книги из ГПНТБ / Ашрабов, А. Б

закономерность падения напряжения, называются кри­ выми релаксации. Способность бетона к релаксации

температурными и влажностными воздействиями, осад­ кой опор и т. д., а также при работе предварительнонапряженных железобетонных конструкций.

Явления восстановления и релаксации напряжений тесно связаны с ползучестью бетона и протекают во времени по аналогичным законам.

Поперечные деформации бетона. Известно, что при действии нагрузки бетон испытывает не только про­ дольные, но и поперечные деформации.

При мгновенном загружении, т. е. в линейно-упру­ гой постановке, поперечные деформации характеризу­ ются коэффициентом Пуассона, представляющим отно­ шение относительной упругой поперечной деформации к продольной, взятых по абсолютной величине. При длительных нагружениях и связанных с ними дефор­ мациях ползучести пользуются коэффициентом попе­

ной деформации ползучести еще до конца не выяснен,

напряженного состояния бетона. Поэтому в связи с незначительностью погрешности принимают равенство между коэффициентом упругой поперечной деформации

60

и коэффициентом поперечной деформации ползучести. Исследования показали, что с ростом уровня напря­ жений коэффициенты поперечных деформаций увели­ чиваются и тем больше, чем ниже прочность бетона. Зная величину коэффициента поперечной деформа­ ции и значения модуля упругости бетона Еб, можно определить и модуль сдвига бетона Gg, пользуясь из­

вестной из теории упругости зависимостью

При динамических воздействиях величина р дости­ гает больших значений (до 0,24).

Экспериментально обоснованных данных об изме­ нении коэффициента поперечной деформации в зависи­ мости от возраста, прочности и структуры бетона име­ ется недостаточно, однако по ним можно сделать вы­ вод, что для высокопрочных бетонов этот коэффициент значительно ниже. При высоких уровнях нагружения коэффициент Пуассона быстро увеличивается из-за ускоренного процесса трещинообразования в образце.

§ 2. АРМАТУРА

Арматура является составной частью всех железо­ бетонных элементов и предназначена для восприятия, главным образом, растягивающих усилий, возникаю­ щих в их сечениях. Кроме того, арматура широко при­ меняется для усиления сжатых железобетонных эле­ ментов. Такая арматура называется рабочей и площадь ее поперечного сечения, необходимая для восприятия проектных нагрузок, определяется расчетом. Для вос­ приятия усилий от усадочных и температурных де­ формаций, монтажных нагрузок, при местной концент­ рации напряжений, а также по ряду технологических и других причин ставится монтажная арматура, кото­ рая назначается конструктивно.

61

В строительной практике в качестве арматуры используются различные материалы. Вид материала назначается в зависимости от производственной базы, технико-экономических соображений, физико-механи­ ческих и химических условий совместной работы арма­ туры и бетона и др. Так, например, в ряде районов используется деревянная арматура в виде реек и ка­ мыша, однако, вследствие неэффективности, она не получила широкого распространения.

При наличии отходов цветной металлургии исполь­ зуют медную и алюминиевую арматуру. Для конст­ рукций в агрессивной среде или при возникновении блуждающих токов для обеспечения химической и электрокоррозионной стойкости используют стеклопластиковую арматуру. Эти материалы для армирования бетона не получили распространения из-за высокой стоимости и недолговечности.

Наибольшее распространение получила стальная, арматура, как более экономичная и технологичная, име­ ющая высокие прочностные и пластические свойства и обеспечивающая надежную совместную работу с бето­ ном на всех стадиях изготовления и эксплуатации желе­ зобетонных конструкций.

Стальная арматура для железобетонных конструк­ ций в зависимости от технологии ее изготовления под­ разделяется на горячекатанную стержневую и холодно­ тянутую проволочную с поверхностью гладкой или периодического профиля.

Из соображений лучшего сцепления с бетоном ха­ рактер поверхности при периодическом профиле опре­ деляется выступающими ребрами на стержневой и вмя­ тинами на проволочной арматуре.

Учитывая большое количество марок применяемых сталей с различными механическими характеристиками, из условия взаимозаменяемости одних марок другими, стали с близкими расчетными характеристиками были объединены в отдельные классы: для стержневой арма­ туры (A - I, А-П, А-Ш, A - IV и т.д.) и два класса для проволочной арматуры (B-I, В-И).

Механические характеристики стали. Одним из важнейших качеств стали является ее прочность и плас­ тические свойства. Диаграмма зависимости между на­ пряжениями а и деформациями е стали (рис. I . 20),

62

построенная по результатам испытания на растяжение образца из малоуглеродистой стали с отношением его

размеров — j - = 10, имеет ряд характерных точек, оп­ ределяющих последовательное механическое состояние стали под нагрузкой. Начальный участок диаграммы, представляющий наклонную прямую, отражает упругую

Рис. I . 20. Диаграмма упрочнения стали:

1— до упрочнения; 2 — после механического упрочнения; 3 — повторное загружение .

Тангенс угла наклона а этого участка к оси абсцисс представляет собой модуль упругости стали Еа. Сле­ дует отметить, что это понятие модуля упругости в значительной мере условно, особенно для высокопроч­

близко, поэтому их считают совпадающими. Далее, на­ чиная с точки С, на диаграмме четко выражена пло-

63

щадка текучести, когда без заметного увеличения напряжений резко растут деформации. Наименьшее на­ пряжение ат , соответствующее площадке текучести, называется физическим пределом текучести стали.

Явление текучести наблюдается только в мягких, низкоуглеродистых сталях вследствие сдвиговых де­ формаций, происходящих внутри кристаллов феррита, после разрушения соединяющей их хрупкой сетки тре­ тичного цементита. Эти сдвиги ориентируются по плос­ костям наибольших касательных напряжений, т. е. под

нейшим сдвиговым деформациям. На этом участке диаграмма изменяется по плавной кривой и точка Д, соответствующая наибольшему напряжению <звр, пред­ шествующему разрушению образца, называется вре­ менным сопротивлением (или пределом прочности). Если до достижения временного сопротивления дефор­ мации образца распределяются равномерно по его рас­ четной длине /0 , то после точки Д эти деформации кон­ центрируются в одном наиболее слабом месте, образуя сужение — шейку.

Постоянное сужение поперечного сечения шейки заканчивается разрывом образца при напряжениях <зр, соответствующих точке М.

Кроме прочностных характеристик диаграмма растя­ жения отражает и пластические свойства сталей, кото­

64

собразца мгновенно сбросить

ивновь приложить нагрузку, то за счет необратимых потерь энергии деформирования на диаграмме будет иметь место

пряжений, больших, чем от . Сталь становится как бы бо­ лее хрупкой—исчезает площад­ ка текучести, повышается пре­ дел пропорциональности и уменьшается полная деформа­ ция при разрыве. Это явление носит название наклёпа стали. Такую сталь можно использо­ вать в железобетонных кон­ струкциях с высокими напря­ жениями.

Необходимо подчеркнуть, что указанная диаграмма не характерна для твердых высо­ копрочных арматурных сталей

сповышенным содержанием

66

классов дают наглядное представление об их упругопластических и прочностных характеристиках (рис. I. 22).

При наличии в железобетонном элементе арматуры разных классов, подвергаемой и не подвергаемой пред­ варительному натяжению, а также бетонов разных ма­ рок, каждый вид арматуры и бетона принимается со своим расчетным сопротивлением.

мости. Пластические свойства стали в значительной

и ниже характеристики пластичности, сталь становится более хрупкой. При увеличении содержания углерода более 0,5% сталь плохо сваривается.

Повышение прочности арматурной стали достигается ее легированием и термической или механической холод­ ной обработкой. При легировании путем введения неболь­ шого количества элементов никеля, хрома, марганца, ти­ тана, циркония -и т. д., изменяется химический состав ста­ ли, что отражается в ее марке. Так, например, в марках 20ХГ2Ц первая цифра обозначает содержание углерода

Упрочнение стали при термической обработке достига­ ется ее нагревом до различных (в зависимости от марок) температур — 200—900 °С и последующим охлаждением

ее(отпуском).

При холодной механической обработке повышение

прочности достигается протяжкой через фильеры с пос­

ледовательно уменьшающимися диаметрами, прокаткой, вытяжкой, скручиванием и сплющиванием.

При этом повышение прочности стали происходит за счет явления наклепа. Термическая и холодная упрочняю*

67

щая обработка в обозначении класса стали отмечается дополнительными индексами: «т» — при термическом уп­ рочнении (например, Ат-У), «в» — при упрочнении вы­ тяжкой (например, А - Шв) . В классе Атк индексом «к» обозначено, что в качестве арматуры используется высо­ копрочная проволока — катанка. Для арматурной прово­ локи периодического профиля сплющенной добавляется индекс «р» (например, Вр-П). Следует отметить, что тер­ мически упрочненная сталь обладает большей пластич­ ностью, чем механически упрочненная в холодном состоя­ нии, поэтому процесс упрочнения стали заключается в оп­ ределенном чередовании термической и холодной обра­ ботки, всегда заканчивающийся низкотемпературным от­ пуском.

При продолжительном действии нагрузок арматурная сталь, так же как и бетон, проявляет свойства ползучести и релаксации напряжений, тесно связанных друг с дру­ гом. Эти свойства имеют большое значение для напря­ гаемой арматуры в предварительно-напряженных желе­ зобетонных элементах, способствуя потерям предвари­ тельных напряжений. Ряд экспериментальных исследова­ ний показал, что и' в высокопрочной стержневой и прово­ лочной арматуре при нормальных температурах происхо­ дят заметные пластические деформации во времени, обусловленные высоким уровнем постоянных растяги­ вающих напряжений. В настоящее время еще не до кон­ ца установлены количественные характеристики предела ползучести и релаксационной способности арматурных сталей, вследствие влияния на них значительного числа факторов, основными из которых являются уровень и длительность нагружения, химический состав стали, тех­ нология производства, температура среды.

Ввиду относительных трудностей экспериментального определения релаксационных характеристик, в настоящее время делаются настойчивые попытки определения доста­ точно достоверной математической зависимости для выра­ жения степени релаксации напряжений через деформации ползучести.

Существенное влияние на реологические характери­ стики арматурной стали оказывает явление как искусст­ венного, так и естественного старения. К такой арматуре относится высокопрочная проволока, стержневая из ста­ ли марки 30ХГ.2С, а также упрочненная вытяжкой арматура из стали марок 25Г2С (или 35 ГС).

68

Явления старения увеличивают зону упругой работы стали и, следовательно, уменьшают деформации ползуче­ сти, а также разницу между пределом пропорционально­

происходит ее усталостное разрушение, имеющее хрупкий характер. Расчетная база, которой обычно определяется предел выносливости, принимается равным 2 млн. цик­ лов. Однако следует учитывать, что для ряда конструк­ ций (особенно гидротехнических) число загружений во время эксплуатации достигает десятков и даже сотен миллионов циклов. В то же время эксперименты показы­ вают, что при исследовании выносливости проволочной арматуры достаточно 1 млн. циклов. Наименьшее значе­

§ 3. Ж Е Л Е З О Б Е Т О Н

Совместная работа бетона и стальной арматуры- Же ­ лезобетоном называется комплексный материал, состоя­ щий из бетона и стальной арматуры.

Бетон, как и другие каменные материалы, хорошо со­ противляется сжатию и значительно хуже растяжению. В изгибаемых элементах высокое сопротивление бетона сжатию используется в сжатой зоне, а высокое сопротив­ ление арматуры растяжению в растянутой зоне.

Совместная работа бетона и стальной арматуры в же­ лезобетонных конструкциях обусловлена тем, что бетон при затвердении прочно сцепляется с арматурой; сталь и бетон обладают близкими по величине коэффициентами линейного расширения.

Бетон является благоприятной средой для защиты ар­ матуры от коррозии. К преимуществам железобетона от­ носятся его долговечность, высокая стойкость против воз­ действия огня и атмосферы, хорошая сопротивляемость действию статических и динамических нагрузок и воздей­ ствий.

69