- •Г.М. Грушевский, о.О. Иваев, с.К. Романов, в.В. Ходыкин Железобетонные конструкции
- •Введение
- •1. Основные физико-механические свойства бетона, стальной арматуры и железобетона
- •1.1. Бетон
- •1.1.1. Общие сведения
- •1.1.2. Структура (строение) бетона
- •1.1.3. Усадка бетона и начальные напряжения
- •1.1.4. Прочность бетона
- •1.1.5. Классы и марки бетона
- •1.1.6. Деформативность бетона
- •1.1.7. Модуль деформаций бетона
- •1.2. Арматура для железобетонных конструкций
- •1.2.1. Назначение арматуры и требования к ней
- •1.2.2. Виды арматуры
- •1.2.3. Физико-механические свойства арматурных сталей
- •1.2.4. Классификация арматуры по основным характеристикам. Сортамент арматуры
- •1.2.5. Сварные арматурные изделия
- •1.2.6. Соединения арматуры
- •1.3. Железобетон
- •1.3.1. Общие сведения
- •1.3.2. Содержание арматуры
- •1.3.3. Значение трещиностойкости
- •1.3.4. Сцепление арматуры с бетоном
- •1.3.5. Анкеровка арматуры в бетоне
- •1.3.6. Усадка бетона при наличии арматуры
- •1.3.7. Ползучесть бетона при наличии арматуры
- •1.3.8. Коррозия железобетона и меры защиты от неё
- •1.3.9. Защитный слой бетона и минимальные расстояния между стержнями
- •2. Экспериментальные основы теории сопротивления железобетона и методы расчета железобетонных конструкций
- •2.1. Общие сведения
- •2.2. Три стадии напряжённо-деформированного состояния железобетонных элементов
- •2.3. Методы расчёта железобетонных конструкций
- •2.4. Метод расчёта железобетонных конструкций по предельным состояниям
- •2.4.1. Сущность метода
- •2.4.2. Две группы предельных состояний
- •2.4.3. Расчётные факторы
- •2.4.4. Классификация нагрузок. Нормативные и расчётные нагрузки
- •2.4.5. Степень ответственности зданий и сооружений
- •2.4.6. Нормативные и расчётные сопротивления бетона
- •2.4.7. Нормативные и расчётные сопротивления арматуры
- •2.4.8. Структура расчётных формул
- •2.4.9. Общий способ расчёта прочности железобетонных элементов
- •Литература
- •Содержание
1.1.4. Прочность бетона
Прочность бетона определяется его сопротивлением различным силовым воздействиям – сжатию, растяжению, изгибу, срезу. Один и тот же бетон имеет разное временное сопротивление при различных силовых воздействиях. Исследования показали, что теории прочности, предложенные для других материалов, к бетону не применимы. Поэтому количественная оценка прочности бетона в настоящее время основывается на осреднённых опытных данных, которые принимаются в качестве исходных при проектировании любых бетонных и железобетонных конструкций.
Отсутствие закономерности в расположении отдельных частиц, составляющих бетон, приводит к тому, что при испытании образцов, изготовленных из одной и той же бетонной смеси, получают различные показатели временного сопротивления – разброс прочности. Кроме того, необходимо помнить, что механические свойства цементного камня и заполнителей существенно отличаются друг от друга; к тому же структура бетона изобилует дефектами, которыми, помимо пор, являются пустоты около зёрен заполнителя, возникающие при твердении бетона.
Прочность бетона на осевое сжатие считается основной его характеристикой, так как наиболее ценным качеством бетона является его высокая прочность на сжатие. В лабораторных условиях она может определяться на образцах в форме кубов, призм или цилиндров. У нас в стране для оценки прочности бетона при сжатии используют преимущественно кубы.
Так как бетон представляет собой неоднородный искусственный каменный материал, то для получения достоверных сведений о его прочности в соответствии с действующими стандартами испытывают партию образцов и определяют (средний предел прочности на осевое сжатие бетонных кубов с ребром 150 мм) и(средний предел прочности на осевое сжатие эталонных бетонных образцов призм).
Кубиковая прочность. При осевом сжатии кубы (как и другие сжатые образцы) разрушаются вследствие разрыва бетона в поперечном направлении. Наклон трещин обусловлен влиянием сил трения, которые развиваются на контактных поверхностях между подушками пресса и опорными гранями куба (рис. 7, а). Силы трения, направленные внутрь, препятствуют свободным поперечным деформациям бетона вблизи опорных поверхностей и тем самым повышают его прочность на сжатие (создаётся эффект обоймы). Удерживающее влияние сил трения по мере удаления от торцевых граней куба уменьшается, поэтому после разрушения куб приобретает форму четырех усеченных пирамид, сомкнутых малыми основаниями. Если при осевом сжатии куба удаётся устранить или значительно уменьшить (с помощью смазки контактных поверхностей, например, парафином или картонных прокладок) влияние сил опорного трения, то характер его разрушения и прочность изменяются (рис. 7, б).
Рис. 7. Характер разрушения бетонных кубов:
а – при наличии трения по опорным плоскостям; б – при отсутствии трения; 1 – силы трения; 2 – трещины; 3 – смазка
В этом случае поперечные деформации проявляются свободно и трещины разрыва становятся вертикальными, параллельными действию сжимающей силы, а временное сопротивление бетона сжатию существенно уменьшается. Согласно стандарту кубы испытывают без смазки контактных поверхностей и при отсутствии прокладок.
Опытами установлено, что прочность бетона одного и того же состава зависит от размеров куба. За стандартные (эталонные) лабораторные образцы принимают кубы с ребром 150 мм. При использовании кубов иных размеров результаты их испытаний с помощью поправочных коэффициентов приводят к результатам испытаний эталонных кубов.
Призменная прочность. Реальные железобетонные конструкции по своей форме и размерам существенно отличаются от лабораторных кубов. В них чаще всего один размер превышает два других (например, пролёт – ширину и высоту изгибаемого элемента; высота сжатого элемента – размеры его поперечного сечения).
В связи с тем, что при испытаниях бетона при переходе от образца в форме куба к образцу в форме призмы (при одинаковой площади их сечения) временное сопротивление сжатию при увеличении h уменьшается (рис. 8), кубиковая прочность не может быть непосредственно использована в расчётах прочности элементов конструкций, а служит только для контроля качества бетона в производственных условиях.
Рис.
8. График зависимости призменной
прочности бетона от отношения размеров
испытываемого образца
Уменьшение временного сопротивления бетона сжатию при переходе от образцов в форме куба к образцам в форме призмы объясняется тем, что при увеличении отношения h/a постепенно ослабевает влияние сил трения, возникающих между торцами образца и плитами пресса, на напряжённое состояние образца в его средней по высоте части, а для призм с h/a ≥ 4 это влияние практически полностью исключено.
Принято определять призменную прочность бетона – основную и наиболее стабильную характеристику прочности бетона на сжатие, используемую в расчётах на прочность сжатых и изгибаемых элементов – на эталонных призмах с размерами 150 150 600 мм (h/ a = 4).
Опытами установлено, что при 4 ≤ h/a < 8≈ 0,75. Влияние гибкости призм при этом ощутимо не сказывается. Влияние гибкости в значительной мере начинает ощущаться при h/a≥8.
Прочность бетона на осевое растяжение kt зависит от сопротивления цементного камня растяжению и прочности его сцепления с зёрнами заполнителя. Согласно опытным данным:
, (1.1)
где – средний предел бетона на осевое растяжение.
Причём относительная прочность бетона при осевом растяжении kt уменьшается с повышением прочности бетона на сжатие. Причинами низкой прочности бетона на растяжение являются неоднородность его структуры, наличие начальных напряжений, слабое сцепление цементного камня с крупным заполнителем. Некоторое повышение (примерно на 15...20%) может быть достигнуто увеличением расхода цемента на единицу объёма бетона, уменьшениемW/C, применением вместо гравия щебня с шероховатой поверхностью, промывкой заполнителя.
Имеется несколько лабораторных методик определения . Однако при испытаниях по этим методикам наблюдается ещё больший разброс показателей прочности по сравнению с испытаниями бетона на осевое сжатие, так как образцы трудно центрировать. Поэтому, если известна прочность бетона при сжатии, иногда определяют теоретически, например, по формуле:
. (1.2)
Прочность бетона при длительном действии нагрузки. При испытаниях бетонных образцов в лабораторных условиях нагружение осуществляется достаточно быстро, со скоростью 20...30 Н/(см2 • с). Реальные же конструкции находятся под действием нагрузки десятки лет. Согласно опытным данным при длительном действии нагрузки и высоких напряжениях под влиянием развивающихся значительных неупругих деформаций и структурных изменений бетон разрушается при напряжениях, меньших, чем временное сопротивление осевому сжатию при однократном кратковременном загружении .
Разница между кратковременным сопротивлением бетона и длительным может достигать 25%, если за время выдержки под нагрузкой прочность бетона не нарастает или нарастает незначительно, т. е. предел длительного сопротивления бетона сжатию находится в интервале:
. (1.3)
Если конструкция эксплуатируется в благоприятных для нарастания прочности бетона условиях и уровень напряжений постепенно снижается, отрицательное влияние фактора длительности загружения может и не проявиться.
Динамическая прочность бетона. Нагружение считают динамическим в тех случаях, когда скорость нагружения от нуля до максимальных напряжений составляет 0,001...1с. К конструкциям, работающим на динамические нагрузки, относятся мосты, шпалы, подкрановые балки, покрытия дорог и аэродромов и др.
При динамической нагрузке особо малой продолжительности, имеющей место при ударных, взрывных и других воздействиях, наблюдается повышение временного сопротивления бетона – динамическая прочность (). Чем меньше время нагружения бетонного образца динамической нагрузкой (τ) (или, что то же самое, чем больше скорость роста напряжений, МПа/с), тем больше коэффициент динамической прочности бетона:
. (1.4)
Это явление объясняется энергопоглощающей способностью бетона, работающего в течение короткого времени нагружения динамической нагрузкой только упруго вследствие запаздывания развития неупругих деформаций.
Кроме ударных и взрывных воздействий к нагрузкам особо малой продолжительности можно отнести порывы ветра, сейсмические нагрузки, нагрузку, действующую на конструкцию в момент передачи предварительного напряжения с арматуры на бетон.
Зависимость предела прочности бетона от времени действия нагрузки представлена на рис. 9, в.
Рис. 9. Зависимость предела прочности бетона:
а – от числа циклов загружений; б – от характеристиики цикла на базе N = 2 • 106; в – от времени действия нагрузки; 1 – бетон класса В40; 2 – бетон класса В25
Прочность бетона при многократно повторяющихся нагрузках. Многократно повторяющиеся нагрузки в зависимости от скорости нагружения могут иметь статический и динамический характер.
По количеству циклов «нагрузка – разгрузка» различают два вида повторного нагружения бетона: малоцикловое нагружение бетона (до 100...200 циклов) случайной по величине и периоду повторения нагрузкой с последующей разгрузкой (например, при забивке свай или шпунта) и многократно повторяющееся нагружение цикловой нагрузкой при коэффициенте ассиметрии (характеристике) цикла:
, (1.5)
где и– соответственно наименьшее и наибольшее нормальные напряжения материала в пределах изменения цикла нагрузки.
При малоцикловой загрузке и разгрузке бетона сжимающими напряжениями небольшой величины происходит уплотнение и упрочнение бетона как при длительном сжатии. Когда сжимающие напряжения при этом колеблются в пределах между верхней и нижней границами микроразрушения бетона (), то малоцикловое нагружение практически не влияет на его прочность, т.е. не снижает её по сравнению с однократным нагружением. Здесь – то наименьшее сжимающее напряжение в бетоне, при котором по границе цементно-песчаного камня и крупного заполнителя образуются микротрещины;– сжимающее напряжение в бетоне, соответствующее верхней границе образования микротрещин и цементно-песчаном камне.
Прочность бетона на сжатие при действии на него многократно повторяющихся нагрузок, с повторяемостью несколько миллионов циклов, под влиянием развития структурных микротрещин и в результате постепенного накопления пластических деформаций снижается по сравнению с однократным кратковременным загружением. Степень её понижения зависит от характеристики цикла , количества циклов нагрузки и разгрузкиN и относительного уровня напряжений . Это следует учитывать при проектировании мостов, шпал, подкрановых балок, перекрытий некоторых промышленных зданий, транспортных эстакад, станин мощных прессов и других конструкций, испытывающих подобные нагрузки.
Предел прочности бетона при многократно повторяющейся нагрузке называют пределом выносливости.
Различают абсолютный предел выносливости , т.е. наибольшее напряжение, которое бетон способен выдерживать, не разрушаясь, при неограниченном увеличении числа циклов, и практический предел выносливости , полученный на ограниченной базеN = 2•106. Последний зависит от характеристики цикла почти линейно. Его наименьшее значение для наиболее тяжелого цикла при бетоне класса В25 составляет= 0,5(рис. 9, б). С увеличениемN происходит постепенное снижение , однако после N = (1,5...2) • 106 циклов это снижение незначительно (рис. 9, а).
Наименьшее значение абсолютного предела выносливости, как показали исследования, связано с нижней границей образования структурных микротрещин так, что . Такая связь между и позволяет находить предел выносливостипо первичному загружению, определяяультразвуковой аппаратурой.