Файл: Лекция 1. 1.pdf

11
Напряженное состояние арматуры и условие анкеровки
ω
an
∆
λ
an
λ
an
Допустимое минимальное значение
l
an
, мм, не менее
Анкеровка растянутой арматуры в растянутом бетоне
0,7 11 20 250
Анкеровка сжатой или растянутой арматуры в сжатом бетоне
0,5 8
12 200
Если в нормальном к продольной оси элемента сечении стержни используются с неполным расчетным сопротивлением, то при определении 1
ап значение R
s умножают на коэффициент, равный отношению площади сечения арматуры, необходимой при полном использовании расчетного сопротивления, к площади сечения фактически имеющейся арматуры.
На крайних свободных опорах изгибаемых элементов продольные растянутые стержни заводят для анкеровки за внутреннюю грань опоры на длину не менее 10 d, а если наклонные трещины в растянутой зоне не образуют- ся— то на длину не менее 5d(рис. 1.1.18,б),
Напрягаемую арматуру — стержни периодического профиля или арматурные канаты — при натяжении на упоры и достаточной прочности бетона применяют в конструкциях без специальных анкеров; при натяжении на бетон (арматурные пучки) или на упоры в условиях недостаточного сцепления с бетоном (гладкая высокопрочная проволока) — со специальными анкерами.
Длину зоны анкеровки напрягаемой арматуры без анкеров принимают равной длине зоны передачи напряжений с арматуры на бетон по формуле:
(
)
[
]
d
R
l
p
bp
sp
p
p
⋅
+
=
λ
σ
ω
/
(1.23) где ω
р
,
λ
р
– коэффициенты, определяемые по табл. 1.3; R
bp
— переда- точная прочность бетона (кубиковая прочность бетона к моменту обжатия);
σ
sp
—
предварительное напряжение в арматуре с учетом потерь (принимают равным большему из значений; R
c или σ
sp
).
Для элементов из легкого бетона классов В7,5— В12,5 значения ω
p и λ
р по табл. увеличивают в 1,4 раза. Для стержней периодического профиля всех видов значение l
Р
принимают не менее 15 d. При мгновенной передаче усилия обжатия на бетон для стержней периодического профиля диаметром до 18 мм
(срезаемых с натяжных приспособлений упоров форм при отпуске натяжения) значения с о
и ее увеличивают в 1,25 раза.
Предварительное напряжение в арматуре считается изменяющимся линейно от нуля у края элемента до полного значения в сечении, расположенном на расстоянии l p
от края элемента. Для того чтобы бетон при передаче на него усилий с напрягаемой арматуры не раскалывался, концы элементов усиливают закладными деталями с анкерными стержнями, хомутами и т. п.

12
К определению длины зоны передачи напряжений l
p
напрягаемой
арматуры без анкеров.
Вид и класс арматуры
Значение коэффициента
ω
p
λ
p
Стержневая периодического профиля (независимо от класса и диаметра)
0,25 10
Высокопрочная проволока класса Вр-II диаметром, мм:
5 4
3 1,4 1,4 1,4 40 50 60
Арматурные канаты класса К-7 диаметром, мм:
15 12 9
6 1,0 1,1 1,25 1,4 25 25 30 40
То же, класса К-19 диаметром 14 мм
1,0 25
Для захвата, натяжения и закрепления на упорах канатов и стержневой арматуры периодического профиля применяют специальные цанговые захваты; кроме того, для стержневой арматуры используют приваренные коротыши или шайбы, нарезку накатом без ослабления сечения, высаженные головки правильной формы или неправильной формы со втулкой.

13
Рис. 1.1.18.Анкеровка напрягаемой арматуры; а- цанговый захват
для канатов и стержней; б- коротыши 1 и шайбы 2; в- гайка на нарезке
накатом конца стержня; г- высаженная головка правильной формы; д-
высаженная головка со втулкой; е- коротыши 1 и петли 3 для анкерной гладкой
высокопрочной проволоки.
Анкеры при натяжении арматуры на бетон должны обеспечивать надежную передачу усилий. В местах расположения анкеров у концов элементов бетон усиливают дополнительными хомутами, сварными сетками, спиралями, а для равномерной передачи усилий с арматуры на бетон под анкерами размещают стальные плиты. Заводской гильзовый анкер арматурного пучка состоит из стержня с нарезкой, заведенного внутрь пучка, и гильзы из мягкой стали, надетой поверх пучка. При протяжке через обжимное кольцо металл гильзы течет и запрессовывает проволоки пучка. Закрепление этого анкера после натяжения арматурного пучка на бетон домкратом производится гайкой концевого стержня, затягиваемой до упора в торец элемента.
Анкер, в котором арматурный пучок закрепляют стальной конической пробкой в процессе натяжения домкратом двойного действия, создают следующим образом (рис, 1.1.19), Упором домкрата в торец элемента арматур- ный пучок натягивают до заданного напряжения, затем специальным поршнем, выдвигаемым из домкрата, проволоки пучка заклинивают конической трубкой в стальной колодке.

14
Анкер стаканного типа применяют для закрепления более мощного арматурного пучка с несколькими рядами концентрически расположенных проволок (рис. 1.1.20.). Домкрат захватывает анкер и оттягивает его с упором на бетон; в зазор, образовавшийся между анкером и торцом элемента, вводят шайбы с прорезями, благодаря чему арматурный пучок удерживается в напряженном состоянии.
Рис.1.1.18.Гильзовый анкер; а- до запрессовки пучка; б- после
запрессовки; 1- пучок; 2- гильза; 3- обжимное кольцо; 4- стрержень с нарезкой.

15
Рис.1.1.20. Анкер стаканного типа для закрепления мощного
арматурного пучка (натяжение на бетон); 1- бетон, обеспечивающий
запрессовку пучка в анкере; 2- стальной стакан с приваренным дном; 3-
конический стальной стержень; 4- стальные шайбы; 5- кольца; 6- крюки на
концах проволок.

1
Лекция №3.
1.2.1.
Исследования сопротивления железобетона
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.
1.2.2.
Три стадии напряженно-деформированного состояния
железобетонных элементов
Опыты с различными железобетонными элементами – изгибаемыми, внецентренно растянутыми, внецентренно сжатыми с двузначной эпюрой напряжений – показали, что при постепенном увеличении внешней нагрузки можно наблюдать три характерные стадии напряженно-деформированного состояния (рис.1.2.1): 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 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; 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. 1.2.1).

2
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. При дальнейшем увеличении нагрузки в бетоне растянутой зоны образуются трещины, наступает новое качественное состояние.
Рис. 1.2.1.Стадии напряженно-деформированного состояния в
нормальных сечениях при изгибе элемента без предварительного
напряжения.
Рис. 1.2.2.Напряжения в бетоне в нормальных сечениях при
изгибе предварительного напряженного элемента: а- при обжатии; б-
после приложения внешней нагрузки, стадия I.
Стадия II. В том месте растянутой зоны, где образовались трещины, растягивающее усилие воспринимается арматурой и участком бетона растянутой зоны над трещиной. 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

3 зоны развиваются неупругие деформации, эпюра нормальных напряжений искривляется, а ордината максимального напряжения перемещается с края сечения в его глубину. 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.
Ненапрягаемая арматура сжатой зоны сечения в стадии III испытывает сжимающие напряжения, обусловленные предельной сжимаемостью бетона:
s
ub
s
E
ε
σ
≤
1
(2.1.)
Сечения по длине железобетонного элемента испытывают разные стадии напряженно-деформированного состояния. 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.
При обжатии в предварительно напряженном элементе возникают довольно высокие напряжения. Под влиянием развития неупругих деформаций эпюра сжимающих напряжений приобретает криволинейное очертание. В процессе последовательного загружения внешней нагрузкой предварительные сжимающие напряжения погашаются, а возникающие растягивающие напряжения приближаются к временному сопротивлению бетона растяжению
(рис. 1.2.2). Перемещение вглубь сечения ординаты с максимальным напряжением на криволинейной эпюре '
b
b
E
ε
σ
=
(2.2.)

4 обусловлено последовательным увеличением значений
b
ε
и одновременным уменьшением '
b
E
от оси к внешнему краю сечения из-за развития неупругих деформаций.
Особенность напряженно-деформированного состояния предварительно напряженных элементов проявляется главным образом в стадии
I. Внешняя нагрузка, вызывающая образование трещин, значительно увеличивается (в несколько раз), напряжения в бетоне сжатой зоны и высота этой зоны также значительно возрастают. Интервал между стадиями I и III сокращается. После образования трещин напряженные состояния элементов с предварительным напряжением и без него в стадиях II и III сходны.
1.2.3.
Развитие методов расчета сечений.
Метод расчета по допускаемым напряжениям
Метод расчета прочности сечений изгибаемых элементов по допускаемым напряжениям исторически сформировался первым; в нем за основу взята стадия II напряженно-деформированного состояния и приняты сле- дующие допущения: бетон растянутой зоны не работает, растягивающее напряжение воспринимается арматурой; бетон сжатой зоны работает упруго, а зависимость между напряжениями и деформациями — линейная согласно закону Гука; нормальные к продольной оси сечения, плоские до изгиба, остаются плоскими после изгиба (гипотеза плоских сечении).
Как следствие этих допущений, в бетоне сжатой зоны принимаются треугольная эпюра напряжений и постоянное отношение модулей упругости материалов а = Е
3
/Е
ь
(рис, 1.2.3.). Рассматривают приведенное однородное, се- чение, в котором площадь сечения растянутой арматуры A
s заменяют площадью сечения бетона, равной aA
s
, а площадь сечения сжатой арматуры A'
s
—
площадью сечения бетона aA'
s
. Исходя из равенства деформаций бетона и арматуры.
(2.3.) а также используя отношение а устанавливают зависимость между напряжениями в арматуре и бетоне.
(2.4) где:
ь
s
E
E
=
α
- отношение модуля упругости арматуры и бетона.

5
Рис. 1.2.3.К расчету балки прямоугольного сечения по
допускаемым напряжениям.
Краевое напряжение в бетоне определяют как для приведенного однородного сечения
(2.5) где х — высота сжатой зоны. Напряжения и растянутой и сжатой арматуре, I
red
- момент инерции приведенного сечения. М- внешний силовой фактор.
(2.6) где h
0
— рабочая (полезная) высота сечения; h — полная высота сечения; а — расстояние от оси, нормальной к плоскости изгиба и проходящей через центр тяжести сечения растянутой арматуры, до внешнего растянутого края сечения, а'— расстояние от оси, нормальной к плоскости изгиба и проходящей через центр тяжести сечений сжатой арматуры, до внешнего сжатого края сечения.
Высоту сжатой зоны сечения χ находят из условия, что статический момент приведенного сечения относительно нейтральной оси равен нулю
(2.6)
Момент инерции приведенного сечения
(2.7)
Напряжения в бетоне и арматуре ограничивают допускаемыми напряжениями, которые устанавливают как некоторые доли временного сопротивления бетона сжатию
(где R — марка бетона, принимаемая равной кубиковой прочности бетона) и предела текучести арматуры
Основной недостаток метода расчета сечений по допускаемым напряжениям заключается в том, что бетон рассматривается как упругий материал. Действительное же распределение напряжений в бетоне по сечению в