Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса и задачи исследования ... 7
1.1. Работа железобетонных элементов при дей -ствии поперечных сил и основные формы разрушения 7
1.2. Особенности работы железобетонных элементов при действии поперечных сил, связанные с двузначной эпюрой изгибающих моментов 9
1.3. Существующие экспериментальные исследования работы железобетонных элементов с двузначной эпюрой моментов 16
1.4. Расчет железобетонных элементов при действии поперечных сил 21
1.5. Задачи исследования 24
Глава 2. Программа экспериментальных исследований, методика испытаний 27
2,1. Объем эксперимента и характеристики опытных образцов 27
2.2 Изготовление опытных образцов 35
2.3. Физико механические характеристики бетона и арматуры 39
2.4. Методика испытаний балок 41
2.5. Измерение деформаций 44
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований 47
3.1. Образование трещин, характер их развития и формы разрушения на участке с двузначной эпюрой изгибающих моментов 47
3.1.1. Балки с поперечной арматурой 47
3.1.2. Балки без поперечной арматуры 53
3.2. Напряженно-деформированное состояние арматуры и бетона 66
3.2.1. Напряженно-деформированное состояние стержней продольной арматуры. Балки с хомутами 66
3.2.2. Деформации поперечной арматуры 71
3.2.3. Деформированное состояние бетона в балках с поперечным армированием . 86
3.2.4. Особенности напряженно-деформирован -ного состояния продольной арматуры балок без поперечного армирования 94
3.2.5. Деформированное состояние бетона балок без поперечного армирования Ю5
3.2.6. Усилия в продольной и поперечной арматуре в стадии, близкой к разрушению балок 111
3.3. Усилия в балках при трещинообразовании и разрушении 123
3.4. Общие особенности работы элементов с двузначной эпюрой изгибающих моментов при разрушении по наклонным сечениям 138
Глава 4. Разработка методов расчета прочности железобетонных элементов по наклонным сечениям для элементов с двузначной эпюрой изгибающих моментов 148
4.1. Дальнейшее развитие методов расчета прочности железобетонных балок при действии поперечных сил для характерных форм разрушения ., 149
4.1.1. Расчет прочности балок с поперечным армированием по наклонной трещине, расположенной в пределах зоны действия моментов одного знака (первая форма разрушения) 149
4.1.2. Расчет прочности по сжатой наклонной полосе, расположенной между грузом и опорой (вторая форма разрушения ) 156
4.1.3. Расчет прочности балок по диагональной наклонной трещине (третья форма разрушения ) 111
4.1.4. Особенности расчета балок без попереч- ного армирования 194
4.1.5. Общая система расчетов 195
4.2. Предложения по усовершенствованрго метода расчета прочности железобетонных элементов, принятого в СНиП П*21-75 200
4.2.1. Сравнение результатов расчета по главе СНиП П-І2І-75 с опытными данными 20
4.2.2. Предложения по внесению корректив в метод расчета СНиП П-*21-75 212
Выводы по главе 4 2*&
Общие выводы 221
Литература 225
Приложение i 236
- Особенности работы железобетонных элементов при действии поперечных сил, связанные с двузначной эпюрой изгибающих моментов
- Физико механические характеристики бетона и арматуры
- Напряженно-деформированное состояние арматуры и бетона
- Предложения по усовершенствованрго метода расчета прочности железобетонных элементов, принятого в СНиП П*21-75
Введение к работе
Основными направлениями развития народного хозяйства СССР предусматривается дальнейшее совершенствование, увеличение объема и расширение области применения железобетонных конструкций.
Надежность, экономичность и металлоемкость конструкций во многом определяются совершенством методов расчета используемых при их проектировании.
Одним из основных расчетов при проектировании железобетонных элементов является расчет на действие поперечных сил, определяющий размеры поперечного сечения и количество арматуры элемента.
Используемая в настоящее время методика расчета железо -бетонных элементов по прочности наклонных сечений, принятая в СНиП П-2І-75 не в полной мере отражает работу конструкции при действии поперечных сил, не учитывая в явном виде многих важ -ных факторов. Фактором, влияние которого на характер работы элемента и его несущу© способность по наклонным сечениям остается мало изученным и не учитывается в расчетах, является характер распределения (эпюры) изгибающих моментов по длине участка с постоянной поперечной силой.
Между тем в практике строительства широко распространены элементы у которых на участке с постоянной по величине и по знаку поперечной силой могут действовать разные по величине и по знаку изгибающие моменты. Такие элементы охватывают широкий класс конструкций, куда входят неразрезные, консольные и за щемленные балки, перемычки зданий, колонн, балок, рамные конструкции и т.д.
В настоящей диссертационной работе проведены эксперимент теоретические исследования элементов с двузначной эпюрой изгибающих моментов для выявления особенностей в работе таких элементов в сравнении с обычными.
В основе экспериментальных данных были сделаны предложения по усовершенствованию методики расчета железобетонных элементов по прочности наклонных сечений, принятой в СНиП 11-21-75. В рамках развития новых методов оценки несущей способности элементов при действии поперечных сил, разрабатываемых в Центральной лаборатории теории железобетона НИИІБ, предложены практические методы расчета элементов с двузначной эпюрой изгибающих моментов, которые более правильно отражают работу элементов, дают лучшее приближение к опытным данным и позволяют повысить их надежность, а в некоторых случаях - экономичность.
Работа выполнена в Центральной лаборатории теории железобетона НИМБ в 1978-1981 годах под руководством заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, доктора технических наук, про -фессора А.А.ГВОЗДЕВА при научной консультации доктора техни -ческих наук, старшего научного сотрудника А.С.ЗАЛЕСОВА,
АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:
а) Результаты выполненного экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния арматуры и бетона и несущей способности элементов с двузначной и однозначной эпюрами изгибающих моментов с поперечным армированием и без не го ;
б) разработанные методы расчета элементов с двузначной эпюрой изгибающих моментов на действие поперечных сил;
в) предложенные коррективы в методику расчета железобе тонных элементов» принятую в СНиП П-2І-75.
НАУЧНУЮ НОВИЗНУ РАБОТЫ СОСТАВЛЯЮТ:
а) выявленные в результате экспериментов особенности в работе и характерные формы разрушения элементов с двузначной эпюрой изгибающих моментов;
б) полученные данные о влиянии на образование, форму разрушения, напряженно-деформированное состояние бетона и арматуры» несущую способность относительной длины участка с О, двузначной эпюрой моментов j- и относительной величины По изгибающего момента 4 ;
в) основные особенности напряженно-деформированного состояния арматуры и бетона элементов, связанные с двузначной эпюрой изгибающих моментов;
г) практические методы расчета прочности элементов с двузначной эпюрой моментов на действие поперечных сил.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ заключается в том, что предложенные методы расчета прочности железобетонных элементов но наклонным сечениям дают возможность повысить надежность, а в некоторых случаях - экономичность конструкций»
Предложения по совершенствованию метода расчета железобетонных элементов на действие поперечных сил, принятого в нормах, включены в проект новой редакции СНиП П-2І.
Кроме того, результаты проведенных исследований были использованы институтами, зданий при проектировании многоэтажного здания из монолитного железобетона с объемными блоками в г. Сочи,
Особенности работы железобетонных элементов при действии поперечных сил, связанные с двузначной эпюрой изгибающих моментов
До настоящего времени экспериментальная часть исследований, на основании которых разрабатывались большинство существующих методов расчета прочности железобетонных элементов по наклонным сечениям, в основном, проводилась на образцах, имеющих расчетные схемы в виде однопролетных свободноопертых балок или консолей со сосредоточенными нагрузками, т.е. на элементах с однозначной треугольной эпюрой изгибающих моментов в зоне действия поперечной силы Сопротивления действию поперечных сил элементов с дву -значной эпюрой изгибающих моментов остается пока не достаточ но изученным. Такие конструкции широко распространены в практике строительства; это: неразрезные балки и консольные балки, двухветвевых колонн, перемычки зданий, ригели и колонны рам и т.п., (рис.1.2). В отличие от элементов с однозначной треугольной эпюрой изгибающих моментов в зоне действия поперечной силы, для которых всегда существует определенное соотношение между максимальным моментом М , поперечной силой Q. на участке между опорой h и грузом и длиной этого участка ее : у- = а , в элементах с двузначной эпюрой моментов яти два фактора С — и & ), от комі торых во многом зависит сопротивление элемента по наклонным сечениям, не совпадают. При одинаковом расстоянии между опорой и N грузом а. , соотношение тгт- может меняться, (рис І.За), при м ци0 одинаковом - , расстояние, d между опорой и грузом также мо жет быть различным, (рис. 1.36). Кроме того, в статически неоп М ределимых конструкциях соотношение -г- может изменяться и в процессе перераспределения усилий, (рис 1.3 в). Предварительный анализ существующих опытных данных показал, что наличие двузначной эпюры изгибающих моментов, различное соотношение между величинами Мий при одинаковом расстоянии между опорой и грузом а при некоторых обстоятельствах существенно влияют на характер работы элемента.
Очевидно, что общее напряженное состояние элемента бетона и арматуры на участке между опорой и грузом при двузначной эпюре моментов будет существенно отличаться от напряженного состояния элемента с однозначной эпюрой моментов. Это связано с тем, что в двух этих случаях внешние усилия по разному действуют на участок между опорой и грузом Рассмотрим элементы с однозначной и двузначной эпюрами моментов с одинаковым расстоянием между опорой и грузом - л. , (рис. 1.4 а). В случае с однозначной эпюрой моментов при постоянной поперечной силе на участке моменты изменяются от максимального значения под грузом до нуля на опоре. В случае с двузначной эпюрой М при постоянной поперечной силе изгибающие моменты изменяются от максимума под грузом до нуля в нулевой точке мо-ментов в средней части участках, а затем меняют знак и уменьшаются до минимума на опоре. Поэтому в отличие от элемента с однозначной эпюрой моментов , где вся нижняя продольная арматура находится в растяну -той зоне, а верхняя - в сжатой, в элементах с двузначной эпюрой М на участке между опорой и грузом, согласно эпюре М , существуют две растянутые и две сжатые зоны, нижняя арматура от груза до нулевой точки моментов находится в растянутой зоне пролетного момента» а после нулевой точки переходит в сжатую зону опорного момента, верхняя арматура - наоборот. В свою очередь главные площадки напряжений в бетоне на участке между опорой и грузом в элементах с однозначной и двузначной эпюрой М при одинаковых значениях -г будут сориен-тированы по разному. Можно ожидать совпадения напряженного состояния бетона и арматуры элемента с двузначной эпюрой Н на участке от груза до нулевой точки и элемента с однозначной эпюрой М на всем участке между опорой и.грузом при одинаковом для элементов от- ношении угг , (рис. 1.4 б). Однако, во втором случае в отли-чиє от первого, в месте нулевого момента приложна сосредото 1 ченная сила » реакция опоры, влияние которой на напряженное состояние всего участка от опоры до груза возрастает с уменьшением длины участка а ,
Физико механические характеристики бетона и арматуры
Испытания балок производились в силовой раме, состоящей из вертикальных тяг, соединенных с силовым полом, и верхней траверсы. Общий вид установки во время испытания см. рис. 2.4. Схема испытательной установки представлена на рис. 2.5.
Нагрузка на балку создавалась гидравлическим домкратом мощностью 50 т. На консольные балки нагрузка от домкрата передавалась через распределительную траверсу. Для контроля общей величины прилагаемой нагрузки , а также для определения фактических величин реакций опор, параллельно с манометром домкрата были использованы два протарированных динамометри -ческих кольца, устанавливаемые в местах опирання балок. Кроме того, кольца обеспечивали шарнирное опирание балок.
Загружение балок производилось ступенями по 5-10$ от предполагаемой разрушающей нагрузки! Перед образованием трещин и перед разрушением образца величина ступени загрзгжения уменьшалась. Испытание балок продолжалось 3-4 часа. Во время выдержки на каждой ступени нагружения, продолжавшейся около 20 минут, снимались показания приборов, производился визуальный осмотр балки.
На каждом этапе нагружения тушью отмечались траектории трещин и производилось фотографирование балки для того, что -бы впоследствии по фотоснимкам более наглядно проследить последовательность образования и характер развития трещин на ис следуемом участке балки.
До испытания на боковой поверхности балки красной тушью изображалось точное положение продольной арматуры и хомутов. Это позволило определить фактическое количество хомутов, пе -ресекающих наклонные трещины, а также, какие именно сечения хомутов попали в наклонную трещину для определения в них на -пряжений.
В процессе испытания балок для получения данных о дефвр-мированном состоянии образцов производились измерения дефор -маций арматуры и бетона; Измерения производились при помощи тензодатчиков сопротивления, кроме того, деформации продоль -ной арматуры в некоторых сечениях измерялись механическими глубинными тензометрами для дублирования показаний тензодатчиков.
Для измерения деформаций продольной и поперечной арматуры были использованы датчики базой 20 мм, деформаций бетона датчики базой 50 мм. Схема расположения датчиков и тензометров на арматуре и бетоне некоторых балок даны на рис. 2.6,
На продольной арматуре датчики наклеивались по всей длине верхних и нижних стержней в пределах участка между опорой и грузом с интервалом 5 см - вблизи приложения нагрузки и опор, и 10 см - на остальной части участка.
Деформации стержней продольной арматуры в каждом сече нии измерялись на двух противоположных гранях, чтобы иметь информацию не только об осевых деформациях стержней, а также об изгибе их в вертикальной плоскости. По изгибу стержней можно судить о величине нагельных усилий, возникающих в про дольной арматуре у мест пересечения ею наклонных трещин.
На хомутах датчики наклеивались с шагом Ч см, по 5 датчиков по высоте хомута»
Гидроизоляция датчиков, наклеенных на арматуру, производилась нанесением тонкого слоя эпоксидной смолы.
Датчики на бетоне использовались в основном для измере -ния деформаций укорочения бетона. Поэтому схема расположения датчикшв на боковых поверхностях балки выбиралась в зависи -мости от предлагаемой формы разрушения, (рис. 2.6)
Напряженно-деформированное состояние арматуры и бетона
Экспериментальные исследования показали, что характер распределения осевых деформаций по длине продольной арматуры на участке между опорой и грузом, а также соотношение между деформациями верхних и нижних волокон стержневой арматуры характеризующее изгиб стержня, во многом определяется относи тельной длиной участка между опорой и грузом -у и относите.
Эпюры осевых деформаций построены для различных этапов нагружения балок. Как видно из графиков, во всех балках на начальных этапах нагружения стержни деформируются строго следуя эпюре изгибающих моментов. Верхний стержень от груза до нулевой отметки точки эпюры моментов - сжат, от нулевой точки эпюры моментов до опоры - растянут, нижний стержень - наоборот. Далее, с воз растаннен нагрузки, после образования нормальных и наклонных трещин происходит распространение деформаций удлинения стержней за нулевую точку на участок моментов другого знака, одновременно зона деформаций укорочения сокращается, т.е. усилия по длине арматуры перераспределяются» Степень перераспределения деформаций по длине арматуры к стадии разрушения зависила от относительного расстояния -ч-между опорой и грузом ;
В балках с большим расстоянием между опорой и грузом -r-"f равном 5,33, тгг = 2,67 (F-I-їа, б), деформации удлинения рас цій проетранялись за нулевую точку эпюры моментов только на часть соседней зоны моментов другого знака (рис13.8) В сечениях с максимальными моментами под грузом и над опорой перед разрушением элемента продольная арматура в сжатых зонах испытывала значительное сжатие - осевые деформации укорочения достигали величин 1-1,4) что соответствует напряжениям сжатия 200-280 Ша. Максимальные осевые деформации удлинения арматуры в растянутой зоне в сечениях под грузом и над опорой достигали перед разрушением величин 2«2,2& ко торые были -;близки деформациям, соответствующим пределу текучести Ат т 2 02% В местах пересечения арматурой основной наклонной трещины (сечения Л, УП, рис# 3.8.) осевые относительные деформации удлинения арматуры перед разрушением достигали значений ІД5-1,4 что соответствует напряжениям 230-280 Юа.
Следует отметить, что распределение деформаций продольной арматуры балки Б-1-Іа (рис.3.8) в пределах зоны моментов одного знака мало отличалось по характеру и по величине от распределения деформаций верхнего и нижнего стержней арматуры в пределах всего участка между опорой и грузом обычной балки Б-П 1а (рис. 3.14 а); имеющей такое же соотношение м -р— = 2,67 и расстояние между опорой и грузом; равное рас стояние от опоры (груза) до нулевой точки эпюры моментов балки Ei»Ifeia. Некоторая разница существует лищь в деформировании арматуры; расположенной в сжатой зоне; В отличие от арматуры сжатой зоны обычной балки Б-П-Ia, которая была сжата на всей длине от опоры до груза, арматура балки Б-1-Іа была сжата на части участка от опоры до нулевой точки эпюры моментов. Однако важно отметить, что в характерных сечениях элементов - нор -мальном сечении под грузом или над опорой и наклонном! проходящем по основной наклонной трещине, на всех стадиях работы и верхние и нижние стержни арматуры балок Б- 1-Та,б и Б Ш-1а,б имели близкие по величине деформации (рис. 3.16).
С уменьшением расстояния между опорой и грузом перераспределение осевых деформаций по длине арматуры и стадии разрушения проявляется все в большей степени. Зоны растяжения стержней занимают все большую часть длины участка между опорой и грузом-; а зоны сжатия сокращаются; т.е. распределение деформаций все.в меньшей степени соответствует эпюре моментов (рисі а 3.9 и 3.10, балки Б-1 1а,б; Б-І-2 а,б, -г- « 4,0; 2,67). Наколинец, наступает такое положение, когда в стадии1, близкой к разрушению, вся продольная арматура на участке между опорой и грузом оказывается растянутой. Это становится характерным для элементов, разрушающихся по диагональной трещине, балки Б 1-2а,б, Б-1-За, -j- = 2,67; 2,0 (рис. З.ІІ, 3.12)Ї Деформации удлинения распределены по длине участка с двузначной эпюрой момн-тов неравномерно, они максимальны в сечениях с наибольшими моментами, растягивающими арматуру, и минимальны в сечениях с наибольшими моментами обратного знака
Предложения по усовершенствованрго метода расчета прочности железобетонных элементов, принятого в СНиП П*21-75
Сравнивая расчетные и опытные графики, можно видеть, что на первом участке расчетный график близок к опытному; а на втором участке существенно отклоняется от опытного, показывая превышение расчетных значений над опытными, поскольку опытные значения несущей способности с ростом -sr уменьшаются, а рас-четные значения остаются постоянными.
Помимо графиков, отвечающих расчетной прочности но наклонным сечениям, рис, 4,15а 4Щ построены графики, отвечающие расчетной прочности по нормальным сечениям согласно СНиП П-2І-75. Расчетные графики по нормальным сечениям вместе с графиками по наклонным сечениям определяют общую расчетную несущую способность элемента.
Расчетные графики по нормальным сечениям имеют вид кривых, показывающих понижение относительно! величины поперечной силы v рр с ростом -у . При этом для балок с двузначной эпюрой моментов по сравнению с балками с однозначной эпюрой моментов они сдвинуты в зону более высоких значений -г- , по По скольку при двузначной эпюре моментов одной и той же величины поперечной силы соответствует меньшая величина момента, чем при однозначной эпюре моментов, т.е. расчетный график раепо а лагается в зоне больших значений
Рассматривая совместно расчетные графики по наклонным и нормальным сечениям с опытными, можно видеть, что для балок с однозначной эпюрой моментов общая система расчетных графиков достаточно близка к опытной кривой, (рис. 4.2.6) .Здесь зону горизонтального участка расчетного графика по наклонным сечениям, там где расчетные значения по наклонным сечениям превышают опытные, отсекает расчетный график по нормальным сечениям, который приближается к опытному графику. Для балок с двузнач -ной эпюрой моментов, как указывалось выше, расчетный график по нормальным сечениям отодвигается в зону больших значений -у , так что остается значительная рабочая зона горизонталь його участка расчетного графика по наклонным сечениям, где расчетная несущая способность превышает опытную. Это превышение достигает Ш% (рис.4.1). Рассмотрим далее графики для балок .без хомутов (рис. 4.17).
Графики для опытных точек для балок с однозначной и двузначной эпюрами моментов имеют криволинейный характер и располагаются достаточно близко друг от другая При этом опытные двузначной эпюрой М однозрачной эпюрой М графики показывают резкое падение несущей способности с увеличением - в зоне сравнительно небольших значений
