Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса ii задачи исследований 12
1.1. Анализ результатов экспериментальных исследований выносливости железобетонных изгибаемых элементов в зоне действия поперечных сил
1.2. Анализ существующих методов расчета выносливости наклонных сечений железобетонных изгибаемых элементов
1.3. Общие выводы о современном состоянии проблемы. Цель и основные 31
задачи исследований.
2. Экспериментальные исследования усталостного сопротивления железобетонных изгибаемых элементов действию поперечных сил при многократно повторяющихся нагружениях 34
2.1. Опытные образцы и приборы. Методика проведения экспериментальных 34
исследований.
2.2. Характер образования и развития трещин и характер усталостного разрушения 42 в зоне действия поперечных сил
2.3. Деформации в бетоне 61
2.4. Деформации и напряжения в продольной арматуре 72
2.5. Деформации и напряжения в поперечной арматуре 75
2.6. Исследование особенностей напряженно-деформированного состояния 79
железобетонных балок и плоских элементов при многократно повторяющихся нагрузках методом выявления зон концентрации напряжений
2.7. Выводы к главе 2 96
3. Теоретические основы сопротивления железобетонных изгибаемых элементов действию поперечных сил при многократно повторяющихся нагружениях 98
3.1. Классификация железобетонных изгибаемых элементов, воспринимающих поперечные силы при многократно повторяющихся нагружениях
3.2.0сновы усталостного сопротивления бетона и железобетона при нулевом пролете среза
3.2.1. Стадии напряженно-деформированного состояния при многократно 102
повторяющихся нагрузках
3.2.2. Анализ напряженно-деформированного состояния при многократно повторяющихся нагрузках
3.2.3. Модель усталостного сопротивления бетона и железобетона 120
3.3. Основы усталостного сопротивления железобетонных изгибаемых элементов действию поперечных сил прималых пролетах среза 161
3.3.1. Стадии напряженно-деформированного состояния при многократно повторяющихся нагрузках
3.3.2.. Анализ напряженно-деформированного состояния в зоне действия поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках
3.3.3. Модель усталостного сопротивления железобетонных изгибаемых элементов действию поперечных сил при малых пролетах среза
3.3.3.1 Модель усталостного сопротивления и объективная прочность наклонной сжатой полосы
3.3.3.2 Модель усталостного сопротивления и объективная прочность продольной арматуры
3.3.3.3 Модель усталостного сопротивления и объективная прочность сцепления продольной арматуры с бетоном
3.4. Основы усталостного сопротивления железобетонных изгибаемых элементов действию поперечных сил при больших пролетах среза
3.4.1. Стадии напряженно-деформированного состояния при многократно повторяющихся нагрузках
3.4.2. Анализ напряженно-деформированного состояния в зоне действия поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках
3.4.3. Модель усталостного сопротивления железобетонных изгибаемых элементов действию поперечных сил при больших пролетах среза
3.4.3.1 Модель усталостного сопротивления и объективная прочность сжатой зоны 215
3.4.3.2 Модель усталостного сопротивления и объективная прочность продольной арматуры
3.4.3.3 Модель усталостного сопротивления и объективная прочность сцепления продольной арматуры с бетоном
3.5. Основы усталостного сопротивления железобетонных изгибаемых элементов действию поперечных сил при средних пролетах среза
3.5.1. Стадии напряженно-деформированного состояния при многократно повторяющихся нагрузках
3.5.2.. Анализ напряженно-деформированного состояния в зоне действия поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках
3.5.3. Модель усталостного сопротивления железобетонных изгибаемых элементов действию поперечных сил при средних пролетах среза
3.5.3.1 Модель усталостного сопротивления и объективная прочность сжатой зоны 236
3.5.3.2 Модель усталостного сопротивления и объективная прочность продольной арматуры
3.5.3.3 Модель усталостного сопротивления и объективная прочность сцепления продольной арматуры с бетоном
3.6. Выводы к главе 3 243
4. Расчет выносливости железобетонных элементов в зоне действия поперечных сил при различных пролетах среза 245
4.1. Расчет выносливости бетонных и железобетонных элементов при нулевом пролете среза (при местном сжатии)
4.1.1. Оценка напряженного состояния бетонных и железобетонных элементов при местном сжатии при многократно повторяющихся нагрузках
4.1.1.1. Начальные напряжения в бетоне и арматуре 246
4.1.1.2. Дополнительные и текущие (суммарные) напряжения после приложения циклической нагрузки
4.1.2. Коэффициенты асимметрии цикла напряжений в бетоне и арматуре 258
4.1.3. Пределы выносливости бетонных и железобетонных элементов при нулевом пролете среза
4.2. Расчет выносливости железобетонных изгибаемых элементов в зоне действия поперечных сил при малых пролетах среза
4.2.1. Оценка напряженного состояния железобетонных изгибаемых элементов в 265
зоне действия поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках
4.2.1.1 Начальные напряжения в бетоне, в продольной и поперечной арматуре 266
4.2.1.2 Дополнительные и текущие суммарные напряжения после приложения циклической нагрузки
4.2.2. Коэффициенты асимметрии цикла напряжений в бетоне и арматуре 275
4.2.3. Оценка выносливости железобетонных элементов при малых пролетах среза 278
4.2.3.1 Объективная прочность наклонной сжатой полосы 278
4.2.3.2 Объективная прочность продольной арматуры 282
4.2.3.3 Оценка выносливости анкеровки продольной арматуры 288
4.3. Расчет выносливости железобетонных изгибаемых элементов в зоне действия поперечных сил при больших пролетах среза
4.3.1. Оценка напряженного состояния железобетонных изгибаемых элементов в 290 зоне действия поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках
4.3.1.1. Начальные напряжения в бетоне, в продольной и поперечной арматуре 291
4.3.1.2. Дополнительные и текущие (суммарные) напряжения после приложения циклической нагрузки
4.3.2. Коэффициенты асимметрии цикла напряжений в бетоне и арматуре 306
4.3.2.1. Коэффициенты асимметрии цикла напряжений в нормальном сечении 307
с трещиной, проходящем в конце пролета среза
4.3.2.2. Коэффициенты асимметрии цикла напряжений в наклонном сечении 308
4.3.3. Объективная несущая способность наклонного сечения железобетонных элементов при больших пролетах среза
4.3.3.1. Объективная прочность (предел выносливости) сжатой зоны над критической наклонной трещиной
4.3.3.2. Объективная прочность (предел выносливости) продольной арматуры в месте пересечения с критической наклонной трещиной
4.3.3.3 Оценка выносливости анкеровки продольной арматуры 322
4.4. Расчет выносливости железобетонных изгибаемых элементов в зоне действия поперечных сил при средних пролетах среза
4.4.1. Оценка напряженного состояния железобетонных изгибаемых элементов в зоне действия поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках
4.4.1.1. Начальные напряжения в бетоне, в продольной и поперечной арматуре 325
4.4.1.2. Дополнительные и текущие (суммарные) напряжения после приложения циклической нагрузки
4.4.2. Коэффициенты асимметрии цикла напряжений в бетоне и арматуре 333
4.4.2.1. Коэффициенты асимметрии цикла напряжений в нормальном сечении с трещиной, проходящем в конце пролета среза
4.4.2.2. Коэффициенты асимметрии цикла напряжений в наклонном сечении 335
4.4.3. Оценка выносливости наклонного сечения железобетонных элементов при средних пролетах среза
4.4.3.1 Объективная прочность (предел выносливости) сжатой зоны над критической наклонной трещиной
4.4.3.2. Объективная прочность (предел выносливости) продольной арматуры 340
в месте пересечения с критической наклонной трещиной
4.4.3.3 Оценка выносливости анкеровки продольной арматуры 344
4.5. Выводы к главе 4 345
5. Инженерные методы расчета на выносливость железобетонных изгибаемых элементов при действии поперечных сил при различных пролетах среза и их экспериментальная проверка
5.1. Инженерные методы расчета выносливости бетонных и железобетонных элементов при нулевом пролете среза (при местном сжатии)
5.1.1. Расчет по предельным напряжениям 349
5.1.2. Расчет по предельным усилиям 354
5.2.Инженерные методы расчета выносливости железобетонных элементов в зоне действия поперечных сил при малых пролетах среза
5.1.1. Расчет по предельным напряжениям 354
5.1.2. Расчет по предельным усилиям 360
5.3. Инженерные методы расчета выносливости железобетонных элементов в зоне действия поперечных сил при больших пролетах среза
5.3.1. Расчет по предельным напряжениям 361
5.3.2. Расчет по предельным усилиям 367
5.4. Инженерные методы расчета выносливости железобетонных элементов в зоне действия поперечных сил при средних пролетах среза
5.4.1. Расчет по предельным напряжениям 369
5.4.2. Расчет по предельным усилиям 375
5.5. Экспериментальная проверка инженерных методов расчета вьщосливости железобетонных элементов в зоне действия поперечных сил при различных пролетах среза.
5.6. Выводы к главе 5 387
Направление дальнейших исследований 387
Общие выводы 388
Список использованной литературы
- Анализ существующих методов расчета выносливости наклонных сечений железобетонных изгибаемых элементов
- Характер образования и развития трещин и характер усталостного разрушения 42 в зоне действия поперечных сил
- Стадии напряженно-деформированного состояния при многократно повторяющихся нагрузках
- Расчет выносливости железобетонных изгибаемых элементов в зоне действия поперечных сил при малых пролетах среза
Введение к работе
Актуальность темы. Железобетон является основным конструкционным материалом в современном капитальном строительстве. Поэтому повышение его эффективности, надежности и долговечности имеет народнохозяйственное значение. Одним из основных путей решения этих задач является совершенствование методов расчета железобетонных конструкций.
В процессе эксплуатации железобетонные конструкции промышленных, энергетических, гидротехнических, транспортных зданий и сооружений подвергаются воздействию многократно повторяющихся нагрузок. Происхождение, характер, уровень и частота этих нагрузок разнообразны и в ряде случаев они являются основными, определяющими долговечность конструкций. При действии многократно повторяющихся нагрузок напряжения в этих конструкциях изменяется по величине с большой скоростью, а иногда и по знаку, что при определенных условиях может привести к потере несущей способности. При этом в зависимости от параметров внешней нагрузки, из-за усталости бетона и арматуры разрушение конструкций наступает при напряжениях, значительно меньше статически разрушающих. В настоящее время, с одной стороны увеличение мощностей станков, машин и оборудования, гидроагрегатов, паротурбогенераторов, центрифуг и т.д. ведет к увеличению интенсивности и частоты циклического нагружения, а применение высокопрочных бетонов и арматуры ведет к уменьшению веса конструкций и как следствие к уменьшению коэффициентов асимметрии цикла внешней нагрузки, а с другой стороны, применение высокопрочных и менее пластичных бетонов и арматуры, а также периодический профиль арматуры снижают их относительные пределы выносливости и повышают чувствительность железобетонных конструкций к циклическим нагрузкам. Все это требует точной оценки их усталостной прочности, определения и назначения пределов выносливости железобетонных конструкций.
Одной из специфических задач при проектировании зданий и сооружений из железобетона, в процессе эксплуатации которых необходимо учитывать влияние динамических нагрузок, является расчет на выносливость при действии поперечных сил. В железобетонных конструкциях разрушение в зоне совместного действия изгибающего момента и поперечных сил происходит по наклонному сечению, проходящему по критической наклонной трещине. В этой связи в отечественной теории железобетона, для удобства, термин «расчет железобетонных конструкций на совместное действие изгибающего момента и поперечных сил», по аналогии с термином «расчет по нормальному сечению», для обычных балок заменен на условный термин «расчет железобетонных конструкций по наклонному сечению». С уменьшением относительного расстояния между опорой и грузом (пролета среза) разрушение происходит уже не по наклонному сечению, а по наклонной полосе между опорой и грузом, особенно когда пролет среза приближается к нулю. Поэтому применение термина «расчет по наклонному сечению» в этих случаях является не совсем корректным и сужает круг рассматриваемых задач. Поэтому в работе применяется термин «усталостное сопротивление или усталостная прочность при действии поперечных сил», что полнее охватывает круг рассматриваемых задач. Тем более, благодаря работам А.С.Залесова и Ю.А.Климова, этот термин «сопротивление или прочность при действии поперечных сил» широко применяется в теории железобетона при расчете прочности, трещиностойкости и деформа-тивности железобетонных конструкций при статической нагрузке.
В действующих нормах проектирования расчет выносливости при действии поперечных сил производится в предположении упругой работы бетона. Расчет наклонных сечений на выносливость производят из условия, что равнодействующая главных растягивающих напряжений, действующих на уровне центра тяжести приведенного сече-
ния, должна быть полностью воспринята поперечной арматурой при напряжениях в ней, равных расчетному сопротивлению поперечной арматуры Rsw, умноженному на
коэффициенты условий работы ys3 и ys4, а в элементах без поперечной арматуры -бетоном, при напряжениях в нем, равных расчетному сопротивлению бетона Rb, умноженному на коэффициент условий работы уЪ1.
Такой подход к расчету на выносливость находится в противоречии с реальным характером неупругой работы железобетонных элементов и не отражает особенностей поведения железобетонных конструкций в зоне действия поперечных сил при многократно повторяющихся циклических нагружениях; не отражает реального напряженно-деформированного состояния; не учитывают неоднозначность восприятия поперечных сил различными элементами при различных пролетах среза; не учитывают существенные различия в их напряженно-деформированном состоянии, характере образования и развития трещин и усталостного разрушения при различных пролетах среза; не учитывают или учитывают весьма приближенно влияние целого ряда факторов; не в состоянии оценивать выносливость железобетонных конструкций в зоне действия поперечных сил с учетом изменения напряженно-деформированного состояния, прочностных и деформативных свойств материалов, реальных режимов деформирования бетона и арматуры в составе конструкции, что в конечном итоге приводит к значительному расхождению между расчетом и опытом.. По результатам статистической обработки сопоставления результатов расчета по рассмотренной методике с опытными данными усталостных испытаний, проведенных в ГрузНИИЭГС, в Львовском политехническом институте, в Ростовском ИСИ и в Московском ИСИ в 80-х годах прошлого века и в Каз-
ГАСУ в 2005-2007 годы, математическое ожидание составляет Qpac4jQon =0,39, а коэффициент вариации - v = 0,558.
В современных условиях, характеризующихся все возрастающим объемом применения железобетона и необходимостью рационального расходования ресурсов, проблема сопротивления действию поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках, как одна из нерешенных в области теории и практики железобетона, превращается в задачу, имеющую важное научное и народнохозяйственное значение. В связи с этим ощущается острая необходимость в создании методов расчета на выносливость железобетонных изгибаемых элементов при действии поперечных сил, учитывающих режимы реального деформирования бетона и арматуры в составе железобетонного элемента, учитывающие особенности напряженно-деформированного состояния железобетонных изгибаемых элементов в зоне действия поперечных сил при различных пролетах среза и его изменения в процессе циклического нагружения. Эти обстоятельства выдвигают необходимость экспериментального и теоретического исследования усталостного сопротивления железобетонных изгибаемых элементов в зоне действия поперечных сил при различных пролетах среза.
Цель и задачи исследований. Целью работы является усовершенствование и развитие теории усталостного сопротивления и разработка новых методов расчета выносливости железобетонных конструкций при действии поперечных сил с учетом физической нелинейности бетона. В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи:
провести экспериментальные исследования для выявления характера образования и развития усталостных трещин, характера и форм усталостного разрушения, особенностей напряженно-деформированного состояния при многократно повторяющихся нагрузках в зоне действия поперечных сил при различных пролетах среза;
установить основные закономерности усталостного сопротивлении железобетонных
элементов действию поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках;
разработать общие положения и единую концепцию расчета выносливости железобетонных элементов при действии поперечных сил;
разработать физические и расчетные модели усталостного сопротивления железобетонных элементов действию поперечных сил при различных пролетах среза;
- разработать методы расчета выносливости железобетонных конструкций при дейст
вии поперечных сил с учетом одновременного изменения напряженно-
деформированного состояния элементов, прочностных и деформативных свойств и ре
жимов деформирования бетона и арматуры в составе конструкций в процессе цикличе
ского нагружения, базирующиеся на разработанных физических моделях усталостного
сопротивления;
-разработать инженерные методы оценки выносливости железобетонных элементов при действии поперечных сил.
Научную новизну работы представляют:
- методы расчета выносливости железобетонных конструкций при действии попереч
ных сил с учетом одновременного изменения напряженно-деформированного состоя
ния элементов, прочностных и деформативных свойств и режимов деформирования бе
тона и арматуры в составе конструкций в процессе циклического нагружения, бази
рующиеся на разработанных физических моделях усталостного сопротивления;
новые экспериментальные данные о выносливости, о характере образования, развития усталостных трещин при многократно повторяющихся нагрузках, усталостного разрушения бетонных и железобетонных элементов при местном сжатии и железобетонных изгибаемых элементов в зоне действия поперечных сил.
физические модели усталостного сопротивления железобетонных изгибаемых элементов действию поперечных сил при различных пролетах среза;
аналитические уравнения для описания изменений смещений арматуры в заделке при многократно повторяющихся нагрузках и изменений усталостной прочности сцепления арматуры с бетоном и усталостной прочности анкеровки арматуры;
инженерные методы расчета на выносливость железобетонных изгибаемых элементов при действии поперечных сил;
метод определения зон концентрации напряжений в строительных конструкциях, основанный на контроле гистерезисных энергопотерь (теплопотерь) с помощью тепловизора и результаты экспериментальных исследований по определению зон наибольших напряжений железобетонных изгибаемых элементов в зоне действия поперечных сил и при местном сжатии, полученные на этой основе;
Основные положения, выносимые на защиту:
результаты экспериментальных исследований усталостного сопротивления железобетонных элементов действию поперечных сил;
метод определения зон концентрации напряжений в строительных конструкциях, основанный на контроле гистерезисных энергопотерь (теплопотерь) с помощью тепловизора и результаты экспериментальных исследований по определению зон наибольших напряжений железобетонных изгибаемых элементов в зоне действия поперечных сил бетонных и железобетонных элементов при местном сжатии, полученные на этой основе;
физические модели усталостного сопротивления железобетонных изгибаемых элементов действию поперечных сил при различных пролетах среза;
- методы расчета выносливости железобетонных элементов при действии поперечных
сил с учетом одновременного изменения напряженно-деформированного состояния
элементов, прочностных и деформативных свойств и режимов деформирования бетона и арматуры в составе конструкций в процессе циклического нагружения, базирующиеся на разработанных физических моделях усталостного сопротивления;
аналитические уравнения для описания изменений смещений арматуры в заделке при многократно повторяющихся нагружениях и для описания изменений усталостной прочности сцепления арматуры с бетоном и усталостной прочности анкеровки арматуры;
инженерные методы расчета на выносливость железобетонных элементов при действии поперечных сил.
Практическое значение и внедрение результатов.
Практическое значение работы заключается в том, что в результате выполненных исследований разработаны физические модели усталостного сопротивления железобетонных элементов действию поперечных сил и на их основе разработаны методы расчета выносливости железобетонных элементов при действии поперечных сил, позволяющие повысить надежность, а в ряде случаев расчетную несущую способность и за счет этого получить более экономичные конструктивные решения.
Отдельные положения указанных методов расчета включены:
в рекомендации по расчету и проектированию железобетонных конструкций «Рекомендации по расчету и конструированию сборно-монолитных железобетонных элементов стен и перекрытий сооружений АЭС». Москва: МО «Атомэнергопроект». 1988. - 49 с;
в нормативную литературу в виде раздела проекта новых норм по железобетонным конструкциям, касающихся расчетов выносливости наклонных сечений.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлены и обсуждены на научных семинарах кафедры строительных конструкций энергетики МИСИ (Москва, 1985-1988); на Ивановской областной научно-технической конференции (Иваново, 1987, 1988); на Всесоюзном координационном совещании «Повышение надежности энергетических сооружений при динамических воздействиях» (Москва, ВДНХ СССР, 1987); на Всесоюзном координационном совещании «Работа бетона и железобетона с различными видами армирования на выносливость при многократно повторяющихся нагрузках» (Львов, 1987); на XIVT научно-технической конференции МИ-СИ (Москва, 1988); на X Всесоюзной конференции по бетону и железобетону (Казань, 1988); на Украинской республиканской научно-технической конференции: «Совершенствование железобетонных конструкций, работающих на сложные виды деформаций, и их внедрение в строительную практику» (Полтава, 1989); на международной конференции по бетону и железобетону «Инженерные проблемы современного железобетона» (Плес, 1995); на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы формирования структуры, эксплуатационной надежности и долговечности строительных материалов» (Плес, 1996); на Всероссийской конференции «Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции» (Чебоксары, 2001); на научном семинаре общего собрания РААСН «Ресурсо-энергосбережение как мотивация творчества в архитектурно-строительном творчестве» (Казань, 2003); на международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород, 2005); на международной научно-практической конференции «Оценка риска и безопасность строительных конструкций» (Воронеж, 2006); на ежегодных конференциях КИСИ, КГ АСА, КГ АСУ и на республиканских конференциях (Казань, 1983-2009).
Личный вклад автора. Автором самостоятельно сделана постановка задачи, а также разработана программа теоретических и экспериментальных исследований. Проведены все экспериментальные исследования, сделан анализ результатов полученных дан-
ных и выявлены основные закономерности усталостного сопротивления железобетонных элементов действию поперечных сил. Впервые разработан и в экспериментальных исследованиях применен метод определения зон концентрации напряжений в строительных конструкциях, основанный на контроле гистерезисных теплопотерь. Разработана методика расчета выносливости железобетонных изгибаемых элементов при действии поперечных сил с учетом одновременного изменения напряженно-деформированного состояния элементов, прочностных и деформативных свойств и режимов деформирования бетона и арматуры в составе конструкций в процессе циклического нагружения, базирующиеся на разработанных физических моделях усталостного сопротивления действию поперечных сил.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 87 научных статьях (в том числе в журналах по списку ВАК в 15 статьях), в учебном пособии, в рекомендациях по проектированию сборно-монолитных железобетонных конструкций, в патенте на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 416 страницах машинописного текста, включающего 188 рисунков, фотографий и термограмм, список литературы из 416 наименований и приложений.
Анализ существующих методов расчета выносливости наклонных сечений железобетонных изгибаемых элементов
Вместе с тем, несмотря на большое количество проведенных экспериментальных и теоретических исследований сопротивления железобетонных элементов действию поперечных сил при статическом нагружении, количество которых исчисляется тысячами, проблема сопротивления железобетонных элементов действию поперечных при многократно повторяющихся нагружениях остается вне поля зрения ученых, компетентных в особенностях сопротивления железобетонных элементов действию поперечных сил и занимающимися научными исследованиями в этой области.
С другой стороны, как показывает анализ теоретических к экспериментальных исследований выносливости бетона, арматуры и железобетонных конструкций, проблема сопротивления железобетонных элементов действию поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках, также продолжает оставаться вне поля зрения ученых, компетентных в особенностях усталостного сопротивления и выносливости бетона и железобетона и занимающимися научными исследованиями в этой области.
Результаты теоретических к экспериментальных исследовании выносливости и деформативности бетона, арматуры и железобетонных конструкций, проведенных в разные годы, подробно освещены и обобщены в работах А.И.Абашидзе [1-44], Ллесандровского СВ. [5, 6], В.Д.Алтухова [12,13], Ю.М.Баженова [16,313], Т.И.Барановой [17,18], И.К.Белоброва [61,197,198], О.Я.Берга [25-34], В.М.Бондаренко [6,38-44], А.А.Гвоздева [67], Ю.С.Волкова [131,133], Г.М.Городницкого [74], И.М.Грушко [75-77], А.А.Давыдовича [80], Г.К.Евграфова [88,89], А.И.Иванова-Дятлова [114-116], В.П.Каневекого [285], Т.С.Каранфилова [124-133], Н.С.Карпухина [142-147], В.Г.Кваши [200,201], А.И.Кедрова[2/7], А. II. Кириллова [157-173], В.А.Критова [191,305,306], Ф. Е. Клименко [174,175], ИЛ.Корчинского [189], Ю.С.Кулытина [61,196-198], В.В.Левчича [199-201], Р.Л.Маиляна [209,211], Л.Р.Маиляна [207], А.И.Марченко [303,304], Г.Б.Марчюкайтиса [366], И.А.Матарова [214-217], Илизара Т.Мирсаяпова [158-160,162-164,171-173,394,395], К.В.Михайлова [241-243], И.Г.Мишина [244], С.А.Мусатова [248,249], А.Б.Пирадова[273], Г.И.Писанко [26,32], Г.И.Попова [280], И.А.Рохлина [286,290], Ю.В.Самбора [293-295], В.М.Селюкова [299], В.И.Скатынского [303-306], С.М.Скоробогатова [307-312], Б.Г.Скрамтаева [313,314], И.Б.Соколова [357], Г.Б.Тереховой [243,335], Е.А.Троицкого [338,339], Т.Г.Фролова [345], А.В.Харченко [346], Ю.Н.Хромца [26,32], А.БЛОркшы [362,363], П.Абелеса [364], Е.Бреннера [246], Д.Верны [413], О.Графа [246], Р.Каара [392], К.Кеслера [374, 384], Т.Лундина [205], А.Маттока [392], А.Мемеля [393], В.Орнума [412], Б.Пробста [398,399], Б.Слеттера [246], Т.Стелсона [407], Ф.Трайбера [246], Б.Хэтта [246], Т.Чанга [373,574] и др.
Основное внимание исследователей в этих работах уделялось вопросам выносливости и напряженно-деформированного состояния нормального сечения изгибаемых элементов, особенностям деформирования бетона при многократно повторяющихся нагружениях, выносливости бетона и арматуры; а также основным факторам, влияющим на усталостную прочность и деформирование бетона и арматуры при циклическом нагружении, на выносливость нормального сечения, на деформативность и трещиностойкость железобетонных элементов в зоне чистого изгиба. В процессе этих исследований накоплен огромный экспериментальный материал по данным вопросам, предложен ряд практических методов расчета нормальных сечений на выносливость. Предложенные методы расчета отражают многие особенности поведения железобетонных конструкций в зоне чистого изгиба при многократно повторяющихся нагружениях и позволяют оценивать выносливость нормальных сечений, в том числе и с учетом изменения напряженно-деформированного состояния, прочностных и деформативных свойств, реальных режимов деформирования материалов в составе конструкции, а таюке при нестационарных режимах циклического нагружения.
Таким образом, вне ноля зрения исследователей продолжают оставаться проблемы усталостного сопротивления железобетонных элементов действию поперечных сил при многократно повторяющихся нагружениях. Теоретических исследований направленных на получение физических моделей усталостного сопротивления железобетонных изгибаемых элементов действию поперечных сил и методов расчета выносливости на их основе практически нет. Имеющиеся исследования в этой области носят экспериментальный характер и направлены они лишь на уточнение влияния некоторых факторов на выносливость наклонных сечений, содержат лишь конечные результаты о выносливости наклонного сечения и не затрагивают особенностей напряженно-деформированного состояния, процессов, характера и форм усталостного разрушения железобетонных элементов в зоне действия поперечных сил.
Исследования выносливости наклонного сечения железобетонных изгибаемых элементов при многократно повторяющихся нагружениях немногочисленны и носят в основном экспериментальный характер.
В [374] приводятся результаты испытаний 33 железобетонных балок с размерами 102x152x1626мм и процентом армирования 1,86% и 2,89%. Балки армированы только продольной арматурой с crsy =35,бМпа и тіМ = 503.7 Мпа. Нагрузка прикладывалась в третях пролета с частотой 7,33 Гц при коэффициенте асимметрии нагрузки р =0,02-0,5. Расстояние от опоры до груза 3,7Л0. Установлено, что на базе испытаний
N = /07 циклов относительный предел выносливости для образцов, разрушившихся по наклонному сечению, составляет 0,63.
В работе У07] приведены результаты испытания 11 железобетонных балок с размерами 127x140x1830 без поперечного армирования при проценте продольного армирования 2,98%. Нагрузка прикладывалась в третях пролета с частотой 5,33 Гц Расстояние от опоры до груза 5,75 h0 и р =0,15-0,5. Все балки, как при статической, так и при циклической нагрузках, разрушились по наклонному сечению. Разрушение носило хрупкий характер. Относительный предел выносливости балок на базе N = 5-J05 циклов находится в пределах 0,6-0,65.
В \413] приводятся результаты испытаний 60 балок с размерами 127x100x2000мм, 127x140x2000, 127x160x2000мм. Балки армированы только продольной арматурой. Нагружение балок производилось сосредоточенными силами в третях пролета. Пролет среза изменялся в пределах (4,3-9,8) h0. Наиболее частым видом разрушения при многократно повторяющихся нагружениях было разрушение по наклонному сечению. На базе N-106 циклов, относительный предел выносливости наклонного сечения составляет 0,58, нарушения сцепления арматуры с бетоном - 0,43. В [36] приведены результаты испытаний 7 железобетонных балок таврового сечения. Загружение образцов осуществлялось в третях пролета, при относительном пролете среза 3,3 и коэффициенте асимметрии нагрузки р =0,353. Шесть балок при циклической нагрузке разрушились по наклонному сечению от разрушения бетона сжатой зоны. Балка, имевшая искусственную трещину, разрушилась по наклонным трещинам от разрушения бетона в средней части стенки.
Работа [355] посвящена изучению вида и механизма разрушения, а также влияния предварительного напряжения продольной арматуры на трещиностойкость и прочность балок в наклонных сечениях при действии статических циклических нагрузок. Испытано шесть серий (по 5 балок в каждой) образцов с хомутами и без них с различным предварительным напряжением продольной арматуры. Сечения балок тавровые. Продольная арматура в растянутой зоне из высокопрочной арматурной проволки с процентом армирования 1,45%. Хомуты из обыкновенной арматурной проволки с шагом 75 мм и процентом поперечного армирования - 0,56% и 0,87%. Балки иснытьгеались, как свободно опертые с расчетным пролетом 1560 мм, нагруженные в третях пролета. Относительный пролет среза был постоянным - 2; коэффициент асимметрии нагрузки р=0,33.
Испытаниями установлено, что наклонные трещины, появившиеся при воздействии многократно повторяющихся нагрузок, с ростом количества циклов нагружения получали дальнейшее развитие. У сжатой грани над наклонной трещиной в бетоне появляются горизонтальные микротрещины, которые развивались в процессе циклического нагружения. Разрушение начиналось при разрыве хомутов. Разрушение в балках без поперечной арматуры начиналось из-за усталости продольных проволок в месте пересечения с наклонной трещиной. После разрыва всех хомутов ширина наклонной трещины быстро увеличивалась до 1-1,5 мм и через некоторое количество циклов разрушалась сжатая зона бетона. При относительно больших нагрузках проявляется усталость сжатой зоны бетона над наклонной трещиной, а при маленьких - усталость продольной арматуры. На основании проведенных исследований отмечается, что с увеличением предварительного напряжения выносливость железобетонных балок в наклонных сечениях повышается до 2,5 раз. Считается, что для обеспечения необходимой надежности в наклонных сечениях при действии повторяющихся нагрузок, хомуты во всех случаях следует рассчитывать на выносливость независимо от расчета такого сечения но образованию трещин.
В [273] приводятся результаты испытаний балок прямоугольного сечения с размерами 140x240x1800мм с поперечной арматурой и без неё. Процент продольного армирования 2%, и поперечного армирования 0,27% и 0,34%. Нагружение образцов осуществлено в третях пролета с относительным пролетом среза 1,85. Коэффициент асимметрии нагрузки р=0,3; 0,5; 0,7.
При циклических нагружениях балки 1 серии с поперечной арматурой (ju — 0,0034) разрушились по нормальному сечению, а балки без поперечной арматуры и балки 2 серии с хомутами {pi 0,0027) - по наклонному сечению.
Образцы, выдержавшие базовое число циклов N=2-106 нагружения показали более высокую несущую способность, чем аналогичные балки, испытанные только статической нагрузкой: в балках без поперечной арматуры - на 4-20%, а в балках с поперечной арматурой - на 18-37%.
Характер образования и развития трещин и характер усталостного разрушения 42 в зоне действия поперечных сил
Программно-технический комплекс, изготовленный с применением промышленных микроконтроллеров, конструктивно и программно совместимых с IBM PC, позволяет решать практически весь спектр указанных задач при проведении статических и усталостных испытаний железобетонных балок при действии поперечных сил [231,232]. Комплекс состоит из двух подсистем: подсистемы контроля над нагружением; подсистемы сбора, обработки и представления экспериментальных данных.
Непрерывный контроль режима циклического нагружения осуществляется с помощью выведенных на экран монитора компьютера измерительных шкал (Рис.2.6). Перемещения маркеров под шкалами каналов в пределах выставленных меток определяют рабочий режим размахов значений нагрузок. В табличках над шкалами в цифровой форме Рис.2.4. Измерительная шкала на отображаются выделенные амплитудные и экране монитора компьютера постоянные (статические) составляющие контролируемых величин (Раш1Л и Рпост). Цвет чисел в табличках также меняется в зависимости от величины отклонения значений этих составляющих от программных: зеленый цвет означает, что величина отклонения находится в пределах ±5%, желтый - в пределах от ±5% до ±10%, красный - свыше ±10%. Одновременно с контролем режима усредненные данные каждого периода регистрации записываются на жесткий диск компьютера и образуют архивную базу данных Рпост и Рам,т, используя которые для любого момента времени МОЖНО ОПредеЛИТЬ Ртах, Рщіп ирпо каждой экспериментальной балке. Для оценки напряженно-деформированного состояния бетона и арматуры при первом нагружении и его изменения в процессе циклического нагружения, т.е. при N=1 и после определенного количества циклов нагружения для сбора данных медленно (статически) повторяется один цикл нагружения до Р, и обратно. При этом в качестве преобразователей физических величин в электрические используются тензорезисторы. В ходе усталостных испытаний получается большой объем измерительной информации. Большие объемы измерительной информации требуют также и значительных затрат времени на обработку полученных данных. Для сбора информации и обработки экспериментальных данных был применен пакет компьютерных программ config.cfg, setup.cfg, fast.exe, stress.exe, разработанные в испытательной лаборатории прочности и надежности конструкций летательных аппаратов КГТУ им.А.Н.Туполева [232,252]. Для этого, перед проведением испытаний для измерения относительных деформаций в ЭВМ готовится конфигурационный файл config.cfg, в который заносится информация о количестве и номерах каналов, схеме включения тензорезисторов, коэффициентах тензочувствительности датчиков, модулях упругости бетона и арматуры. Также в конфигурационный файл заносится количество ступеней нагружения и значение нагрузки на каждой ступени. В процессе проведения испытаний программа fast.exe производит регистрацию показаний тензорезисторов и формирует таблицу первичных замеров. На этапе обработки при помощи программы stress.exe и конфигурационного файла setup.cfg из таблиц первичных замеров формируются таблицы относительных отсчетов, где каждый отсчет представляет собой разность замера на каком-либо этапе нагружения и замера при нулевой нагрузке для всех каналов измерения, т.е. производится расчет относительных деформаций бетона и расчет деформаций и напряжений для арматуры. Внедрение современных компьютерных технологий в процесс проведения статических и усталостных испытаний железобетонных балок при действии поперечных сил позволило поднять уровень экспериментальных исследований на качественно новую ступень. Можно выделить следующие преимущества применения промышленных вычислительных систем в проведенных усталостных испытаниях железобетонных балок при действии поперечных сил: полная автоматизация опроса и регистрации измеряемых параметров; гибкость в выборе режимов нагружения; программная и аппаратная совместимость с IBM PC; высокая скорость опроса каналов; высокая достоверность и точность обработки результатов измерений; непрерывный и удобный контроль режимов циклического нагружения по экрану монитора компьютера и одновременная возможность создать архивную базу данных Рцоат Раит, Ртах, Р mm, Р , ВОЗМОЖНОСТИ рвГИСТраЦИИ боЛЫНОГО объема экспериментальной информации; регистрация измерительной информации в форме, удобной для дальнейшей обработки по сложным алгоритмам; архивирование результатов испытаний и обработанной информации.
Ранее автором в лаборатории усталостных испытаний НИС «Гидропроекта» были также испытаны три серии сборно-монолитных железобетонных балок без поперечной арматуры с размерами 140x230x1620мм с продольной арматурой 3018АШ и одна серия балок с поперечной арматурой в виде двухсрезных замкнутых хомутов 06AI с шагом 60мм[22Р]. В каждой серии было по 6 балок, т.е. всего испытано 24 железобетонных сборно-монолитных балок. Испытания статической и многократно повторяющейся нагрузками проводились на универсальной испытательной машине ГРМ-1 с пульсатором. Балки с расчетным пролетом 1200мм были испытаны по схеме свободноопертая балка, нагруженная двумя симметричными сосредоточенными силами. Относительный пролет среза c0fh0 для всех серий сборно-монолитных балок был принят постоянным и равным 2,1. Одна балка в каждой серии была испытана на статическую нагрузку до физического разрушения для оценки статической несущей способности балки. Остальные балки испытаны на действие многократно повторяющейся нагрузки по указанной выше методике.
Автором, специально для исследований напряженно-деформированного состояния, выявления зон концентрации напряжений железобетонных конструкций, впервые разработан и применен метод выявления зон наибольших напряжений (зон концентрации напряжений) в бетоне и арматуре, основанный на контроле гистерезисных энергопотерь (теплопотерь) строительных конструкций при многократно повторяющихся нагружениях [228,230,27]]. Способ определения зон концентрации напряжений в строительных конструкциях при многократно повторяющихся циклических нагружениях этим методом заключается том, что до циклического нагружения стабилизируются температурные характеристики строительных конструкций и при пассивной тепловой стимуляции объекта исследований измеряют температурные поля бетонных, железобетонных и металлических строительных конструкций(возникающие за счет превращения диссипированной энергии в тепловую) тепловизионной аппаратурой в процессе циклического нагружения сначала в режиме отдельных кадров, затем, с приближением усталостного разрушения, в режиме непрерывной съемки в виде термографического фильма с последующим анализом и обработкой полученных термограмм; при этом зоны концентрации напряжений в строительных конструкциях соответствуют аномальным областям термограмм с превышением температуры более 0,3 С. Поэтому наряду с методом электротензометрии, в экспериментальных исследованиях, впервые для качественной оценки напряженно-деформированного состояния железобетонных балок в зоне совместного действия поперечных сил и изгибающих моментов, а также при местном сжатии бетонных и железобетонных элементов при многократно повторяющихся циклических нагружениях автором был апробирован указанный метод выявления зон концентрации напряжений.
Метод выявления зон концентрации напряжений основан на контроле гистерезисных энергопотерь с помощью тепловизора, которые возникают в процессе работы конструкций под воздействием циклических нагрузок. В результате чего в бетоне, как в упруго-вязком материале, при многократно повторяющихся циклических нагружениях большая часть механических потерь энергии превращается в тепловую энергию. В этой связи, в наиболее напряженных местах должно происходить определенный нагрев материала нагруженной конструкции, т.е. в этих местах должна повышаться температура. Для визуализации изображений слабо нагретых тел и оценки их температуры в отдельных точках, т.е. для обнаружения этих перепадов температур на поверхности экспериментальных образцов, путем последовательного просмотра (сканирования) объекта, применяется тепловизор-радиометр.
Стадии напряженно-деформированного состояния при многократно повторяющихся нагрузках
Таким образом усталостное разрушение железобетонных балок при lsupjh0 0,3 происходит в результате раскалывания наклонной сжатой полосы вдоль своей оси с последующим сдвигом бетона перед грузовой пластиной.
Усталостные испытания бетонных и железобетонных элементов при нулевом пролете среза, т.е. при местном сжатии, позволяют установить следующую картину образования и развития усталостных трещин и характер усталостного разрушения.
Даже при нагрузках выше предела выносливости бетонные элементы вплоть до усталостного разрушения работают без видимых трещин. Только незадолго до усталостного разрушения при тщательном исследовании бетонных образцов через микроскоп можно обнаружить волосяные трещины отрыва в средней зоне вдоль оси элемента с длиной в несколько миллиметров и раскрытием не более 0,01мм. Очевидно, что в бетонных элементах, когда уровень действующих напряжений ст іі) становится больше, чем граница микротрещинообразования R „c, процесс усталостного разрушения связан с непрерывным образованием и развитием усталостных микротрещин, которые затем, объединяясь, превращаются в макротрещины, которые с увеличением количества циклов нагружения получают дальнейшее развитие. Эти трещины невооруженным глазом обнаружить невозможно. С помощью микроскопа удается обнаружить только макротрещины только на определенном этапе их развития. Максимальная длина таких макротрещин, которые удалось обнаружить незадолго до усталостного разрушения с помощью микроскопа, не более 10-12 мм. Очевидно было, что когда макротрещина достигает определенного критического размера начинается динамическое развитие трещины. В дальнейшем трещина развивается неустойчиво за счет Рис. 2.40. характер образования и Накопленной Энергии деформации Тела С боЛЪШОЙ развития усталостной трещины и усталостного разрушения скоростью и развитие сопровождается выделением шума, бетонного элемента при Дальнейшее поведение усталостной трещины отрыва и = і /н = oj и и/L = ],зз бетонного элемента зависит от ширины грузовых пластин. При относительной длине грузовых пластин 8 = lsup /Н = 0,2 в бетонных элементах с соотношением размеров
H/L = 1,33 после начала динамического развития трещина отрыва мгновенно проскакивает до вершин уплотненных объемов (клина) под грузовыми пластинами и выходит к одной из кромок пластин вдоль грани клина (рис.2.40), т.е. происходит мгновенное разрушение, которое совпадает с началом динамического развития трещины отрыва в средней зоне. При этом поверхность клина, т.е. поверхность сдвига, неровная. Внутри и вне клина бетон не разрушен. Угол внутреннего сдвига бетона в бетонных элементах с соотношением размеров HfL = 1,33 при относительной длине грузовых пластин 8 = lsupjH =0,20, т.е. угол наклона граней клина уплотнения, составляет р = 64.
В высоких бетонных элементах развитие усталостных трещин является плавным, а усталостное разрушение более пластичным. В зависимости от уровня нагрузки либо уже при первом нагружении либо в процессе циклического нагружения происходит образование макротрещин трещин отрыва вдоль вертикальной оси элемента (рис. 2.42а), которые можно обнаружить невооруженным глазом. При высоких уровнях нагрузки образование этих трещин начинается уже при первом нагружении, вблизи грузовой пластины на расстоянии от неё примерно раной ее ширине и получает развитие на длину примерно равной ширине бетонного элемента L. При увеличении уровня нагрузки при первом нагружении и в дальнейшем с увеличением количества циклов нагружения происходит развитие этих трещин по высоте элемента и соединение отдельных макротрещин между собой. Увеличение трещины отрыва происходит вплоть до усталостного разрушения и суммарная её длина перед разрушением достигает (1,4-1,5)/, (Рис. 2.42б). Одновременно с развитием трещин отрьша по длине в процессе циклического нагружения происходит также и их раскрытие. Наибольшее раскрытие наблюдается на начальном участке макротрещины с длиной примерно L. С приближением усталостного разрушения у кромки грузовой пластины образуются также сдвиговые трещины под углом к пластине. Очевидно возникают поверхности скольжения, идущие от краев площадки смятия (грузовой пластины). Усталостное разрушение высоких бетонных элементов при местном сжатии заканчивается сдвигом уплотненного объема бетона под грузовой пластиной вдоль его границ. При этом, в отличие от элементов с размерами
Характер образования и развития усталостной трещины (а), (6) и усталостного разрушения {Ь) бетонного элемента с размерами HJL = 3,67 H/L = 1,33, уплотненный объем рассыпается после того как трещина раскалывания полностью разделяет бетонный элемент пополам в момент окончательного усталостного разрушения (рис. 2Л2ь). Очевидно, что внутри уплотненного объема возникают очень большие напряжения, а вокруг него развивается зона пластичности и происходит внутризерновой сдвиг бетона. Угол внутреннего сдвига бетона в высоких элементах, т.е. угол наклона граней клина уплотнения, составляет р = 63.
В железобетонных элементах наличие горизонтальных стержней в растянутой зоне между вершинами клиньев уплотнения отражается на характере развития вертикальных трещин отрыва между вершинами клиньев. В начале, как и в бетонных элементах образуются и развиваются микротрещины между стержнями арматуры. При этом трещина отрьша успевает пройти инкубационный, переходный периоды и превратиться в макротрещину, пока дойдет до ближайших стрежней арматуры. После
Расчет выносливости железобетонных изгибаемых элементов в зоне действия поперечных сил при малых пролетах среза
С увеличением количества циклов нагружения эта локальная полоса концентрации напряжений между опорой и грузом, которая проявилась на термограммах балки зеленым цветом, выделилась двумя трещинами вдоль ее границ и впоследствии между ними произошло усталостное раздробление бетона. При с0 h0 2,5, перед образованием наклонных трещин, на термограммах балок выделяется траектория наибольших главных сжимающих напряжений, положение которой связано не с точками приложения действующих на элемент внешних усилий и реакций опор (местное возмущение напряженного состояния ощутимо только вблизи этих точек и они незначительны), а с внутренними силовыми факторами, действующими в рассматриваемых по длине опорной зоны сечениях (моментами и поперечными силами). На рис. 2.
Термограмма железобетонной балки при с0 h() 2,5 перед образованием наклонных трещин концентрация напряжений в сжатой зоне балки. Высота этой полосы составляет примерно 0,20/?о, т.е. концентрация напряжений в сжатой зоне балки происходит не в пределах всей высоты сжатой зоны, а только в пределах её определенной части, равной примерно (0,4-0,5) высоты сжатой зоны балки. С увеличением количества циклов нагружения в растянутой зоне балки, внутри зоны наибольших напряжений, которая выделилась зеленым цветом, образовалась критическая наклонная трещина (на рис. 2.87) траектория критической наклонной трещины показана красной пунктирной линией, по которой в конечном итоге и произошло усталостное разрушение балки по наклонному сечению. После образования критической наклонной трещины вдоль траектории наибольших главных сжимающих напряжений происходит концентрация напряжений в стержнях поперечной арматуры в местах пересечения с критической наклонной трещиной, а в бетоне сжатой зоны размеры полосы концентрации напряжений остаются такими же, как до образования критической наклонной трещины. Поэтому на термограмме балок с относительным пролетом среза с0 Ип 2,5, полученной после приложения циклической нагрузки (рис. 2.88) эти места в поперечной арматуре и область концентрации напряжений в бетоне над критической наклонной трещиной нагреваются и за счет этого выделяются от менее нагруженных областей. При этом следует отметить, что температурные аномалии в поперечной арматуре проявляются даже сквозь толщу защитного слоя бетона, т.е. внутри элемента (на поверхности арматуры) температура гораздо выше, чем на поверхности балок. Полоса концентрации напряжений в зоне чистого изгиба и под грузовой площадкой горизонтальна, а с перемещением в область совместного действия изгибающего момента и поперечных сил - имеет угол наклона к горизонтали. Внутри полосы наибольших температур (напряжений) в сжатой зоне над критической наклонной трещиной, распределение температур, а следовательно и напряжений неоднородно по ширине полосы наибольшие значения находятся на расстоянии ( ) от верней границы полосы, а с приближением к краям полосы напряжения постепенно уменьшаются; по длине полосы наибольшие значения наблюдаются перед передней кромкой грузовой пластины, в вертикальном сечении, проходящем через нормальную трещину в конце пролета среза. На основании (2.11) приращение температуры АТп в конкретной точке элемента повышается пропорционально уровню действующего в этой точке напряжения. С другой стороны, на основании (2.12), на полученных термограммах поверхностей балок, чем больше приращение температуры АТи в данной точке, тем больше напряжение, действующее в данной точке. Принимая в этой связи характер распределения напряжений в балке аналогично распределению температур на термограммах балки особенности напряженно-деформированного состояния и его влияние на характер образования и развития усталостных трещин и характер усталостного разрушения в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил можно описать следующим образом.
Задолго до образования нормальных и наклонных трещин в глубине пролета среза, тем более до формирования и развития критической наклонной трещины, в нормальном сечении в конце пролета среза, где действует максимальный момент, образуется нормальная трещина. К моменту образования остальных трещин в зоне действия поперечных сил эта нормальная трещина в конце пролета среза развивается на большую высоту, и растянутая зона бетона практически полностью исключается из работы; увеличивается полнота эпюры сжимающих напряжений a ax(t) и в верхней части этой эпюры начинает образовываться пластический участок, т.е. область (локальная полоса), в пределах которой происходит концентрация напряжений в сжатой зоне балки. Высота этой полосы составляет примерно 0,20/?„, т.е. концентрация напряжений в сжатой зоне балки происходит не в пределах всей высоты сжатой зоны, а только в пределах её определенной части, равной примерно (0,4-0,5) высоты сжатой зоны балки (Рис. 2.88,2.89); под грузовой площадкой и в зоне чистого изгиба эта локальная полоса параллельна к продольной оси балки, а с перемещением вглубь пролета среза - имеет угол наклона к продольной оси балки (видимо из-за резкого увеличения касательных напряжений т1 х(1) вследствие уменьшения высоты нетреснутой части бетона в этом нормальном сечении с трещиной в конце пролета среза). Очевидно, в нормальном сечении с трещиной в конце пролета среза, где действуют максимальные изгибающий момент и поперечная сила, в пределах пластического участка хр1 сжатой зоны (локальной полосы) резко увеличивается равнодействующая Nf нормальных N" = yy ax(t)-dA и касательных Qmax _ L ). усилий, где Ар1 - площадь пластического участка сжатой зоны (локальной полосы) в нормальном сечении с трещиной в конце пролета среза и поэтому под воздействием усилия N xf в сжатой зоне, действующего в пределах хр1 ограниченной грузовой площади , в направлении действия этого усилия cos у возникает наклонный сжимающий силовой поток под углом / к продольной оси элемента (рис. 2.88 - 2.90). При этом как показывает распределение температур на поверхности балки, а следовательно согласно (2.11) и (2.12) и напряжений, напряжения вдоль верхней грани балки в зоне действия поперечных сил меньше, чем внутри локального сжимающего потока в сжатой зоне. С увеличением количества циклов нагружения в растянутой зоне балки, внутри зоны наибольших напряжений, которая выделилась зеленым цветом, образуется критическая наклонная трещина, которая развивается вдоль линии действия главных сжимающих усилий. Характерной особенностью развития трещин нормального отрыва, развивающихся вдоль линии действия сжимающих усилий, является стремление любой, даже первоначально наклонной к линии действия сжимающего усилия, трещины выравнивать свою траекторию в направлении сжатия. Очевидно поэтому критической стала та наклонная трещина,
Термограмма железобетонной балки при Рис. 2.89. Термограмма железобетонной балки при с0 И0 2,5 после образования наклонных трещин Сд h0 2,5 перед усталостным разрушением которая попала в зону влияния наклонного сжимающего силового потока, образованного от действия равнодействующей NR2 усилии в сжатой зоне в пределах пластического участка хр1, т.е. критическая наклонная трещина ориентируется вдоль оси локальной полосы концентрации напряжений в сжатой зоне, выделившейся на термограмме балки зеленым цветом (рис. 2.88- 2.90). После образования критической наклонной трещины происходит резкое увеличение напряжений в стержнях поперечной арматуры, в местах пересечения с критической наклонной трещиной и поэтому резко повышается температура поперечной арматуры и в этой связи, даже несмотря что арматура находится под защитным слоем бетона, на термограммах четко видим контуры сильно нагретых (сильно напряженных) стержней поперечной арматуры (рис. 2.88-2.90). Как видно из термограмм балок область наибольших напряжений вдоль стержней распространяется на большую длину - практически охватывает всю длину стержней поперечной арматуры, пересекающихся с критической наклонной трещиной. В бетоне сжатой зоны размеры полосы концентрации напряжений остаются такими же, как до образования критической наклонной трещины, высота которой хр1 « 0,21%.
