ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ КРУЧЕНИИ С ИЗГИБОМ

Полный текст

Актуальность задачи. Процесс сложного сопротивления - кручения с изибом в железобетоне представляет достаточно сложное явление, для моделирования которого требуется привлечение ряда исходных гипотез, подтвержденных экспериментом. Эта задача в теории железобетона до настоящего времени остается одной из наименее изученных в теоретическом плане и тем более в части экспериментальной проверки имеющихся [1-4] и создаваемых [5-9] расчетных моделей. В то же время, практическое использование железобетонных конструкций во все более сложных и ответственных зданиях и сооружениях сегодня вызывает необходимость развития теории и совершенствования методов расчета железобетонных конструкций при таких напряженных состояниях. Уместно также заметить, что в любом конструктивном элементе, работающем на изгиб, может возникать кручение за счет случайного эксцентриситета, обусловленного внецентренным приложением вертикальной нагрузки, неоднородностью материалов неоднородностью материалов, асимметрией сечения. На сегодняшний день, существует целый класс железобетонных конструкций (Г-образные рамы при действии ветровой нагрузки, опоры ЛЭП при одно- стороннем обрыве проводов, балки с боковыми консолями, наклонные арки и т.п.), в которых неучет кручения в расчетах может привести к обрушению конструкций, а в некоторых случаях обрушению и всего здания. Проведенные в зарубежных странах (США, Канаде и др.) ассоциацией портландцемента обследования зданий и сооружений выявили целый ряд случаев аварий, связанных с неверной оценкой сложного сопротивления железобетона. Неоспоримым является и тот факт, что сопротивление трещинообразованию пространственных трещин в железобетонных конструкциях само по себе явление достаточно сложное, а в условиях сложного кручения с изгибом - оно еще более усложняется. Проведенные до настоящего времени лишь в единичных случаях и с ограниченным количеством изучаемых параметров экспериментальные исследования железобетонных конструкций при действии кручения с изгибом дают край- не ограниченную, а иногда и противоречивую информацию о их напряженно- деформированном состоянии, трещиностойкости, координатах пространственных трещин. Не изучены возникающие при этом эффекты, связанные с нарушением сплошности железобетона. Практически отсутствуют опытные данные о длине и приращениях трещин при увеличении ступени нагружения. В то же время, отмеченные другие параметры являются определяющими для анализа сопротивления областей, прилегающих к зонам пересечения трещинами рабочей арматуры, где, как показали последние исследования [4-6 и др.], возникает эффект нарушения сплошности бетона. Как показали опыты, влияние этого эффекта на равновесие усилий в поперечном сечении по результатам исследований проф. В.М. Бондаренко, Вл. И. Колчунова [4], может достигать 40%. Попытки разработки более совершенных расчетных моделей для решения за- дач образования различных типов пространственных трещин на нижней и боковой грани железобетонных конструкций при кручении с изгибом были сделаны в работах [6-10]. В развитие этих исследований, в настоящей работе приведены методика и результаты экспериментальных исследований для проверки предложенных расчетных моделей железобетона. Методика исследований. Проведенные экспериментальные исследования были направлены на определение основных параметров железобетонных конструкций при изгибе с кручением: нагрузки образования пространственных трещин Rsup,сrc, разрушающей нагрузки Rsup,u,координат образования пространственных трещин, фактической высоты сжатой зоны бетона в поперечном сечении, проходящим через конец пространственной трещины; прогибы конструкций; ширина раскрытия трещин на уровне оси продольной и поперечной растянутой арматуры вдоль всего профиля трещин; изменения расстояния ме- жду трещинами lcrc и длины трещин hcrc по мере увеличения нагрузки и др. Измерение названных опытных характеристик проводилось механическими, оптическими и тензометрическими приборами, устанавливаемыми на опытных конструкциях. В частности, для измерения перемещений опытных конструкций использовались прогибомеры с ценой деления 0,01 мм (рис. 1). Деформации арматуры измерялись специальными устройствами, включавшими гайки, приваренные к рабочей арматуре, на которые перед бетонированием балок, одевались специальные резиновые трубки, а торцы гаек закрывались пластилином с целью исключения влияния окружающего бетона на положение «гаек» при деформациях. При измерении деформаций арматуры в эти гайки вкручивались штанги, на которые крепились индикаторы с ценой деления 0,001 мм на базе 250 мм. Деформации бетона измерялись отдельными тензорезисторами и розетками тензорезисторов. В процессе кратковременного нагружения отсчеты по тензо- резисторам и по механическим приборам снимались дважды: сразу после приложения нагрузки и после временной выдержки. C помощью микроскопа МПБ-2 с 24-х кратным увеличением и ценой деления 0,05мм изучалась растянутая зона каждой конструкции. Появление и дальнейшее распространение трещин тщательно фиксировалось на специальных планшетах. По мере дальнейшего нагружения проводилось наблюдение за по- явлением новых трещин и развитием уже имеющихся. Замерялась ширина раскрытия трещин на двух боковых гранях в уровнях, расположенных выше оси арматуры на 20 и 30 мм. Методика экспериментальных исследований предусматривала установку четырех групп электротензорезисторов на опытные конструкции. Электротензо- Рис. 1. Схема расположения механических приборов и электротензорезистор ов, установленных на опытных конструкциях: 1 - вертикальная ось симметрии образца; 2 - электротензорезистор ы, расположенные сверху от нейтральной оси 10; 3 - то же, расположенные в зоне сжатого бетона; 4 - то же, в зоне, прилегающей к нейтральной оси; 5 - электро- тензорезисторы, расположенные на фибре бетона; 6 - розетка электротензорезисторв, расположенная на удалении 40 мм от вертикальной оси образца 1; 7 - электротензорезистор, расположенные на берегах появившейся трещины; 8 - то же, на уровне оси растянутой арматуры; 9 - ось вертикальных арматурных стержней; 10 - средняя ось балки; 11 - ось растянутой арматуры; 12 - ось сжатой арматуры резисторы первой группы (см. рис. 1) устанавливались по высоте поперечного сечения экспериментальных конструкций основных серий в фибровых волокнах, в местах расположения нулевой точки, т. е. перехода от удлинения к укорочению. Изучение распределения деформаций по всей высоте сжатой зоны, опре- деление размеров сжатой зоны и фактической высоты развития трещин стало возможным благодаря установке электротензорезисторов, цепочкой по высоте образцов. Обеспечение надежности и дополнение опытной информации осуще- ствлялось установкой на опытных конструкциях групп розеток, располагаемых в двух одинаково напряженных симметричных относительно вертикальной оси балки сечениях. Электротензорезисторы второй группы устанавливались на берегах, образующихся при нагружении трещин на уровне оси растянутой арматуры. Для повышения надежности экспериментальных данных предусматрива- лось дублирование работы электротензорезисторов (там, где это было возможно) механическими приборами - индикаторами с ценой деления 0,001мм, устанавливаемыми на базе 250 мм (см. рис. 1). Конструкции опытных образцов, их маркировка, схемы армирования и схемы нагружения были подробно описаны в работе [11]. Рис. 2. Зависимости «нагрузка- прогиб» в опытной конструкции балки КИП-II-1,6 Рис. 3. Зависимости «нагрузка-деформация» рабочей арматуры опытной конструкции КИП-II-1,6 Результаты исследований. Полученные опытные данные о деформировании железобетонных балок при кручении с изгибом позволяют отметить следующее. Прогибы опытных балок шифра КИП-II-1,6 (К-кручение, И-изгиб, П - прямоугольное сечение, 1,6 - длина конструкции в метрах) с относительно невысоким уровнем нагружения имели ярко выраженный нелинейный характер (рис. 2). При этом по графикам деформаций рабочей арматуры (рис. 3) не сложно проследить начало и развитие трещинообразования в конструкциях балок. Были получены также опытные значения деформаций бетона по тензорезисторам и розеткам тензорезисторов установленным по высоте среднего поперечного сечения опытных конструкций. Графики деформаций полученных по конкретным тензорезисторам (R5-R8) на различных этапах нагружения для одной из опытных конструкции (КИП-II-1,6) приведены на рис. 4. Рис. 4. Графики зависимости деформаций бетона по показаниям розетки тензорезисторов в опытной конструкции КИП-II-1,6 Рис. 5. Графики зависимости опытных деформаций бетона в опытной конструкции КИП-II-1,6 Помимо тензометрии, достоверность этих деформаций контролировались механическими приборами (индикаторами, ИБ, см. рис. 1), результаты изме- рений, которые приведены на рис.5. Не сложно видеть, что в диапазоне де- формаций ? = 0 - 100?10-5 имеется удовлетворительное количественное согласование измеренных значений деформаций по показаниям тензорезистров и индикаторов. Экспериментальными исследованиями были определены и ряд других параметров характеризующих особенности деформирования и трещинообразования железобетонных конструкций при кручении с изгибом, в их числе ко- ординаты образования пространственных трещин и ширина их раскрытия, изменения расстояния между трещинами и длины трещин в процессе нагружения, и ряд других. Эти данные планируется представить в последующих публикациях авторов. Полученные экспериментальные зависимости дают достаточно полное представление о закономерностях деформирования и предельных значениях нагрузки для сложно напряженных железобетонных конструкций при кручении с изгибом. Вывод. Предложенная методика экспериментальных исследований и полученные результаты испытаний опытных конструкций железобетонных балок при сложном сопротивлении дают возможность проверки достоверности рабочих гипотез и разрабатываемых расчетных моделей деформирования железобетонных конструкций при кручении с изгибом.

Об авторах

АЛЕКСЕЙ ИВАНОВИЧ ДЕМЬЯНОВ

ФГБОУ ВО «Юго-Западный государственный университет»

Автор, ответственный за переписку.
Email: speccompany@gmail.com

к.т.н., доцент кафедры "Промышленное и граждан- ское строительство, ФГБОУ ВО «Юго-Западный государственный университет». Научные интересы: исследования железобетонных конструкций при сложном сопротивлении, конструк- тивная безопасность строительных систем из железобетона и других нелинейно деформиро- ванных материалов, экспериментальные исследования железобетонных конструкций, компью- терные технологии расчетного анализа зданий и сооружений

305040, Курск, ул. 50 Лет Ок- тября, 94

ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ КОЛЧУНОВ

ФГБОУ ВО «Юго-Западный государственный университет»

Email: vlik52@mail.ru

д.т.н., профессор кафедры «Промышленное и граждан- ское строительство», ФГБОУ ВО «Юго-Западный государственный университет». Научные интересы: строительная механика, строительные конструкции, теория железобетона, экспе- риментальные исследования строительных конструкций, физические и математические модели механики сооружений

305040, Курск, ул. 50 Лет Октября, 94

АЛЕКСЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ ПОКУСАЕВ

Московский государственный университет путей сообщения Императора Николая II, Институт пути, строительства и сооружений

Email: fvs_Aleksej456@yandex.ru

аспирант, Московский государственный университет путей сообщения Императора Николая II, Институт пути, строительства и сооружений. Научные интересы: теоретические и экспериментальные исследования конструкций зданий и сооружений, моделирование железобетонных конструкций, испытания железобетонных конст- рукций с элементами сплошного и составного сечения

127055, Москва, Минаевский переулок, 2

Список литературы