Особенности работы и эффективное использование жесткой поперечной арматуры железобетонных балок

Автор: Филатов Валерий Борисович, Жильцов Юрий Викторович

Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc

Рубрика: Современные технологии в промышленности, строительстве и на транспорте

Статья в выпуске: 4-5 т.14, 2012 года.

Бесплатный доступ

В статье представлены результаты экспериментальных исследований работы жесткой поперечной арматуры в наклонных сечениях изгибаемых элементов. Проведены испытания железобетонных балок с поперечным армированием в виде хомутов, стальных пластин и без поперечного армирования. Выполнен сравнительный анализ опытных величин разрушающих нагрузок по наклонному сечению и теоретических значений, полученных по существующим методикам расчета.

Изгибаемый железобетонный элемент, поперечное армирование, наклонное сечение, хомут

Короткий адрес: https://sciup.org/148201390

IDR: 148201390

Текст научной статьи Особенности работы и эффективное использование жесткой поперечной арматуры железобетонных балок

изученности его работы, в том числе совместно с бетоном балки.

Существующая нормативная методика расчета [1] разработана для проектирования железобетонных конструкций с жесткой арматурой из профилированной стали. Фиксированная длина проекции наклонной трещины, принятая в расчете, приводит к недооценке фактической несущей способности наклонных сечений по поперечной силе, поэтому применение нормативной методики расчета [1] для рассматриваемых конструкций представляется нецелесообразным.

Испытания на опытных образцах были проведены с целью исследования напряженно-деформированного состояния стального листа в наклонном сечении и повышения экономичности проектных решений. Испытания проводились на трех сериях образцов. Схемы испытания образцов представлены на рис. 1, 2. Образцы представляли собой балки прямоугольного сечения. Первая серия балок с размерами 200×210×1500 мм, вторая серия 200×210×1300 мм. Третья серия балок имела размеры 500×500×2380 мм, что сопоставимо с размерами балок, применяемых в строительной практике.

б)

Рис. 1. Схема испытания образцов: а) I серии и б) II серии

Рис. 2. Схема испытания образцов III серии

Каждая серия состояла из трех типов образцов, отличающихся поперечным армированием. Первый тип образцов имел поперечное армирование в виде хомутов (рис. 3а, 4а), второй тип – в виде пластины, приваренной к продольной арматуре (рис. 3б, 4б), третий тип не имел поперечного армирования (рис. 3в, 3г, 4в). Кроме того, в III серии имелись образцы с поперечным армированием в виде стальной гофрированной стенки (рис. 4г). Испытание образцов с гофрированной стенкой выполнялось в связи с имеющимся опытом её эффективного использования в стальных конструкциях.

б)

в)

г)

Рис. 3. Поперечное армирование

I и II серии образцов:

а – Б1(2, 3)-Ст; б – Б1(2, 3)-Вс; в – Б1(3)-Бп; г – Б2-Бп.1 – Ø 28 А500; 2 – Ø 25 А500; 3 – Ø 20 А500; 4 – Ø 8 А240, шаг 60 мм; 5 – Ø 8 А240; 6 – лист δ = 1,93 мм, сталь С235; 7 – Ø22 А500; 8, 9 – Ø6 А240

Образцы без поперечного армирования изготавливались для оценки влияния на несущую способность наклонного сечения поперечного армирования и нагельного эффекта продольной арматуры. При изготовлении образцов одновременно изготавливались контрольные образцы кубов и призм. По торцам балок выполнялась анкеровка продольной арматуры приваркой к закладной детали из уголка. Маркировка образцов, их геометрические размеры и прочностные характеристики бетона приведены в табл. 1.

в)

г)

Рис. 4. Поперечное армирование

III серии образцов:

а – Б4(1)-Ст; б – Б4(1)-Вс; в – Б4(1)-Бп; г – Б4(1)-Гс. 1 – Ø 28 А500; 2 – Ø 12 А400; 3 – Ø 12 А400; 4 – Ø 12 А400 шаг 110 мм; 5 – лист δ = 2 мм, сталь С245; 6 – гофрированный лист δ = 2 мм, сталь С245

Площадь поперечного армирования образцов с хомутами и со стальным листом была подобрана таким образом, чтобы обеспечить равенство предельных усилий в хомутах и стальном листе на единицу длины проекции наклонного сечения. Приложение нагрузки на образцы осуществлялось ступенями, на каждой ступени фиксировались показания тензорезисторов, прогибы образцов, образование, развитие и ширина раскрытия трещин. Все испытанные образцы I и II серии разрушились по наклонному сечению в зоне поперечного изгиба. Образцы III серии с поперечным армированием разрушились по нормальному сечению, при этом деформации поперечного армирования достигали предела текучести и ширина раскрытия наклонных трещин превышала допустимые нормативные значения. Образцы III серии без поперечного армирования разрушились по наклонному сечению.

Таблица 1. Маркировка образцов, их геометрические размеры, прочностные характеристики и разрушающая нагрузка

Серия	Балка	с/h 0	R b , МПа	R bt , МПа	L, мм	b, мм	h 0 , мм	N разр , кH	Поперечное армирование
I	Б1-Ст	2,2	25,20	2,45	1500	198	170	530	стержень
	Б1-Вс	2,2	25,20	2,45	1500	199	170	580	стальная пластина
	Б1-Бп	2,2	25,20	2,45	1500	199	170	340	без армирования
	Б2-Ст	2,2	32,60	2,69	1500	199	170	560	стержень
	Б2-Вс	2,2	32,60	2,69	1500	199	170	578	стальная пластина
	Б2-Бп	2,2	32,20	2,75	1500	197	170	378	без армирования
II	Б3-Ст	1,6	32,06	2,72	1300	199	170	739	стержень
	Б3-Вс	1,6	32,06	2,72	1300	197	170	761	стальная пластина
	Б3-Бп	1,6	32,06	2,72	1300	199	170	620	без армирования
III	Б4-Ст	1,686	38,68	3,33	2380	500	436	1766	стержень
	Б4(1)-Ст	1,686	38,68	3,33	2380	500	436	1668	стержень
	Б4-Вс	1,686	34,97	3,10	2380	500	436	1913	стальные пластины
	Б4(1)-Вс	1,686	34,97	3,10	2380	500	436	1962	стальные пластины
	Б4-Бп	1,686	37,32	3,25	2380	500	436	1521	без армирования
	Б4(1)-Бп	1,686	37,32	3,25	2380	500	436	1421	без армирования
	Б4-Гс	1,686	36,6	3,20	2380	500	436	1668	гофрированная стальная пластина
	Б4(1)-Гс	1,686	36,6	3,20	2380	500	436	1766	гофрированная стальная пластина

Образование первых наклонных трещин в образцах I и II серий происходило в средней части по высоте сечения при нагрузке, составляющей 2022% от разрушающей. Образование нормальных трещин происходило при величине нагрузки 2325% от разрушающей. При дальнейшем приложении нагрузки развитие наклонных трещин происходило в направлении опоры и точки приложения силы. Вторые наклонные трещины образовывались при величине нагрузки 65-70% от разрушающей. Деформации текучести в хомутах достигались при нагрузке, составляющей 65-70% от разрушающей, в стальном листе при нагрузке 50-55% от разрушающей нагрузки. Начало текучести стального листа при меньшем уровне нагружения свидетельствует о раннем и более полном включении листа в работу на восприятие перерезывающей силы.

Образование первых нормальных трещин в образцах III серии происходило при нагрузке, составляющей 16-20% от разрушающей. Образование наклонных трещин происходило при нагрузке, составляющей 28-32% от разрушающей. Аналогично образцам I и II серий, в образцах III серии деформации текучести в стальном листе и гофрированной стенке достигались при меньшем уровне нагружения по сравнению с деформациями в хомутах.

Величины разрушающей нагрузки опытных образцов и расчетных значений прочности наклонных сечений по поперечной силе, определенные по различным методикам, приведены в табл. 2. Сопоставление величин в табл. 2 показывает, что наилучшую сходимость расчетных и опытных значений обеспечивает методика [4], которая учитывает влияние нагельного эффекта продольной арматуры в наклонном сечении.

Таблица 2. Сопоставление расчетных и опытных значений несущей способности образцов

Марка образца	с Факт , мм	_Qроп_, кН	Q р^т , кН [1]	_Qроп_/ Q р^т [1]	Q р^т , кН [2]	_Qроп_/ Q р^т [2]	Q р^т , кН [3]	_Qроп_/Qрт [3]	Q р^т , кН [4]	Q р^оп / Q р^т [4]
Б1-Ст	294	265	–	–	201,8	1,31	168,9	1,57	268,49	0,987
Б1-Вс	294	290	139,62	2,08	202,73	1,43	169,52	1,71	269,54	1,076
Б1-Бп	294	170	–	–	71,89	2,36	71,89	2,36	159,36	1,067
Б2-Ст	294	280	—	—	216,51	1,29	172,93	1,62	285,31	0,981
Б2-Вс	294	289	147,74	1,96	216,69	1,33	173,37	1,67	285,55	1,012
Б2-Бп	294	189	–	–	79,88	2,37	79,88	2,37	169,58	1,115
Б3-Ст	192	369,5	—	—	240,52	1,54	180,39	2,05	341,62	1,082
Б3-Вс	192	380,5	147,83	2,58	239,13	1,59	179,34	2,12	339,42	1,121
Б3-Бп	192	310	–	–	122,21	2,54	122,21	2,54	196,03	1,581

Сопоставление результатов испытаний образцов с различным поперечным армированием показывает, что наиболее эффективно используется поперечное армирование из стального листа, приваренного сплошным швом к продольной арматуре. Стальной лист в сравнении с хомутами работает эффективнее на 8-15%. Поперечное армирование из стального листа раньше включается в работу по восприятию перерезывающих сил, при этом стальной лист работает в условиях двухосного напряженного состояния. Поперечное армирование в виде стальной гофрированной стенки имеет недостатки, связанные со сложностью выполнения сварного шва с продольной арматурой. Наличие растягивающих и сжимающих напряжений, действующих в направлении волны гофры, приводит к ее изгибу, повышая ее деформативность, уменьшает ее несущую способность и способствует образованию на поверхности балок продольных трещин, отмеченных при испытании балок III серии с гофрированной стенкой.

Выводы: наиболее эффективным поперечным армированием является стальной лист, приваренный сплошным швом к продольной арматуре.

Поперечное армирование из стального листа повышает жесткость балок и их несущую способность по перерезывающей силе по сравнению с балками, армированными хомутами, повышает пластичность разрушения наклонного сечения изгибаемого элемента вследствие перераспределения перерезывающего усилия с бетона на стальной лист.

Список литературы Особенности работы и эффективное использование жесткой поперечной арматуры железобетонных балок

Руководство по проектированию железобетонных конструкций с жёсткой арматурой. -М.: Стройиздат, 1978. 55 с.
СНиП 2.03.01 -84*. Бетонные и железобетонные конструкции. Нормы проектирования. -М.: Стройиздат, 1991. С. 130-132.
Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона без предварительного напряжения арматуры (к СП 52-101-2003). -М., ЦНИИПромзданий, 2005. 214 с.
Карпенко, С.Н. Об общем подходе к построению теории прочности железобетонных элементов при действии поперечных сил//Бетон и железобетон. 2007. № 2. С. 21-27.

Статья научная