А.С.КОРОТКИИ, инж. (НИИЖБ), Прочность преднапряженных изгибаемых элементов, армированных холоднокатаной проволокой
В НИИЖБе проведены исследования высокопрочной проволоки с периодическим профилем повышенной анкерующей способности (рис.1), разработанным совместно с Магнитогорским горно-металлургическим институтом, Белорецким металлургическим комбинатом и ВНИИМетизом. Опытные партии проволоки диаметром 5 и 7 мм были изготовлены на Белметкомбинате по технологии трехосной холодной прокатки, разработанной в МГМИ.
Ранее были опубликованы данные о прочностных и реологических характеристиках холоднокатаной проволоки (ХКП), длине зоны передачи напряжений и трещино- стойкости армированных ею конструкций [1]. В настоящей статье представлены результаты анализа прочности нормальных сечений 14 предварительно напряженных опытных балок номинальным размером 12x20x210 см, армированных ХКП диаметром 5 и 7 мм, изготовленных из тяжелого бетона естественного твердения средней призменной прочности 20,2 и 29,2 МПа. Коэффициент армирования балок изменялся в пределах 0,33. .0,71%.
Маркировка балок включала в себя условные обозначения: прочности бетона (Б2 и БЗ); вида и диаметра напрягаемой проволоки (ХК5 и ХК7); группы балок по коэффициенту армирования в порядке увеличения (I, II и III); номер балки-близнеца в группе (-1 и -2).
Испытание балок проводили поэтапным нагружением двумя равными силами в третях пролета. За момент разрушения балок принимали наибольшую величину внешней нагрузки, достигнутую в испытании перед выколом бетона сжатой зоны или разрывом растянутой арматуры.
Разрушение опытных балок, как правило, происходило по бетону сжатой зоны. Однако в балках с относительной степенью армирования ?o2/?r< 1 ширина раскрытия трещин непосредственно перед разрушением достигала 1 мм и более. Это характеризует высокий уровень развития пластических деформаций в арматуре растянутой зоны и позволяет сделать вывод об одновременном достижении предельной стадии растянутой арматурой и сжатым бетоном.
В балке БЗХК51-2 исчерпание несущей способности было вызвано разрывом растянутой арматуры с выколом бетона сжатой зоны. Разрыв арматуры имел пластичный характер и сопровождался образованием шеек.
В образцах с высокой степенью армирования разрушению предшествовало зажатие вершин трещин, что свидетельствует о развитии сжатой зоны в глубь сечения. Это наблюдение подтверждено показаниями тензодатчиков, расположенных на боковой поверхности балок. Здесь разрушение носило внезапный характер и, как правило, брало начало не от наиболее сжатой грани балки, а вблизи нейтральной оси сечения.
Расчеты прочности испытанных балок проведены по Методике СНиП 2.03.01 и по предложениям, учитывающим диаграмму состояний арматуры в аналитическом виде, что является одним из условий современных методов расчета железобетона. В расчетах использовали фактические характеристики арматуры, бетона и нормальных сечений балок.
Мы рассмотрели следующие предложения:
Методика 1. В работе [2] полные деформации высокопрочной арматуры на упруго-пластическом участке диаграммы представлены в виде
Условно Методику 1, применительно к описанию диаграммы состояний арматуры, можно назвать методом секущего модуля.
В расчете прочности нормальных сечений изгибаемых элементов по Методике 1 [2] использована зависимость (67) СНиП, преобразованная к деформационному виду, и условная прямоугольная эпюра предельных напряжений в сжатом бетоне согласно действующим Нормам.
В нашем случае Методика 1 несколько переоценивает прочность опытных балок. Одной из причин этого мы считаем некоторое завышение сопротивлений ХКП развитию малых пластических деформаций при принятом здесь аналитическом отображении ее диаграммы.
Методика 2. Согласно [3], развитие пластических деформаций арматурной стали, не имеющей площадки текучести, может быть отображено кубическим сплайном
Для высокопрочной горячекатаной арматуры удовлетворительное совпадение действительной и расчетной диаграмм состояний происходит при использовании “полного” кубического сплайна (п=п2=п3=3).
Для расчета прочности нормальных сечений изгибаемых элементов по Методике 2, в соответствии с [4], использована гипотеза плоских сечений. Приняты средняя предельная деформация сжатия бетона 0,31%, коэффициент y/s= =0,95 и прямоугольная эпюра предельных напряжений в сжатом бетоне. Также учтен параметр j , по своему физическому смыслу связанный с коэффициентом полноты эпюры сжимающих напряжений в бетоне. Расчет по Методике 2 незначительно переоценивает прочность опытных балок.
Методика 3. В работе [5] показано, что для описания диаграммы состояний высокопрочной проволочной арматуры в зависимости (2) возможны показатели степени п2 и л3 менее 3. Проведенный нами математический анализ позволил сделать вывод, что применительно к ХКП наиболее удовлетворительное совпадение опытных и расчетных данных достигается при п2=2 и л3=3 (“неполный” кубический сплайн). Необходимость изменения степени второго члена сплайна продиктована, по нашему мнению, соотношением координат опорных точек диаграммы (<т02,
Данные по фактической диаграмме состояний ХКП диаметром 5 мм и сопоставление их с расчетными по изложенным выше Методикам приведены в табл.1.
Расчет прочности балок по Методике 3 проводили исходя из гипотезы плоских сечений. В отличие от рассмотренных ранее Методик для учета эпюры напряжений в сжатом бетоне здесь была принята расчетная схема [6], предполагающая на предельной стадии работы сечения упругое развитие напряжений в бетоне от нейтральной оси до еЬе1 = 0,15% и постоянное напряжение ab = Rb при деформациях от 0,35% (трапециевидная эпюра напряжений в сжатом бетоне). Мы использовали модификацию этой схемы, предусматривающую преднапряженное армирование как растянутой, так и сжатой зоны сечения балок (рис.2), и итерационный расчет по предельным напряжениям в арматуре растянутой зоны с исходной позиции т02. Значения усилия в сжатой зоне бетона Nb и его плеча zb относительно оси арматуры растянутой зоны были определены с учетом геометрических соотношений эпюр деформаций и напряжений.
Для балок с 4Q2- Расчет прочности нормальных сечений по Методике СНиП проведен согласно п.п.3.10.,.3.15 Норм.
Расчет балок, характеризуемых ?02 >?r, был выполнен по общему случаю, предусмотренному п.3.28 Норм. Проверку правильности полученных здесь результатов осуществляли по приближенному методу, допускаемому п.3.17 СНиП.
Опытные данные о несущей способности балок, армированных ХКП, и результаты их расчета по изложенным Методикам представлены в табл.2.
Результаты сопоставления опытных и расчетных данных о прочности балок, армированных высокопрочной холоднокатаной проволокой с новым периодическим профилем, приведены в табл.3 и показаны на рис.З. Из их рассмотрения следует, что расчет по Методике 3 практически совпадает с экспериментальными данными.
Бетон и железобетон, 1995 №5