КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГИБАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ РАБОТА

Как показали исследования в изгибаемых элементах возможны две схемы разрушения: а) по нормальному сечению к продольной оси элемента и б) по наклонному сечению к этой оси. Прочность железобетонного изгибаемого элемента по нормальному сечению обеспечивается продольной арматурой, а по наклонному – поперечной. Разрушение элементов по нормальному сечению происходит от действия изгибающего момента, а по наклонному – от совместного действия момента и поперечной силы (рис. 11.1). Наиболее характерными изгибаемыми элементами являются плиты и балки. Плита – конструкция, толщина которой мала по сравнению с ее пролетом и шириной (рис. 11.2). Размеры поперечного сечения балки: высота и ширина также значительно меньше ее пролета . Для плит отношение . Балки и плиты применяются как отдельные конструктивные элементы, так и в сочетании друг с другом. В последнем случае они образуют ребристые перекрытия и покрытия (рис. 11.3). Плиты могут быть балочными – работающими в одном направлении и работающие в двух направлениях, которые называются плитами, опертыми по контуру (рис. 11.3). Плиты армируются сварными сетками из стержней направленных взаимно перпендикулярно. В балочных плитах стержни 1, расположенные вдоль пролета являются рабочими, а поперек – распределительными 2. В плитах опертых по контуру стержни в обоих направлениях являются рабочими – 1, 2. Площадь поперечного сечения рабочей арматуры определяется расчетом по прочности нормального сечения, а распределительная – принимается конструктивно. Рабочая арматура располагается в растянутой зоне в соответствии с действующими в сечениях изгибающими моментами. Толщина плит определяется расчетом на действующие усилия, но во всех случаях она не должна быть меньше минимального размера. Минимальная толщина монолитных плит в покрытиях составляет 40 мм, в перекрытиях – 50 … 60 мм, сборных плит покрытия и перекрытия – 25 … 30 мм. Монолитные – это те конструкции, которые изготавливаются непосредственно на строительной площадке, сборные – которые изготавливаются на заводе и из которых на площадке монтируется здание как из деталей. Сварные сетки изготавливают из арматуры класса Вр-I диаметром 3 … 5 мм и класса А-III диаметром 6 … 10 мм. Стержни рабочей арматуры располагаются через 100 … 200 мм, а распределительной – через 250 … 350 мм. Балки бывают прямоугольными, таврового, двутаврового и трапециевидного сечения. Высота балок зависит от характера конструкции и нагрузки на них. В целях унификации высота балок принимается кратной 50 мм при мм и кратной 100 мм при мм. Ширина балок принимается равной 100, 120, 150, 180, 200, 220, 250 мм и далее кратной 50 мм. Толщина ребра тавровых и двутавровых балок может быть меньше.

Рабочей арматурой в балках является продольная, размещаемая в растянутой зоне поперечного сечения в один, два или реже в три ряда вдоль пролета – стержни 1 (рис. 11.4). При недостаточной прочности бетона сжатой зоны, а также при действии в сечении моментов двух знаков рабочая арматура устанавливается и в сжатой зоне – стержни 3. В первом случае армирование называется одиночным, а во втором – двойным. Стержни 3 могут также выполнять роль монтажной арматуры, необходимой для создания каркаса и восприятия усилий, возникающих при монтаже. Продольная арматура 1, а иногда и 3 определяется расчетом по прочности нормальных сечений. Рабочей арматурой являются поперечные стержни 2, которые располагаются по длине балки с регулярным шагом S. Эти стержни обеспечивают прочность наклонного сечения и рассчитываются на действие поперечной силы и момента. Отдельные арматурные стержни 1, 2, 3 объединяются в единый пространственный каркас соединительными хомутами 4. Предварительно напряженная арматура не входит в состав каркасов (рис. 11.5) и размещается в соответствие с эпюрой моментов и поперечных сил. В однопролетных балках и плитах небольшой высоты напрягаемую арматуру располагают только в растянутой зоне от эксплуатационных нагрузок прямолинейно по всей длине элемента. От внецентренного приложения силы предварительного обжатия балка выгибается и в верхних волокнах появляются растягивающие напряжения по всей длине балки (рис. 11.6). При действии эксплуатационных нагрузок в верхней зоне возникают сжимающие напряжения. Суммарная эпюра приобретает двухзначный характер. В верхних волокнах вблизи опор остаются растягивающие напряжения, которые могут вызвать образование трещин. Для погашения этих напряжений в балках иногда устанавливают верхнюю напрягаемую арматуру в количестве 15 … 25% от . В балках большой высоты часть напрягаемой арматуры располагают прямолинейно, а часть отгибают к верху, что снижает растягивающие напряжения в верхних волокнах вблизи опор и улучшает работу балки на главные растягивающие напряжения (рис. 11.7).

11.2. ЗАВИСИМОСТЬ НАПРЯЖЕНИЙ В АРМАТУРЕ ОТ ВЫСОТЫ СЖАТОЙ ЗОНЫ БЕТОНА В СТАДИИ РАЗРУШЕНИЯ

При разрушении железобетонных элементов армированных стержнями классов А-I, А-II, А-III, Вр-I, напряжения в арматуре чаще всего достигают предела прочности при растяжении или при сжатии и разрушение в этом случае начинается с разрыва растянутой арматуры. Однако, как известно, в переармированных изгибаемых элементах разрушение начинается с сжатой зоны бетона, в то время как напряжения в арматуре не достигают предела прочности, то есть . В этом случае для расчета прочности нормального сечения необходимо определить напряжения , для чего помимо условий прочности требуются дополнительные условия, определяющие зависимость напряжений в арматуре от высоты сжатой зоны бетона в момент разрушения. На основе экспериментальных исследований была установлена эмпирическая формула зависимости от высоты сжатой зоны бетона

(11.1)

где фактическая относительная высота сжатой зоны бетона при прямоугольной эпюре напряжений в этой зоне; высота сжатой зоны бетона; - рабочая высота нормального сечения; полная высота сечения; расстояние от центра тяжести поперечного сечения продольной растянутой арматуры до крайнего растянутого волокна сечения (рис. 11.8); относительная высота сжатой зоны бетона при прямоугольной эпюре в таком напряженном состоянии когда напряжения в арматуре или - в элементах без предварительного напряжения; предельная сжимаемость бетона, при и при .

Так как при или фактическая относительная высота сжатой зоны , то можно рассматривать как коэффициент полноты фактической эпюры напряжений в бетоне при замене ее на условную прямоугольную (рис. 11.9). Для определения СНиПом рекомендована эмпирическая формула

, (11.2)

где - коэффициент, учитывающий вид бетона (0,85 – для тяжелого, 0,8 – для легкого); в МПа.

Очевидно, как следует из выражения (11.1) при напряжения растягивающие, а при - сжимающие (рис. 11.10). При изменении содержания растянутой арматуры в элементе в большую сторону относительная высота сжатой зоны будет расти, а при уменьшении площади этой арматуры будет уменьшаться. Напряжения с ростом уменьшаются, а при уменьшении происходит увеличение . Величина при которой достигнут предела прочности арматуры называется граничной относительной высотой сжатой зоны . Величина определяется из соотношения (11.1)

(11.3)

где напряжения в арматуре растянутой зоны бетона, для арматуры класса А-I, А-II, А-III, Вр-I принимают - , а для арматуры с условным пределом текучести определяется с учетом накопившихся остаточных деформаций , поскольку в зависимости (11.1) предполагается, что в арматуре развились только упругие деформации (рис. 11.10) , в расчетах принимают МПа, - для стержневой арматуры классов А-IV, А-V, А-VI, Ат-VII и - для проволочной; предельные напряжения в арматуре сжатой зоны, МПа при , так как или МПа при , так как .

Таким образом, величина определяет границу между первым случаем разрушения и вторым. При разрушение бетона и арматуры происходит одновременно. Следует заметить, что напряжения , определенные из зависимости (11.1) для арматуры, не имеющей физического предела текучести, превысят предел упругости и находятся в интервале , в этом случае напряжения должны быть уточнены с учетом пластических деформаций (рис. 11.11)

, (11.4)

где относительная высота сжатой зоны бетона, соответствующая напряжению в арматуре , определяемая по формуле (11.3), в которой следует заменить на .

В элементах с высокопрочной арматурой при напряжения в растянутой арматуре могут превышать условный предел текучести. Превышение оказывается тем большим, чем меньше величина . Поэтому СНиПом рекомендовано учитывать превышение над при путем умножения на коэффициент условия работы (рис. 11.12)

, (11.5)

Рис. 11.1 Рис. 11.2 Рис. 11.3

Рис. 11.4 Рис. 11.5

Рис. 11.11 Рис. 11.12