Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 13
1.1. Влияние предварительного растяжения арматуры на сопротивление бетона и железобетонных элементов силовым воздействиям 13
1.2. Повышение эффективности железобетонных элементов путем предварительного сжатия высокопрочной арматуры 23
1.3. Железобетонные балки с комбинированным преднапряжением 30
1.4. Задачи исследования 35
Глава 2. Идея и способ изготовления железобетонных балок с переменным преднапряжением 37
2.1. Идея создания железобетонных балок с предварительным напряжением арматуры на ограниченных участках 37
2.2. Предлагаемый способ изготовления железобетонных балок с предварительным напряжением арматуры на отдельных участках 42
2.3. Определение параметров натяжной муфты и усилия, прикладываемого к рычагу для получения требуемого предварительного напряжения 45
2.4. Длина зоны анкеровки предварительно напряженной арматуры в бетоне 48
Выводы по главе 2 54
Глава 3. Особенности расчета железобетон ных балок с переменным вдоль пролета комбинированным преднапряжением и влияние основных факторов на характеристики балок 55
Основные положения расчета балок по обеим группам предельных состояний на усилия, действующие при их изготовлении 55
Особенности расчета прочности, трещиностойкости и деформативности железобетонных балок с переменным преднапряжением вдоль пролета на всех стадиях работы 67
Алгоритм расчета прочности, трещиностойкости и деформативности железобетонных балок с переменным преднапряжением вдоль пролета на всех стадиях работы 76
1. Алгоритм расчета железобетонных балок с преднапряжением на ограниченном участке по обеим группам предельных состояний 78
2. Расчет по деформациям 102
Выводы по главе 3
Глава 4. Экспериментальная проверка предложенных решений 111
4.1. Программа эксперимента и конструкция опытных железобетонных балок 111
4.2 методика экспериментальных исследований 115
4.3 результаты испытания железобетонных балок 122
Выводы по главе 4 128
Глава 5. Разработка конструкции стропильной железобетонной балки с локальным комбинированным преднапряжением 129
5.1. Общие положения 129
5.2. Конструктивные особенности предлагаемой стропильной железобетонной балки с переменным комбинированным преднапряжением вдоль пролета 129
5.3. Технико-экономические преимущества предложенной стропильной
Железобетонной балки 135
Выводы по главе 5 138
Основные выводы 139
Литература
- Влияние предварительного растяжения арматуры на сопротивление бетона и железобетонных элементов силовым воздействиям
- Идея создания железобетонных балок с предварительным напряжением арматуры на ограниченных участках
- Основные положения расчета балок по обеим группам предельных состояний на усилия, действующие при их изготовлении
- Программа эксперимента и конструкция опытных железобетонных балок
Введение к работе
Уровень развития капитального строительства во многом определяется научно-техническим и экономическим состоянием железобетонных конструкций, которые еще много десятилетий будут оставаться основой строительства.
Несмотря на значительные успехи в развитии теории и практики железобетонных конструкций, все еще далеко не исчерпаны ресурсы их дальнейшего прогресса. В первую очередь это относится к предварительно напряженным конструкциям, в которых возможно эффективное использование высокопрочных арматурных сталей, что позволяет значительно сократить расход металла, столь необходимого в других отраслях народного хозяйства.
Большинство исследований и технических разработок предварительно напряженных железобетонных конструкций относятся к элементам с предварительно растянутой арматурой, позволяющей значительно повысить уровень трещиностойкости конструкции.
В последние годы появились и вызвали большой интерес железобетонные элементы с предварительно сжатой высокопрочной арматурой. Благодаря предварительному сжатию арматуры, расположенной в сжатой зоне сечения железобетонного элемента, достигается значительное увеличение суммарных сжимающих напряжений в такой арматуре при раздроблении окружающего бетона от внешней нагрузки. Это позволяет рационально использовать высокопрочную сталь для армирования сжатой зоны элемента и сократить ее расход.
Предложены различные способы обеспечения устойчивости арматурных стержней при их предварительном сжатии и способы изготовления таких конструкций.
Естественным продолжением развития предварительно напряженных железобетонных конструкций явилось создание так называемого комбинированного преднапряжения, при котором арматура растянутой зоны сечения элемента подвергается предварительному растяжению с целью повышения трещиностойкости этой зоны, а арматура сжатой зоны — предварительному сжатию для повышения предельных суммарных напряжений.
Комбинированное преднапряжение благодаря повышению предельных напряжений в высокопрочной арматуре растянутой и сжатой зон позволяет не только в наибольшей степени уменьшить расход стали, но и повысить трещиностойкость зоны, растянутой от внешней нагрузки.
При существующих способах изготовления преднапряженных железобетонных конструкций преднапряженная арматура протягивается, как правило, на всю длину элемента, что создает неблагоприятные условия работы концевых участков - появление незакрывающихся трещин на верхней грани балок, а также вдоль предварительно растянутых арматурных стержней, раздробление бетона от местных сосредоточенных усилий на торцах элемента. Кроме того, арматура и преднапряжения, подобранные по максимальным усилиям, на концевых слабонагруженных участках оказываются излишними, что ведет к нерациональному распределению арматуры вдоль элемента.
В настоящем исследовании поставлена задача повысить технико-экономические показатели железобетонных изгибаемых элементов с комбинированным преднапряжением.
Диссертация выполнялась по гранту 2003 - 2004 гт. (тема Т02-12.4-1354 «Способы изготовления железобетонных конструкций с локальным
преднапряжением высокопрочной арматуры на отдельных участках») и программе «Архитектура и строительство» на 2003-2004 гг. (тема 211.03.01.357 «Разработка новых эффективных конструктивных решений стропильных и междуэтажных железобетонных балок с комбинированным преднапряжением»).
Работа выполнялась на кафедре железобетонных и каменных конструкций Ростовского государственного строительного университета под руководством заслуженного деятеля науки и техники РФ, доктора технических наук, профессора Р.Л. Маиляна.
Целью исследования являлось: разработать новое конструктивное решение и способ изготовления железобетонных балок с переменным комбинированным преднапряжением вдоль арматурных стержней; усовершенствовать методы расчета таких элементов по обеим группам предельных состояний; выполнить экспериментальную проверку предложенных рекомендаций; определить технико-экономические показатели предложенных железобетонных конструкций.
Научная новизна работы:
предложено новое конструктивное решение железобетонных балок с комбинированным преднапряжением, в которых высокопрочная арматура подвергается преднапряжению на ограниченных по длине участках балки, в пределах действия наибольших изгибаемых моментов; разработан способ изготовления таких конструкций;
даны рекомендации по определению напряженно-деформированного состояния балок, имеющих в процессе создания преднапряжений предложенным способом ступенчатый профиль;
разработана методика определения граничной высоты сжатой зоны сечения; ширины раскрытия начальных технологических трещин предложенных конструкций;
разработаны рекомендации по расчету прогибов железобетонных балок с переменным вдоль пролета преднапряжением на эксплуатационные нагрузки; рассмотрены все возможные сочетания факторов, влияющих на эпюры кривизн (наличие трещин, степень преднапряжения, уровень внешней нагрузки).
предложен и обоснован алгоритм расчета по обеим группам предельных состояний железобетонных балок с переменным вдоль балок предварительным сжатием высокопрочной арматуры сжатой зоны и предварительным растяжением арматуры растянутой зоны;
- получены новые экспериментальные данные о несущей способности,
деформативности и трещиностойкости железобетонных балок с переменным
вдоль пролета комбинированным преднапряжением; установлено влияние на
их работу величины и знака контролируемого преднапряжения,
расположения технологических вырезов относительно граней элемента.
пересмотрены конструктивные решения типовых стропильных железобетонных балок, разработаны рекомендации по технологии изготовления предложенных балок с локальным предварительным преднапряжением;
- на основе данных перепроектирования типовых железобетонных балок
установлены технико-экономические преимущества предложенных
конструкций, заключающиеся в снижении расхода высокопрочной арматуры
и общего расхода стали, уменьшении денежных затрат на арматуру.
Автор защищает:
предложенные новые конструктивные решения железобетонных балок с комбинированным преднапряжением;
рекомендации по определению напряженно-деформированного состояния балок, имеющих в процессе создания преднапряжения ступенчатый профиль;
методику определения граничной высоты сжатой зоны сечения и ширины раскрытия начальных технологических трещин предложенных конструкций;
рекомендации по определению прогибов железобетонных балок с переменным вдоль пролета преднапряжением на эксплуатационные нагрузки при любых сочетаниях факторов, влияющих на эпюры кривизн;
алгоритм расчета железобетонных балок с переменным вдоль балок предварительным сжатием высокопрочной арматуры сжатой зоны и предварительным растяжением арматуры растянутой зоны по обеим группам предельных состояний;
новые экспериментальные данные о несущей способности, деформативности и трещиностойкости железобетонных балок с переменным вдоль пролета комбинированным преднапряжением с различными величиной и знаком контролируемого преднапряжения и расположением технологических вырезов относительно граней элемента;
- конструктивные решения типовых стропильных железобетонных балок и
рекомендации по технологии изготовления предложенных балок с
локальным предварительным напряжением;
данные перепроектирования типовых железобетонных балок, установленные технико-экономические преимущества предложенных конструкций.
Достоверность разработанных рекомендаций и предложенных методов расчета подтверждается статистической обработкой опытных данных автора, а также результатами численных экспериментов с расширенными границами варьирования изучаемых факторов.
Практическое значение и внедрение результатов работы:
Разработаны и изданы «Рекомендации по расчету и проектированию железобетонных конструкций с комбинированным преднапряжением», которые переданы в проектные и научно-исследовательские организации (ОАО ПСП «СевкавНИПИагропром», ОАО «Ростовский ПромстройНИИпроект», ОАО «Ростоблжилпроект», ОАО «ОЗОН» для использования в практической работе). Применение предложенных рекомендаций позволит проектировать железобетонные изгибаемые элементы более экономично и надежно.
Результаты исследований автора внедрены в учебный процесс в Ростовском государственном строительном университете и Ростовской государственной академии архитектуры и искусства — они включены в программу общего и специального курсов железобетонных конструкций для студентов строительных специальностей.
Апробация работы и публикации: Основные положения диссертационной работы опубликованы в 15 научных статьях. Материалы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях Ростовского государственного строительного университета, Северо-Кавказского научно-исследовательского и проектного института «СевкавИИПИагропром» в 2000-2005 гг., на второй Международной научно-практической конференции «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии».
Влияние предварительного растяжения арматуры на сопротивление бетона и железобетонных элементов силовым воздействиям
Предварительное растяжение арматуры растянутой зоны железобетонных балок осуществляется, как известно, с целью повышения трещиностоикости этой зоны, что позволяет использовать для ее армирования высокопрочную сталь. Это в свою очередь приводит к значительному снижению расхода стальной арматуры в сравнении с невысокопрочной арматурой. Применение высокопрочной арматуры без преднапряжения невозможно из-за чрезмерного раскрытия трещин, вследствие чего не только возникает опасность коррозии стальной арматуры, но и значительно снижается жесткость, долговечность и огнестойкость конструкции.
Исследованию железобетонных конструкций с высокопрочной предварительно растянутой арматурой посвящено большое количество работ, выполненных как в нашей стране, так и за рубежом.
Для систематизации, обобщения и обмена опытом в вопросах проектирования, расчета и технологии изготовления таких конструкций создана и успешно функционирует Международная федерация по предварительно напряженному железобетону (ФИП), в которой принимают активное участие специалисты нашей страны.
Предварительное напряжение железобетонных конструкций оказывает значительное влияние на их сопротивление внешним воздействиям.
Под влиянием предварительного напряжения, прежде всего, изменяются физико-механические свойства арматуры и бетона.
При предварительном напряжении или повторном натрушений арматуры вследствие выбора пластических деформаций значения условных пределов упругости и текучести повышаются. В предварительно растянутой до напряжения asp арматуре напряжения с течением времени снижаются за счет потерь от релаксации напряжений Oi и остальных видов потерь, суммарное значение которых обозначим Gios (рис. 1.1.). В состоянии установившихся преднапряжений Gsp2 в арматуре Asp выбранные пластические деформации составят 8sp, pi + Gi/Es, где є5р рі - пластическая деформация стали при ее натяжении до уровня, превышающего предел упругости стеі. При приложении внешнего растягивающего усилия диаграмма может быть принята линейной до точки пересечения с исходной кривой. Эта точка соответствует новому повышенному значению предела упругости сг еі. Деформация, соответствующая этому напряжению
Определим напряжения в арматуре при воздействии внешней нагрузки на элемент, содержащий предварительно растянутую Asp, предварительно сжатую Asc и ненапрягаемую As арматуру. Исходным условием является равенство приращений деформаций от внешней нагрузки во всей арматуре, расположенной на одинаковом расстоянии от наиболее сжатой грани. При разном расстоянии арматуры от указанной грани (неоднорядном армировании) взаимосвязь между приращениями деформаций предварительно растянутой (є sp), предварительно сжатой (cNspc) и ненапрягаемой (eNs) арматуры выражается следующим образом:
В арматуре, расположенной в зоне, растянутой от внешней нагрузки, перед приложением внешней нагрузки напряжения будут равны: в предварительно растянутой арматуре - т8р2 (точка Ai на рис. 1.1.), в предварительно сжатой- crspC2 (точка В і) ив ненапрягаемой — GS0 (точка Б І).
Если принять приращение деформаций от внешней нагрузки во всей арматуре одинаковым и равным eNs, то суммарные деформации составят: в арматуре Asp (точка А на рис. 1. 1.) - є3 = єзр2 + sNs; в арматуре Asc (точка В) - esm =sNs - sspc2; в арматуре As (точка Б) - є =sNs - є . Соответствующие этим деформациям напряжения равны as; trsm и asd. Приращение деформаций в арматуре при разрушении сжатой зоны элемента выражается известной зависимостью
При ненапрягаемой арматуре в выражении (1.3.) принимается asp2= О (кривая на рис. 1.2.), при предварительном растяжении значение asp2 вводится со знаком "плюс" (кривая 2), а при предварительном сжатии — со знаком "минус" (кривая 3).
Выражения (1.3.) и (1.4.) могут быть использованы только при crs ст еі = a o,o2- При более высоких напряжениях зависимость as - Ss становится криволинейной - в арматуре развиваются пластические деформации. На участке между а о,о2 (ао.ог) и ст од (аод) зависимость as - , в нормах принимается линейной (рис. 1.2). Я ri и R — значения относительной высоты сжатой зоны сечения при ее разрушении и напряжениях в арматуре, равных соответственно а о,о2 (0 0,02) и О"0,2 ( 0 ).
Указанные значения относительной высоты сжатой зоны сечения можно определить из зависимости (1.3.) при соответствующих значениях напряжений. Учитывая, что упомянутая зависимость справедлива только при упругой работе арматуры, в выражение (1.3.) следует подставлять условные упругие напряжения, соответствующие действительным деформациям арматуры.
После предварительного растяжения высокопрочной арматуры до напряжений Хф и проявления всех потерь напряжений crios в арматуре установятся напряжения asp2 (точка Аі на рис. 1.З.). При приложении внешней нагрузки, вызывающей растяжение в арматуре, напряжения в ней повышаются.
Идея создания железобетонных балок с предварительным напряжением арматуры на ограниченных участках
В изгибаемых свободно опертых по концам элементах моменты достигают наибольших значений, как правило, на участках, расположенных по середине пролета, в сечениях же приопорных участков они существенно снижаются. В железобетонных изгибаемых элементах с ненапрягаемой арматурой рабочая продольная арматура, подобранная по максимальным значениям изгибающих моментов, в целях сокращения ее расхода, в приопорных сечениях в соответствии с эпюрой моментов может быть частично оборвана, поскольку необходимость в ней на этих участках уменьшается.
В балках с предварительно напряженной арматурой при существующих способах их изготовления обрыв преднапряженной арматуры в пролете не представляется возможным, ее приходится протягивать на всю длину элемента PI заанкеривать на торцах. Это приводит к излишнему расходу стали, а также к некоторым негативным явлениям, рассматриваемым ниже.
Предварительное растяжение арматуры растянутой зоны усилием Р приводит к образованию моментов Мр=Р(уц-а), где (уц-я)- расстояние от линии действия усилия Р до оси, проходящей через центр тяжести приведенного сечения железобетонной балки (рис. 2.1). Под действием этих моментов балка получает выгиб, который уменьшает суммарный прогиб балки при приложении внешней нагрузки q, что весьма важно, особенно в большепролетных конструкциях. Однако при достаточно большом значении
Воздействие предварительно растянутой арматуры на железобетонную балку а - образование выгиба и трещин при передаче усилия обжатия Р на бетон; б - совместное воздействие усилия обжатия Р и внешней нагрузки q; в - образование продольных трещин при опуске преднапряжениябзр; 1 - продольные трещины от усилия Р, закрывающиеся при внешнем нагружении; 2 - незакрывающиеся трещины на концевых участках; 3 - незакрывающиеся продольные трещины; 4 - арматурные сетки. момента Мр на верхней грани балки по всей длине возможно образование трещин. Эти трещины в пролетных сечениях балки под воздействием внешней нагрузки закрываются, тем не менее, несколько снижают жесткость сечений.
Закрытие трещин происходит лишь в пролетных сечениях, в которых отрицательные моменты погашаются положительными моментами от внешней нагрузки. В приопорных же сечениях отрицательные моменты, вызванные преднапряжением, также как и трещины, вызванные ими, остаются непогашенными. Кроме того, усилия преднапряжения Р, приложенные к торцам балки, могут вызвать разрушение бетона от местного сосредоточенного сжатия. Во избежание этого, приопорные участки балки приходится дополнительно армировать сетками, устанавливаемыми в плоскостях сечений с определенным шагом. Такие сетки необходимы также для предотвращения образования трещин и раскола бетона при отпуске преднапряжения, сопровождающегося увеличением диаметра арматуры на длине зоны анкеровки /ри связанного с ним радиального давления на бетон.
При больших значениях усилия преднапряжения Р в целях уменьшения раскрытия трещин на верхней грани предварительную растянутую арматуру нередко располагают также у верхней грани балки. Это, однако, при значениях преднапряжения а больше расчетного сопротивления арматуры сжатию RsC, может привести к снижению несущей способности балки.
Во избежание разрушения торцов железобетонных балок и образования трещин на приопорных участках предварительно растянутую арматуру на концевых участках иногда отгибают, что увеличивает также сопротивление балок поперечным силам. Это, как правило, возможно, лишь при натяжении арматуры на бетон, что требует устройства каналов и их инъецирования после натяжения арматуры.
Арматуру сжатой зоны железобетонных изгибаемых элементов, как показано в 1.2, в ряде случаев (особенно при близком к 4R) целесообразно подвергать предварительному сжатию. Это позволяет значительно увеличить предельные суммарные напряжения сжатия в арматуре, достигаемые при разрушении бетона сжатой зоны. Сжимающие напряжения в арматуре при этом составляют Rsc+cj sp, где a sp - значение предварительного сжатия арматуры. Открыв, таким образом, путь к полной реализации механических свойств высокопрочной арматуры в сжатой зоне, можно существенно сократить расход расчетной сжатой арматуры.
При отпуске предварительно сжатой арматуры при существующих способах изготовления железобетонных конструкций проявляются те же недостатки, которые отмечены выше. Технологические трещины, образующиеся в зоне расположения предварительно сжатой арматуры, при воздействии внешней нагрузки закрываются только в пролетных сечениях (рис.2.2), так как на приопорных участках отрицательные моменты не погашаются. При существующей технологии изготовления преднапряженных балок предварительное сжатие арматуры, как и предварительное растяжение, приходится осуществлять по всей длине балки - от одного торца до другого, хотя необходимости преднапряжения на приопорных участках свободно опертых элементов, как правило, нет.
При комбинированном преднапряжении, когда арматура растянутой зоны подвергается предварительному растяжению, а арматура сжатой -предварительному сжатию (рис. 2.3) отмеченные недостатки усугубляются, т.к. ширина раскрытия технологических трещин возрастает и непогашенные отрицательные моменты на приопорных участках увеличиваются.
Основные положения расчета балок по обеим группам предельных состояний на усилия, действующие при их изготовлении
Рассмотрим напряженно-деформированное состояние предложенной балки в стадии изготовления. В процессе предварительного сжатия арматуры S и предварительного растяжения арматуры S до бетонирования участков /; и І2 на сечение элемента передаются усилия Voc и Pof, а также собственный вес балки (рис.3.1). Для проверки прочности элемента на воздействие указанных усилий до бетонирования участков /; и 12 определяем эксцентриситет еоро равнодействующей продольных усилий Р0 с учетом изгибающего момента Мс_во относительно центра тяжести приведенного сечения, а затем относительно арматуры S. Далее из условия равновесия определяется высота сжатой зоны х и прочность сечения Мсеч. Если она оказывается недостаточной, следует изменить исходные данные. Особенностью этого расчета является равенство контролируемых преднапряжений yConi=oSp и fConi= fsp , что является следствием принятой технологии создания преднаттряжения.
Под воздействием равнодействующей усилий преднапряжения Р0, приложенной к элементу с осевым эксцентриситетом еоро, и собственного веса, момент от которого равен Май0, возникает напряженное состояние , в результате которого в зоне расположения арматуры S , как правило, образуются начальные трещины шириной ссгс в (на уровне наиболее растянутого волокна бетона).
При вычислении момента от собственного веса балки Мс,вм за пролет балки принимается ее длина L, поскольку при изготовлении балка лежит на поддоне и при выгибе от преднапряжения опирается по концам.
В процессе предварительного сжатия арматуры S и предварительного растяжения арматуры S до бетонирования участков /у и 12 на сечение элемента передаются усилия Рос= a spA s и Pot=aspAs, а также собственный вес балки (рис.3.1,6). Для проверки прочности элемента на воздействие указанных усилий до бетонирования участков // и h из условия равновесия определяется высота сжатой зоны х", прочность сечения Мсеч (подпрограмма 2).Если она окажется недостаточной, следует изменить исходные данные.
Особенностью расчета прочности нормальных сечений железобетонных балок с предварительно сжатой арматурой S p является то, что при отпуске предварительных напряжений их равнодействующая Р0, приложенная с эксцентриситетом оро, вызывает растяжение зоны расположения арматуры S p. В связи с этим граничное значение высоты сжатой зоны R в сравнении с элементами без преднапряжения или с предварительно растянутой арматурой, расположенной в растянутой (или менее сжатой) зоне уменьшается, (рис.3.2,а).
Гиперболическая эмпирическая зависимость между напряжениями в арматуре и высотой сжатой зоны сечения, принятая в нормах проектирования [123] справедлива, как известно только при упругой работе арматуры. Поэтому для получения из этой зависимости формулы для определения граничной высоты сжатой зоны сечения в нее поставляются условные упругие напряжения OSR.
Предварительное напряжение и его знак оказывают существенное влияние как на значение напряжений CTSR, так и на граничное значение R. При предварительном растяжении арматуры кривая зависимости crs - , поднимается, а при предварительном сжатии, наоборот, опускается в сравнении с элементами без преднапряжения (рис.3.2, а). Это в первом случае приводит к увеличению ъ а во втором - к уменьшению.
Для получения выражения для условного упругого напряжения GSR, используемого в известной формуле, f = -, г- (3-1) usc,v \ 1J J при предварительном сжатии арматуры рассмотрим как изменяется зависимость crs - SSB данном случае (рис.3.2,6).
При предварительном сжатии высокопрочной арматуры, которое, как правило, не превышает 400 МПа, арматура работает упруго.
Однако рассмотрим более общий случай, когда напряжения в арматуре превышают предел упругости. В этом случае при преднапряжении jsp в арматуре появятся пластические деформации e pi.
По окончании предварительного сжатия арматуры его значение asp уменьшается за счет необратимых потерь. Потери от релаксации напряжений в арматуре а і происходят при неизменной деформации, поэтому на графике (рис.3.2,б) они представлены вертикальным отрезком. Все остальные потери сопровождаются изменением деформаций. Перед приложением внешней нагрузки в арматуре остаются установившиеся преднапряжения crsp2 = asp -(Jios, где ait» — суммарные потери преднапряжении. U- L
Деформация арматуры sSM, вызванная внешней нагрузкой, растягивающей предварительно сжатую арматуру и доводящей напряжения в арматуре до условного предела текучести а0д доставит вт = + 2+ + +W (3.2) Условное упругое напряжение GSR, соответствующее этой деформации: SR =еы Е,= Rs+400 + asp2 +Aasp, (3.3) где A Tsp = CTl/E +єврр1- дополнительная потеря преднапряжений от пластических деформаций в арматуре. Она учитывается согласно [123] только при asp/Rs 0,8.
Подставляя (3.3) в (3.1), получим граничное значение высоты сжатой зоны сечения с предварительно сжатой арматурой в растянутой зоне.
Под воздействием равнодействующей усилий преднапряжения Р0, приложенной к элементу с осевым эксцентриситетом еоро, и собственного веса, момент от которого равен Мс.в0, возникает напряженное состояние (рис.3.3), в результате которого в зоне расположения арматуры S , как правило, образуются начальные трещины шириной а СГСгв (на уровне наиболее растянутого волокна бетона).
Для определения значения а СГСів использована методика расчета, принятая в [123], в которую внесены некоторые поправки и дополнения, связанные с устройством в элементе вырезов в зонах преднапряжения арматуры S и S .
Программа эксперимента и конструкция опытных железобетонных балок
Железобетонные балки с комбинированным преднапряжением, как показано в гл.2, отличаются высокой эффективностью, поэтому их применение в строительной практике может принести технико-экономический эффект. Для широкого внедрения подобных конструкций в строительство необходимо располагать обоснованными методами их расчета и проекти-рования, которые обеспечивали бы необходимую надежность конструкций при минимальных затратах материалов.
В связи с этим для выявления особенностей работы под нагрузкой железобетонных элементов с комбинированным преднапряжением, изменяющимся по длине стержня и получения отсутствующих данных о прочности, деформативности и трещиностойкости таких конструкций автором был запланирован и поставлен целенаправленный эксперимент.
В программу эксперимента входило изготовление и испытание 10 железобетонных балок (5 серий). Для установления влияния на работу конструкций комбинированного предварительного напряжения 2 образца изготовлялись с ненапряженной и 8 — с предварительно напряженной арматурой. В качестве образцов для испытания приняты железобетонные балки с прямоугольным поперечным сечением размером 250x100 мм и длиной 2500 мм. Расчетный пролет балок при испытании принят равным 2200 мм. Все балки испытаны кратковременно действующей нагрузкой.
Варьируемыми в эксперименте факторами являлись (таб.4.1.): -величина создаваемого контролируемого преднапряжения и его знак (asp = 0,400 МПа; 600 МПа; а = 0; - 400 МПа )
Из общего количества балок две были без преднапряжения и, соответственно, без вырезов. Опытные образцы с преднапряжением были трех видов: с горизонтальным вырезом на ограниченном пролетном участке в зоне расположения предварительно растянутой арматуры, с горизонтальным вырезом на ограниченном пролетном участке в зоне расположения предварительно сжатой арматуры, с вырезами в зоне расположения как предварительно растянутых, так и предварительно сжатых арматурных стержней.
Опытные железобетонные балки изготавливались из тяжелого бетона класса В25. Ко времени испытания опытных образцов (в возрасте 180-200 сут.) прочность тяжелого бетона достигала 19,2...20,1 МПа. Толщина защитного слоя тяжелого бетона назначалась минимально необходимой для анкеровки и защиты от коррозии высокопрочной преднапряженной арматуры и была равной 25 мм. Для регистрации деформаций бетона к граням опытных образцов приклеивались металлические реперы под индикаторы.
Для армирования опытных образцов применялась стержневая горячекатаная арматура периодического профиля. Основная рабочая арматура балок состояла из 1012 мм, расположенного симметрично посередине относительно боковых граней элемента в верхней (сжатой) зоне и 2012 мм в нижней (растянутой) зоне преднапряжения арматурных стержней (рис.4.1.). Все арматурные стержни изготавливались из стали класса Ат-V (А-800). Все ненапряженные и преднапряженные элементы имели поперечное армирование по всей длине в виде хомутов треугольной формы, которые ставились с шагом 10 см, и на обоих концевых участках, каждый длиной 30 см - с шагом 7 см. Все балки были спроектированы так, чтобы обеспечить прочность наклонных сечений. Хомуты изготавливались из стали класса Вр-105 мм. Для регистрации деформаций арматуры с продольной арматуры выводились металлические реперы под индикаторы.
Все опытные образцы изготовлялись в специально созданной форме-опалубке (рис.4.2.) на стенде в лабораторном зале при температуре 18+3 С и относительной влажности 80+5%. Стенки формы состояли из двух уголков 1 и 2, соединенных листом 3. Они крепились к днищу 4 с помощью болтов 7. По торцам формы 5 устанавливались ограничители 6 (см.рис. 4.2.) Предварительное напряжение осуществлялось при помощи натяжных муфт. Величина контролируемого предварительного напряжения определялась по деформациям арматуры, замерявшимся индикаторами, устанавливаемыми на свободных участках напрягаемой арматуры, и по количеству совершенных муфтой оборотов.
Бетон укладывался послойно в направлении короткой стороны (высоты сечения). Все слои тяжелого бетона укладывались с помощью вибростенда.
При изготовлении балок с технологическим вырезом на нижней (растянутой арматуре) перед установкой каркаса в опалубку и последующей заливкой его бетоном на арматурные стержни в месте необходимого выреза надевались деревянные вкладыши П-образной формы 8 (рис. 4.3.). Таким образом полностью исключалось бетонирование арматурных стержней, подвергаю-щихся предварительному напряжению, именно на этом участке. В дальнейшем при распалубливании опытных образцов после набора прочности эти деревянные вкладыши снимались. Для создания выреза в верхней (предварительно сжатой) зоне в конструкции опалубки были предусмотрены специальные металлические ограничители с вырезом для предварительно сжатой арматуры, крепящиеся к опалубке непосредственно перед бетонированием (рис. 4.4.).
Одновременно с бетонированием балок изготавливались кубы и призмы с высотой ребра 15 см для определения кубиковой и призменной прочности и характера полной диаграммы бетона.
