Е.К.НУРМАГАНБЕТОВ, канд. техн. наук, Прочность и деформативность изгибаемых железобетонных элементов при нагрузках типа сейсмических
Для оценки прочности и деформативности железобетонных конструкций были проведены испытания изгибаемых железобетонных элементов на статические, динамические и циклические нагрузки
Результаты испытаний и расчета приведены в таблице. Образцы испытаны на статические и циклические нагрузки. На малоцикловые нагрузки испытаны образцы балок БП-4, БТ-4 в шести циклах ±15КН. Прочностные и деформативные характеристики бетона и арматуры определяли по испытаниям контрольных образцов и призм.
Получены опытные диаграммы деформирования арматуры, имеющие площадку текучести. Значения деформации арматуры в конце площадки текучести находилась в пределах 0,00974-0,0138.
Среднестатистические характеристики бетона приняты в зависимости от 0,85Rh, Sbtu 2Rb/Eb.
Опытные образцы представляли собой железобетонные балки прямоугольного и двутаврового поперечного сечения высотой 36см и длиной 100см. Армировались балки вязаными каркасами. Серии балок I-IV армировались высокопрочной низколегированной горячекатанной периодического профиля арматуры класса А-ГУ. Балки серий V армировались стержневой горячекатаной периодического профиля арматурой класса А- III. Балки всех серий изготавливались из тяжелого бетона, и испытания проводились на специальном стенде.
Нагружение опытных образцов производилось ступенями, равными 1/10 и 1/20 от ожидаемой разрушающей нагрузки в режиме малоциклового нагружения. Отсчеты по приборам снимались в начале и в конце выдержки, что давало возможность определить деформации бетона, арматуры и прогибов. Относительные деформации бетона, арматуры и прогибов балок измерялись вплоть до исчерпания их несущей способности, что характеризовалось раздроблением бетона сжатой зоны балок.
В сериях балок I, II, IV напряжения во всей растянутой арматуре при разрушении опытных образцов превышали условный предел текучести, а в серии V в нижних двух рядах арматуры (класса A-III) возникали деформации, соответствующие площадке текучести.
В серии I деформации растянутой арматуры достигли величины 2,2%. При этом значения
относительной высоты сжатой зоны бетона при разрушении балок изменялись в пределах 0,1284-0,134. Сжатая зона при исчерпании несущей способности двутавровой балки находилась в пределах полки. Средние деформации растянутой арматуры в сериях I и IV несколько превышали значения, соответствующему условному пределу текучести, и достигали величины 0,65%. Значения деформации при разрушении образцов изменялись в пределах 0,3024- 0,476. Нейтральная ось при разрушении двутавровой балки проходила ниже полки. В балках III серии средние деформации арматуры не превышали 0,4%, практически сталь в них работала в упругой стадии. Относительная высота сжатой зоны бетона при разрушении балок III серии достигла величины ,0,595 в двутавровых и величины 0,437 в прямоугольных. В нижней арматуре балки V-ой серии средние относительные деформации достигли величины 0,9%.
Анализ теоретических разрушающих моментов, вычисленных по работе* и опытных для балок серии 1-IV (табл
армированных высокопрочной сталью класса A-IV, не имеющей площадки текучести, позволяет дать сравнительную оценку использования высокопрочной арматуры в балках прямоугольного и двутаврого сечений и оценить влияние формы сечения на границу пе- реармирования элемента при чистом изгибе.
Измерение деформации арматуры вплоть до разрушения опытных образцов позволило выявить значения напряжений в арматуре при снижении и исчерпании несущей способности элементов. Эти значения в опытах были определены по исходной диаграмме деформирования стали при растяжении
Определялись средние деформации арматуры при разрушении прямоугольных и двутавровых поперечных сечений балок. Результаты этих измерений для образцов имели различную высоту сжатой зоны бетона при разрушениях. Величина деформации определялась по значениям опытного изгибающего момента при разрушении .М’’’ , принимая равномерное распределение напряжений в бетоне сжатой зоны При одних и тех же величинах деформации арматуры при разрушениях в элементах таврового сечения несколько больше, чем в элементах прямоугольного сечения. При этом с уменьшением величины деформации эта разница уменьшается и для слабоармированных элементов почти отсутствует. Так, при значениях деформации 0,4; 0,3 и 0,2 деформации арматуры элементов таврового сечения превышает их значения для элементов прямоугольного сечения соответственно в 1,36; 1,24 и 1,06 раза. Различие в величинах предельных деформаций арматуры при одной и той же высоте сжатой зоны бетона говорит о том, что граница армирования в элементах таврового сечения выше, чем в элементах прямоугольного сечения.
Относительная высота сжатой зоны бетона в образцах определялась по показаниям электротензодатчиков, наклеенных по высоте сечения на боковой поверхности балки. Эта методика позволила измерять деформации по высоте сжатого бетона как в сечениях с трещиной, так и между ними вплоть до разрушения элемента. Опытные величины средних деформаций сжатого бетона 8ь и растянутой арматуры es принимались по их диаграммам деформирования соответственно на тех уровнях однократного или малоциклового нагружения, при котором определяется средняя относительная деформация еср. Характер изменения относительных высот сжатого бетона в балках с различным процентом армирования имеет свои особенности. В балках 1-ой серии с малым процентом армирования при образовании трещины происходит резкое уменьшение относительной высоты сжатого бетона. При дальнейшем повышении малоцикловой нагрузки изменение деформации незначительно до относительных уровней
В двутавровых балках этих серий в стадиях, близких к разрушению, происходит даже увеличение относительной высоты сжатой зоны бетона.
Таким образом, применение изгибаемых железобетонных элементов двутаврового сечения позволяет повысить уровень микроразрушений и отделяет начало нарушения сплошной структуры сжатого бетона. Это подтверждается также анализом эпюр напряжений в сжатом бетоне железобетонных балок прямоугольного и двутаврого сечения, который показывает, что при одинаковом относительном уровне нагружения величины максимальных напряжений в бетоне сжатой зоны двутавровых балок меньше, чем в балках прямоугольного сечения.
В процессе малоциклового нагружения типа сейсмических в образцах железобетона в растянутой зоне образуются трещины и при дальнейшем нагружении бетон между трещинами удлиняется, а между берегами трещин сохраняются некоторые бетонные связи. При разгрузке происходит закрытие трещин в железобетонном элементе. После полной разгрузки напряжений сжатия дальнейшее деформирование железобетонного элемента ведет к возникновению в бетоне напряжений растяжения.
При начальном сейсмическом нагружении в железобетонной балке IV серии в режиме первого полуцикла (Mt>0) сжатая зона бетона с арматурой становится растянутой, а растянутая зона бетона во втором полуцикле (,М(<0) превращается в сжатую. На действительной расчетной диаграмме деформирования балки (рис. 1) показана восходящая ветвь нагружения 1-2 и нисходящая ветвь разгрузки 2-3-4.
Действительная расчетная диаграмма деформирования железобетонной конструкции зависит от интенсивности сейсмической нагрузки, формы поперечного сечения элемента, классов бетона и арматуры, процента армирования балки. На рис. 1,а,б показаны фактические изменения напряженно-деформированного состояния опытных образцов (III, IV серий) на ветвях нагрузки и разгрузки и хорошо согласуются с аналитическими зависимостями, предложенными в работе* Связь напряжений и деформаций бетона и арматуры с кривизной при поэтапном изменении значений моментов рассматриваются на границах отрезков.
Цифрами 1-2-3-4 обозначены характерные точки на диаграмме “М-х“ деформирования опытных образцов. Эти точки соответствуют образованию и закрытию трещин в зонах растяжения и сжатия при сейсмических нагружениях железобетонной балки до заданного уровня моментом Mi. Например, М4=0 при разгрузке; при образовании трещин в бетона сжатой зоны М2 = —Мг; при зажатии трещин момент обратного знака {-Му). Поэтому действительная работа железобетонной балки при землетрясениях различной интенсивности разбивается на характерные участки, для которых деформирование бетона и арматуры описываются отдельными кривыми или дробно-линейными диаграммами.
Бетон и железобетон, 1998 №5