5.3. Стадии напряженно-деформированного состояния жбк при изгибе

Железобетон состоит из двух различных по физико-механическим свойствам материалов: стальной арматуры – упругого материала в большем диапазоне деформирования и бетона – упруго-пластического материала, не подчиняющегося закону Гука. Несущая способность ЖБК, определенная по теории упругости или методами сопротивления материалов практически всегда отличается от прочности установленной при их испытании. Образование трещин в растянутых зонах бетона в стадии эксплуатации еще больше затрудняет возможность применения классических методов к расчету ЖБК. Поэтому методика расчета ЖБК базируется на экспериментальной основе и законах механики, и исходит из реальной картины напряженно-деформированного состояния элементов на различных стадиях нагружения.

Опыты с изгибаемыми железобетонными элементами свидетельствуют о том, что при постепенном увеличении внешней нагрузки элементы проходят три стадии напряженно-деформированного состояния: 1) работа без трещин; 2) работа с трещинами в растянутой зоне; 3) стадия разрушения. Рассмотрим эти стадии работы на примере элемента, работающего в зоне чистого изгиба и армированного в растянутой и в сжатой зонах (рис. 5.3).

При изменении величины изгибающего момента М от нуля до разрушающего значения можно проследить все три стадии. Стадия 1. При малой нагрузке порядка 20 % от разрушающей бетон работает совместно с арматурой по всей длине балки, деформации носят в основном упругий характер, зависимость между напряжениями и деформациями имеет практически квазилинейный характер (рис. 5.4), эпюры напряжений в растянутой и в сжатой зонах бетона близки к треугольным. В растянутой зоне по мере по мере приближения к эпюра из треугольной превращается в криволинейную приближающуюся к прямоугольной за счет развития нелинейных пластических деформаций. Нейтральная ось при этом проходит ниже центра тяжести бетонного сечения вследствие влияния арматуры в растянутой зоне, имеющей большее сечение, чем арматура в сжатой зоне. Высота сжатой зоны бетона – Х₁. Условием = характеризуется конец стадии 1. Эта стадия положена в основу расчета конструкций по образованию трещин. Эпюра напряжений в растянутой зоне бетона принимается прямоугольной с ординатой , а деформации – равными предельным . При дальнейшем увеличении нагрузки в бетоне растянутой зоны образуются трещины, наступает новое качественное состояние.

Стадия 2. В сечениях с трещинами все растягивающие усилия воспринимаются арматурой и участком бетона растянутой зоны над трещиной (рис. 5.5). В интервалах растянутой зоны между трещинами сцепление арматуры с бетоном сохраняется и по мере удаления от краев трещин растягивающие напряжения в бетоне увеличиваются, а в арматуре уменьшаются (рис. 5.6). Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к уменьшению высоты сжатой зоны бетона до Х₂, повышению сжимающих напряжений и искривлению эпюры напряжений в сжатой зоне. При этом напряжений и искривлению эпюры напряжений в сжатой зоне. При этом < . Стадия 2 соответствует эксплуатационному состоянию и поэтому принята в основу расчетов по деформациям и ширине раскрытия трещин. Конец стадии 2 характеризуется началом заметных неупругих деформаций в арматуре.

Стадия 3. С увеличением нагрузки стадия 2 переходит в стадию разрушения. Рост нагрузки вызывает увеличения напряжений и деформаций в растянутой арматуре, дальнейшее уменьшение высоты сжатой зоны бетона сопровождающееся ростом напряжений и большим искривлением эпюры напряжений. Напряжения в арматуре достигают физического предела текучести или условного , напряжения в бетоне сжатой зоны под влиянием нарастающего прогиба элемента и сокращения высоты сжатой зоны так же достигают временного сопротивления сжатию (рис. 5.7). Разрушение может произойти по двум схемам: по пластической или по хрупкой. В первом случае разрушение железобетонного элемента начинается по арматуре растянутой зоны и заканчивается раздроблением бетона сжатой зоны. Такая схема разрушения характерна для элементов с нормальным содержанием арматуры. В элементах с избыточным содержанием растянутой арматуры – переармированных – разрушение происходит по бетону сжатой зоны. При этом переход из стадии 2 в стадию 3 происходит внезапно. Разрушение переармированных элементов всегда носит хрупкий характер. Прочность арматуры растянутой зоны таких элементов используется не полностью. Стадия 3 положена в основу расчета по прочности.

Ненапрягаемая арматура сжатой зоны сечения в стадии 3 испытывает сжимающие напряжения, обусловленные предельной сжимаемостью бетона Следует заметить, что сечения по длине элемента испытывают разные стадии напряженного состояния, так как усилия от внешней нагрузки изменяются по пролету.

В предварительно напряженных элементах до приложения нагрузки напрягаемая арматура обжимает все сечение или часть его (рис. 5.8). Под влиянием развития неупругих деформаций эпюра сжимающих напряжений приобретает криволинейное очертание. После приложения внешней нагрузки, сжимающие напряжения в нижней зоне уменьшаются и полностью гасятся (рис. 5.9). При дальнейшем увеличении нагрузки возникают растягивающие напряжения постепенно приближающиеся к временному сопротивлению бетона при растяжении и преднапряженные элементы последовательно проходят те же стадии напряженно-деформированного состояния, что и в элементах без предварительного напряжения. Особенность напряженно-деформированного состояния преднапряженных элементов проявляется лишь в стадии 1. Внешняя нагрузка, вызывающая образование трещин, значительно увеличивается, напряжения в сжатой зоне бетона и высота ее возрастает. Интервал между стадиями 1 и 3 сокращается.

Рис. 5.1 Рис. 5.2