1.2. Железобетон, как материал для строительных конструкций.

1.2.1 Основные физико-механические свойства бетона и арматуры.

Железобетон представляет собой искусственный материал, состоящий из бетона и расположенных в нем стальных стержней, работающих совместно. Совместная их работа обеспечивается хорошим сцеплением (адгезией) бетона и арматуры. Это сцепление не нарушается при колебаниях температуры, так как коэффициенты линейного расширения бетона и стали близки по величине (α_t=(0,7…1,4)×10^-5 для бетона и α_t=1,2·10^-5 для стали). Бетон защищает арматуру от соприкосновения с воздушной средой, что исключает коррозию стержней и обеспечивает долговечность железобетонных конструкций.

Бетон является искусственным камнем. Как и другие каменные материалы, он обладает большой прочностью на сжатие. Но сопротивление бетона растяжению в 10…20 раз меньше, чем сжатию, что практически делает невозможным его применение в растянутых, изгибаемых и во внецентренно сжатых с большими эксцентриситетами элементах. Растягивающие усилия в таких элементах передаются арматуре, которая в виде стальных стержней вводится в растянутые зоны. Арматуру вводят иногда и в сжатые зоны элементов для уменьшения размеров их сечений с целью снижения собственного веса конструкций.

Для мостовых конструкций применяют конструкционный тяжелый бетон со средней плотностью от 2200 до 2600 кг/м³.

Основной характеристикой, определяющей прочностные свойства бетона, является его класс по прочности на сжатие В. Он определяется значением, гарантированным с обеспеченностью 0,95, прочности бетона, полученном при испытании бетонных кубов размером 15х15х15 см, изготовленных и испытанных в соответствии ГОСТ 10180-90.

Различают проектный класс бетона, его передаточную и отпускную прочности.

Проектный класс бетона В определяют прочность бетона конструкций, назначаемую в проектах. Передаточная прочность R_bр - это прочность (соответствующая классу) бетона в момент передачи на него усилия в процессе изготовления и монтажа; отпускная прочность R_bо – соответствует классу бетона прочности в момент отгрузки его со склада-изготовителя.

При благоприятных условиях естественного твердения прочность бетона постепенно (примерно в течение 10 и более лет) увеличивается. Причем бетоны низких классов дают более значительный прирост прочности по сравнению с бетонами высоких классов.

По СП 35.13330.2011 для мостовых конструкций принимают бетоны классов от В20 до В60. Нормами установлены минимальные классы бетонов, используемых в мостах, в зависимости от их вида конструкций, армирования, условий эксплуатации.

Бетон является упруго-пластическим материалом. Под действием нагрузки в нем одновременно с упругими развиваются пластические деформации. Зависимость между напряжениями и деформациями в общем случае нелинейна (рис. 1.66). Полная деформация бетона состоит из упругой и пластической частей:

Рис. 1.66. Диаграмма напряжения-деформации бетона при однократном нагружении

Отношение напряжения в бетоне к упругим относительным деформациям характеризует упругие свойства материала и носит название модуля упругости бетона E_b. Он численно равен тангенсу угла между касательной к кривой в начале координат и осью абсцисс. Модуль упругости бетона одинаков при сжатии и растяжении, величина его зависит от класса бетона по прочности и условий твердения. Для бетона, подвергнутого термовлажной обработке, а также для бетона, находящегося в условиях переменного замораживания и оттаивания во влажном состоянии, величину модуля упругости бетона снижают на 10%.

Вершина кривой для сжатых образцов соответствует пределу прочности на сжатие R_bn (призменная прочность), а растянутых – пределу прочности на растяжение R_btn. Относительные деформации бетона , соответствующие напряжениям R_bn, колеблются в весьма широких пределах от 0,0008 до 0,0030. Окончательно разрушение бетона происходит при относительных деформациях бетона , достигающих величины 0,0035…0,0070. Предельные относительные деформации бетона при растяжении примерно в 10…20 раз меньше, чем при сжатии.

Значения относительных деформаций и зависят от многих факторов – прочности бетона, его состава, условий твердения, длительности действия нагрузки и др.

В начальный период нагружения, когда напряжения в бетоне не превышают 30…40% предела его прочности на сжатие, кривая близка к прямой, определяемой уравнением , т.е. в этой стадии проявляются, в основном, упругие деформации. С увеличением напряжений растут пластические деформации, которые становятся преобладающими при приближении к пределу прочности бетона.

В мостовых конструкциях бетон подвергается многократным нагружениям и разгрузке. При каждом повторном нагружении до достижения бетоном напряжения , соответствующего началу разгружения, пластическая часть деформаций уменьшается и после некоторого цикла нагрузки и разгрузки бетон начинает вести себя как упругий материал (рис.1.67). Если загрузить бетонный образец нагрузкой, вызывающей напряжение , то в образце снова наряду с упругими будут возникать пластические деформации.

Рис. 1.67. Деформации бетона при многократном загружении и разгрузке

При многократном приложении нагрузки, которая не вызывает напряжений, превышающих некоторую величину R_bfn, разрушение бетона не происходит. Если же максимальные напряжения превысят этот предел ( ), то с каждой разгрузкой увеличиваются пластические деформации, а затем происходит разрушение бетона.

Предельное значение напряжений R_bfn, при котором не происходит разрушение бетона при практически неограниченном числе циклов приложения нагрузки, называют пределом выносливости бетона. При определении предела выносливости за базовое принимают 2 миллиона циклов «нагружение-разгрузка», что примерно соответствует числу циклов приложения нагрузки к сооружению за весь период его эксплуатации. Величина R_bfn зависит от многих факторов, существенно она зависит от асимметрии цикла повторяющихся напряжений ( , - соответствующие минимальные и максимальные по абсолютной величине значения напряжений, принимаемые со своими знаками).

При длительном действии нагрузки неупругие деформации бетона возрастают без ее увеличения. Это свойство бетона называют ползучестью. Деформации ползучести зависят от продолжительности действия нагрузки, от возраста бетона в момент загружения.

Процесс деформирования бетона при длительном действии нагрузки сложен. В упрощенном виде его можно представлять на примере загружения бетонной призмы равномерно распределенной нагрузкой q. Сразу по приложении нагрузки в бетоне возникают упругие деформации и некоторая часть пластических деформаций (так называемая быстронатекающая ползучесть). Затем в течении длительного времени деформации ползучести будут нарастать, причем интенсивность нарастания будет постепенно уменьшаться и по истечении нескольких лет практически прекратится (рис.1.68). Относительные деформации ползучести достигнут некоторой предельной величины .

Рис. 1.68. Деформации бетонной призмы

При действии многократно повторяющейся нагрузки деформации ползучести увеличиваются, проявляется так называемая виброползучесть бетона.

Другим специфическим свойством бетона является усадка. Усадкой называют сокращение объема бетона при твердении его на воздухе. С течением времени усадка затухает и кривая деформации, вызываемая усадкой, приближается к некоторому предельному значению – нормативной деформации усадки .

Развитие деформаций усадки и ползучести бетона зависит от температурно-влажностного режима окружающей среды. Их протекание во времени происходит не плавно, а имеет волнообразный характер (рис.1.69). Усадку и ползучесть учитывают при определении перемещений в расчетах статически неопределимых конструкций. Их учет необходим также в расчетах конструкций из предварительно напряженного железобетона. Виброползучесть бетона учитывают в расчетах на выносливость, в некоторых расчетах по трещиностойкости.

Рис. 1.69. Кривые усадки и ползучести бетона:

1 – при постоянном температурно-влажностном режиме; 2 – при изменяющихся температуре и влажности воздуха

Кроме классов бетона по прочности установлены марки по морозостойкости и водонепроницаемости бетона.

Марка по морозостойкости F характеризуется числом циклов замораживания и оттаивания, которые бетонный образец выдерживает без существенного снижения его прочности. Марку по морозостойкости назначают в проекте в зависимости от климатических условий района строительства моста, от конструктивных особенностей его элементов и расположения их по отношению к уровню воды. Марка по водонепроницаемости W соответствует давлению воды в мегапаскалях, при котором еще не наблюдается ее просачивание через бетонный образец толщиной 15 см.

Арматуру по функциональному назначению подразделяют на рабочую и конструктивную.

Под рабочей понимают арматуру, площадь которой определяется расчетом. К конструктивной относят монтажную и распределительную арматуру, которую устанавливают без расчета. Монтажная арматура предназначена для создания арматурного каркаса и сохранения его жесткости в процессе бетонирования конструкции. Распределительная арматура служит для выравнивания усилий в стержнях рабочей арматуры, где по расчету они должны быть одинаковы. Конструктивную арматуру ставят также для восприятия не учитываемых расчетом местных напряжений от действия сосредоточенных сил, для частичного восприятия усилий, вызываемых усадкой и ползучестью бетона, и в некоторых других случаях.

В мостовых конструкциях применяют гибкую арматуру в виде стержней, а в предварительно напряженных конструкциях – в виде стрежней, проволоки или канатов. Для жесткой арматуры используют стальной прокат, чаще всего в виде уголков. В мостах такую арматуру применяют редко.

Для рабочей арматуры применяют стали различных классов и марок. Класс арматуры определяет ее прочностные характеристики, марка указывает на ее химический состав или способ выплавки. В мостовых конструкциях из обычного железобетона применяют арматурные стали классов А240 (АI), А300 (А-II), Ас300 (Ас-II), А400 (А-III). Арматурные стержни из стали класса А240 имеют гладкую поверхность, стрежни из сталей более высокой прочности выполнены с переодическим профилем. В арматурных стержнях классов А300, Ас300 периодический профиль создается часто расположенными выступами, идущими по трехзаходной винтовой линии с двумя продольными ребрами (рис. 1.70,а), а в арматурных стержнях класса А400 (А-III) - выступами, образующими «елочку» (рис. 1.70,б). Благодаря этим выступам улучшается сцепление арматуры с бетоном, что уменьшает ширину раскрытия трещин в бетоне при растяжении арматурного стержня.

а)

б)

Рис. 1.70. Стержневая горячекатаная сталь периодического профиля:

а – с выступами по винтовой линии; б – с выступами, образующими «елочку» (d – внутренний диаметр, d₁ – наружный диаметр, h - высота выступа)

Условия применения классов и марок арматурных сталей в мостовых конструкциях установлены нормативным документом СП 35.13330.2011 (Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84).

Стержни периодического профиля различают по номерам. Номер стержня соответствует расчетному диаметру равновеликого по площади круглого стержня. В сортаментах арматурной стали, установленных государственными стандартами, все ее геометрические характеристики приведены применительно к расчетному диаметру (номеру), который используют в расчетах железобетонных конструкций (Приложение А).

Арматурные стержни диаметром более 40 мм в мостовых конструкциях обычно не применяют.

Основной характеристикой стали является предел текучести – физический или условный. Физический предел текучести характерен для так называемых мягких сталей, имеющих площадку текучести на диаграмме . К таким сталям относится горячекатаная арматурная – сталь классов А240, А300, А400. Стрежневая арматура повышенной прочности и проволочная высокопрочная арматура выполнены из твердых сталей, не имеющих площадки текучести. За условный предел текучести у них принимают напряжение , при котором остаточные напряжения составляют 0,2% (рис.1.71). Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению, носит название временного сопротивления (сопротивления разрыву). Для проволочной арматуры сопротивление разрыву принимают за основную расчетную характеристику.

Рис. 1.71. Диаграммы напряжения – деформации арматурных сталей:

1 – мягких; 2 – твердых

Тангенс угла наклона прямолинейного участка линии к оси деформаций численно равен модулю упругости. Значения модулей упругости арматурных сталей приведены в СП 35.13330.2011 в зависимости от их классов и вида.

При действии многократно повторяющейся нагрузки прочность стали уменьшается и разрушение ее становится хрупким. Снижение прочности зависит от числа циклов повторяющейся нагрузки, от асимметрии цикла повторяющихся напряжений. Существенное влияние на выносливость арматуры оказывают сварные соединения, являющиеся концентраторами напряжений. Элементы железнодорожных мостов рассчитывают как на выносливость бетона, так и на выносливость арматуры.

1.2.2. Стадии напряженного состояния изгибаемого железобетонного элемента.

В поперечном сечении изгибаемого элемента возникают, в общем случае, изгибающий момент и поперечная сила. Изменение напряженного состояния железобетонного элемента при его нагружении рассмотрим на частном примере, когда поперечная сила в сечении равна нулю, т.е. в случае чистого изгиба. Чистый изгиб возникает, например, в средней части балки, загруженный двумя сосредоточенными силами P в соответствии с рис.1.72. Собственным весом балки, при этом пренебрегаем.

Рис. 1.72. Эпюры изгибающих моментов и поперечных сил в балке, нагружений двумя симметрично расположенными силами

В процессе возрастания нагрузки напряженное состояние сечения проходит через несколько качественно различных стадий. В начале нагружения между напряжениями и деформациями бетона существует практически линейная зависимость (см. рис.1.66). Аналогичная зависимость характерна и для арматуры. Поэтому можно считать, что в этот период закон распределения нормальных напряжений в бетоне по высоте сечения близок к линейному. Справедлива гипотеза плоских сечений. Такое напряженное состояние сечения соответствует стадии I (рис. 1.73, а).

По мере увеличения нагрузки зависимость между напряжениями и деформациями все более отличается от линейной. Следовательно, и эпюра напряжений в бетоне принимает криволинейное очертание. В некоторый момент напряжения в бетоне у растянутой грани балки достигают значений, соответствующих предельной растяжимости бетона. Такое напряженное состояние принято считать стадией I, а.

Дальнейший рост нагрузки связан с появлением и интенсивным развитием трещин в растянутой зоне балки. В результате, значительная часть бетона этой зоны из работы сечения исключается. Наступает стадия II.

Под стадией III понимают стадию разрушения. При этом, в общем случае, напряжения в бетоне достигают временного сопротивления осевому сжатию R_bn, а в арматуре – физического или условного предела текучести. Бетон растянутой зоны выключается из работы сечения.

При избыточном содержании растянутой арматуры разрушение сечения происходит в результате исчерпания несущей способности бетона сжатой зоны, когда напряжения в растянутой арматуре не достигают предела текучести. Такие сечения называют «переармированными» в отличии от «нормально» армированных сечений, в которых прочностные характеристики арматуры используются полностью.

Положение нейтральной оси в разных стадиях напряженного состояния различно. С ростом нагрузки нейтральная ось перемещается по направлению к сжатой грани. Однако когда деформации в крайних сжатых волокнах превысят величину , т.е. будут соответствовать нисходящему участку кривой деформирования на диафрагме , напряжения в этих волокнах будут меньше R_bn и нейтральная ось несколько смещается к низу сечения.

Расчеты мостовых конструкций должны учитывать все стадии напряженного состояния сечений. Но с целью упрощения расчетов криволинейные эпюры нормальных напряжений заменяют прямолинейными (рис. 1.73,б). Расчетные формулы при такой замене существенно упрощаются, но на точности расчетов это скажется незначительно. Во всяком случае, результаты расчетов при таких упрощениях вполне удовлетворяют целям практики.

Рис. 1.73. Эпюры нормальных напряжений в сечении изгибаемой железобетонной балки:

а – фактические; б – положенные в основу расчетных формул

1.2.3. Предварительно напряженный железобетон.

В п. 1.2.2 рассмотрено изменение напряженного состояния сечения изгибаемого элемента из обычного железобетона. В конструкциях из предварительно напряженного железобетона это изменение имеет некоторое отличие.

Предварительно напряженными называют такие конструкции, в которых напряженное состояние искусственно создается заранее, до приложения внешних нагрузок.

Существует два основных способа изготовления предварительно напряженных железобетонных конструкций: с натяжением арматуры на бетон и с натяжением арматуры на упоры.

При натяжении арматуры на бетон в бетонируемой конструкции образуют каналы. В эти каналы пропускают арматуру, ее натягивают и в натянутом состоянии закрепляют с помощью специальных анкеров (рис. 1.74,а), после чего каналы заполняют раствором. Усилие в натянутой арматуре можно рассматривать как сосредоточенную силу N, приложенную к торцу балки с эксцентриситетом e, равным расстоянию от точки приложения этой силы до оси, проходящей через центр тяжести сечения балки. В сечениях балки возникают сжимающие напряжения , которые распределятся по линейному закону (бетон в стадии создания предварительных напряжений работает упруго), уменьшаясь от низа балки к ее верху.

При изготовлении предварительно напряженных железобетонных элементов с натяжением арматуры на упоры натяжение арматуры производят до бетонирования конструкции. Натянутая арматура закрепляется на специальных упорах, после этого балку бетонируют (рис. 1.74,б). Когда бетон наберет необходимую прочность, арматуру отсоединяют от упоров, и усилия в натянутой арматуре передаются на бетон балки. Это равноценно приложению к балке силы N, равной усилию в напрягаемой арматуре, которое создает напряженное состояние в ее сечениях. Совместная работа арматуры с бетоном обеспечивается с помощью внутренних анкеров, а также за счет сил сцепления. Для изготовления конструкций с натяжением арматуры на упоры устраивают специальные стенды, и такую технологию называют стендовой.

Рис. 1.74. Принципиальные схемы изготовления предварительно напряженной железобетонной балки:

а – при натяжении арматуры на бетон; б – при натяжении арматуры на упоры (1 – бетонируемая балка, 2 – арматурный элемент, 3 – упоры, 4 – наружные анкера, 5 – внутренние анкера, 6 – эпюры нормальных напряжений в сечениях балки)

Описанными способами в железобетонных конструкциях при изготовлении создается напряженное состояние. Эту стадию напряженного состояния называют нулевой. С дальнейшим увеличением нагрузки предварительные напряжения в бетоне исчезают, после чего нормальное сечение предварительно напряженной балки при чистом изгибе проходит все те же стадии напряженного состояния, что и сечение балки из обычного железобетона.

Предварительно напряженные железобетонные конструкции создают с целью эффективного использования прочностных свойств высокопрочной арматуры. Это можно показать на таком примере. При достижении арматурой класса А240 максимально допустимых напряжений в 200 МПа, т.е. равны расчетному сопротивлению, ширина раскрытия трещин составляет 0,2 мм. Это допустимо, так как при таком раскрытии влага к арматуре не проникает и не происходит ее коррозии. Для высокопрочной гладкой арматуры класса Bр1400 диаметром 5 мм с расчетным сопротивлением 940 МПа ширина раскрытия трещин без предварительного напряжения достигала бы 1,0 мм (так как ширина трещин прямо пропорциональна напряжениям в арматуре), что недопустимо по СП 35.13330.2011.

При действии на конструкцию эксплуатационных нагрузок сжимающие напряжения сохраняются или возникают небольшие растягивающие напряжения, при которых трещин еще нет или их раскрытия незначительны и не сказываются на долговечности конструкции.

В предварительно напряженных конструкциях, наряду с высокопрочной арматурой, применяют бетоны высокой прочности. Применение высокопрочных материалов экономически целесообразно. Хотя такие материалы более дорогие, но их стоимость с повышением прочности возрастает медленнее, чем прочность. При этом уменьшаются размеры сечений элементов, снижается их вес, что очень важно для сборных конструкций. В мостах для преднапряженных конструкций применяют горячекатаную стержневую арматуру периодического профиля классов А600, А800, термически упрочненную стержневую арматуру периодического профиля классов А_Т600, А_Т800, А_Т1000, высокопрочную проволоку и стальные канаты, в том числе предназначенные специально для армирования железобетонных конструкций. Минимальный класс бетона по прочности в предварительно напряженных мостовых конструкциях зависит от вида напрягаемой арматуры и особенностей ее анкеровки.

Следует заметить, что применение предварительного напряжения может обеспечить необходимую трещиностойкость сечения, но не повышает его несущей способности.

Основоположником предварительно напряженного железобетона принято считать французского инженера Э. Фрейсине, который в 1928 году получил патент на изготовление таких конструкций. Попытки создания предварительно напряженных конструкций предпринимались и ранее, но в них использовалась стальная арматура небольшой прочности, применение которой для создания предварительных напряжений оказались неэффективным. Э. Фрейсине, применяя материал повышенной прочности, впервые удалось создать практически целесообразную конструкцию. По его проектам построен ряд мостов, в том числе два больших арочных моста в США с пролетами по 150 м, надарочные строения которых выполнены из предварительно напряженного железобетона.

В нашей стране предварительно напряженный железобетон начали применять в некоторых строительных конструкциях с начала 30-х годов. Несколько позже его стали применять и в мостах. Сначала в опытном порядке, а с 1962 г. после выхода «Технических условий проектирования железнодорожных, автодорожных и городских мостов и труб (СН200-62)», началось массовое проектирование и строительство мостов с пролетными строениями из предварительно напряженного железобетона.

Контрольные вопросы к п. 1.2

1. Почему возможна совместная работа бетона и арматуры в железобетонных конструкциях?

2. В сечениях железобетонных конструкций могут возникать как растягивающие, так и сжимающие усилия. Какие из этих усилий в общем случае воспринимаются бетоном, и какие арматурой?

3. Каким материалом является бетон по его деформативным характеристикам?

4. Что принято считать основной прочностной характеристикой бетона?

5. От каких факторов зависят предельные относительные деформации бетона и его модуль упругости?

6. Дайте пояснения таким специфическим свойствам бетона, как ползучесть и усадка. В каких расчетах их необходимо учитывать?

7. Назовите основные марки бетона с пояснениями, как их определяют?

8. Как подразделяют арматуру по ее функциональному назначению и по виду поверхности арматурных стержней?

9. Что учитывают класс арматурной стали и ее марка?

10. Что фактически означает номер арматурного стержня периодического профиля (в сортаменте арматуры)?

11. Что является основной прочностной характеристикой арматурной стали?

12. Как влияют на прочность бетона и арматурной стали многократные нагружения и разгрузки? Что принято считать пределом их выносливости?

13. Дайте определение модуля упругости бетона и арматурной стали. Чему он численно равен на диаграммах «напряжение - деформация»?

14. Назовите стадии напряженного состояния сечения изгибаемого железобетонного элемента.

15. Какие сечения называют «переармированными»?

16. Как изменяется положение нейтральной оси в сечении по мере увеличения нагрузки?

17. С какой целью криволинейные эпюры напряжений в бетоне в расчетах заменяют прямолинейными?

18. Какие конструкции называют предварительно напряженными? С какой целью создают такие конструкции?

19. Назовите основные способы изготовления предварительно напряженных железобетонных конструкций.

20. Почему в предварительно напряженных железобетонных конструкциях целесообразно применение материалов высокой прочности?

21. Повышает ли предварительное напряжение несущую способность конструкции?

22. Когда в мировой практике стали применять предварительно напряженные железобетонные конструкции в мостах? Когда они получили массовое применение в мостах в нашей стране?