3. Стадии напряжённо–деформированного состояния железобетона.
При постепенном увеличении внешней нагрузки в железобетоне можно наблюдать три характерные стадии напряжённо – деформированного состояния:
Стадия I. При малых нагрузках на элемент напряжения в бетоне 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 становиться 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.
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 краёв 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. Конец стадии II характеризуется началом заметных неупругих деформаций в арматуре.
Стадия III. (стадия разрушения). С дальнейшим увеличением нагрузки напряжения в стержневой арматуре достигают физического предела текучести; напряжения в бетоне сжатой зоны под влиянием нарастающего прогиба элемента и сокращения высоты сжатой зоны также достигают значений временного сопротивления сжатию. Разрушение 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
Сечения по длине железобетонного элемента испытывают разные стадии напряженно – деформированного состояния. Так, сечения в зонах с небольшими изгибающими моментами находятся в стадии 1; по мере нарастания изгибающих моментов – в стадии 2; в зоне с максимальным изгибающим моментом – в стадии 3.
Разные стадии напряженно – деформированного состояния железобетонного элемента могут возникать на различных этапах – при изготовлении и предварительном обжатии, транспортировании и монтаже, действии эксплуатационной нагрузки.
Стадии напряженно-деформированного состояния
Рисунок 1. Стадии напряженно-деформированного состояния при изгибе: а – расчетная схема балки; б…г – стадии соответственно I, II, III.
Экспериментальные исследования железобетонных балок, загружаемых последовательно возрастающей нагрузкой вплоть до исчерпывания их несущей способности по нормальным сечениям или, для краткости, вплоть до их разрушения (рис. 1.а), позволяют выявить три характерные стадии напряженно-деформированного состояния таких сечений.
Стадия 1 (рис. 1.б). При малых нагрузках напряжения в бетоне и арматуре невелики и деформации бетона носят преимущественно упругий характер; зависимость между напряжениями и деформациями близка к линейной и эпюры нормальных напряжений в бетоне сжатой и растянутой зон сечения можно считать треугольными.
С увеличением нагрузки напряжения в бетоне σbt быстро приближаются к пределу прочности при растяжении Rbt. При этом в растянутой зоне сечения развиваются неупругие деформации, эпюра напряжений искривляется, а деформации достигают предельных значений. В сжатой зоне бетон испытывает преимущественно упругие деформации и эпюра напряжений близка к треугольной. Так как деформации растянутой зоны растут быстрее, чем сжатой, нулевая линия смещается к сжатому краю сечения. Характер изменения деформаций по высоте рассматриваемого сечения остается близким к линейному. Этот конечный этап стадии называется стадией 1а.
При дальнейшем увеличении нагрузки бетон растянутой зоны разрывается и в местах, где образовались трещины, из работы выключается. В тот момент, когда растяжимость бетона исчерпана и в сечении появляется трещина разрыва, наступает новое состояние сечения — стадия II.
Стадия II (рис. 1.в). В растянутой зоне в сечении с трещиной внутренние растягивающие усилия воспринимаются арматурой и (в какой-то степени) растянутым бетоном над трещиной. На участках между трещинами сцепление арматуры с бетоном полностью не нарушается и бетон продолжает работать на растяжение, несколько разгружая арматуру.
С повышением нагрузки напряжения в арматуре увеличиваются, трещина разрыва в бетоне, продолжая развиваться, поднимается вверх и область еще работающего на растяжение бетона сокращается. Нулевая линия неизменно смещается к сжатому краю сечения и сжатая зона сечения уменьшается.
При дальнейшем увеличении нагрузки трещина разрыва в растянутой зоне распространяется до нулевой линии и раскрывается, т. е. все растягивающие усилия в сечении воспринимаются только арматурой. Напряжения в сжатом бетоне и в арматуре увеличиваются.
В сжатой зоне сечения, проходящего по трещине, закон плоского деформирования продолжает сохраняться. Деформации растянутой арматуры в сечении с трещиной могут заметно отличаться от ординаты, отсекаемой в уровне арматуры продолжением прямой, ограничивающей эпюру деформаций сжатой зоны. Однако, как показывают многочисленные исследования, характер изменения усредненных деформаций сжатой зоны и растянутой арматуры на участках между трещинами мало отклоняется от линейного.
За конец стадии II может быть принято (весьма условно) состояние, когда ордината максимальных напряжений в сжатом бетоне начинает перемещаться от края сечения вглубь сжатой зоны или когда напряжения в растянутой арматуре достигают предела текучести.
Стадия III (рис. 1,г). В этой стадии работы неупругие деформации бетона распространяются на значительную часть сжатой зоны сечения.
Разрушение наступает тогда, когда деформации растянутой арматуры достигают предельных es,u (на рис. 1, г случай III—1) или когда деформации крайних сжатых волокон бетона достигают предельных еb, u (на рис. 1.47, г случай III—2).
Возможен и третий случай разрушения — в результате нарушения силового равновесия сечения. Деформации крайних сжатых волокон бетона при этом превышают значения ebR, соответствующие максимальным напряжениям на диаграмме σ — е сжатого бетона, но не достигают предельных.
Закономерности в отношении усредненных деформаций, характерные для стадии II, сохраняются вплоть до разрушения.
По длине балки нормальные сечения испытывают различные стадии напряженно-деформированного состояния: в сечениях с малым изгибающим моментом — стадию I, там, где изгибающий момент больше — стадию II, и в сечениях с максимальным моментом может быть стадия III.
Три стадии работы можно выделить не только при изгибе.
При действии крутящих моментов в начальной стадии нагружения балка работает упруго. В ней возникают касательные напряжения и равные им главные растягивающие и главные сжимающие напряжения, направленные под углом 45° к оси (рис. 2).
Рис. 2. Характер распределения касательных и главных напряжений в образце при работе на кручение в начальной стадии нагружения.
Эта стадия характеризуется плавной криволинейной зависимостью между напряжениями и деформациями растянутого бетона. В конце стадии касательные напряжения распределяются равномерно по всему сечению как в идеально пластическом теле. После того как деформации удлинения бетона по направлению действия главных растягивающих напряжений достигнут предельных значений, в бетоне образуются развивающиеся по всему контуру сечения спиральные трещины.
В реальных условиях крутящие моменты действуют в сочетании с изгибом, значения этих моментов сравнительно невелики, и спиральные трещины развиваются только в зоне, растянутой от совместного действия изгибающего и крутящего моментов. После их образования усилия в направлении главных растягивающих напряжений воспринимает арматура, а усилия и направлении главных сжимающих напряжений — бетон.
Разрушение балки при совместном действии изгибающего и крутящего моментов происходит, как правило, по пространственному сечению.
В элементе, подвергнутом растяжению, пока растягивающая сила мала, будет иметь место стадия 1 (бетон и арматура работают при этом совместно), затем, с увеличением силы, в бетоне появляются трещины. В местах, где образовались трещины, работает только арматура, а на участках между трещинами арматуре помогает растянутый бетон (стадия II). С дальнейшим увеличением силы напряжения в арматуре достигнут ее предельного сопротивления, т. е. наступит стадия III.
Разрушение балки при совместном действии изгибающего и крутящего моментов происходит, как правило, по пространственному сечению.
В элементе, подвергнутом растяжению, пока растягивающая сила мала, будет иметь место стадия 1 (бетон и арматура работают при этом совместно), затем, с увеличением силы, в бетоне появляются трещины. В местах, где образовались трещины, работает только арматура, а на участках между трещинами арматуре помогает растянутый бетон (стадия II). С дальнейшим увеличением силы напряжения в арматуре достигнут ее предельного сопротивления, т. е. наступит стадия III.