Надежность сцепления арматуры с бетоном в транспортных сооружениях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Надежность сцепления арматуры с бетоном в транспортных сооружениях

Самошкин Антон Сергеевич

Тихомиров Виктор Михайлович

Аннотации

В современных транспортных сооружениях широко применяются железобетонные элементы. Их прочность и жесткость определяют надежность всей конструкции. В работе предложен и экспериментально проверен новый алгоритм численного моделирования, более точно описывающий напряженно-деформированное состояние железобетонных конструкций с учетом взаимодействия арматуры с бетоном.

Ключевые слова: сцепление арматуры с бетоном, численное моделирование, преднапряженный железобетон, канатная арматура.

Samoshkin Anton Sergeevich

Tikhomirov Victor Mikhaylovich

Reliability of bond between concrete and fiber reinforcement IN TRANSPORT structures

Annotation. Reinforced concrete elements have extended application in transport structures. Their strength and rigidity define reliability of all construction. In the paper show new algorithm for numerical modeling strain-stress state in reinforced concrete constructions. The comparison of calculating result with experimental data wire theirs good equivalence has been indicated of interaction fiber reinforcement with concrete.

Keywords: interaction fiber reinforcement with concrete, numerical modeling, prestressed concrete structures, cord-reinforced.

В современных транспортных сооружениях широко применяются железобетонные элементы (балки, пролеты и опоры мостов, железнодорожные шпалы и др.), а их прочность и жесткость определяют надежность всей конструкции. Следовательно, необходимо точно определять характеристики проектируемых железобетонных элементов, которые зависят от свойств арматуры и бетона, а также и сцепления между ними.

На сегодняшний день, несмотря на многолетние отечественные и зарубежные исследования, проблема сцепления арматуры с бетоном еще не полностью изучена. А применение результатов этих исследований к решению практических задач труднореализуемо. В современных нормативных документах на проектирование транспортных сооружений распределение касательных напряжений на поверхности арматуры считают равномерным по длине зоны перераспределения, что противоречит экспериментальным данным.

В связи с несовершенством теории сцепления арматуры с бетоном и методов расчета железобетонных элементов транспортных сооружений, необходим иной подход к решению данной проблемы, который позволит более точно описывать напряженно-деформированное состояние в зоне контакта арматуры с бетоном и на удалении от нее, а также производить численный расчет, широко применяемый при проектировании.

Модель взаимодействия арматуры с бетоном

Взаимодействие арматуры с бетоном является нелинейной контактной задачей. В зоне контакта протекают несколько сложных процессов пластического деформирования и разрушения, что обусловливает нелинейный характер взаимодействия. Поэтому детальное описание напряженно-деформированного состояния сталкивается с большими математическими и вычислительными трудностями.

В работе предлагается использовать аналогию задач теории пластичности сплошной среды и контактных задач. Контакт арматуры с бетоном считается идеальным, а бетон описывается упругопластическим телом с кривой деформирования, представленной на рис. 1.

Следовательно, при моделировании материала матрицы к упругим характеристикам необходимо дополнительно задать три независимых параметра: у0, уs и еs.

Перечисленные параметры будем задавать на основе базового эксперимента - выдергивание арматуры из бетона (рис. 2). Для этого будем использовать зависимость перемещения gа от напряжений уа [3]:

, (1)

где n =Ea/Eb, м =Aa/Ab, Ea и Eb - модули упругости арматуры и бетона; Aa и Ab - площади сечения арматуры и бетона; р - периметр сечения арматурного стержня; б и B - постоянные для конкретных арматуры и бетона.

На конечно-элементной модели, построенной по схеме рис. 2, проведен численный эксперимент для арматуры разного диаметра. Величина нагрузки на арматуру выбиралась таким образом, чтобы зона нелинейного деформирования в контакте была меньше высоты бетонной обоймы H. При расчете участок упрочнения AC (см. рис. 1) не учитывался, то есть бетон моделировался идеально-пластическим телом. В качестве критерия перехода материала контактного слоя в состояние текучести использовалось условие Мизеса. Аппроксимация полученных результатов соотношением (1) позволила получить эмпирическую зависимость между постоянной B и напряжением скольжения s [2]:

. (2)

Выдергивание стальной и базальтопластиковой арматуры

Данный алгоритм был проверен при моделировании выдергивания высокопрочной проволоки и базальтопластиковой арматуры одинакового диаметра 3 мм из бетонной призмы 100100400, с использованием экспериментальных данных [2]. Аппроксимация экспериментальных результатов зависимостью (1) дала хорошую сходимость для высокопрочной проволоки при В = 26,8 МПа и для базальтопластиковой арматуры при В = 30,5 МПа. Это следует из рис. 3, где сплошной линией показаны графики зависимости (1), экспериментальные данные - светлые точки, крестики - результаты численного моделирования при следующих параметрах: для высокопрочной проволоки s = 0,5B = 13,4 МПа и для базальтопластиковой арматуры s = 0,5B = 15,25 МПа [2].

Обжатие бетонной обоймы канатом

Разработанный алгоритм взаимодействия арматуры с бетоном был использован для моделирования обжатия бетонной конструкции стальным канатом. Канат диаметром 15 мм моделировался сплошным стальным стержнем диаметром 13,4 мм из условия равенства рабочей площади 141,5 мм 2. Перед началом испытаний усилие натяжения каната составляло 170 кН. При обжатии образцов усилие отпуска Рot передавалось с упора на бетон (рис. 4а) последовательно в четыре этапа: 20, 70, 120 и 170 кН. На каждой ступени нагружения измерялось взаимное смещение каната и бетонной обоймы ga, которые показаны на рис. 4 светлыми точками. Здесь сплошной линией представлен результат аппроксимации этих данных зависимостью (1). Параметр В при этом соответствовал значению 36,4 МПа [1].

Рис. 3

При расчете величина напряжения скольжения в соответствии с соотношением (2) задавалась s = 0,5B = 18,2 МПа. Результаты вычислений ga и а представлены на рис. 4 крестиками.

Рис. 4

Стоит отметить, что экспериментальные данные и расчетные эпюры продольной деформации поверхности тела бетона при усилиях обжатия: Рot = 70 и 120 кН практически совпадают, а при максимальном значении 170 кН наблюдается расхождение, что вызвано процессами ползучести бетона [1].

На рис. 5 представлены расчетные эпюры погонных усилий сцепления и продольных деформаций поверхности бетонной обоймы, при нагрузке 120 и 170 кН. Здесь длина горизонтальных площадок на графиках 1 и 3 соответствует размеру пластической зоны, а нелинейные участки на графиках 2 и 4 - зоне перераспределения напряжений в образце. Это показывает, что по таким экспериментальным эпюрам деформаций можно оценить размер зон механического взаимодействия арматуры с бетоном.

Рис. 5 железобетонный арматура стальной

Выводы

Анализ проведенных расчетов показывает:

1. Моделирование состояния контактного слоя диаграммой Прандтля хорошо описывает взаимодействие арматуры с бетоном.

2. Напряжение, соответствующее началу проскальзывания арматуры, можно определить по экспериментальным характеристикам сцепления, введенным М.М. Холмянским.

3. Адекватность предложенной численной модели подтверждается совпадением расчетных результатов и экспериментальных данных, как при выдергивании арматуры различного типа, так и при исследовании предварительно-напряженной конструкции, армированной канатом.

Рекомендации

1. Для надежной работы железобетонных транспортных сооружений на стадии проектирования необходимо учитывать нелинейный характер деформирования в зонах взаимодействия арматуры с бетоном.

2. Численное моделирование задач сцепления арматуры с бетоном необходимо строить на основе базовых экспериментов.

3. В качестве базового эксперимента предлагается использовать выдергивание арматуры из бетонного образца, у которого зона нелинейного деформирования по контакту должна быть меньше длины анкеровки.

4. Реальную арматуру в численной модели можно заменить гладким стержнем, учитывая только жесткость арматуры на растяжение без воспроизведения геометрии контактной поверхности.

Литература

1. Тихомиров В.М. Исследование стадии обжатия элемента бетонной конструкции, армированной канатом / В.М. Тихомиров, Ю.В. Астахов, А.С. Самошкин // Известия вузов. Строительство. - 2015. - № 6. - С. 5-13.

2. Тихомиров В.М. Моделирование упругопластического сцепления арматуры с бетоном / В.М. Тихомиров, Ю.В. Астахов, А.С. Самошкин // Известия вузов. Строительство. - 2015. - № 2. - С. 103-109.

3. Холмянский М.М. Бетон и железобетон. Деформативность и прочность/ М.М. Холмянский. - М.: Стройиздат, 1997. - 569 с.

Размещено на Allbest.ru