Исследование прочности, трещиностойкости и жесткости железобетонных изгибаемых элементов со смешанным армированием

В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981;85 гг. и на период до 1990 г.», принятых ХХУ1 съездом КПСС, подчеркивается необходимость всемерной экономии всех видов ресурсов.

Одним из важнейших путей выполнения указанных директив является снижение материалоемкости, в частности, металлоемкости строительных конструкций.

Уменьшение расхода металла при производстве железобетона может быть достигнуто различными путями, в том числе за счет изыскания новых и совершенствования традиционных способов его армирования.

Одним из рациональных приемов армирования железобетонных: конструкций в ряде случаев может оказаться смешанное армирование в виде совокупности напрягаемых и ненапрягаемых стержней.

Эффективность смешанного армирования определяется возможностью:

— более рационального размещения продольной растянутой арматуры в элементах в соответствии с эпюрами усилий;

— уменьшения (при соблюдении требований второй группы предельных состояний) усилия предварительного обжатия бетона и, за счет этого, упрощения армирования в зоне анкеровки напрягаемых стержней;

— сокращения работ по натяжению напрягаемой арматуры- -использования одних силовых форм для изготовления преднапряженных железобетонных элементов с различной степенью насыщения рабочей арматурой;

— унификации армирования, и т. д.

Изучению особенностей работы преднапряженных железобетонных конструкций со смешанным армированием уделяется известное внимание как в нашей стране, так и за рубежом.

В большинстве работ, посвященных этой проблеме, изучалось поведение элементов со смешанной арматурой, в состав которой входили ненапрягаемые стержни из сталей с физическим пределом текучести.

В то же время заслуживает внимания возможность применения смешанного армирования в виде совокупности напрягаемых и ненапря-гаемых стержней из сталей с условными пределами текучести, что может повысить эффективность конструктивных решений за счет применения высокопрочных сталей.

Последнее подтверждается результатами немногочисленных исследований, выполненных в последние годы Дмитриевым С. А., Трифоновым И. А., Головиным Н. Г., Филимоновым Н. Н., Нурносовым А. И., Стасюком М.И.и др.

Дальнейшее совершенствование конструкций со смешанным армированием в виде совокупности напрягаемых и ненапрягаемых стержней из сталей с условными пределами текучести связано с решением ряда задач, в том числе таких, как:

— выбор классов смешанной арматуры;

— определение напряжений в напрягаемых и ненапрягаемых стержнях смешанного армирования в стадии разрушения элементов;

— исследование влияния ненапрягаемой арматуры на напряженно-деформированное состояние системы на различных стадиях ее работы.

Диссертация посвящена:

— обоснованию критериев для выбора соотношения между классами напрягаемых и ненапрягаемых стержней смешанного армирования в соответствии с требованиями предельных состояний первой и второй групп;

— выводу зависимостей для определения напряжений в напрягаемых и ненапрягаемых стержнях смешанной арматуры в стадии разрушения элементов;

— экспериментальному изучению влияния ненапрягаемой арматуры на напряженно-деформированное состояние преднапряженных железобетонных изгибаемых элементов вплоть до их разрушения;

— разработке предложений по совершенствованию конструкций стропильных ферм с параллельными поясами 0Ф6−24 серии 3212.

При этом, первые две задачи решаются и с учетом упрочнения напрягаемой арматуры.

Актуальность диссертационной работы определяется тем, что, с одной стороны, смешанное армирование в ряде случаев [з, 4,8−12,16−22,26−29,31−33,40,45,52,54−56,б1-бб] является одним из приемов повышения эффективности преднапряженных железобетонных конструкций, а с другой стороны — наличием нерешенных задач, основные из которых приведены выше.

Научную новизну работы составляют: -предложения по обоснованию критериев для выбора соотношений между классами смешанной арматуры с учетом требований первой и второй групп предельных состояний;

— методика определения напряжений в напрягаемых и ненапрягаемых стержнях смешанного армирования для предельных состояний по прочности нормального сечения;

— результаты анализа расчетных рекомендаций п. 3.3. «Руководства» [53] ;

— новые экспериментальные данные о влиянии ненапрягаемой арматуры на прочность, жесткость и трещиностойкость изгибаемых железобетонных элементов со смешанным армированием.

Практическая ценность работы определяется: -рекомендациями по выбору соотношений классов смешанной арматуры с учетом требований как первой, так и второй групп предельных состояний, в том числе с учетом упрочнения напрягаемой арматуры;

— практическими рекомендациями по определению напряжений в напрягаемых и ненапрягаемых стержнях растянутой смешанной арматуры при расчете прочности нормального сечения, в том числе с учетом упрочнения напрягаемой арматуры;

— предложениями по совершенствованию конструкций стропильных ферм с параллельными поясами СФ6−24 серии 3212;

— фактическими данными о влиянии ненапрягаемой арматуры на напряженно-деформированное состояние преднапряженных железобетонных конструкций со смешанным армированием на различных стадиях их работы.

На защиту выносятся: -способ определения соотношения между классами смешанной арматуры (с учетом требований первой и второй групп предельных состояний) и практические рекомендации по этому вопросу;

— методика определения напряжений в напрягаемых и ненапрягаемых стержнях смешанной арматуры (в том числе с учетом упрочнения напрягаемой арматуры) при расчете железобетонных изгибаемых элементов на прочность по нормальным сечениям;

— методика и результаты исследований предварительно напряженных изгибаемых элементов со смешанным армированием при кратковременном немногократно-повторном (до пяти) приложении нагрузки;

— предложения по совершенствованию конструкций стропильных ферм с параллельными поясами СФ6−24 серии 3212.

Работа выполнена на кафедре железобетонных конструкций МИСИ им. В. В. Куйбышева под рук. д.т.н., профессора |Дми три ев a C.A.I и к.т.н., доцента Артемьева В. П. в 1978;1983 гг.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Смешанное армирование следует рассматривать как общий случай армирования железобетонных конструкций. Смешанное армирование в виде совокупности напрягаемых и ненапрягаемых стержней целесообразно для конструкций, к трещиностонкости которых предъявляются требования 3-й категории. Эффект смешанного армирования определяется расчетной схемой элемента, соотношением между количеством напрягаемой и ненапрягаемой арматуры, что, в свою очередь, зависит от требований второй группы предельных состояний и может быть повышен за счет применения ненапрягаемой арматуры из сталей с условными пределами текучести.

2. Задача выбора классов смешанной арматуры имеет практическое значение. Классы напрягаемых и ненапрягаемых стержней следует подбирать так, чтобы в стадии разрушения по возможности полно использовались прочностные свойства сталей, а в стадии эксплуатации в смешанной арматуре не возникали неупругие деформации.

Рациональное соотношение между классами смешанной арматуры определяется совокупностью условий (2.17) и п. 4.25 «Руководства» [бз] (при неучете упрочнения напрягаемой арматуры) и (2.26) и (2.34) (или (2.35)) (при учете упрочнения напрягаемой арматуры).

3. Практические рекомендации «руководства» переоценивают прочность по нормальным сечениям железобетонных изгибаемых элементов со смешанным армированием при | близких к и высоких степенях преднапряжения арматуры (см. рис. 2.8−2.10).

4. Напряжения в смешанной арматуре в стадии разрушения необходимо определять в соответствии с рекомендациями данной работы по формулам (2.40) и (2.42) (или (2.46) и (2.47)) (при неучете упрочнения напрягаемой арматуры) и (2.51) и (2.53) (или (2.56) и «.

2.57)) (при учете упрочнения напрягаемой арматуры) или по графикам, построенным на основе указанных формул и формулы (2.48). При этом они дают надежные результаты во всем интервале до f = |R.

5. Анализ экспериментальных данных показал, что: а) ненапрягаемая арматура снижает потери от ползучести бетона, способствует более раннему образованию трещин, уменьшает прирост выгибов и способствует более ранней их стабилизацииб) при немногократно-повторных нагружениях приращение прогибов и ширины раскрытия трещин по сравнению с первым нагружением наблюдается в основном при вторых и третьих циклах нагружения. В дальнейшем указанные величины практически стабилизируютсяв) неупругие деформации как в напрягаемой, так и в ненапрягаемой арматуре уменьшают трещиностонкость и повышают деформатив-ность конструкций со смешанным армированием. Поэтому класс ненапрягаемой арматуры при смешанном армировании целесообразно подбирать с соблюдением условий п. 4.25 «руководства» (при неучете упрочнения напрягаемой арматуры) и (2.34) (или (2.35)) (при учете упрочнения напрягаемой арматуры).

6. Методика СНиП 11−21−75 удовлетворительно оценивает величины потерь от ползучести бетона, момента образования трещин, выгибов и прогибов, а также ширины раскрытия трещин в элементах со смешанным армированием при однократном и немногократно-повторных (до пяти) нагружениях.

7. Учет эффектов упрочнения напрягаемой арматуры позволяет в расчетах по первой и второй группам предельных состояний более полно использовать упругие и прочностные свойства напрягаемой и ненапрягаемой арматуры. Как показал опыт, в этом случае наблюдается лучшая сходимость между теоретическими и фактическими значениями разрушающих моментов.

8. Как показали проектные проработки, выполненные в диссертации, применение смешанного армирования в виде совокупности напрягаемых и ненапрягаемых стержней в фермах СФ6−24 серии 3212 приводит к улучшению технико-экономических показателей конструктивных решений за счет снижения трудоемкости изготовления, расхода арматуры (2,0 $) и бетона (9,5 $).