Д.Х.КАСАЕВ, канд.техн. наук (Карачаево-Черкесская государственная технологическая академия) Прочность железобетонных элементов таврового сечения при изгибе с кручением
В исследовании [1] была получена формула для оценки прочности элементов таврового сечения при кручении.
В работе [2] для элементов прямоугольного сечения была определена предельная область при совместном действии изгиба с кручением. Расчетные условия, описывающие эту предельную область, имеют вид:
• при интенсивном изгибе с кручением, когда Тм < 0,5 Т,
• при изгибе с кручением, когда Мт / М > 0,5 и Тм / Т > 0,5,
Проведенными исследованиями было установлено, что условия (1...3) справедливы для элементов коробчатого, кольцевого и двутаврового сечений при аналогичном загружении.
Для проверки гипотезы о том, что условия (1... 3) будут справедливы и для элементов таврового сечения, были использованы опытные данные, полученные в исследованиях, приведенных ниже.
Опыты Т.П. Чистовой [4]. На действие изгиба с кручением подверглись четыре серии из 14 балок таврового сечения. Проектные размеры поперечного сечения были приняты следующими: высота 30 или 40 см; толщина стенки 8 см; толщина полок 5 или 8 см и ширина полки 22 см. Балки первой и второй серий имели одинаковую схему продольного армирования, которая состояла из 4 стержней, два из которых располагались в верхней и нижней зонах стенки, а два остальных - в свесах полок. В балках третьей серии продольная арматура состояла из 6 стержней, расположенных по предыдущей схеме, только у верхней и нижней грани стенки ставились спаренные стержни. В балках четвертой серии было предусмотрено 8 продольных стержней диаметром 4, 6,12 или 14 мм с пределом текучести 253...607 МПа.
Балки первой, второй и третьей серий армировались сварным пространственным каркасом, состоящим из двух плоских каркасов, расположенных в стенке и полке. Балки четвертой серии армировались вязаными каркасами, в которых продольные стержни охватывались замкнутыми хомутами, расположенными в стенке и полке. Поперечные стержни балок первых трех серий диаметром 6 или 8 мм приваривались к продольным стержням с шагом 10 см и имели предел текучести 309...403 МПа. Образцы четвертой серии армировались хомутами, изготовленными из арматурной проволоки диаметром 4 мм и условным пределом текучести 607 МПа. При испытаниях образцов первой и второй серий полка располагалась в растянутой от изгиба зоне, а в образцах третьей и четвертой серий - в сжатой. Призменная прочность бетона изменялась в пределах 18.9... 27,9 МПа.
Опыты Н.Н. Ячменевой [5]. Из 12 балок таврового сечения 8 образцов нагружались изгибающим и крутящим моментами, остальные 4 балки были подвергнуты действию изгибающего, крутящего моментов и поперечной силы. Образцы проектировались высотой 20 см, толщиной полки и стенки 6 см, при ширине полки 15 см. Продольное армирование было принято по трем схемам. В первой схеме предусматривалось 6 продольных стержней, расположенных по внешним углам сечения. При второй схеме устанавливалось 8 стержней, два из которых располагались в верхней зоне стенки, остальные по внешним углам сечения. В третьей схеме предусматривались четыре стержня, два из которых располагались у нижней грани стенки, и два - в верхних углах полок. Продольные стержни были приняты диаметром 6,8,10 или 12 мм. Предел текучести этой арматуры изменялся в пределах 413...725 МПа. Балки типа ТН в количестве трех штук были предварительно напряженными. Поперечная арматура в виде хомутов из стержней диаметром 6 мм располагалась с шагом 5 см и имела предел текучести 384...495 МПа. Призменная прочность бетона изменялась в пределах 27,2...33,8 МПа.
Опыты К. Иенгара и Б. Ран гана [6]. На действие изгиба с кручением были подвергнуты 3 балки таврового сечения. Поперечные размеры сечения образцов были следующие: b =10,2 см, h = 15,2 см, Ьг = 25,4 и Ьг = 1,27 см. Продольная арматура состояла из 4 стержней, расположенных по углам контура вертикального ребра и была асимметричной. Свесы полок не армировались. Поперечная арматура из стали с пределом текучести 310 МПа состояла из прямоугольных замкнутых хомутов с размерами по осям ветвей 5,7x14 см и с шагом 8 см. Призменная прочность бетона изменялась от 18,8 до 25,8 МПа.
Опыты Д. Кирка и Н. Ловеланда [7]. Воздействию изгиба с кручением были подвергнуты 12 балок таврового сечения со следующими проектными размерами: высота 16,5 см, ширина стенки 10,2 см, ширина и толщина полки 26,6 и 3,8 см соответственно. Продольная арматура для балок серий Н и I состояла из четырех стержней, расположенных по углам сечения стенки. В балках третьей серии J дополнительно устанавливались два стержня в свесах полок. Стержни, расположенные в верхней зоне, были диаметром 6,35 мм с пределом текучести 327 МПа, а внизу стержни были диаметром 9,5 мм и имели предел текучести 306 МПа. Поперечная арматура в виде замкнутых хомутов была изготовлена из арматурной проволоки диаметром 6,35 мм с пределом текучести 327 МПа. Шаг хомутов для балок серий Н и J составлял 6,4 см, а для балок серии I - 7,6 см. Призменная прочность бетона для серий Н, I и J составляла 26,2,22,5 и 18,9 МПа соответственно.
Рассматриваемые опытные образцы по характеру армирования можно разделить на три группы. Первая группа балок армировалась двумя плоскими каркасами - по одной в полке и стенке. Во второй группе стенка и полка армировались замкнутыми хомутами. И, наконец, в последней группе элементы не имели армирования в полке. Характер армирования влияет на несущую способность при кручении, и это нельзя было оставлять без внимания.
Расчеты по формулам (1.. .3) и сравнение опытных моментов с расчетными показали, что имеют место “выбросы” результатов для двух образцов, для которых отношение опыта к расчету составило 0,6 и 0,63. Причиной этого явления, по нашему мнению, является армирование плоскими каркасами. В шести образцах полка армировалась плоским каркасом. Для этих балок отношение опытного момента к расчетному составило в среднем 0,79 при максимальном значении 0,92. В то же время для образцов типа XII, испытанных Т.П. Чистовой [4] и армированных замкнутыми хомутами, отношение опытных моментов к расчетным для всех трех балок оказалось выше 1 при среднем значении 1,16. Это свидетельствует о негативном влиянии армирования одиночными каркасами.
Железобетонный элемент, подвергнутый кручению, после образования трещин представляет собой блочно-стержневую пространственную систему, в которой арматура (как продольная, так и поперечная) работает на растяжение, а бетон - на сжатие. При отсутствии арматурных стержней в одном из направлений с появлением трещин образуется геометрически изменяемая система, неспособная воспринимать нагрузку. При армировании стенки и полки таврового элемента плоскими каркасами геометрическая неизменяемость системы в полной мере не обеспечивается.
Можно констатировать, что для полного использования ресурсов прочности арматуры и бетона в элементах любого профиля следует предусматривать замкнутое поперечное армирование.
Полки опытных образцов в исследованиях [6,7] не были армированы. При расчете по формуле, полученной в [1], без учета работы свесов, как элементов прямоугольного сечения, несущая способность недооценивается. Поэтому при обработке опытных результатов работа бетона учитывалась частично. Это было достигнуто тем, что при определении механического коэффициента продольного армирования в формуле фигурирует вся площадь сечения тавра, тогда как рабочая ширина сечения определяется как для элемента прямоугольного сечения, без учета свесов. При таком подходе для этих образцов получаются приемлемые результаты в сходимости опыта с расчетом. Среднее значение отношения опыта к расчету составило 1,06 при максимальных отклонениях -21...+ 24%.
Если рассматривать результаты обработки всех опытных образцов, за исключением образцов, армированных плоскими каркасами, то максимальные отклонения опыта от расчета составили - 21 ... + 34 % при среднем значении их отклонения, равном 1,02.
Выводы
1. Для полного использования ресурсов прочности бетона и арматуры необходимо: во-первых, применять замкнутое поперечное армирование, а во-вторых, следует армировать свесы полок.
2. При изгибе с кручением тавровых элементов предельная область ограничивается тем же графиком, что и для элементов прямоугольного сечения.
Бетон и железобетон, 2005 №3