С.Х.БАЙРАМУКОВ, канд.техн. наук (Карачаево-Черкесский государственный технологический ин-т), Влияние однократных динамических нагрузок на прочность элементов со смешанным армированием
По установившейся в последнее время терминологии под кратковременными динамическими нагрузками на строительные конструкции понимают взрывные и ударные воздействия высокой интенсивности и малой продолжительности действия (г<1с). Для таких нагрузок применение смешанного армирования весьма целесообразно. Особенно эффективно применение в конструкциях со смешанным армированием в качестве ненапрягаемой арматуры мягкой стали классов A-II, A-III с площадкой текучести достаточной длины. Смешанное армирование позволяет не только получить преимущества, но и предохранить конструкцию от внезапного хрупкого разрушения.
В то же время, во многих случаях работы строительных конструкций возникает необходимость установить влияние однократной и кратковременной динамической нагрузки эксплуатационного уровня на их остаточную статическую прочность. Такая необходимость зачастую появляется из-за того, что некоторые конструкции, проектируемые на воздействие только статической эксплуатационной нагрузки, в силу разных причин в период эксплуатации могут испытывать действие повторяющихся нагрузок, количество которых значительно меньше 2-106 циклов. В этих условиях представляет интерес определение влияния однократной динамической эксплуатационной нагрузки не только на прочность, но и на трещинообразование и деформации железобетонного элемента.
Для проверки предлагаемой методики расчета прочности изгибаемых железобетонных элементов со смешанным армированием на кратковременные (однократные) динамические нагрузки высокой интенсивности были обработаны результаты исследований, приведенные в работе [3]. Время разрушения опытных образцов при динамических испытаниях составило 0,06. . 0,15 с. На рисунке представлены результаты, полученные в опытах [3], а также теоретические v значения несущей способности балок со смешанным армированием, рассчитанные по формулам предлагаемой методики.
Изгибающий момент внутренних усилий при статическом нагружении вычисляли по методике, изложенной в работе [2], на двух стадиях работы элемента: МI - на уровне начала текучести арматуры при треугольной эпюре напряжения сжатой зоны и Ми3 - на уровне начала разрушения сжатой зоны при прямоугольной эпюре сжатой зоны бетона.
Прочность нормального к продольной оси сечения элемента при динамическом воздействии была определена на четырех стадиях его работы: МшП - для предельного состояния 1а, определяемого началом текучести мягкой арматуры; МтВ - для предельного состояния III, соответствующего пластической стадии работы арматуры и началу разрушения бетона сжатой зоны; МI - на стадии снижения несущей способности перед обрывом высокопрочной арматуры (предельное состояние 1в по первому варианту классификации предельных состояний); М2 - в момент обрыва высокопрочной арматуры.
Следует отметить, что при расчете по второму варианту классификации предельных состояний предельное состояние 1в (по остаточному изгибающему моменту) не нарушается.
Несущую способность сечения, нормального к продольной оси элемента для предельных состояний 1а и III рассчитывали по формуле
При этом использовали значения относительной высоты сжатой зоны бетона b,d в зависимости от области деформирования, в которой находится напрягаемая и ненапрягаемая арматура в сечении.
Расчетные динамические сопротивления бетона
Сопоставление экспериментальных и расчетных данных при определении степени упрочнения бетона при кратковременных динамических нагрузках показали, что использование рекомендуемых в формуле (4) коэффициентов дает несколько завышенные динамические сопротивления бетона. Так, для предельного состояния I расчетная динамическая прочность бетона должна 1,13 раза превышать статическую, а в предельном состоянии III - в 1,2 раза. В то же время опыты показали, что в начале разрушения сжатой зоны коэффициент динамического упрочнения составил 1,07...1,11. Вследствие этого, в расчетах по предельному состоянию 1а были использованы сопротивления бетона, полученные при статических испытаниях. Для предельного состояния III в расчет вводили фактические величины динамических сопротивлений бетона, полученных в опытах.
За расчетные динамические сопротивления арматуры растяжению R,llk рекомендуется принимать значения: условного предела упругости - Д,„; условного или физического предела текучести - R,J2 временного сопротивления- R,l/3. Расчетные динамические сопротивления арматуры растяжению R,Jk рекомендуется определять по формуле
Проверку прочности расчетного сечения прямоугольного профиля по формуле (3) при заданном предельном состоянии, размерах сечения и армировании производили в зависимости от относительной высоты сжатой зоны бетона, определяемой по формуле
Теоретические значения остаточных изгибающих моментов М, и М2 находим по формулам (1) и (2).
Исследования показали, что динамическая прочность балок со смешанным армированием повышается по сравнению со статической прочностью на 19...20%.
Отношение опытных остаточных изгибающих моментов до обрыва высокопрочной арматуры к моменту, соответствующему началу разрушения сжатой зоны составило: для балок серии 1-0,89; 11-0,91; серии 111-0,59 и серии IV-0,56. Как видим, здесь существенное значение имеет процент.
Анализ результатов расчета и сопоставление их с экспериментальными данными (см.рисунок) показывает, что предложенная методика расчета достаточно полно и точно описывает работу железобетонных элементов со смешанным армированием при однократных динамических нагрузках высокой интенсивности. При этом расчетные величины изгибающих моментов, определяющие прочность нормальных сечений на всех этапах нагружения, меньше опытных (см.рисунок). Это соответствует основному требованию, предъявляемому к расчетному аппарату (М / М Т > 1) и определяет надежность методики расчета.
Влияние возможного случайного однократного динамического нагружения эксплуатационного уровня на прочность элементов со смешанным армированием исследовано автором [1]. Было испытано пять балок с различными значениями коэффициента смешанного армирования кр= 0,35...1,0. Подробные сведения о параметрах испытанных образцов приведены в работах [1, 2]. Испытания балок при действии почести. Разрыв стержневой арматуры или проволок канатов не происходил. Испытания балок статической нагрузкой после 400000 циклов динамического нагружения показывают, что динамическая нагрузка оказывает незначительное влияние на остаточную прочность образцов. Незначительное снижение прочности (в пределах 2...3%) наблюдалось в балках с высокими коэффициентами смешанного армирования к= 1,0; 0,72 и 0,68. В образцах с низкими коэффициентами смешанного армирования кр= 0,39 и 0,35 снижения прочности не зафиксировано.
Как видно из таблицы, статическая прочность балок после воздействия кратковременных динамических нагрузок эксплуатационного уровня сохраняется при количестве циклов, составляющих 80% от числа циклов, приводящих к усталостному разрушению. Так, в балках серии I при N-502 тыс. циклов, вызывающих усталостное разрушение, после А=400 тыс. циклов статические испытания показали снижение прочности всего на 3% , что находится в пределах погрешности измерений.
Исследования показали, что характер разрушения образцов после 400000 циклов нагружения был такой же, как и балок, испытанных кратковременной статической нагрузкой. При этом в предварительно напряженной и в ненапряженной арматуре напряжения достигали условного или физического предела.
Бетон и железобетон, 1995 №5