К вопросу о поведении железобетонных конструкций в стадии, близкой к разрушению
В проекте «Образцового кодекса для железобетонных конструкций», разработанном Европейским комитетом по бетону, предлагается для сжатия схематическая диаграмма сг(е) с нисходящей ветвью, причем указывается, что в зависимости от составляющих бетона и скорости деформирования вершине диаграммы соответствует абсцисса величиной от 2 до 2,5%; наибольшая деформация достигает 3,5—7%, а напряжение при этом составляет 75—25% максимального. Однако этих данных, очевидно, недостаточно для конкретных расчетов. Обычно нисходящую ветвь обнаруживают при испытании бетона на сжатие или на растяжение с постоянной скоростью деформирования (рис. 1, 2). Как видно из рис. 1, изменением значения постоянной скорости деформирования меняется и очертание диафрагмы, но ничего неизвестно о том, каково очертание диафрагмы при переменной скорости деформирования. Между тем в сечении стержня с возрастающей кривизной скорости деформирования разных волокон различны, меняется положение оси, на которой удлинение равно нулю, и, если она располагается в пределах сечения, то нулевой деформации отвечает напряжение, не равное нулю.
Следует полагать, что закономерности нисходящей ветви связаны с накоплением повреждений материала, требующим известного времени и протекающим тем быстрее, чем выше напряжение. Если напряжение падает, накопление повреждений замедляется и при достаточном снижении напряжения оно может практически прекратиться. При неоднородной деформации напряжения в сечении перераспределяются, но, чтобы несущая способность не была превзойдена даже при весьма длительном воздействии нагрузки, по всему сечению должны установиться напряжения, не достигающие длительной прочности материала.
Последовательность разработки этой задачи можно себе представить следующим образом. На первом этапе определяются условия прочности бетона при простом (пропорциональном) нагружении и различных сочетаниях главных напряжений. Это в значительной степени выполнено для тяжелых крупнозернистых бетонов на цементном вяжущем при обычной продолжительности лабораторных испытаний. На следующем этапе надо выявить область напряженных состояний, в пределах которой накопление повреждений настолько незначительно, что практически не влияет па условие прочности. Этап этот очень важен. Если, например, осуществляется предварительное напряжение, не выходящее за пределы упомянутой области, то при действии нагрузок, которым конструкция должна противостоять, условие прочности, найденное при простом нагружении, сохранит еще силу. Дальнейшие этапы относятся уже к исследованию накопления повреждений при разных нагружениях. Желательно к этому времени располагать достаточно проверенной теорией накопления повреждений для наиболее простого и важного вида напряженного состояния — одноосного сжатия.
Если вспомнить о разнообразии применяемых в строительстве марок и видов бетона (крупнозернистых и мелкозернистых, на плотных и пористых заполнителях, на цементном вяжущем без добавок и с добавками, влияющими на механические свойства, на полимерных вяжущих, а также бетонополимеров), то создается представление об огромном объеме необходимых исследований рассматриваемой проблемы, поэтому надо искать более быстрое решение вопроса.
Путь, который можно рекомендовать, не легок, а для того, чтобы его проложить, потребуется немало творческих усилий и специальных экспериментальных исследований. Это разработка механики разрушения бетона, являющейся новой ветвью бетоноведения, еще только создающейся. Ее гипотезы требуют проверки, весьма возможно уточнения или даже изменения. Она, однако, учитывает структуру бетонов и со временем даст возможность перехода при помощи пересчета от одних бетонов к другим. Эксперимент тогда будет нужен для контроля результатов, найденных теоретически, а не для возобновления поисков основных зависимостей для каждого вида бетона. Объем и трудоемкость опытов сократятся, а процесс исследования ускорится. В расчетах, связанных с механикой разрушения бетона, надо будет, разумеется, воспользоваться мощной вычислительной техникой, не забывая о стохастическом характере величин, которыми мы оперируем в наших расчетах. Как бы тщательно ни выбирались теоретические зависимости, сколь бы ни были удачны математические методы решения возникающих задач, данные опыта неизбежно будут отклоняться от теоретических, поэтому целесообразно применение инженерных упрощений, выбираемых с учетом особенностей рассматриваемой задачи.
Примером может служить анкеровка арматуры в бетоне. Сцепление, как известно, также имеет нисходящую ветвь: при приложении усилия к арматурному стержню силы сцепления постепенно распространяются по его длине и в то время, когда на некотором расстоянии от торца образца эти силы достигают максимума, у нагруженного конца они уже снижаются. Помимо таких своеобразных факторов, как опасность раскалывания бетона, характерна последовательная работа участков стержня (выступов периодического профиля) и значительная изменчивость их поведения, поэтому чем больше длина анкеровки, тем меньше коэффициент вариации ее сопротивления. На этом основании в работе, а затем и в нормах запас требуемой длины анкеровки введен не умножением средних ее величин, отвечающих данным эксперимента, на постоянный множитель, а прибавлением слагаемого, независимого от исходной длины и имеющего постоянное значение при данном соотношении характеристик материала и условий опыта. Обеспеченность расчетных длин оказалась при этом практически постоянной.
До сих пор мы имели в виду силовые воздействия, изменяющиеся относительно медленно и не многократно. Из работы видно, что процесс разгрузки бетона с достаточно высокого уровня напряжений сопровождается возникновением новых повреждений дополнительно к созданным при нагружении. Известно также, что после длительного сжатия снижается сопротивление бетона растяжению. Эти исследования помогают понять процесс накопления повреждений при многократно повторной нагрузке. Если величина размаха достаточна, то каждое нагружение и каждая разгрузка вносят свою лепту в повреждение бетона и арматуры. Чем больше развиваются микротрещины, тем быстрее идет дальнейшее накопление повреждений пока они не завершаются усталостным разрушением.
Иные особенности наблюдаются при быстром, например порядка десятой доли секунды, разрушении материала или конструкции. Предел текучести арматуры (физический или условный) в той или иной мере повышается, растет также прочность бетона. Упрочняются железобетонные элементы при центральном и внецентренном сжатии, а также при изгибе. Это можно объяснить недостатком времени для развития повреждений по сравнению с условиями статических испытаний. Есть, однако, одно исключение, которому необходимо еще найти объяснение: сопротивление балок без поперечной арматуры действию поперечных сил не только не растет при быстром нагружении, но оказывается существенно ниже, чем при статической нагрузке. Не всегда также можно воспользоваться динамическим упрочнением материалов и конструкций. Если воздействие, вызвавшее быструю деформацию, сохраняет свое значение и тогда, когда она достигла максимальной величины, скорость деформирования становится равной нулю и эффект динамического упрочнения пропадает.
Кроме механических конструкции подвергаются физическим воздействиям, а также влиянию адсорбционно-активных и агрессивных сред. Влияние высоких (и повышенных) температур на жаростойкие (а также и обычные) конструкции обстоятельно изучено. Это весомый вклад в разработку предусмотренного нормами предельного состояния разрушения конструкций под совместным воздействием нагрузок и неблагоприятных влияний среды.
Для случая адсорбционно-активных и агрессивных сред разработка расчетов по этому предельному состоянию продвинулась пока еще незначительно. Наиболее изучено воздействие адсорбционно-активной среды — воды. Учитывается влияние водонасыщения бетона на его прочность при действии статических нагрузок. Но при этом пренебрегают эффектом восстановления прочности при продолжительном воздействии воды. Выявлено, что выносливость бетона в водоиасыщенном состоянии снижается. При очень же быстром однократном нагружении прочность водонасыщенных образцов выше прочности сухих. Водонасыщение снижает параметрические уровни трещинообразования и Rj, в чем непосредственно сказывается адсорбционное облегчение образования микротрещин. Предпринимаются попытки связать для тяжелых бетонов на цементном вяжущем все механические характеристики, используемые в нормах проектирования, с влажностным состоянием материала, при этом, однако, существенное влияние оказывают технологические факторы, в частности введение добавок. Тем более различным может быть влияние адсорбционно-активных сред на бетоны иных видов, например на бетоны на пористых заполнителях.