Исследование прочности и деформаций железобетонных балок при различных скоростях нагружения
Прочность и деформации железобетонных изгибаемых элементов при скоростях приложения нагрузки ниже требуемых нормативными документами изучены недостаточно. Вместе с тем значительный практический интерес представляет временная зависимость прочности при изгибе, так как ее учет позволит повысить надежность и долговечность железобетонных конструкций (например, при таких воздействиях, как снеговая, пылевая, ветровая нагрузка, вес технологического оборудования и т. д.).
В связи с этим на VII Всесоюзной конференции по бетону и железобетону в докладе А. А. Гвоздева, В. Н. Байкова, О. Я.Берга поставлена задача по изучению поведения железобетонных конструкций под влиянием возрастающих и длительных нагрузок.
Опыты при одноосном сжатии бетона и других материалов выявили значительное снижение прочности, достигающее 25% и более в зависимости от скорости приложения нагрузки, В частности, прочность бетона, испытанного на сжатие с различной, но постоянной скоростью возрастания нагрузки [2], удовлетворительно описывается зависимостью
Однако аналогичная зависимость для железобетонных элементов при одноосном сжатии, особенно при неоднородном напряженном состоянии, нам не известна, и с этой целью были поставлены описанные ниже опыты.
Для проведения экспериментальных исследований было одновременно изготовлено 9 железобетонных балок сечением 12X18 ем, длиной 270 см, с процентом армирования р = 2,17%, а также все необходимые образцы для определения прочностных и деформативных характеристик бетона (бетон марки 300, состав по весу 1:1, 5:3, 34, ВЩ = 0,47, цемент Балаклеевского цемзавода 400, песок мелкозернистый Безлюдовского карьера, щебень гранитный крупностью 5—20 мм). Балки и образцы до 28-су- точного возраста хранились во влажной среде, а затем в естественных условиях при температуре воздуха от +15 до + 18°С и относительной влажности до 70%.
Прочность бетона на растяжение и сжатие перед началом опытов определялась согласно ГОСТ 10180—67 и составила соответственно 22 и 348 кгс/см2, а модуль упругости по методике НИИЖБ оказался равным 3,12 105 кгс/см2. В качестве рабочей арматуры принята сталь класса A-III с пределом текучести от 4710 кгс/см2, с пределом прочности i?a = 7440 кгс/см2 и модулем упругости ?=2,04 106 кгс/см2. Прочностные и деформативные характеристики арматуры определялись по ГОСТ 12004—66.
В балках всех серий разрушение происходило в зоне чистого изгиба по сжатому бетону. Развития четко выраженных наклонных трещин у опор не наблюдалось. Максимальная величина раскрытия трещин в растянутой зоне к моменту разрушения достигала 0,5 мм.
Как видно из рис. 1, величины продельных изгибающих моментов, которые по сериям соответственно равны 2509, 2262, 2054 кгм, убывают пропорционально логарифму скорости нагружения, а предельные величины прогибов, предшествующих разрушению, возрастают в обратном отношении. Развитие прогибов, а также деформаций сжатого бетона и коэффициента поперечной деформации приведены на рис. 2. В первой серии балок прогибы увеличивались почти пропорционально нагрузке, вплоть до разрушения, а кривая прогибов по конфигурации напоминает кривую развития продольных деформаций сжатой зоны бетона. Прогибы балок серии II и III возрастали более интенсивно, особенно резкое их увеличение наблюдалось, начиная с момента, равного 0,79— 0,87 М разр. На развитие продольных и поперечных деформаций сжатого бетона оказывает большое влияние скорость приложения нагрузки, т. е. чем медленнее нагружение, тем интенсивнее развитие деформаций.
Сопоставление результатов опытов показывает, что как при сжатии, так и при изгибе происходит уменьшение объема сжатого бетона и только перед самым разрушением относительные деформации объема несколько увеличиваются, что свидетельствует о нарушении структуры бетона. О состоянии конструкции, близком к разрушению, указывает и то обстоятельство, что коэффициент деформации v(t), вычисленный как отношение полных поперечных деформаций-к продольным, стремится к своему предельному значению, величина которого, как следует из многочисленных работ, не превышает 0,42.
По измеренной депланации сечения на каждом этапе загружения можно судить об изменении величины сжатой зоны.
Данные испытаний всех серий балок показывают, что относительная величина сжатой зоны бетона в начале загружения несколько уменьшается, а затем с ростом нагрузки происходит ее увеличение, что, по мнению В. В. Дегтярева и Ю. А. Гагарина [6], также свидетельствует о возникновении и развитии микро- трещин в сжатом бетоне.
Следует отметить, что полученная по формулам СНиП П-В.1-62 высота сжатой зоны бетона в предельном состоянии значительно меньше опытной (см. таблицу).
Для всех серий балок теоретические значения прогибов при изгибе подсчитывались по СНиП II-B.1-62 и по методике, разработанной И. К. Белобровом. Кроме того, определялись прогибы по методике СНиП П-В.1-62, нов расчетные формулы вводились опытные значения величин сжатой зоны бетона. Сопоставление расчетных величин прогибов и деформаций с опытными данными для I серии балок показывает, что при М0,6 Мразр расхождения между ними не превышали ±10—12%. При М>0,6 Мразр опытные значения величин прогибов превышают их расчетные (вычисленные по методике СНиП II-B. 1-62) значения до 36%. При скоростях загружения V2 и Кз получено (вплоть до 0,85 М р3р) удовлетворительное совпадение опытных и расчетных величин прогибов, вычисленных по упомянутой методике (разница не превышает 11%), в то время как рекомендации СНиП II-B. 1-62 занижают их величины на 24% по сравнению с опытными. При моментах, близких к предельным, расхождения расчетных и экспериментальных величин прогибов возрастают до 50—70%, что, вероятно, вызвано накоплением неупругих деформаций.
Таким образом, величины прогибов, вычисленные по методике СНиП П-В. 1-62, показывают удовлетворительное совпадение с опытными их значениями при эксплуатационных нагрузках.
Расчетные величины по СНиП 11-В-1-62
Предельные напряжения в сжатой зоне бетона к моменту разрушения были вычислены по методике, рекомендуемой СНиП П-В.1-62 с принятием прямоугольной эпюры напряжений и с введением в расчет опытных величин сжатой зоны.
Исследования позволили предложить для определения величин разрушающих напряжений при изгибе в зависимости от скорости нагружения аналитическое выражение
Результаты измерения деформаций верхнего сжатого волокна бетона балок не выявили особых закономерностей в величинах продольных и поперечных деформаций, но, как и в случае сжатия бетонных призм, с уменьшением скорости роста нагрузки наблюдается к моменту разрушения увеличение коэффициента поперечной деформации v (t) в III серии балок по сравнению с I на 14%. Еще значительнее изменилась величина объемной деформации, уменьшение которой составило 28% по сравнению с быстрым загружением.
По формуле (5) были построены зависимости длительной прочности, приведенные на рис. 3, из которого следует, что разрушение при мгновенно приложенном постоянном напряжении наступает раньше, чем при равном ему, но возрастающем по линейному закону, хотя, как следует из [8], для металлов и пластмасс время до разрушения не зависит от способа нагружения.
В работе [2] отмечалось, что при сжатии бетонных призм отношение временного сопротивления к относительной объемной деформации v (t) — постоянная величина. Аналогичная закономерность получена и для сжатой зоны бетона при изгибе. Во всех испытаниях балок трех серий величина этого отношения оказалась равной
с максимальными отклонениями на ±3,5%. Величина этого отношения совпадает с численными значениями, полученными ранее автором для песчано-цементного и тяжелого бетонов при одноосном сжатии с различными скоростями возрастания нагрузки. Например, для тяжелого бетона марки 300 (бетон, из которого были изготовлены и испытаны балки) при одноосном сжатии величина С на 19% выше аналогичной для сжатого бетона изгибаемых железобетонных балок. Знание величины С позволяет в сочетании с зависимостями прогнозировать длительную прочность железобетонных конструкций по данным кратковременных испытаний.
Выводы
Для железобетонных изгибаемых элементов временная зависимость прочности имеет тот же характер, что и при одноосном сжатии бетонных призм.
С уменьшением скорости нагружения несущая способность железобетонных балок снижается в исследованном интервале времени на 18%.
С уменьшением скорости приложения нагрузки величины деформаций и прогибов возрастают.
Прогибы, вычисленные по зависимостям СНиП II-B.1-62, но с учетом опытных величин высоты сжатой зоны бетона дают при малых скоростях приложения нагрузки, вплоть до 0,86—0,9 М р, хорошее совпадение расчетных и экспериментальных величин. Отклонения не превышают 24%.
Результаты экспериментальных исследований показывают снижение несущей способности железобетонных балок при длительном действии нагрузки, что подтверждает правильность принятия коэффициента тб в проекте СНиП II-B. 1-73.