В. А. КЛЕВЦОВ, д-р техн. наук, проф., Л. В. САСОНКО, канд. техн. наук, Е. С. ШПРИЦ, инж. (НИИЖБ) Использование бетона на ВНВ при изготовлении типовых конструкций
Появление бетонов на ВНВ потребует поиска новых конструкций, в которых их применение даст наибольший экономический эффект. Однако это не исключает использование этих бетонов в конструкциях по действующим типовым чертежам.
НИИЖБ, НИИСК, ВНИИжелезобетон и другие организации проводили испытания опытных образцов, в том числе в виде треугольного преднапряженного элемента с канатной арматурой (фермы) и балок прямоугольного сечения с арматурой класса А-Шв без преднапряжения. На принятых конструкциях образцов были проанализированы анкеровка и потери преднапряжения арматуры, работа внецентренно сжатого, внецентренно растянутого и изгибаемого элементов, т. е. факторы, определяющие прочность, жесткость и трещиностойкость наиболее ответственных конструкций — ферм и балок — при размерах, близких к натурным.
Опытные образцы изготовляли из бетона на ВНВ-50, поставленного с опытно-промышленной установки в г. Чехове. Состав бетонной смеси, рассчитанной на класс В50 (на I м3): ВНВ-50—400, гранитный щебень фракции 5...15 мм — 550, фракции 5... 10 мм — 550, кварцевый песок — 750 кг, вода (в среднем по замесам) —98 л. Осадка конуса для отдельных замесов колебалась от 9 до 19 см. Бетон уплотняли глубинным вибратором, твердение происходило в естественных условиях при положительной температуре. После выдержки в течение 5 сут и приобретения бетоном прочности 52...55 МПа ферму распалубливали и передавали напряжения на бетон. Напряжения в арматуре при этом составляли 1213,2 МПа, что близко к максимально допускаемому нормами значению 0,95 RSjSer—1254 МПа (в обычной практике напряжения в канатной арматуре составляют 1150 МПа).
По показаниям тензометров на бетоне в зонах заанкеривания арматуры установлено, что фактическая длина зоны передачи напряжений с обоих торцов составила около 53 см и оказалась меньше расчетной /р = 74 см, определенной по СНиП 2.03.01—84 (рис. 1). Теоретическая величина втягивания канатов при фактической длине зоны заанкеривания, определенная в предположении треугольной формы эпюры сцепления, с точностью до 5 % совпала со средней величиной втягивания, по показаниям индикаторов. Таким образом, установлено, что фактическая длина зоны передачи напряжений при использовании бетона на ВНВ не превышает нормативной. При отпуске натяжения арматуры не зафиксировано образования технологических трещин на приопорных участках.
Потери от податливости анкерных устройств и релаксации арматуры компенсировали в ходе натяжения канатов, поэтому при передаче напряжений на бетон и при выдержке конструкции в течение 31 сут до испытаний проявлялись только потери от усадки и ползучести бетона. Их фактические значения определяли по деформациям бетона, измерявшимся в нижнем поясе фермы рычажными тензометрами, деформометрами и прогибомером.
Теоретическое значение первых потерь преднапряжения (12 МПа) несколько меньше опытного (20,13 МПа); вторые потери, рассчитанные по нормам (56,8 МПа), намного превысили экспериментальные (19,7...39,2 МПа). Суммарные опытные потери преднапряжения (41,5...60,6 МПа) ниже теоретических (68,8 МПа), что подтверждает возможность их учета в конструкциях из бетона на ВНВ по действующим нормам.
Измерения деформаций бетона от усадки и ползучести, проведенные во время выдержки в течение 31 сут, показывают, что уже с 14 сут после отпуска натяжения они начинают затухать, а за последние 8 сут выдержки общие потери от усадки и ползучести бетона увеличились всего на 5,3 % (рис. 2).
В процессе исследований определяли физико-механические характеристики бетона и арматуры: кубиковую Rb и призменную R прочность бетона на сжатие, прочность на растяжение при изгибе Rlf и раскалывании Rtt, модуль упругости бетона Еь. Контрольные образцы испытывали при передаче напряжений на бетон фермы в возрасте 5 сут, затем 17 сут и при испытании фермы в возрасте 38 сут.
На 3-и сутки средняя кубиковая прочность образцов при естественном твердении составляла 58 % проектной (38 МПа), на 5-е — 82(53), на 17-е — 94,5 (62), на 38-е — 104 % (68 МПа).
Соотношение между кубиковой и призменной прочностью близко к теоретической зависимости, принятой для тяжелых бетонов, (0,78—0,001R) R.
Средняя прочность бетона на растяжение по результатам испытаний на изгиб и раскалывание на 7... 11 % превышала теоретическую, вычисленную по зависимости
Таким образом, при динамичном наборе высокой прочности бетон на ВНВ по физико-механическим свойствам аналогичен бетонам на обычном вяжущем. Фактическая прочность бетона верхнего пояса фермы, определенная методом отрыва со скалыванием, составила 63.8...65.1 МПа и почти не отличалась от полученной на контрольных образцах.
Опытный образец фермы испытывали на силовом стенде, обеспечивавшем приложение в коньковом узле сосредоточенной силы до 1000 кН, создававшейся гидродомкратом (рис. 3). Измеряли деформации бетона в узлах фермы, суммарные деформации поясов, прогиб конструкции в середине пролета и ширину раскрытия трещин.
Характер деформаций бетона показал, что при загружении в узлах фермы действовали изгибающие моменты, вызывающие повышение растягивающих напряжений в нижнем поясе на нижней грани пролетных сечений, где и появились первые трещины. Однако при незначительном росте нагрузки они пересекли все сечение нижнего пояса. При этом опытные усилия образования трещин близки теоретическим в центрально растянутом элементе (разница 6%).
В верхнем поясе из-за действия узловых моментов наибольшие сжимающие напряжения зафиксированы на верхних гранях сечений, примыкающих к коньковому узлу, где и произошло разрушение образца (см. рис. 3). Усилие в канатной арматуре нижнего пояса, судя по ширине раскрытия трещин, достигавшей 2 мм, превышало условный предел текучести. На верхней грани элементов сжатого пояса в коньковом узле в обоих полупролетах на этапах, предшествовавших разрушению, были зафиксированы продольные трещины, свидетельствовавшие о текучести сжатой арматуры верхнего пояса.
Для сопоставления опытной и теоретической разрушающей нагрузок методом предельного равновесия определяли изгибающий момент, действующий в коньковом узле при разрушении с условием, что напряжение в канатах нижнего пояса достигло временного сопротивления. Различие между опытными (Ме)оп=208,5 кН-м и теоретическими 207,28 кН-м разрушающими усилиями составило всего 0,6 %. Признаков разрушения опорных узлов и смещения арматуры к моменту завершения испытаний фермы не зафиксировано, что свидетельствует о хорошем заанкеривании канатной арматуры.
Балки испытывали через месяц после испытания фермы, поэтому изучение физико-механических характеристик бетона продолжалось. В процессе выдержки наблюдалась четко выраженная тенденция роста прочности на 9 %. Для дальнейшего расчетного анализа были приняты следующие фактическиеха- рактеристики бетона: R= 80, R1 — = 3,77, Rb= (0,78...0,001R) /?= = 56 МПа. Для арматуры 402ОА- III получено усилие, соответствующее пределу текучести 134 кН (сгт=426 МПа), разрывное усилие — 197,7 кН, (а„=629 МПа).
Определенная по расчетным характеристикам материалов относительная высота сжатой зоны 0,38 близка граничному значению 0,399. Балку испытывали сосредоточенными силами, создаваемыми гидродомкратом через загрузочную траверсу (рис. 4). При этом три загружения осуществляли силами, расположенными в третях пролета, а одно — силами, расположенными на расстоянии 2,5 h от опор.
При первых трех загружениях измеряли прогибы в середине пролета балки, деформации бетона и арматуры, смещение арматуры относительно торцов. При четвертом загружении фиксировали только прогибы балки и смещения арматуры у торцов. В ходе испытаний наблюдали также за образованием трещин и измеряли ширину их раскрытия микроскопом с 24-кратным увеличением.
Анализ трещиностойкости показал, что опытные и теоретические моменты образования трещин совпадают, если принять меньшие, чем предусмотрено в нормах, опытные потери от усадки бетона.
В процессе четвертого загружения на приопорных участках появились наклонные трещины с небольшим раскрытием. Балка разрушилась по сжатому бетону в средней части пролета на участке, где при третьем загружении была зафиксирована текучесть арматуры.
Анализ прочности, проведенный по фактическим характеристикам бетона и арматуры, показывает, что теоретическая несущая способность сечения МТ, определенная исходя из предела текучести арматуры, составляет 114,9 кН-м, что близко совпадает с изгибающим моментом, достигнутым после третьего загружения
Несущая способность сечения М\, определенная исходя из временного сопротивления арматуры, составила 158,5 кН-м, а максимальный изгибающий момент, достигнутый при четвертом загружении,
Близкая сходимость опытных и теоретических характеристик прочности, а также анализ прогибов балки при третьем и четвертом загружениях (рис. 5) показывают, что с момента резкого возрастания прогибов балки происходило упрочнение арматуры, на последних этапах четвертого загружения напряжения превысили предел текучести и были близки временному сопротивлению. Таким образом, в балке при была обеспечена возможность полного использования прочностных свойств арматуры к моменту разрушения бетона сжатой зоны. При этом деформации сжатого бетона перед разрушением составляли (260...270) 10б. До разрушения не было зафиксировано смещения рабочей арматуры у торцов балки.
Проведенные испытания показали, что характер работы образцов, изготовленных из бетона на ВНВ, не отличается от характера работы обычных конструкций. Совпадение опытных и теоретических результатов прочности, жесткости и трещиностойкости свидетельствует о применимости действующих норм для проектирования конструкций из бетонов на ВНВ и о возможности использования этих бетонов для изготовления типовых конструкций после получения данных о длительных испытаниях и защитных свойствах этих бетонов.
Бетон и железобетон, 1992 №11