величины предварительного напряжения с 543 до 635 МПа приводит к увеличению отношения б / блі ОТ 1,55 до 1,76; в панелях с арматурой диаметром 14 мм при увеличении времени изготовления и испытания с 1128 до 1536 часов и преднапряжения с 394 до 547 МПа это отношение увеличивается с 1,03 до 1,38; для панелей с арматурой диаметром 10 мм при времени изготовления и испытания,увеличивающемся с 384 до 432 часов, а величины преднапряжения с 657 до 671 МПа,оно увеличивается с 1,32 до 1,47.
Совместная работа напрягаемой и ненапрягаемой арматуры
В панелях ПС-25А-1, ПС-25Б-1, ПС-ЗЗА-1, ПС-ЗЗБ-1, Ш-50А, ПС-50Б произошел разрыв одного или двух напрягаемых стержней. В панелях 1ША-1, ППБ-1, ША, ГЕБ разрыва арматуры не наблюдалось, Разрывов ненацрягаемой арматуры ни в одной из испытанных панелей также не наблюдалось.
Следует отметить, что за несколько этапов до разрушения панелей вдоль оси напрягаемой и ненапрягаемой арматуры появлялись продольные трещины. В момент, предшествующий разрушению в опытных панелях, наблюдались зияющие нормальные трещины со значительной шириной раскрытия, достигающей 5 мм.
Заслуживает внимания то обстоятельство, что разрушение панелей со смешанным армированием носило более пластичный характер, чем "чисто" преднапряженных панелей. Таким образом, применение смешанного армирования в многопустотных панелях перекрытии исключает возможность внезапного (хрупкого) разрушения (в том случае, если вероятна его реализация), что является одной из положительных особенностей таких конструкций.
Шногими исследователями показано, что предельная деформа-тивнолть бетона зависит от целого ряда факторов, в том числе, от длительности действия нагрузки, вида загружения, от вдда цемента и заполнителей, марки бетона, формы сечения и вида конструкции и других, и во многих случаях не может быть стабильной. Анализ предложений различных авторов показывает, что предельные деформации бетона сжатой зоны при изгибе колеблются в пределах (2 0..,4,0).1(Г3,
Деформации бетона сжатой зоны в испытанных панелях (измеренные при помощи рычажных тензометров на базе 200 мм) до образования трещин распределяются равномерно, как по длине зоны чистого изгиба, так и по ширине панелей. После образования трещин равномерность распределения деформаций по длине зоны чистого изгиба нарушается, намечаются участки возмокного разрушения. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к быстрому росту деформаций бетона на этих участках. Максимальные деформации бетона сжатой зоны, которые наблюдались в момент разрушения опытных панелей, принимались за предельные.
В описываемых экспериментах предельные деформации бетона сжатой грани при изгибе дая "чисто" преднапряженных панелей составили 3,0...3,3.Ю-3, деформации бетона сжатой грани при эксплуатационной нагрузке (0,57 Мр") составили О,4...О,6.Ю"3; для панелей со смешанным армированием составили соответственно 3,5...4.3.ИГ3 и 0,6...0,8.10R5 для панелей без предварительного напряжения соответственно 4,0...4,5.I0 d и 1,2...1,4«Ю"Ч. Отметим, чте по мере перехода о4 "чисто5 преднапряженных панелей к панелям бео предварительаоот напряжения происходит увеличенйе кап предельных дедорраций ногонн сжатой грании так и деформацие при эксплуатационной нагрузкто
При нагрузкен близкой к разрушающей (0,8...0,95 Uf ) нарушается равномерностб распрекеления деформаций бетона сжатой груши и по ширине панелей. На распредедение деформаций аетона йжаной зоны по ширинн панелеа, на наш взгляд, фогут иказывать влиянйе такие фактиры пак распределение глержней-по ширинв панвлей; характеристики отдельных напрягаемых и ненапрягаемых неержнеле используемых и одной панели, равномернонен и уровенх натяжения итдольных ыхержней напрягаемой арматуры и др.
Прогибы опытных панелей измерялись прогибомерами Мокина с ценой деления 0,01 им. Графики изменения прогибов в зависимости от изгибающего момента для характерных опытных панелей приведены на РИС.4.1,-4.5.
Анализ этих кривых показывает, что до образования трещин приращения прогибов практически не зависят от уровня обжатия и количества ненапрягаемой арглатуры и близки к деформациям упруго работающего элемента. С появлением трещин изменение прогиба в опытных панелях зависит от величины предварительного напряжения и количества ненапрягаемой арматуры и может меняться в широких пределах.
В панелях без предварительного напряжения образование трещин, как уже отмечалось, носит внезапный характер, оораззвание сразу нескольких трещин, а также развитие их на значительную часть высоты сечения, приводит к резкому скачку прогиба (см.рис. 4.5.).
В "чисто" преднапряженных панелях и панелях со смешанным армированием, благодаря действию предварительного напряжения, образование и развитие трещин происходит плавно и поэтому после появления трещин резкого скачка прогиба панелей не происходит, Рост прогиба носит плавный характер (см.рис.4.1,-4.4.).
На рис.4.6. приведена зависимость прогибов опытных панелей от параметра ot при эксплуатационной нагрузке, составляющей 0,57 МрП . Как видн0 из этого графика по мере перехода от "чисто" преднапряженных панелей к панелям со смтшанным армированием, а от них к панелям без предварительного напряжения величина прогиба увеличивается. С увеличением процентного содержания ненапрягаемой арматуры в панелях со смешанным армированием также наблюдается увеличение прогиба.