Преднапряженные сжатые элементы двутаврового сечения
Преднапряженные колонны двутаврового сечения представляют интерес для строительства, так как за счет эффективной формы сечения (по сравнению с прямоугольными) уменьшается расход бетона, а благодаря преднапряжению продольной арматуры повышается их жесткость и устойчивость [1]. Применение высокопрочной напрягаемой арматуры в сочетании с высокопрочными бетонами позволяет, по сравнению с обычными колоннами, снизить расход металла на 20%. бетона — на 25%.
Для изучения работы таких элементов в НИИЖБ провели экспериментально-теоретические исследования, позволившие оценить несущую способность центрально- и внецентренно-сжатых элементов двутаврового сечения в сравнении с [2 и 3]. В качестве рабочей продольной арматуры в опытных образцах применяли высокопрочную проволоку периодического профиля диаметром 5 мм согласно ГОСТ 8480—63. Были испытаны преднапряженные и обычные колонны — 16 с х=0,78% и расположением арматуры в полках в один ряд (рис. 1,а), остальные 16 с р,= 1,4% также с арматурой в полках, но в два ряда (рис. 1,6). В обоих случаях по длине колонн устанавливались замкнутые хомуты из обыкновенной холоднотянутой проволоки диаметром 5 мм, с шагом 25 см. Работу колонн изучали при различных относительных эксцентриситетах (табл. 1).
Средняя прочность бетона ко времени испытания колонн i? = 600 кгс/см2. При постоянной гибкости (2и=-15,6) в колоннах с р.=0,78% начальное пред- напряжение в арматуре составляло 11700 кгс/см2, а ц= 1,4%—6500 кгс/см2, что позволило получить одинаковое напряжение при обжатии бетона (сто = 85 кгс/см2) во всех колоннах при различных процентах армирования. Интенсивность обжатия бетона — (0,15—0,17)/?Пр. Условный предел текучести (6о,2), в обычных (ОК) и преднапряженных (НК) колоннах с начальным преднапряжением 6500 кгс/см2 составил 12 900 кгс/см2, а в преднапряженных колоннах с 11 700 кгс/см2 он был равен 15 000 кгс/см2.
Нагрузку от гидравлического пресса MAN-500 (рис. 2) на колонну передавали при помощи ножевых шарниров, установленных относительно геометрической оси сечения, расположенной параллельно наибольшей грани полки. Нагружение осуществляли ступенями, равными 8—10% от теоретической разрушающей нагрузки с выдержкой 15 мин. Деформации бетона и арматуры замеряли электротензодатчиками с базой 50 мм. Кроме того, деформации бетона дополнительно контролировали индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм, установленными на базе 500 мм. Прогибы колонн определяли с помощью прогибомеров системы Максимова ПМ-3. Разрушение образцов с эксцентриситетами 0,25 и 0,5 характеризовалось раздроблением сжатой зоны с напряжением в арматуре менее сжатой зоны ниже условного предела текучести. При 0,7 в момент разрушения сжатой зоны напряжения в растянутой арматуре оказались близки к условному пределу текучести 00,2. Следует отметить, что в ненапряженных образцах колонн наблюдалось выпучивание арматурных продольных стержней, расположенных в сжатой зоне. В преднапряженных колоннах это явление не отмечалось, что объясняется сохранившимся некоторым предварительным растягивающим напряжением к моменту разрушения колонн. Это сказалось на работе хомутов. В преднапряжениых колоннах хомуты слабо деформировались, в ненапряженных же хомуты работали на растяжение и приращение напряжений в них достигало 2000 кгс/см2.
Были построены эпюры деформаций бетона по высоте сечения в зоне максимального изгибающего момента для испытанных колонн. Характер распределения деформаций в обоих случаях одинаков. Существенное различие наблюдалось в величинах деформаций бетона сжатой части сечения, которое связано с преднапряжением продольной арматуры. В преднапряженных колоннах на всех стадиях их работы отмечено увеличение высоты сжатой зоны.
Все испытанные образцы рассчитали на прочность по СНиП II-21-75 и результаты расчета сравнили с опытными. При определении несущей способности значения полного эксцентриситета определяли с учетом опытного прогиба среднего сечения колони в момент разрушения. У большинства образцов расчет дает значения разрушающей нагрузки в запас прочности на 3—4,5%.
В табл. 1 для некоторых колонн с р.=0,78% даны опытные значения разрушающей нагрузки и подсчитанные по формулам СНиП, а также приведены значения напряжений в арматуре. Анализируя результаты, видно, что в большинстве случаев получается удовлетворительная сходимость опытных и теоретических значений.
Одновременно с прочностью изучали трещиностойкость колонн и определяли ширину раскрытия трещин. У преднапряженных колонн с ц = 0,78%, но с большим предварительным напряжением арматуры, трещиностойкость оказалась выше в среднем на 8%, чем у колони с большим процентом армирования, поэтому для обеспечения трещиностойкости преднапряженных колонн можно несколько уменьшить количество арматуры в сечении, увеличив преднапряжение.
Наряду с железобетонными испытали при 0,25 две бетонные колонны двутаврового сечения таких же размеров. Расчет показал, что разрушающая нагрузка по СНиП на 10% превышает опытные значения. Хорошее совпадение с опытными данными получается при введении коэффициента 0,85, на который необходимо умножать Аб.
Для колонн, испытывавшихся с приложением внешней силы за границей ядра сечения с эксцентриситетами относительно центра тяжести сечения, равными 20 и 28 см, превышение опытной нагрузки трещинообразования над расчетной достигает 14%, причем в преднапряженных колоннах трещиностойкость в среднем в 2,6 раза выше, чем у ненапряженных. Опытные и расчетные нагрузки трещинообразования некоторых колонн приведены в табл. 2.
Для более точного выявления нагрузки трещинообразования в этих колоннах значения гу определяли по формулам СНиП без учета коэффициента 0,8, так как уменьшение ядрового расстояния в двутавровых колоннах, испытанных с относительными эксцентриситетами 0,5 и 0,7, приводит к значительному расхождению расчетной нагрузки с опытной в запас трещиностойкости.
Следовательно, уменьшение ширины раскрытия трещин при эксплуатационной нагрузке прямо пропорционально относительному содержанию продольной арматуры в сечении. Расчеты показали, что при нагрузке 0,5Мзр расчетная ширина раскрытия трещин на 20—45% превышает опытные значения.
Выводы
Работа колонн двутаврового сечения по характеру напряженно-деформированного состояния не отличается от работы колонн с прямоугольным сечением.
Опыты показали, что при малых эксцентриситетах в коротких внецентренно-сжатых элементах нецелесообразно применять преднапряжеиную арматуру.
Расчет разрушающей нагрузки по СНиП дает удовлетворительную сходимость с опытными данными (расхождение до 4,5% в запас прочности элемента) .