С.А.МАДАТЯН, д-р техн. наук, проф., В.ВДЬЯЧКОВ, инж., Сжатые железобетонные элементы с механическими соединениями рабочей арматуры
До последнего времени стыкование рабочей арматуры железобетонных конструкций в монолитном домостроении в России выполнялось только путем сварки или нахлестки, что приводит к перерасходу арматурной стали, энергозатрат и значительной трудоемкости. Проведенные ранее исследования опрессованных и резьбовых конусных соединений, а также соединений арматуры винтового профиля [1-3] позволили рекомендовать эти виды механических соединений для массового применения.
Целью настоящей работы было сравнение поведения в железобетоне целых стержней и стыковых соединений с накатанной цилиндрической резьбой для оценки влияния локальной деформативности стыков на прочность, трещиностойкостъ и деформативность центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов.
Программа работ включала в себя испытание 8 образцов железобетонных колонн размером 200x200x800 мм, армированных четырьмя стержнями продольной арматуры 032 класса А500С. В ходе испытаний колонны были разбиты на три группы, каждая из которых состояла из 2-3 образцов: первая группа (КЦ-1, КМ-1, КМ-2) испытывалась на центральное сжатие; вторая фуппа (КМВ-1, КМВ-2) испытывалась с эксцентриситетом приложения нагрузки е0=50 мм; третья группа (КЦВ-1, КМВ-3, КМВ-4) испытывалась с эксцентриситетом во=130 мм. Схема армирования колонн показана на рис.1. Программой предусматривалось также испытание на растяжение образцов соединений арматуры диаметром 32 мм (рис.2). Резьбу на концы арматурных стержней наносили с помощью резьбонакатной машины производства китайской фирмы “CABR. При помощи динамометрического ключа соединение затягивали с усилием не менее 300 Н-м. Одновременно с колоннами изготовляли кубы размером 100x100x100 мм для контроля прочностных характеристик бетона.
Испытания стыков на растяжение выполняли на машине МРИ 00 по ГОСТ 12004 с определением деформативности стыка (Aqct ). Для этого пользовали методику, предложенную в рекомендациях по механическим соединениям [4] и ТУ [5]. Согласно [4.5J, вычисляли усилие Рд, соответствующее эксплуатационным напряжениям в арматурных стержнях, равных 0,6от:
Механические свойства резьбовых соединений арматуры представлены в табл. 1.
Колонны испытывали на гидравлическом прессе ПР- 1000, нагружение производили ступенями (0,1 Np) с выдержкой 10-15 мин. Эксцентриситеты создавались с помощью цилиндрических шарниров, установленных по торцам колонн. Продольные и поперечные деформации бетона замеряли в зоне стыка с помощью цепочек тензодатчиков с базой 20 мм и индикаторных тензометров с ценой деления 0,002 мм, установленных на базе 180 мм. Одновременно следили за характером образования и развития трещин. Ширину их раскрытия определяли с помощью микроскопа. Характер разрушения образцов показан на рис.З
Центрально сжатые колонны КМ-1, КМ-2 и КЦ-1 разрушались либо в верхней, либо в нижней части. Относительные продольные деформации бетона в зоне стыка составили 215-105, 278-105 и 251,3-105 соответственно для колонн КМ-1, КМ-2 и КЦ-1, а поперечные деформации достигли значений 75-105,88,5-10‘5 и 115.3-10-5.
Напряжения в арматуре за этап до разрушения достигали максимального значения 513 Н/мм2. Продольные трещины в колонне КМ-1 образовались при нагрузке 3250 кН, ширина их раскрытия составила 0,5 мм, потом появились лещадки и произошло отслаивание защитного слоя бетона вне зоны стыка, колонна разрушилась при нагрузке 3275 кН. При нагрузке 3000 кН на поверхности колонны КМ-2 (ниже стыка) появились первые трещины; при дальнейшем увеличении нагрузки отслоился защитный слой бетона, трещины раскрылись до 2 мм; разрушение произошло при нагрузке 3300 кН. Первые продольные трещины на поверхности колонны КЦ-1 появились в средней части при нагрузке 3250 кН, в результате выдержки ширина раскрытия трещин составила 1-2 мм, а в приопорной части появились лещадки. Дальнейшее нагружение привело к разрушению опытного образца при нагрузке 3440 кН.
Продольные и поперечные деформации бетона центрально сжатых колонн показаны на рис.4 и 5.
Внецентренно сжатые колонны (КМВ-1, КМВ-2) с относительно малым эксцентриситетом (е0=50 мм) разрушились в своей нижней части в сжатой зоне. За этап до разрушения образца напряжения в сжатой арматуре достигали наибольшего значения 270 Н/мм2. Поперечные трещины в растянутой зоне появились у одного образца из этой группы при нагрузке 1200 кН. В силу малых растягивающих напряжений ширина раскрытия трещин составила 0,01 мм. Распределение деформаций бетона по высоте сечения колонны показано на рис.6. Продольные деформации бетона сжатой зоны колонн показаны на рис.8.
Разрушение внецентренно сжатых колонн с эксцентриситетом е0=130 мм (КЦВ-1, КМВ-3, КМВ-4) происходило по бетону сжатой зоны в нижней части; при этом напряжения в растянутой арматуре за этап до разрушения образца достигали наибольшего значения 284 Н/мм2, а в сжатой арматуре 324 Н/мм2. Волосяные трещины появились на первых этапах нагружения с шириной раскрытия не более 0,05 мм. Трещины возникли в местах расположения хомутов и муфт. Ширину раскрытия трещин измеряли в средней части колонн. Максимальная ширина раскрытия трещин в колоннах как с целыми стержнями, так и с муфтами существенно не отличалась и составила от 0,1 до 0,125 мм. Распределение деформаций бетона по высоте сечения колонны показано на рис.7. Продольные деформации бетона сжатой и растянутой зон колонн показаны на рис.9.
Экспериментальные данные несущей способности сопоставляли с теоретически вычисленной разрушающей нагрузкой (табл. 2). Теоретическую разрушающую нагрузку вычисляли исходя из реальной диаграммы растяжения арматуры os-es и деформаций бетона, определенных за этап до разрушения колонны.
Выводы
1. Результаты испытаний железобетонных колонн с различным эксцентриситетом приложения нагрузки
показали, что резьбовое соединение арматурных стержней не приводит к увеличению деформативности бетона в зоне стыка, не снижает прочности и не увеличивает ширину раскрытия трещин по сравнению с колоннами, выполненными без стыков.
2. Резьбовые соединения арматуры, выполненные путем накатки цилиндрической резьбы на концах соединяемых стержней по технологии “CABR”, можно рекомендовать для широкого применения взамен нахлестки или ванной сварки для соединения рабочей арматуры центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов.
Бетон и железобетон, 2007 №4