Экспериментальные основы теории железобетона
Введению метода расчета по предельным состояниям предшествовали экспериментальные исследования, которые выявили достаточно полную картину физической сущности процесса деформирования и разрушения железобетона при различных видах напряженного состояния. В частности, было установлено, что в сжатой и растянутой зонах изгибаемого железобетонного элемента бетон работает в условиях неоднородного напряженного состояния, при котором распределение напряжений (а также деформаций) по высоте балки неравномерно (рис. 3.1). Неоднородное напряженное состояние оказывает влияние на процессы деформирования, микро- и макротрещинообразования и разрушения бетона. Это влияние выражается, в частности, в том, что предельные сжимающие деформации бетона при изгибе существенно превышают предельные деформации бетона при осевом сжатии (см. ранее, § 1.3). Кроме того (по данным В. П. Чайки), зависимости напряжение — деформация для бетона при неоднородном сжатии отличны от соответствующих зависимостей при центральном сжатии (при одинаковых продольных деформациях напряжения в бетоне сжатой грани больше, чем при осевом сжатии).
В изгибаемом предварительно напряженном элементе напряженно-деформированное состояние обычно рассматривается для нескольких основных стадий его работы, начиная с момента обжатия бетона и до момента разрушения. Напряженно-деформированное состояние изгибаемого элемента без предварительного напряжения также рассматривается для нескольких стадий работы, начиная с момента приложения внешней нагрузки и кончая разрушением.
Стадия О (см. рис. 3.1) рассматривается только для преднапряженных элементов и соответствует установившимся предварительным напряжениям (после обжатия), но до приложения внешней нагрузки. Предполагается, что напряжения в балке претерпели как первые, так и вторые потери (с. 46—48), распределение напряжений по высоте сечения приближенно принимается линейным. Из-за несимметричного армирования и внецентренно приложенного обжатия элемент приобретает выгиб (обратный прогиб). После того как приложена внешняя нагрузка (и по мере ее увеличения), напряжения обжатия в верхних волокнах бетона будут возрастать, в нижних — убывать.
Стадия O соответствует погашению предварительного обжатия на уровне арматуры Sr и, начиная с этого момента, бетон преднапряженного элемента работает практически так же, как в обычном железобетоне (без предварительного напряжения). Для обычного элемента (без преднапряжения) — это начальная стадия работы. При дальнейшем увеличении внешней нагрузки на преднапряженный элемент (стадия I) или после небольшого нагружения обычного элемента напряжения в бетоне растянутой зоны достигают предела прочности на растяжение - эта стадия служит для расчета элемента по образованию трещин. По мере увеличения нагрузки элемент постепенно переходит в стадии II и III, причем в стадии II элемент работает с трещинами в растянутой зоне, а стадия III соответствует исчерпанию расчетной несущей способности сечения вследствие достижения расчетных сопротивлений бетона и арматуры; стадия III положена в основу расчета прочности элемента.
В предельном состоянии (стадия III) как в предварительно напряженном элементе, так и в обычном элементе характер разрушения может быть двояким, что связано с количеством и механическими свойствами арматуры. Если количество арматуры не превышает некоторой определенной величины, то разрушение начинается с текучести растянутой арматуры; при этом трещины очень сильно раскрываются, в сечении образуется «пластический шарнир», резко нарастают прогибы; лишь после этого раздавливается бетон сжатой зоны. Для такого случая расчетные формулы легко выводятся из условий статики. Если же количество арматуры больше определенной величины, то разрушение начнется со сжатой зоны бетона; при этом напряжения в растянутой арматуре не достигнут предельных значений (предела текучести или временного сопротивления), т. е. арматура будет использоваться не полностью (подробнее см. с. 49—50).
Существуют следующие стадии работы под нагрузкой центрально растянутого элемента без предварительного напряжения (рис. 3.2): стадия I — при приложении внешней растягивающей силы появляются растягивающие напряжения в бетоне и арматуре. Эта стадия продолжается до тех пор, пока напряжения в бетоне не достигнут расчетного сопротивления растяжению; стадия II — при росте внешней нагрузки напряжения в бетоне увеличиваются настолько, что в нем образуются трещины; при центральном растяжении (а также при внецентренном с малыми эксцентриситетами) с этого момента бетон полностью выключается из работы, и растягивающие напряжения воспринимаются только арматурой; в случае внецентренного растяжения с большими эксцентриситетами бетон выключается не полностью, а только в растянутой зоне; в сжатой зоне бетон работает так же, как в изгибаемых элементах; стадия III — напряжения в арматуре достигают расчетного сопротивления и элемент разрушается.
Расчет прочности растянутых элементов без предварительного напряжения основан на стадии lll.
Напряженно-деформированное состояние центрально-растянутого преднапряженного элемента, как и в случае изгибаемого элемента, характеризуется дополнительно стадиями О и lo (рис. 3.2). В стадии О напряжения в бетоне претерпели как первые, так и вторые потери. Установившиеся предварительные напряжения распределены по сечению равномерно. Это следует из того, что центрально растянутые элементы имеют симметричное армирование, т. е. равнодействующая усилий обжатия расположена по центру сечений.
Приложение внешней растягивающей силы и ее последующее увеличение приводит к тому, что предварительные сжимающие напряжения в бетоне будут уменьшаться, а в арматуре — повышаться. Полному погашению предварительного обжатия соответствует стадия lo. После этого элемент будет работать как обычный, без предварительного напряжения. Дальнейшее возрастание растягивающей силы в бетоне приводит к появлению растягивающих напряжений.
Стадия l положена в основу расчета по образованию трещин. За ней наступает стадия ll (работа элемента с трещинами) и стадия lll, соответствующая достижению расчетного сопротивления арматуры и исчерпанию несущей способности. В стадии lll, положенной в основу расчета прочности в предварительно напряженном элементе, как и обычном (без предварительного напряжения), все усилие воспринимается арматурой. Поэтому условие прочности растянутых предварительно напряженных элементов записывается так же, как и для элементов без предварительного напряжения, но с добавлением члена, учитывающего наличие напрягаемой арматуры.