Стадии напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций

Экспериментальные исследования по изучению совместной работы двух различных по своим физико-механическим свойствам материалов – бетона и стальной арматуры – проводились с самого начала появления железобетона. Экспериментами установлено, что нелинейные деформации бетона и трещины в растянутых зонах оказывают существенное влияние на напряженно-деформированное состояние железобетонных элементов. Допущения о линейной зависимости между напряжениями и деформациями и основанные на этих допущениях формулы сопротивления упругих материалов для железобетона часто оказываются неприемлемыми.

Теория сопротивления железобетона строится на опытных данных и законах механики и исходит из действительного напряженно-деформированного состояния элементов на различных стадиях нагружения внешней нагрузкой. По мере накопления опытных данных методы расчета железобетонных конструкций совершенствуются.

Опыты с различными железобетонными элементами – изгибаемыми, внецентренно растянутыми, внецентренно сжатыми с двузначной эпюрой напряжений – показали, что при постепенном увеличении внешней нагрузки можно наблюдать три стадии напряженно-деформированного состояния (рис.4):

стадия I – до появления трещин в бетоне растянутой зоны, когда напряжения в бетоне меньше временного сопротивления растяжению и растягивающие усилия воспринимаются арматурой и бетоном совместно (стадия упругой работы);

стадия II – после появления трещин в бетоне растянутой зоны, когда растягивающие усилия в местах, где образовались трещины, воспринимаются арматурой и участком бетона над трещиной, а на участках между трещинами – арматурой и бетоном совместно (эксплуатационная стадия);

стадия III – стадия разрушения, характеризующаяся относительно коротким периодом работы элемента, когда напряжения в растянутой стержневой арматуре достигают физического или условного предела текучести, в высокопрочной арматурной проволоке – временного сопротивления, а напряжения в бетоне сжатой зоны – временного сопротивления сжатию. В зависимости от степени армирования элемента последовательность разрушения зон – растянутой и сжатой – может изменяться.

Рассмотрим три стадии напряженно-деформированного состояния в зоне чистого изгиба железобетонного элемента при постепенном увеличении нагрузки (рис. 4).

Стадия I. При малых нагрузках на элемент напряжения в бетоне и арматуре невелики, деформации носят преимущественно упругий характер; зависимость между напряжениями и деформациями – линейная, эпюры нормальных напряжений в бетоне сжатой и растянутой зон сечения – треугольные. С увеличением нагрузки на элемент в бетоне растянутой зоны развиваются неупругие деформации, эпюра напряжений становится криволинейной, напряжения приближаются к пределу прочности при растяжении. Этим характеризуется конец стадии I, который переходит в стадию 1а. При дальнейшем увеличении нагрузки в бетоне растянутой зоны образуются трещины, наступает новое качественное состояние.

Рис. 4. Стадии напряженно-деформированного состояния в нормальных сечениях при изгибе элемента без предварительного напряжения

Стадия II наступает с появлением трещин в растянутой зоне, так что характерным для этой стадии является работа железобетона при наличии трещин. В интервалах между трещинами в растянутой зоне сцепление арматуры с бетоном сохраняется, и по мере удаления от краев трещин растягивающие напряжения в бетоне увеличиваются, а в арматуре уменьшаются. С дальнейшим увеличением нагрузки на элемент в бетоне сжатой зоны развиваются неупругие деформации, эпюра нормальных напряжений искривляется, а ордината максимального напряжения перемещается с края сечения в его глубину. Напряжения в растянутой зоне бетона в сечении, проходящем по трещине, принимаются равными нулю по всей высоте растянутой зоны. Небольшими растягивающими напряжениями на участке между концом трещины и нейтральной осью обычно пренебрегают. Напряжения в сжатой зоне бетона в стадии II остаются меньше призменной прочности R_b, в растянутой арматуре напряжения в начале равны σ_s, а на конечном этапе могут достигать предельных R_s. Конец стадии II характеризуется началом заметных неупругих деформаций в арматуре.

Стадия III (стадия разрушения). С дальнейшим увеличением нагрузки напряжения в стержневой арматуре достигают физического (условного) предела текучести; Напряжения в бетоне сжатой зоны под влиянием нарастающего прогиба элемента и сокращения высоты сжатой зоны также достигают значений временного сопротивления сжатию. Разрушение железобетонного элемента начинается с арматуры растянутой зоны и заканчивается раздроблением бетона сжатой зоны. Такое разрушение носит пластический характер, его называют случаем 1. Если элемент в растянутой зоне армирован высокопрочной проволокой с малым относительным удлинением при разрыве (около 4 %), то одновременно с разрывом проволоки происходит раздробление бетона сжатой зоны. Разрушение носит хрупкий характер, его также относят к случаю 1.

В элементах с избыточным содержанием растянутой арматуры (переармированных) разрушение происходит по бетону сжатой зоны. Стадия II переходит в стадию III внезапно. Разрушение переармированных сечений всегда носит хрупкий характер при неполном использовании растянутой арматуры; его называют случаем 2.

Сечения по длине железобетонного элемента испытывают разные стадии напряженно-деформированного состояния (рис. 4,б). Так, сечения в зонах с небольшими изгибающими моментами находятся на стадии I; по мере нарастания изгибающих моментов – в стадии II; в зоне с максимальным изгибающим моментом – в стадии III. Разные стадии напряженно-деформированного состояния железобетонного элемента могут возникать и на различных этапах – при изготовлении и предварительном обжатии, транспортировании и монтаже, действии эксплуатационной нагрузки.

Контрольные вопросы:

72. Назовите стадии напряженно-деформированного состояния изгибаемых железобетонных элементов?

73. Дайте характеристику упругой стадии напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов.

74. Каким событием заканчивается стадии I напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов.

75. Дайте характеристику эксплуатационной стадии напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов.

76. Назовите случаи разрушения железобетонных элементов.

77. Какое разрушение железобетонных элементов называют разрушением по первому случаю?

78. Когда происходит разрушение железобетонных элементов по второму случаю?

79. Что означает пластический характер разрушения железобетонных элементов?

80. Могут ли иметь место три стадии напряженно-деформированного состояния в одном изгибаемом железобетонном элементе одновременно?

Дата добавления: 2015-07-20