Проверка прочности сечений железобетонных обделок и расчет армирования

При проверке сечений и расчете армирования элементов железобетонных обделок следует руководствоваться указаниями СНиП.

Блоки или тюбинги в обделке работают в условиях внецентренного сжатия и знакопеременных моментов (в зависимости от их расположения в кольце). Поэтому, в сборных конструкциях тоннельных обделок применяют, в основном, симметричное армирование.

Арматура элементов обделки состоит из продольных и поперечных стержней (хомутов). Продольная арматура является рабочей и ставится по расчету. Хомуты, в основном, предназначены для обеспечения проектного положения арматуры и для предотвращения выпучивания продольных стержней при действии внешней нагрузки. Кроме того, хомуты препятствуют развитию поперечных деформаций элемента, тем самым несколько повышая сопротивляемость бетона сжатию.

Насыщение поперечного сечения внецентренно сжатых элементов продольной (рабочей) арматурой оценивают коэффициентом армирования  (%). Процент армирования равен , где - сумма площадей сжатой и растянутой рабочей арматуры, – площадь сечения бетона. Оптимальный процент армирования по экономическим соображениям принимают (1…2)%. Максимальное значение % = 3%, больший коэффициент армирования допускается лишь при соответствующем обосновании, больший коэффициент армирования допускается лишь при соответствующем обосновании. Минимальный процент армирования устанавливают в зависимости от гибкости элементов; он обеспечивает восприятие не учитываемых расчетом воздействий (температурных, усадочных и др.) и предотвращает хрупкое разрушение при образовании трещин. В элементах с расчетным эксцентриситетом принимается %_min= 0,05…0,25%, а в элементах со случайным эксцентриситетом увеличивается вдвое.

Элементы тоннельных обделок обычно проектируют с ненапрягаемой арматурой. Для продольной рабочей арматуры целесообразно использовать горячекатаные стали классов А400 диаметром не более 32 мм и не менее: в сборных элементах - 16 мм, в монолитных – 12 мм. Стержни диаметром более 32 мм трудно обрабатываются, а менее (12…16) мм не обеспечивают достаточной жесткости каркасов при их изготовлении и монтаже. Поперечную арматуру устанавливают конструктивно.

Для удобства бетонирования и обеспечения надежного сцепления арматуры с бетоном расстояние в свету между стержнями принимается не менее 30 мм и не менее наибольшего диаметра стержней. Максимально допустимое расстояние между осями стержней продольной арматуры составляет 400 мм. Если расстояние между осями продольных стержней превышает 400 мм, то следует предусматривать установку между ними дополнительных стержней диаметром не менее 12 мм.

Поперечную арматуру устанавливают конструктивно. Расстояние между хомутами назначают не более 500 мм и 20d в сварных каркасах или 15d в вязаных (d – наименьший диаметр продольных стержней рабочей арматуры). Диаметр поперечных стержней d_w в сварных каркасах назначают по условиям свариваемости, а в вязаных – не менее 5 мм и 0,25d. Для поперечной арматуры используют стали классов В500, А240.

Арматуру следует располагать на некотором расстоянии от наружных граней элементов обделки для образования защитного слоя. Защитный слой обеспечивает совместную работу арматуры с бетоном на стадиях изготовления, монтажа и эксплуатации конструкций, а также защиту арматуры от коррозии, высоких температур и других воздействий.

При назначении толщины защитного слоя учитывают вид и размеры конструкции, условия эксплуатации, диаметр и назначение арматуры (рабочая, поперечная, распределительная). Так, для продольной рабочей арматуры толщина защитного слоя должна быть не менее диаметра стержня и не менее: в элементах с высотой сечения h<300 мм – 20 мм, при h300 мм – 30 мм, при h500 мм – 40 мм. Для поперечной и распределительной арматуры защитный слой должен быть при h<250 мм – не менее 10 мм и при h250 мм – не менее 15 мм. Расстояние от концов продольной ненапрягаемой арматуры до торцов элементов должно быть 10…20 мм.

Проверка прочности сечений и подбор арматуры обделок из гладких блоков прямоугольного сечения.

Х арактер разрушения внецентренно сжатых элементов зависит, прежде всего, от эксцентриситета приложения нормальной силы , где N – нормальная сила в расчетном сечении, M – момент в расчетном сечении. При больших эксцентриситетах (рис. 4.2, а) разрушение начинается с текучести арматуры у грани сечения, наиболее удаленной от продольной силы, затем происходит разрушение сжатого бетона (случай 1). Поэтому расчет по прочности следует производить в зависимости от соотношения между значением высоты сжатой зоны бетона =x/h₀ , определяемым из соответствующих условий равновесия, и значений граничной относительной высоты сжатой зоны _R, при котором предельное состояние элемента наступает одновременно с достижением в растянутой арматуре напряжения, равного расчетному сопротивлению стали R_s (рис. 4.2).

Граничное значение высоты сжатой зоны _R определяется по формуле:

(3.27)

где R_s – расчетное сопротивление арматуры растяжению, МПа;

- модуль упругости стали.

При относительно малых эксцентриситетах все сечение сжато или часть его сжата, а часть слабо растянута (рис. 4.2, б), разрушение начинается со стороны наиболее напряженного волокна сжатого бетона.

Напряжения в арматуре у грани, более удаленной от продольной силы, могут быть равны нулю, сжимающими или растягивающими, но не достигают предела текучести. Напряжение в ближайшей к продольной силе арматуре достигает R_sc (случай 2).

Расчет по прочности прямоугольных сечений обделок из сплошных блоков проводят из условия (см. рис.4.2):

, (3.28)

где е – расстояние от точки приложения нормальной силы N до центра тяжести сечения растянутой или наименее сжатой арматуры, равное:

e=e₀+(h₀-a) /2;

 - коэффициент, учитывающий влияние прогиба элемента на его несущую способность. При гибкости блока l₀/h  4 допускается производить расчет без учета гибкости элемента, т.е.  = 1 (l₀=0,54S, S – длина блока по осевой линии).

В случае больших эксцентриситетов при (см. рис. 3.12, а), высоту сжатой зоны бетона находят из условия:

. (3.29)

В случае малых эксцентриситетов при , высоту сжатой зоны бетона находят из условия:

. (3.30)

Пользуясь полученными зависимостями, можно проверить несущую способность сечения или подобрать требуемую арматуру.

При симметричном армировании и при (для арматуры классов А300…А400) высота сжатой зоны из условия (3.28) равна . Тогда требуемая площадь арматуры из формулы (3.28):

. (3.31)

Проверка прочности сечений и подбор арматуры обделок из железобетонных тюбингов и ребристых блоков.

Д ля выполнения расчетов ребристые сечения приводятся к тавровому (рис. 4.3).

Проверка прочности ребристых сечений при производится в зависимости от высоты сжатой зоны.

Если граница сжатой зоны проходит в полке (спинке тюбинга), т.е. соблюдается условие (рис. 3.14, а):

, (3.32)

то расчет производят как для прямоугольных сечений шириной , , высотой борта тюбинга и толщиной спинки по формуле (3.28).

Если граница сжатой зоны проходит в ребре, т.е. условие (3.32) не соблюдается, то проверка прочности сечения производится из условия (см. рис.3.14,б):

.(3.33)

При этом высоту сжатой зоны определяют из условия:

. (3.34)

Здесь (см. рис. 3.13). При расчете элементов таврового сечения с переменной высотой свесов полки значение принимают равной средней высоте свеса.

При получении отрицательных значений (как при расчете прямоугольных, так и тавровых сечений) площадь сечения арматуры должна быть принята по конструктивным требованиям. При этом минимальный процент армирования для бетона класса В30 и ниже % = 0,15%, для бетонов классов выше В30 - % = 0,2%.

По результатам расчета армирования на листе вычерчивается арматурный чертеж тюбинга или блока выбранного варианта обделки и приводится спецификация требуемой арматуры. Пример арматурного чертежа трапециевидного блока обделки приведен на рис. 4.4.

При выполнении курсового проекта необходимо также произвести проверку прочности стыков сборной железобетонной обделки.

Стыки железобетонных блоков и тюбингов рассчитывают на прочность и трещиностойкость при наиболее неблагоприятном возможном распределении контактных усилий в стыке. Полученные в результате расчета нормальные силы в стыках не должны превышать предельных. Рекомендации по определению предельных усилий в стыках приведены в [4, с. 82–84].

Рис. 4.4. Арматурный чертеж блока обделки