2. Экспериментальные основы теории сопротивления железобетона и методы расчёта железобетонных конструкций

2.1. Общие сведения

Железобетон состоит из двух различных по своим физико-механи­ческим свойствам материалов: стальной арматуры — упругого ма­териала (при рабочих напряжениях σ_s < σ_у) и бетона — упруго-пластического материала, не подчиняющегося закону Гука. Поэтому несущая способность железобетонных конструкций, вычисленная по формулам сопротивления упругих материалов, при допущении, что бетон на растяжение не работает, обычно существенно отличается (в меньшую сторону) от несущей способности, установленной при испытаниях. В связи с этим методика расчёта железобетонных кон­струкций построена на экспериментальной основе. По мере накопле­ния опытных данных методы расчёта железобетонных конструкций совершенствуются.

2.2. Три стадии напряжённо-деформированного состояния железобетонных элементов

Чтобы понять работу и характер разрушения изгибаемых железо­бетонных элементов, рассмотрим напряженное состояние балки, за­груженной двумя сосредоточенными силами по схеме, представлен­ной на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема нагружения железобетонной балки

Опыты показывают, что при этом в балке могут возникнуть тре­щины, как нормальные к продольной оси, так и наклонные, что соответствует траекториям главных растягивающих напряжений σ_mt. Разрушение балки может произойти как по нормальному, так и по наклонному сечению. В большинстве случаев сначала появля­ются трещины, перпендикулярные к продольной оси балки (нормальные) в зоне чистого изгиба, а затем, по мере увеличения нагрузки, и наклонные - пре­имущественно на приопорных участках.

Рассмотрим случай разрушения балки, представленной на рис. 2.2, по нормальному сечению при загружении её постепенно воз­растающей нагрузкой. Такое разрушение может иметь место, когда продольная арматура в растянутой зоне поставлена не в избытке. При этом условимся, что бетон работает в соответствии с диаграм­мой сжатия, у которой нисходящая ветвь отсутствует, а арматура предусмотрена из "мягкой" стали и имеет на диаграмме растяже­ния чётко выраженную площадку текучести (рис. 2.6 г,д).

Рис. 2.2. Стадии напряжённо-деформированного состояния изгиба­емого элемента: а - фактические эпюры напряжений; б - то же, схематизированные

При постепенном увеличении нагрузки на такую балку можно отметить следующие три характерные стадии работы её поперечных сечений, находящихся в зоне чистого изгиба.

Стадия I (продолжается до появления нормальных трещин в бетоне растянутой зоны). Она имеет место при небольших нагруз­ках, составляющих приблизительно 15...20% от разрушающей, когда напряжения в бетоне и арматуре невелики, деформации носят пре­имущественно упругий характер, а эпюры нормальных напряжений в бетоне сжатой и растянутой зон треугольные. Нейтральный слой проходит через центр тяжести приведённого к бетону сечения (рис. 2.2). На рис. 2.2 и — соответственно средний предел прочно­сти бетона при осевом сжатии и средний предел прочности бетона при осевом растяжении.

После этого при некотором увеличении нагрузки в волокнах бе­тона растянутой зоны развиваются неупругие деформации, начиная с крайних волокон. Деформации в них доходят до = 15 • 10^-5. Эпюра напряжений в растянутой зоне превращается в криволиней­ную и растягивающие напряжения в бетоне становятся равными не только в крайних волокнах. Это означает, что наступает конеч­ный этап стадии I — стадия Iа. Бетонная балка в этот момент разру­шается. Напряжения в растянутой арматуре в стадии Iа определя­ются в соответствии с условиями совместности деформаций и законом Гука:

Стадия II — это новое качественное состояние балки. Наступает она после появления трещин в бетоне растянутой зоны, когда растяги­вающие усилия в сечениях, где образовались трещины, восприни­маются арматурой и бетоном над трещиной (расположенным ниже нейтральной оси). Между трещинами бетон работает на растяже­ние, и напряжения в арматуре уменьшаются по мере удаления от сечения с трещиной.

В интервале растянутой зоны между двумя соседними трещи­нами сцепление арматуры с бетоном не нарушается. В сжатой зоне бетона развиваются неупругие деформации и эпюра нормальных на­пряжений искривляется. Высота сжатой зоны бетона в этой и следующей стадиях переменна по длине элемента: в сечениях над трещи­нами она меньше чем в сечениях между трещинами. Продольные деформации бетона сжатой зоны в сечении над трещиной несколько больше, чем на участке между трещинами. По этой стадии работа­ют наиболее напряжённые сечения в период эксплуатации. Нагрузка на конструкцию в этот момент может доходить до 65% и более от разрушающей.

Конец стадии II характеризуется началом заметных неупругих деформаций в арматуре. К концу этой стадии напряжения в ар­матуре превышают предел упругости и при арматуре из "мягкой" стали могут иногда достигать предела текучести (стадии IIа). Тре­щины в бетоне растянутой зоны иногда могут развиваться почти до нейтральной оси.

Стадия III (стадия разрушения) характеризуется относительно коротким по времени периодом работы балки. Криволинейность эпюры напряжений сжатия в бетоне становится ярко выра­женной и приближается по очертанию к кубической параболе или параболе более высокого порядка. Бетон растянутой зоны из работы почти полностью исключается.

Опыты свидетельствуют, что характер разрушения балки по нор­мальному сечению зависит от вида и количества продольной арма­туры в сечении. При этом возможны следующие два случая разру­шения балки.

В случае 1 при относительно невысоком содержании в сечении арматуры из "мягкой" стали разрушение балки (его начальная ста­дия) начинается с арматуры (напряжения в ней достигают предела текучести, а деформации постепенно нарастают) и заканчивается раздроблением бетона сжатой зоны. Такое разрушение носит посте­пенный, плавный (пластический) характер. Высота сжатой зоны в этом случае по мере загружения балки уменьшается.

Случай 2 имеет место в элементах с избыточным содержанием арматуры (любой) или переармированных. Разрушение переарми­рованных элементов происходит внезапно (хрупко) по бетону сжа­той зоны от его раздробления. Напряжения в растянутой арматуре в этот момент не достигают предела текучести. Здесь переход из стадии II в стадию III происходит внезапно. Применять такие эле­менты нежелательно, так как они не экономичны. Их применение допускается только в исключительных случаях.

При практическом использовании эпюры напряжений в бетоне схематизируют, спрямляя криволинейные участки и отбрасывая зо­ны растяжения. Схематизированные эпюры выглядят как показа­но на рис. 2.2б. Некоторые из этих эпюр носят условный характер, поскольку на нейтральной оси напряжения не могут быть равны предельным. Дело здесь в том, что для упрощения расчёта по несу­щей способности по стадии III эпюра напряжений в бетоне сжатой зоны принимается прямоугольной вместо фактической криволинейной из-за чего она при сохранении неизменной её площади получает­ся укороченной. На результаты расчётов такая замена не оказывает существенного влияния.

Очевидно, что во время работы изгибаемого железобетонного элемента под нагрузкой различные его сечения по длине испыты­вают разные стадии напряжённо-деформированного состояния.

Три аналогичные стадии напряжённо-деформированного состо­яния имеют место при внецентренном сжатии и при внецентренном растяжении, так как в этих случаях также получаются двузначные эпюры напряжений.