На каждый день | Армированные материалы и конструкции
ЖЕЛЕЗОБЕТОН
Железобетонные конструкции, в которых отсутствуют искусственно созданные начальные напряжения, называются обычными. Если в процессе изготовления или возведения железобетонных конструкций в них искусственно создаются начальные напряжения, то эти конструкции называются предварительно напряженными.
Начальные напряжения создаются предварительно растянутой арматурой. Арматура подвергается растяжению либо до укладки бетона в опалубку, либо после установки ее в каналах или по поверхности отвердевшего бетона отдельного элемента, либо же после сборки конструкции. Иногда предварительно напряженные элементы сами используются в качестве арматуры при образовании более мощных железобетонных элементов.
СТАДИИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ. В процессе нагружения железобетонный элемент испытывает последовательно различные состояния, которые условно разделяются на три стадии.
На рис. 1 показаны примерные кривые прогибов середины железобетонной 2 и бетонной 1 балок, на рис. 2 - эпюры напряжений в различных стадиях.
Рисунок 1.
Рисунок 2.
В начале загружения (стадия I, рис. 4.12) напряжения в сжатой и растянутой зонах сечения балки находятся в линейной зависимости от деформаций, эпюры напряжений также линейные, деформации носят упругий характер. По этой стадии проводится расчет жесткости бетонных или слабо армированных элементов, в которых при эксплуатационной нагрузке нет трещин в растянутой зоне. Напряжения в растянутой арматуре не превышают 200-300 кГ/см2. При дальнейшем увеличении нагрузки эпюра напряжений искривляется и, когда напряжения в растянутой зоне достигают предела прочности, наступает стадия 1а. Бетонная балка в этой стадии разрушается.
По стадии Iа ведут проверку на образование трещин в изгибаемых элементах и определяют их жесткость до момента появления трещин.
В стадии II в растянутой зоне образуются трещины, и все усилия растянутой зоны воспринимаются арматурой. На участках между трещинами сцепление бетона с арматурой не нарушается, и бетон здесь продолжает работать на растяжение. Наибольшие напряжения в арматуре возникают в местах образования трещин, наименьшие - в средней части участка между трещинами. Между нагрузкой на балку и прогибами (см. рис. 1) в стадии II существует криволинейная зависимость - прогибы растут быстрее нагрузки.
В стадии IIа напряжения в растянутой арматуре достигают предела текучести. Напряжения в сжатой зоне бетона еще не достигают предела прочности бетона на сжатие при изгибе. Вследствие текучести арматуры и увеличения плеча внутренней пары нагрузки в стадии Па может еще несколько возрастать - до достижения в сжатой зоне бетона предела прочности его на сжатие при изгибе, что характеризует уже стадию III - разрушение.
В этой стадии деформации ползучести распространяются на значительную часть - сжатой зоны сечения, эпюра нормальных напряжений резко искривляется. Напряжения сжатой арматуры достигают значения предельного сопротивления, напряжения растянутой арматуры равны или менее величины предельного сопротивления.
По стадии II ведется расчет по второму и третьему предельным состояниям, а также определяются усилия в статически неопределимых системах с учетом их перераспределения, вызванного пластическими деформациями. По стадии III ведется расчет по первому предельному состоянию, при этом криволинейную эпюру сжатия бетона допускается заменять прямоугольной.
Полностью сжатые или растянутые сечения составляют частные случаи рассмотренного выше напряженно-деформированного состояния. В полностью сжатых сечениях могут быть лишь I и III стадии, в полностью растянутых - все три стадии.
Если арматуру балки натянуть и создать в бетоне предварительные напряжения сжатия, то при изгибе такой балки трещины в растянутой зоне появятся только после исчерпания предварительного напряжения сжатия и достижения бетоном предельного удлинения. До этого момента, если в сжатом бетоне не появились пластические деформации, конструкция будет работать по стадии I, т. е. балка будет деформироваться упруго. После появления трещин эффект предварительного напряжения не сказывается.
СЦЕПЛЕНИЕ стальной арматуры с бетоном обеспечивает совместную их работу. Сцепление определяется: 1) механическим зацеплением неровностей на поверхности арматуры за бетон - трением стержня о бетон под действием давления от усадки; 2) собственно сцеплением или «склеиванием» поверхности стержня с бетоном. Установлено (особенно при применении арматуры периодического профиля или другой арматуры с негладкой поверхностью), что решающее значение имеет первый из указанных факторов, хотя многие исследователи и считали (основываясь на испытаниях гладкой арматуры), что собственно сцепление имеет не меньшее значение.
Сцепление зависит от вида поверхности арматуры, состава и свойств бетона, способа хранения конструкций в раннем возрасте, расположения арматуры в сечении, длительности и характера прилагаемой нагрузки и некоторых других причин. Сцепление относительно выше при арматуре периодического профиля и при арматуре меньшего диаметра; при круглой стали - на 20-25% больше, чем при стали квадратного сечения; наименьшее - при полосовой стали. Сцепление значительно повышается при поперечных хомутах и сварных каркасах. Сцепление в конструкциях при статической нагрузке колеблется от 5 до 100 кГ/см2, а при пульсирующей нагрузке нижний предел составляет иногда 2-3 кГ/см2. Сцепление круглых стальных стержней обычно колеблется от 25 до 40 кГ/см2 для бетона марки 100 и выше. Стандартных испытаний на сцепление нет. При испытании на выдергивание напряжение сцепления распределяется неравномерно по длине стержня (рис. 3).
Рисунок 3.
Приведенные численные значения сцепления выражают не максимальное значение (Rсц, см. рис. 3), а средние величины в предположении равномерного распределения напряжений сцепления по длине стержня. Усилие, требующееся для выдергивания стержня, почти не возрастает при увеличении длины заделки l сверх 25-30 диаметров. Сцепление стальной арматуры с бетоном близко по величине к пределу прочности бетона при сдвиге, который равен примерно 1/5 предела прочности при сжатии (это отношение уменьшается с повышением марки бетона). Сцепление растет с возрастом бетона.
УСАДКА в железобетонных конструкциях протекает несколько иначе, чем в бетонных, вследствие влияния арматуры. При усадке бетона часть усилий, возникающих в бетоне, арматура принимает на себя. Напряжения в арматуре от усадки бетона могут достигать 600-700 кГ/см2 и более. По длине стержня напряжения от усадки распределяются неравномерно - в середине длины стержня оно примерно в 2 раза выше, чем у концов.
Усадка в железобетоне зависит не только от состава бетона, но и от количества и расположения арматурных стержней, а также от условий начального хранения.
При хранении образцов в воде наблюдается противоположное явление - РАЗБУХАНИЕ железобетона.
На рис. 4 приведены примерные данные о нарастании усадки и разбухания со временем для бетонного и железобетонного образцов. Усадка железобетонных образцов почти в 2 раза меньше бетонных.
Рисунок 4.
В армированном сечении напряжения от усадки и разбухания в бетоне концентрируются вблизи стержней арматуры. Радиус взаимодействия арматуры с бетоном принимается обычно равным 3-4 диаметрам арматуры.
В элементах железобетонных конструкций усадка приводит к появлению напряжений двух видов: во-первых, в арматуре и бетоне возникают напряжения, обусловленные внутренней статической неопределимостью каждого элемента; во-вторых, возникают напряжения, обусловленные линейными и угловыми деформациями отдельных элементов вследствие статической неопределимости конструкции в целом. Последние определяются методами строительной механики, как и температурные напряжения.
Следует учитывать отрицательное действие усадки при изгибе и растяжении, так как она ускоряет появление трещин в бетоне, увеличивая в нем растягивающие напряжения. В сжатых элементах усадка разгружает бетон и нагружает арматуру, обычно недогруженную.
Коэффициент линейного расширения тяжелого бетона при нагреве от 0 до 100° С α=1·10-5 град-1; коэффициент линейной усадки β=3·10-2; коэффициент линейного набухания η=5·10-3.
Армирование бетона приводит к уменьшению ползучести вследствие того, что арматура деформируется упруго и тем задерживает деформации ползучести бетона. Конечная деформация ползучести в железобетонных конструкциях может все же достигать значительных величин (превышать упругую в два раза и более), и в некоторых случаях ее надо учитывать.
Ползучесть зависит от возраста бетона к моменту нагружения. Раннее нагружение резко увеличивает ползучесть (рис. 5). Ползучесть значительно уменьшается при повышении марки бетона.
Рисунок 5.
Уменьшение ползучести достигается не только применением специальных цементов и соответствующим подбором составов бетона, но и конструктивными мерами.
Для предварительно напряженных железобетонных конструкций ползучесть может быть значительно уменьшена, если арматуре предварительно даются напряжения в течение короткого срока (несколько дней) на 10% больше требующихся по расчету. При повышенной влажности и пониженной температуре ползучесть прекращается.
ПРЕДЕЛЬНОЕ УДЛИНЕНИЕ бетона при растяжении (предельная растяжимость) εр=1·10-4 и не зависит от количества арматуры и характера армирования. Однако многочисленными опытами установлено, что такая оценка предельной растяжимости является неточкой, так как размеры и расположение трещин в бетоне зависят or величины и характера армирования.
Установлено, что в большинстве случаев раскрытие трещин до 0,2 мм неопасно и не приводит к коррозии арматуры. Такую величину раскрытия трещин можно принять за предельно допустимую, и если предельную растяжимость бетона оценивать по условиям раскрытия трещин, то можно считать, что она зависит от армирования.
Арматура выравнивает напряжения в бетоне, ликвидирует отдельные местные перенапряжения, препятствует раскрытию появившихся местных трещин сверх 0,2 мм и тем самым увеличивает предельную растяжимость участка конструкции. Чем больше арматуры и чем равномернее она распределена в бетоне, тем больше ее эффективность.
ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ конструкции повышается с увеличением прочности сцепления и при применении арматуры периодического профиля. По трещинностойкости арматура периодического профиля примерно в 2 раза эффективнее гладкой.
ПРЕДЕЛЬНАЯ СЖИМАЕМОСТЬ железобетона зависит от характера армирования. Арматура способствует более равномерному распределению напряжений в бетоне и предупреждает появление местных перенапряжений. Поперечная арматура сокращает поперечные деформации бетона и в несколько раз увеличивает предельную деформацию сжатия (предельную сжимаемость).
Рисунок 6.
Вернуться к списку
|
Распечатать
|
