В. М.БОНДАРЕНКО, академик РААСН, д-р техн. наук, проф. (МИКХиС), К вопросу о концептуальных основах теории железобетона
Бетону свойственна анизотропия силового сопротивления. Его использованию в несущих конструкциях способствует компенсационное армирование и, при необходимости, предварительное обжатие растянутых зон и (или) стеснение поперечного деформирования. Силовое сопротивление железобетона совокупно определяется свойствами его компонент и спецификой их совместной работы, включающей сцепление арматуры с бетоном и допустимость трещинообразования.
Одновременно силовое сопротивление бетона, арматуры, сцепление между ними отличает нелинейность связи между напряжениями и деформациями, ползучесть, определенная необратимость деформаций, возрастной износ. Бетон реагирует на изменение гигрометрических и физико-химических характеристик среды, на предысторию и временные режимы нагружения и воздействий.
Естественно, что в связи с этим напряженно-деформированное состояние и силовое сопротивление железобетонных конструкций могут быть расчетно оценены только в нелинейной и в режимно-неравновесной постановке, с учетом внутренней статической неопределимости железобетона Фактический отказ современных норм и многих исследований от учета ползучести, других свойств бетона, обусловленных режимными и временными факторами, или игнорирование неравновесного характера деформирования бетона и железобетона исключают обоснованное решение большинства задач их силового сопротивления во времени и в зависимости от режима трансформации их напряженно-деформированного состояния, в том числе длительной прочности и выносливости, длительной жесткости, нисходящей ветви диаграммы Неравновесная постановка задачи, в которой время выступает как фактор, предопределяет первичность функционально режимной связи между напряжениями, деформациями и временем и одновременно актуализирует поиск предпочтительных конкретных форм записи реологических уравнений механического состояния материала, составляющих базу построения моделей силового сопротивления железобетона. В связи с этим уместно рассматривать указанные модели с позиции осмысливания временных процессов их деформирования с учетом вычислительной предпочтительности дальнейшего дискретного или интегрального использования аналитическими или сетевыми приемами. Силовое сопротивление железобетона в каждый текущий момент его оценки зависит от предыстории деформирования; от временного (возрастного) износа материалов; от повреждений, накопленных за время эксплуатации объектов; от режима нагружения и режимного изменения напряженно-деформированного состояния. В связи с этим рассматривается предыстория: установлено, что прочность бетона всех номинаций к моменту оценки силового сопротивления конструкций зависит от знака, уровня, режима и продолжительности предшествующего нагружения. Так, статическое обжатие образцов в пределах сохранения сплошности (до начала трещинообразования) повышает его прочность, а за этими пределами снижает ее. Одновременное вибрационное пригружение может сместить, усилить или ослабить указанный эффект в зависимости от возраста бетона, частоты и амплитуды динамических нагружений. Одновременно динамические нагружения (прежде всего удары) снижают жесткость и повышают деформативность конструкций и в целом сооружений. Износ — это естественный процесс возрастного изменения свойств бетона как искусственного материала, создание которого происходит длительное время, износ неизбежен, его можно смягчить, но избежать нельзя. Если становление бетона отличается упрочняющим структурообразованием, то износ сопровождается разрушающей деструктуризацией. Износ — многофакторное явление, зависящее от химсостава бетона и особенностей его технологических переделов, температурных и гигрометрических характеристик среды, а также от вмешательства сопутствующих силовых факторов. Износ влияет на характер деформирования, включая поперечные деформации и разрушения бетона и железобетона, определяет специфику обратимости и нелинейности деформирования материалов. Повреждения — объективно существующая реальность для большинства эксплуатируемых бетонных и железобетонных сооружений. Повреждение может быть следствием неординарных силовых нагружений, посколько железобетон конструируется из проектных, ожидаемых распределения и значения усилий, а существующая конструкция может не полностью соответствовать усилиям. возникающим при неординарных силовых ситуациях. Указанные силовые повреждения отражают несовершенства силового сопротивления бетона и железобетона (они, как правило, проявляются очагово). Эти повреждения могут быть смягчены (а возможно, предотвращены) более тщательным конструированием железобетона (в том числе фибровым и /или косвенным армированием и т.п.). Наиболее часто проявляются коррозионные повреждения, которые всегда являются следствием химических, биологических, физических, температурных и тому подобных воздействий среды. С термодинамической точки зрения, их развитие неравновесно. Коррозия поражает бетон, арматуру, участки сцепления между ними, узлы и связи конструкций. Коррозийное повреждение бетона и железобетона также представляют собой сложный многофакторный, развивающийся в пространстве и времени процесс. Коррозийные повреждения могут распределяться как очагово, так и непрерывно и даже равномерно; их интенсивность зависит от знака, уровня и режима сопутствующих силовых воздействий. При неизменных во времени характеристиках агрессивности среды и достаточных размерах конструкции развитие коррозионных повреждений самотормозится. Обусловливающим фактором напряженно-деформированного состояния бетона и железобетонных конструкций в условиях ползучести являются режимы нагружения (изменения напряжений). Ползучесть вообще не проявляется без напряжений, а релаксация напряжений — без стеснения деформаций. Последние проявляются и накапливаются во времени. Для материалов, обладающих ползучестью (а это подавляющее большинство строительных материалов и грунтов), именно режимы нагружения (момент начала и продолжительность, временные уров- невые закономерности их изменения по координатам в пространстве и времени) определяют величины напряжений и деформаций, процессы перераспределения усилий и напряжений между компонентами материалов и сечений элементов, прочностью и в итоге — силовое сопротивление бетона и железобетонных конструкций. Кроме того, в условиях неравномерного накопления деформаций во времени без учета режима нагружения также невозможно рассчитать: виброползучесть материалов, зависящую от ассиметрии, амплитуды и частоты динамических нагружений; длительную прочность и выносливость; перемещение и раздвоение нейтральных осей деформаций и напряжений для неоднородно напряженно-деформированных железобетонных элементов; трансформации нисходящей ветви диаграммы бетона; характера сцепления арматуры с бетоном и, следовательно, изменения жесткости, отпорности, собственных частот колебаний, а также условий силового контакта конструкций супругоподатливой средой [3]. Таким образом, силовое сопротивление железобетона совокупно зависит не только от силовых и геометрических характеристик компонент — бетона и арматуры, но и от временных особенностей их существования — предыстории и истории. Построение методов расчета силового сопротивления железобетонных конструкций осуществимо после предварительной оценки значимости и степени взаимонезависимости отдельных факторов; после формулирования, обоснования и систематизации исходных гипотез — качественных соотношений, инвариантов Одни из них общеизвестны и, как правило, используются как сами собой разумеющееся. К ним, в частности, относятся посылки: о малости относительных деформаций; о сложности деформаций и сопротивлений; о плоских сечениях (или прямых нормалях); об индентификации гравитационных и инерционных нагрузок. Другие менее известны и часто применяются без обозначения, например: о взаимонезависимости и сложении частных (разноименных) деформаций; об аффиноподобии, используемом при вычислении деформаций при многофакторном влиянии; о принципе суперпозиции при линейной ползучести и режимном нагружении. Третьи формулируются и привлекаются при углубленном изучении теории железобетона или решении ее новых задач. Среди этих исходных посылок можно отметить: гипотезу Фрама-Каминекого о “равнодоступности” разнофакторных процессов становления и сре- дового повреждения материалов во времени, включающей возможность их асинхронного развития (эта гипотеза, по сути, обеспечивает обозначенную выше взаимонезависимость частных эффектов и деформаций); постулат Гульберта-Вааге, утверждающий, что при постоянных силовых и средовых воздействиях существует пропорциональность скорости изменения механических и физико-химических характеристик материалов их текущему дефициту по отношению к предельным значениям этих характеристик, к которым текущие их значения асимптотически приближаются; правило Б.Персоца о применимости принципа суперпозиции для нелинейной ползучести при обеспеченной взаимонезависимости частных деформаций; признак С.Е.Фрайфельда о связи между мерой ползучести, соответствующей единичному начальному напряжению при любом режиме нагружения, и мерой простой ползучести, замеряемой при неизменных режимах нагружения для начальных единичных напряжений. Если при этом мера ползучести принимается равной мере простой ползучести, то это приводит к так называемой теории наследственности (по Больцману). А в случае, когда устанавливается, что мера ползучести равна приращению меры простой ползучести, получается так называемая теория старения (по Уитнею). Заметим, что для бетона предпочтительней оказалось так называемая теория наследственного старения, названная теорией упру- гоползучести тела (по Г.Н.Маслову — Н.Х.Арутюняну), представляющая собою скорректированную с помощью множителя старения наследственную теорию. При этом меры простой подзучести, подбираемые эмпирически и составляющие ядра соответствующих реологических уравнений механического состояния бетона, удобно оценивать с помощью критериев С.В.Александровского [1]. Кроме того, среди рабочих посылок, оказавшихся плодотворными при решении режимных задач теории железобетона, целесообразно привести инвариант М.Рей- нера о независимости от истории нагружения величины потенциальной энергии деформирования материала к моменту разрушения, позволяющий аналитически прогнозировать длительную режимную прочность (и выносливость) бетона и режимные особенности нисходящей ветви его диаграммы и инвариант Н.Н.Давиденкова о независимости площади петли гистерезиса на этой диаграмме от частоты колебаний при стационарном динамическом нагружении реальных твердых тел, приводящий к решению задач виброползучести [2]. С целью изучения проблемы постановки задач теории железобетона и выработки соответствующих рекомендаций в 1980 г. по инициативе А.А.Гвоздева при НИИЖБе была создана постоянная комиссия во главе с Н.Х.Арутюня- ном. Рабочая группа этой комиссии, в состав которой вошли С.В.Бондаренко, П.И.Васильев, А.Б.Голышев, Ю.В.Зайцев, В.Г.Назаренко, И.Е.Прокопович, Р.Л.Серых, Е.Н.Щербаков, А.В.Яшин, а также автор настоящей статьи и другие ученые, подготовила и опубликовала утвержденные НИИЖБом “Рекомендации" [4]. Эти Рекомендации показали безальтернативность нелинейной неравновесной постановки задач теории железобетона и ввели в практику научных исследований и прикладных расчетов опорные реологические уравнения механического состояния материалов, составляющие базу моделей силового сопротивления железобетона. Разумеется, что дальнейшее развитие теории железобетона неосуществимо без обоснованного введения как уточнений, так и упрощений. Однако и подменять примитивами концептуальные основы теории, вытекающие из фундаментальных законов механики твердого деформируемого тела и термодинамики, недопустимо.