7.4.2. Особенности работы железобетонных балок под нагрузкой и предпосылки для расчета

Опыт показывает, что железобетонные балки под действием равномерно распределенной нагрузки разрушаются (как показа­но на рис. 7.31) по следующей схеме: в середине балки возникают вертикальные (перпендикулярные к оси балки) трещины, с уда­лением от середины трещины уменьшаются и наклоняются (угол наклона может составлять около 40°), вблизи опор ширина рас­крытия наклонных трещин снова увеличивается.

Рационально, когда арматура располагается перпендикулярно к трещине. Этому условию удовлетворяет продольная рабочая ар­матура, расположенная в растянутой зоне бетона перпендикуляр­но к оси нормального (перпендикулярного к оси балки) сечения (рис. 7.32). В наклонном сечении (проведенном по наклонной трещине) перпендикулярно трещине можно располагать отгибы (рис. 7.32, а), но их устройство трудоемко и на практике они при­меняются редко, чаще ставятся вертикальные стержни (рис. 7.32, б) которые объединяются в сварные или вязаные каркасы (попереч­ные стержни в сварных или хомуты в вязаных каркасах). Попереч­ные стержни, пересекая наклонные трещины, обеспечивают проч­ность наклонного сечения (наиболее опасными участками, на ко­торых могут образовываться наклонные трещины, при равномерно распределенной нагрузке являются участки вблизи опор, равные '/₄ длины балки).

Итак, расчет железобетонных балок на прочность заключает­ся в определении необходимого количества рабочей продольной ар­матуры (числа стержней и диаметров) для обеспечения прочно­сти нормального сечения, а также в определении диаметра и шага постановки поперечных стержней для обеспечения прочности на­клонных сечений.

7.4.3. Расчет железобетонных балок прямоугольного сечения с одиночным армированием по прочности нормального сечения

1. Работа нормального сечения балки

Опыты по исследованию поведения железобетонных балок под нагрузкой показывают, что от начала действия нагрузки и до раз­рушения балки по нормальному сечению можно выделить три стадии напряженно-деформированного состояния (рис. 7.33).

Стадия 1. Соответствует небольшой нагрузке, при которой не образуются трещины в растянутой зоне бетона. В этой стадии можно выделить два состояния. Состояние I, а (момент Л/,) — соответствует начальному этапу приложения нагрузки: напряже­ния в бетоне изменяются по линейному закону, т.е. упруго. Бе­тон и арматура в растянутой зоне работают совместно. Состоя­ние 1, б (момент М, > Л/,) — непосредственно перед появлением трещин: в сжатой зоне бетона напряжения изменяются практичес­ки упруго, а в растянутой эпюра растягивающих напряжений в бе­тоне искривляется, что говорит о том, что в нем появляются пла­стические деформации. В арматуре возникают небольшие упругие деформации, она недонапряжена.

Стадия 2. Характеризуется появлением в растянутой зоне бето­на трещин, которые появляются при увеличении нагрузки (момент Л/, > Л/₂). Бетон в трещине выключается из работы. Там, где образо­вались трещины, работает арматура, а между трещинами арматура и бетон продолжают работать совместно. В сжатой зоне бетона за счет пластических деформаций происходит искривление эпюры напря­жений бетона, эти напряжения еще не достигают предельных зна­чений. Прочность арматуры и сжатого бетона полностью еще не ис­черпана, и можно увеличивать нагрузку на элемент.

Стадия 3. Стадия разрушения. Разрушение элемента может происходить по двум случаям:

Случай 1. Разрушение происходит из-за того, что не выдержи­вает бетон сжатой зоны, в то время как несущая способность ар­матуры еще не исчерпана (имеется излишек арматуры, т.е. элемент переармирован).

Случай 2. Напряжения в арматуре достигают предела текучес­ти или прочности, арматура удлиняется или рвется, трещина уве­личивается, части балки взаимно поворачиваются, и происходит разрушение. В основном разрушение изгибаемых железобетонных элементов при нарушении прочности нормального сечения про­исходит по этой схеме.

В зависимости от целей расчетов (расчет на образование тре­щин, определение прогибов, расчет на прочность и т.д.) они мо­гут вестись по 1-й, 2-й или 3-й стадии. При расчете прочности рас­чет ведется по 3-й стадии, причем действительная схема напря­жений заменяется расчетной схемой, в которой фактическая (криволинейная) эпюра напряжений в сжатой зоне бетона заме­нена на прямолинейную, и напряжения в ней принимаются рав­ными призменной прочности бетона — R_h. В растянутой зоне бе­тон в результате образования трещин выключается из работы, там работает только растянутая арматура, и напряжения в ней равны расчетным сопротивлениям арматуры растяжению — R_s.