Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Напряженно-деформированное состояние железобетонных элементов

20.12.2018


Знание действительного напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов очень важно для разработки более адекватных методов расчета. Теоретические обоснования расчетных схем железобетонных конструкций основаны на опытных данных, на законах механики, на использовании действительного напряженно-деформированного состояния конструкций на различных стадиях роста внешней нагрузки. Поэтому для создания методов расчета железобетонных элементов большое значение имеет выявление их действительного напряженно-деформированного состояния. В понятие напряженно-деформированного состояния входят зависимости между нагрузками, напряжениями и деформациями, образованием и раскрытием трещин, между нагрузками и перемещениями (прогибами); особое значение имеет выявление действительных, реальных механизмов разрушения железобетонных элементов при действии разных нагрузок — при изгибе, сжатии, продавливании, растяжении и пр. Решение этой проблемы затруднено тем, что ряд процессов разрушения протекает внутри бетона и скрыт от исследователя (например, образование и раскрытие трещин внутри бетона, работа бетона вблизи арматуры). Особенно сложно выявить напряженно-деформированное состояние внутри бетона, в частности, определить реальные напряжения и деформации по нормальным и главным осям в бетоне (отсутствуют градуированные датчики, изготовляемые в заводских условиях). Тем более трудно изучать эти факторы в реальных конструкциях зданий и сооружений; невероятно сложно определить изменения состояния бетона и арматуры при внешних воздействиях во времени (например, при коррозии арматуры).

Есть еще одно важное обстоятельство, которое обычно не учитывается в интерпретации экспериментальных данных и в расчетах. Ввиду сравнительно большой толщины железобетонных конструкций (от 5...10 см для монолитных плит, до 0,5...0,8 м для балок и колонн, и до 0,7... 1,5 м и более для фундаментов) большую роль в изменении напряженно-деформированного состояния под действием внешних усилий, и в протекании процесса разрушения играют внутренние усилия, действующие в плоскости конструкций (мембранные или силы распора). Эти силы являются следствием особенностей деформирования железобетона, главным образом существенно различающейся прочности при сжатии и растяжении. Поэтому в конструкциях возникают концентрированные «потоки» главных сжимающих напряжений, действующие в них после раскрытия трещин. Это ведет к действию усилий распора («мембранных»), меняющих напряженно-деформированное состояние элементов с переходом от состояния изгиба к внецентренному сжатию.

Представление о действии условно называемых «концентрированных потоков» главных сжимающих напряжений внутри железобетонных конструкций помогает не только более реально представить работу любой конструкции, но и в ряде случаев надежнее рассчитать ее прочность, рациональнее расположить рабочую арматуру. Условные «концентрированные потоки» главных (наибольших) сжимающих напряжений в железобетонных конструкциях идут от внешней нагрузки к опорам, при этом из рассмотрения исключается бетон, разделенный трещинами. Оставшаяся часть сжатого бетона и образует условные полосы, или точнее, внутренние конструкции, которые воспринимают нагрузку. В связи с этим представляет интерес вопрос о траекториях трещин в бетоне.

Как известно, в хрупких телах (к которым можно отнести с некоторым приближением бетон) имеются три основных типа перемещения поверхностей (берегов) трещин — нормальный отрыв, поперечный и продольный сдвиги. В железобетонных конструкциях обычными трещинами являются трещины нормального отрыва, характеризующиеся симметричными поперечными перемещениями берегов трещины относительно плоскости, в которой была расположена трещина до деформации, и, следовательно, отсутствием касательных напряжений в плоскости трещины. На образование, раскрытие и ориентацию трещин в бетоне вдоль изостат I рода влияет гетерогенность его структуры, вторичное поле главных напряжений вблизи неоднородных включений разной формы; касательные напряжения в местах стыков разнородных материалов, различие поперечных деформаций матрицы и включений, касательные напряжения в углах начальных микротрещин, пустот; превышение поперечных деформаций над предельной растяжимостью бетона; главные растягивающие напряжения как следствие неравномерной эпюры главных сжимающих напряжений; ответвление и рост начальных микротрещин вдоль оси наибольшего главного напряжения (рис. 3.3).

Можно говорить только о приближении траекторий трещин к траекториям главных напряжений — изостатам, так как гетерогенность структуры бетона и местные напряжения вблизи арматуры приводят к местным отклонениям траекторий трещин от изостат, носящим как случайный характер (из-за наличия начальных дефектов и включений), так и силовой. В целом же трещины отрыва в бетонных и железобетонных образцах распространяются (с некоторым приближением) в направлении изостат I рода. Таким образом, трещины, по которым разрушаются железобетонные конструкции, — это в основном трещины нормального отрыва. Разрушение изгибаемых конструкций по наклонным сечениям происходит при развитии трещин отрыва в сжатую зону. При небольшом расстоянии от опоры до ближайшей внешней силы трещина проходит по самой короткой изостате. Разрушение изгибаемой балки по наклонной трещине при развитии ее в сжатой зоне тем менее вероятно, чем чаще расположены внешние сосредоточенные силы. При распределенной нагрузке наклонная трещина не вызывает разрушения, в этом случае оно начинается при развитии близких к горизонтали трещин в сжатой зоне. Значит, после образования и раскрытия трещин в растянутых зонах внешняя нагрузка воспринимается условной сжатой конструкцией, в которой усилия действуют по изостатам I рода, и растянутой арматурой.

Эта схема продуктивна при расчете прочности фундаментов по наклонным сечениям. Она интересна тем, что конструкция рассматривается как единый изгибаемый элемент. Ho в нормах предусматривают разделение прочности и трегциностойкости единого элемента на анализ двух участков — нормального сечения в зоне действия максимального изгибающего момента, и наклонного сечения в приопорной зоне. На рис. 3.4 показаны результаты опытов различных авторов, причем на каждой схеме показаны изостаты. Большее отклонение трещин от изостат, построенных в предположении упругой работы материала, наблюдается вблизи арматуры, что объясняется действием значительных напряжений на контакте арматуры и бетона.

При многочисленных испытаниях наиболее часто применяемых в строительстве изгибаемых элементов выявлено постепенное изменение напряжений в растянутой арматуре и в сжатом бетоне, приводящее по мере роста нагрузки к развитию трещин и к разрушению. Трещины от действия внешних сил чаще образуются в растянутых зонах. Незаметные на глаз волосяные трещины могут быть начальными усадочными трещинами, или могут появиться в растянутых зонах в начале загружения конструкций, ввиду малой растяжимости бетона. В предварительно напряженных конструкциях трещины появляются при более высоких нагрузках, так как бетон, растягиваемый при приложении внешней нагрузки, предварительно обжат. При ограничении ширины их раскрытия трещины в растянутых зонах не опасны. При обычном содержании арматуры предельная растяжимость армированного бетона незначительно превышает предельную растяжимость неармированного бетона. В сжатых зонах трещины очень опасны, они свидетельствуют о приближении сжатого бетона и конструкции в целом к исчерпанию прочности. Для удобства описания непрерывного процесса деформирования и разрушения элемента при нагружении, и привязки его к трем основным расчетным схемам в нормальном и наклонном сечениях (образование трещин; раскрытие трещин; разрушение), процесс нагружения и деформирования условно разделен на 3 стадии напряженно-деформированного состояния (рис. 3.5): I стадия (условно упругой работы, заканчивающаяся образованием трещин): до появления трещин в бетоне растянутой зоны напряжения в бетоне меньше временного сопротивления растяжению, растягивающие усилия воспринимаются совместно арматурой и бетоном; II стадия (раскрытия трещин): после появления трещин, в процессе их раскрытия, в бетоне растянутой зоны растягивающие усилия в местах трещин воспринимаются арматурой и небольшим участком бетона над трещиной, а на участках между трещинами — арматурой и бетоном совместно; III стадия (разрушения): напряжения в растянутой арматуре достигают физического или условного предела текучести, в высокопрочной арматурной проволоке временного сопротивления, а напряжения в бетоне сжатой зоны — временного сопротивления сжатию. В при-опорных зонах (в наклонных сечениях) процесс образования, раскрытия трещин и разрушения отличается большей сложностью и даже неопределенностью: принимают два возможных механизма разрушения — изгибное (от действия изгибающего момента) и по поперечной силе (с плоскопараллельным сдвигом одной части балки относительно другой; проявление второго механизма неосуществимо). В I стадии напряжения в бетоне и арматуре малы, деформации близки к упругим; зависимость между напряжениями и деформациями линейна, нормальные напряжения в бетоне сжатой и растянутой зон распределены по треугольным эпюрам.

С увеличением нагрузки в бетоне растянутой зоны напряжения приближаются к низкому пределу прочности бетона при растяжении, развиваются неупругие деформации, и эпюра напряжений становится криволинейной в конце I стадии. При дальнейшем увеличении нагрузки в бетоне растянутой зоны образуются трещины, и наступает II стадия — раскрытия трещин. Во II стадии растягивающие усилия в сечениях с трещинами воспринимаются арматурой и небольшим участком бетона растянутой зоны над трещинами. В промежутках между трещинами в растянутой зоне сцепление арматуры с бетоном сохраняется, по мере удаления от краев трещин растягивающие напряжения в бетоне увеличиваются, а в арматуре уменьшаются. При росте нагрузки в бетоне сжатой зоны начинают развиваться неупругие деформации, эпюра нормальных напряжений становится криволинейной. В III стадии напряжения в стержневой арматуре достигают предела текучести; а напряжения в бетоне сжатой зоны — предела прочности на сжатие. Разрушение элемента с нормальным армированием или недоармированного носит пластический характер, оно начинается с арматуры растянутой зоны и заканчивается дроблением бетона сжатой зоны (I случай). Хрупкое разрушение вследствие одновременного дробления бетона сжатой зоны и разрыва высокопрочной проволоки характерно для элементов, армированных высокопрочной проволокой с малым относительным удлинением при разрыве. В переармированных элементах с избыточным содержанием растянутой арматуры хрупкое разрушение происходит по бетону сжатой зоны, при неполном использовании прочности растянутой арматуры (2 случай). В приопорных (наклонных) сечениях разрушение происходит по наклонной трещине. Согласно представлениям нормативных документов, оно может протекать по двум вариантам: I вариант заключается в разрушении вследствие действия изгибающего момента, но при наклонном расположении критической трещины (см. рис. 3.5, ж). Ho величина изгибающего момента для однопролетной шарнирно опертой балки в наклонном сечении значительно меньше, чем пролетного момента в нормальном сечении. Поэтому, если достаточное количество рабочей арматуры (не менее 50 % от площади арматуры в нормальном сечении) завести за опору на длину анкеровки, то разрушения не произойдет. II вариант — разрушение по поперечной силе, действующей в вершине наклонного сечения. Расчетной схемой предусматривается плоскопараллельное перемещение центральной части балки относительно приопорной части (см. рис. 3.5, з). Ho такое перемещение в шарнирно опертой балке невозможно, так как при-опорная часть будет неизбежно поворачиваться вместе с перемещаемой пролетной частью, и в предполагаемой наклонной трещине отрыва ее берега не смогут перемещаться плоскопараллельно. Этот вариант возможен только при жестком защемлении балки на опорах.

Для предварительно напряженных элементов имеются существенные отличия в протекании стадий, связанные с тем, что, во-первых, возникают дополнительные стадии до приложения внешней нагрузки, и, во-вторых, существенно изменяются напряжения в бетоне и арматуре. При обжатии бетона, в том числе и в будущей растянутой зоне, возникают сжимающие напряжения, и под их влиянием эпюра начальных сжимающих напряжений становится криволинейной. При росте внешней нагрузки предварительные сжимающие напряжения в будущей растянутой зоне постепенно погашаются, и возникающие растягивающие напряжения приближаются к сопротивлению бетона растяжению. Особенности деформирования предварительно напряженных элементов проявляются более всего в I стадии: нагрузка, вызывающая трещинообразование, увеличивается в несколько раз, напряжения в бетоне сжатой зоны и ее высота существенно возрастают. II стадия при высоком уровне напряжений в арматуре может не проявиться, образование трещин может совпасть с разрушением. После образования трещин протекание стадий II и III в элементах с обычной и преднапряженной арматурой, в общем, идентично, но при очень высоком уровне напряжений в арматуре растянутой зоны образование трещин может совпасть с разрушением, а стадия II будет отсутствовать.

Например, при натяжении на упоры верхнюю и нижнюю арматуру натягивают до значений начальных контролируемых напряжений ocon и o'con (рис. 3.6). После бетонирования и в ходе твердения бетона происходят первые потери предварительных напряжений в арматуре. После набора прочности бетона арматура передает усилия обжатия на бетон, и предварительные напряжения в арматуре в результате быстронатекающей ползучести и упругого обжатия бетона уменьшаются. При обычном для изгибаемых элементов несимметричном армировании элемент получает выгиб. Затем происходят вторые потери напряжений арматуры. После этого элемент загружают внешней нагрузкой, вследствие чего частично погашаются напряжения обжатия бетона и выгиб. Далее могут быть достигнуты предельные растягивающие напряжения в бетоне растянутой зоны, что соответствует окончанию стадии I напряженно-деформированного состояния при изгибе конструкций с обычной арматурой. При изгибе перед образованием трещин напряжение в растянутой арматуре превышает соответствующее напряжение в арматуре элементов без предварительного напряжения на osp, что и повышает сопротивление образованию трещин предварительно напряженных элементов. Затем при росте нагрузки в растянутой зоне раскрываются трещины, и наступает стадия II НДС. Далее напряжения в арматуре и бетоне достигают предельных значений, и происходит разрушение (стадия III). Условное разделение процесса деформирования изгибаемых элементов при росте нагрузки на стадии удобно для использования в применяющемся расчете конструкций. Натяжение арматуры растянутой зоны оказывает большое влияние на повышение трещиностойкости и жесткости изгибаемых элементов, практически не влияя на прочность нормального сечения. В наклонном сечении напряжение арматуры приводит к росту высоты сжатой зоны, и потому повышает Qb и прочность в наклонном сечении на действие поперечной силы (см. рис. 3.6). Разрушение в приопорных зонах протекает во многом подобно разрушению элементов с ненапрягаемой арматурой. Одним из видов разрушения в наклонном сечении изгибаемого элемента с тонкой стенкой является дробление сжатой полосы в стенке элемента таврового сечения в приопорной зоне (см. рис. 3.6). При проектировании важно обосновать уровень преднапряжения арматуры, так как с разных точек зрения неприемлемы и слишком малые, и слишком большие напряжения: при малых предварительных напряжениях вследствие релаксации напряжений в арматуре, усадки и ползучести бетона и некоторых других факторов эффект преднапряжения может с течением времени исчезнуть; при высоких напряжениях в арматуре, близких к ее нормативному сопротивлению, возможен разрыв проволочной арматуры канатов или развитие больших остаточных деформаций в стержневой арматуре.

Предварительное напряжение арматуры osp принимают не более 0,9 Rs,n для горячекатаной и термомеханически упрочненной арматуры и не более 0,8Rs,n для арматурных канатов. Возможные отклонения от заданного преднапряжения оspj в арматуре растянутой зоны учитывают путем умножения оspj для рассматриваемого j-го стержня или группы стержней на коэффициент точности натяжения арматуры уsp = 0,9 при благоприятном влиянии преднапряжения; уsp = 1,1 при неблагоприятном влиянии преднапряжения.

Углубленного анализа требует изучение напряженно-деформированного состояния и экспериментальное обоснование расчета прочности по наклонным сечениям, и расчета на продавливание. И в прежнем СНиП, и в новом СП расчетные схемы при расчете на продавливание (а, следовательно, и принятые механизмы продавливания) недостаточно обоснованы: ранее разрушением считался одновременный отрыв «пирамиды» по всей поверхности (СНиП), сейчас — отрыв по расчетному вертикальному сечению. Оба этих механизма не соответствуют действительному разрушению. Опытами на фундаментах выявлены существенные особенности разрушения по наклонным сечениям. Поперечную силу воспринимают участки сжатой зоны бетона над нормальной трещиной в сечениях по граням колонны. На основе экспериментов предлагается считать, что исчерпание прочности при продавливании происходит в результате достижения сопротивления бетона главными сжимающими напряжениями в наклонном сечении величины Rb,loc. Принято равномерное распределение главных напряжений в наклонном сечении, что аналогично допущению о распределении напряжений в бетоне сжатой зоны изгибаемых элементов. Разрушение происходит после раскрытия трещин в растянутой зоне. Критическая наклонная трещина нормального отрыва проходит в сжатой зоне в направлении концентрированного потока главных напряжений.

Началом критической наклонной трещины в растянутой зоне является сечение, в котором достигнут момент трещинообразования. Это положение подтверждается отсутствием трещин в растянутой зоне за пределами пирамиды продавливания или за пределами наклонной трещины, по которой происходит разрушение. В расчетной схеме условно принято прямолинейное распространение наклонной трещины, тогда как в действительности она несколько криволинейна. Для прямоугольных фундаментов вводится дополнительное условие, наблюдаемое в экспериментах: вначале происходит разрушение по наклонному сечению по короткой стороне, затем вся нагрузка воспринимается сжатой зоной по длинной стороне. Таким образом, расчет прочности по наклонным сечениям (точнее — поверхностям) взамен расчета на продавливание должен заключаться в определении прочности участка сжатой зоны над нормальной трещиной, расположенной по грани колонны, по наклонному сечению, в предположении достижения сопротивления бетона главными сжимающими напряжениями. В связи с тем, что разрушение происходит на узком и коротком участке по отношению к плите, этот случай исчерпания прочности можно считать подобным разрушению при местном сжатии. Продавливание с одновременным отрывом по боковой поверхности предполагаемой пирамиды или расчетного сечения невозможно, оно не соответствует действительному механизму разрушения, не подтверждается экспериментально. Расчет на продавливание должен быть заменен расчетом прочности по направлению главных сжимающих напряжений. Таковы же проблемы с экспериментальным обоснованием изменения напряженно-деформированного состояния и учета его в расчетных схемах при нагружении различных типов фундаментов, имеющих большие размеры в плане — плитных прямоугольной формы в плане, круглых, кольцевых, и свайных ростверков.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: