Прочность наклонных сечений предварительно напряженных изгибаемых элементов с высокопрочной арматурной сталью класса Ат1200

Размещено на http://www.allbest.ru/

Прочность наклонных сечений предварительно напряженных изгибаемых элементов с высокопрочной арматурной сталью класса Ат1200

Кауров А.И.

ВСГУТУ, г. Улан-Удэ, Россия

Абстракт

Дальнейшее развитие железобетона, связанное, в том числе с разработкой высокопрочных арматурных сталей, требует создания необходимой нормативной расчетной базы, без которой применение таких перспективных материалов в конструкциях становится невозможным. Исходя из этого основополагающего принципа, проведены комплексные экспериментально-теоретические исследования свойств и особенностей работы в преднапряженных изгибаемых элементах высокопрочной термомеханически упрочненной арматурной стали класса Ат1200. В рамках данных исследований изучено влияние предварительного напряжения стали Ат1200 на прочность нормальных и наклонных сечений изгибаемых элементов. В результате разработаны предложения, дополняющие нормативную расчетную базу для рационального применения инновационной стали Ат1200 в железобетонных конструкциях.

Ключевые слова: Арматурная сталь, железобетонные конструкции, предварительное напряжение, диаграмма растяжения, нормальные и наклонные сечения.

Abstract

The article presents the trial results of the thermo-mechanical reinforced 30HGS2(30XTC2)grade At-1200steel, one of the best high-strength Russian reinforced steels, on the basis of the first time ever rolled assortment test lots (10 ... 32 mm).

Введение

Термомеханически упрочненная арматурная сталь класса Ат1200 является наиболее высокопрочным отечественным видом стержневой арматуры с условным пределом текучести Сто,2- 1200 Н/мм2 и временным сопротивлением аи> 1450 Н/мм2.

В рамках работ[1, 2, 3, 4, 5] были проведены комплексные исследования данной инновационной стали, включающие изучение физико-механических и служебных (эксплуатационных) свойств, анализ их статистической изменчивости, а также исследование влияния на указанные свойства различных технологических и эксплуатационных факторов. К тому же были рассмотрены вопросы, связанные с особенностями работы при статическом нагружении преднапряженных изгибаемых железобетонных элементов со сталью Ат1200, не имеющей и до настоящего времени аналогов в отечественной практике по прочностным характеристикам.

Методы и материалы

С этой целью были проведены серийные испытания изгибаемых предварительно-напряженных элементов с арматурой данного класса диаметром 12, 18 и 25мм. Опытные образцы представляли собой железобетонные предварительнонапряженные балки прямоугольного сечения с одинаковыми для всех номинальными размерами: длина I = 2800 мм , ширина Ъ = 150 мм, высота h = 300 мм. Задаваемые уровни преднапряжения арматуры составляли osp/o^ « 0,55 ; 0,75 и 0,95, что соответствовало контролируемому на момент отпуска натяжения стсоп « 550, 750 и 1050 Н/мм2.

Результаты и обсуждение

прочность наклонный сечение арматура

По результатам данных экспериментально-теоретических исследований помимо всего прочего было выявлено существенное влияние предварительного напряжения ст5р стали Ат1200 на несущую способность изгибаемых элементов. Установлено, что преднапряжение увеличивает не только трещиностойкость и жесткость, как это предписывают действующие нормы [ 8 ], но и существенно увеличивает прочность нормальных сечений за счет доказанного эффекта упрочнения арматурной стали в доэксплуатационной (при изготовлении балочных элементов) стадии ее нагружения.

Повышение значения опытного разрушающего момента М®хрпреднапряженных балочных элементов по сравнению с обычными (asp = 0) в среднем составило при:

Для количественной оценки повышения прочности преднапряженных изгибаемых элементов была предложена расчетная методика на основе диаграммно - энергетического подхода, являющегося новым направлением в теории сопротивления железобетона [6, 7].

Определение расчетных изгибающих моментов М^1 при этом производилось с введением в расчетный аппарат реальной «упрочненной» диаграммы деформирования стали, аппроксимированной посредством многоинтервальной (сплайн) интерполяции. Расхождение опытных М^хр и расчетных значений М^1 составило в среднем 4,5%.

Расчет прочности нормальных сечений с учетом эффекта упрочнения напрягаемой арматурной стали по предложенной методике объективно сопряжен с определенными сложностью и трудоемкостью вычислительных процедур, так как диаграмма стали аппроксимируется многоинтервальной сплайн - функцией, а параметры CTsi "упрочненной" в результате преднапряжения диаграммы определяются с использованием многофакторного условия.

Принимая во внимание данное обстоятельство, была разработана компьютерная программа, написанная на языке программирования «Фортран» [1,5]. С использованием данной программы все сложности, связанные с математической обработкой числовых данных, утрачивают свое влияние.

Более того, для удобства инженерных ("ручных") расчетов разработаны теоретические зависимости "ст5ТП - f0 2" для исследуемой стали при среднестатистических характеристиках ее механических свойств и различных параметрах преднапряжения. Данные кривые в графической форме представлены на рис. 1.

С использованием теоретических кривых "osm - ^0|2" задача определения несущей способности по нормальным сечениям в предельном по прочности состоянии сводится к определению по известному значению относительной сжатой зоны бетона^0 2, характеризующей степень армирования элемента, величины asm, которое вводится в расчет вместо о0 2.

Помимо прочности нормальных сечений установлено влияние предварительного напряжения и на прочность наклонных сечений. Данный аспект является предметом более детального рассмотрения в рамках настоящей работы.

Как известно основными видами разрушения изгибаемых элементов по наклонному сечению в приопорной зоне являются:

Разрушение по растянутой зоне от доминирующего влияния изгибающего момента М;

Разрушение по сжатой зоне от превалирующего влияния поперечной силы Q.

Разрушение по наклонному сечению по растянутой зоне от действия изгибающего момента М.

Оценка влияния преднапряженных на прочность наклонных сечений по растянутой зоне изгибаемых элементов, армированных высокопрочными сталями является наиболее актуальной задачей.

В то же время в стадии передачи усилия натяжения высокопрочной арматуры на бетон увеличивается вероятность образования продольных трещин раскалывания вдоль напрягаемой арматуры с торцов элементов.

В рамках данного исследования экспериментально установлено, что при высоких уровнях преднапряжения asp, даже при наличии косвенной арматуры и выполнении специальных мероприятий по анкеровке арматуры (устройство промежуточных приопорных анкеров), полностью предотвратить возникновение продольных трещин практически невозможно. При значениях asp > 560 Н/мм2 ( asp « 0,55 Стд 2Р) трещины образуются даже при p.sxy « 4,5 %. Наличие косвенной арматуры и внутренних приопорных анкеров лишь сдерживает образование таких трещин и ограничивает их количественные параметры асгсп и 1сгс,п Увеличение же прочности бетона и толщины защитного слоя также не дают полной гарантии предотвращения трещин, так как их возникновение не находится в прямой зависимости от этих факторов.

Трещины такой природы вызывают ослабление анкеровки напрягаемой арматуры, что в свою очередь определяет возможность снижения прочности наклонного сечения по растянутой зоне. При определенной степени ослабления анкеровки несущая способность наклонного сечения по растянутой зоне может оказаться ниже несущей способности по сжатой зоне. В этом случае возможно невыгодное, с позиции не полного использования прочностных свойств арматурной стали, разрушение элемента по наклонному сечению от продергивания продольной арматуры.

Применение высокопрочной напрягаемой арматурной стали, в том числе класса Ат1200, в виде стержней больших диаметров (среднего и крупного сортов) лишь увеличивает распорное действие арматуры на бетон. Вследствие этого образование и чрезмерное раскрытие продольных трещин раскалывания приопорных участков и последующее недопустимое ослабление анкеровки напрягаемой арматуры становятся более вероятными факторами.

Следует отметить, что вопросы, связанные с расчетной оценкой прочности наклонных сечений с учетом образования возможных трещин раскалывания, не нашли еще удовлетворительного решения, вызывают большие дискуссии и требуют дальнейшего развития.

С целью исследования работы наклонных сечений под нагрузкой в условиях ослабления анкеровки напрягаемой арматуры и уточнения, при необходимости, принятых методов расчета прочности наклонных сечений при наличии трещин раскалывания приопорных участков была запроектирована и испытана на прямой поперечный изгиб специальная группа опытных изгибаемых элементов.

Работа наклонных сечений под нагрузкой существенно зависит от длины запуска арматурных стержней за ось опоры (lsup). Однако специальных испытаний, преследующих цель оценить влияние схемы опирания на поведение при- опорной зоны изгибаемых элементов при наличии начальных продольных трещин, ни в одной из известных работ данной направленности, не выявлено. Поэтому при испытании задавались различные схемы опирания посредством варьирования величиной lsup = 2,5ds; 5ds и 10ds. При этом относительный пролет среза для всех балок II -ой группы составляет a/h0 = 2,4.

Постоянство относительной высоты сжатой зоны бетона f02 при разных значениях asp и asp обеспечивалось постановкой в сжатую зону дополнительного не преднапряженного арматурного стержня Arl200ds= 10 или 18 мм, что позволило сделать результаты испытаний опытных балок сопоставимыми.

Характерный вид опытных балок, разрушившихся по наклонному сечению от продергивания арматуры в результате ослабления ее анкеровки начальными продольными трещинами раскалывания, демонстрирует рисунок 2. На рисунке также приводится динамика развития наклонных трещин в процессе испытания.

У становлено, что оценка прочности наклонных сечений на действие изгибающего момента по методике СНиП при фактических значениях длины зоны передачи 1р, приводит к существенной недооценке - для опытных образцов с напрягаемой арматурой Arl200ds = 25 мм максимальная величина превышения экспериментальных значений над опытными составила = 71,96 %, при среднем значении AMSU = 41,52%. Данный факт корреспондируется с данными для опытных образцов, армированных сталью Ат1200 мелкого сорта - ds = 12 мм.

Выявлено, что недооценка нормами прочности наклонных сечений по растянутой зоне является следствием неполного учета эффекта обжатия бетона от опорной реакции в зоне анкеровки напрягаемой арматуры и завышенного значения длины зоны передачи напряжений 1р при усилении анкеровки. "Зажимающий" эффект от действия опорной реакции при этом находится в пропорциональной зависимости от схемы опирания, характеризуемой величиной запуска продольной арматуры за ось опоры lsup.

Анализ полученных экспериментальных и расчетных данных позволяет рекомендовать следующие уточнения к методике норм по расчету прочности наклонных сечений на действие изгибающего момента преднапряженных изгибаемых элементов с высокопрочной сталью Ат1200 с учетом влияния продольных трещин раскалывания и различных факторов по усилению анкеровки: 1)Учет обжатия бетона в зоне анкеровки от опорной реакции.

Из графика 3 следует, что пропорциональная зависимость между величиной момента Msu, воспринимаемого наклонным сечением, и значением l^p отчетливо проявляется при lsup < 5 ds, причем как для балок с приопорными анкерами, так и без анкеров. При значениях l^p = 10ds прочность наклонного сечения по растянутой зоне практически совпадает с прочностью при lsup = 5 ds.

При минимальных значениях lsup = 2,5 ds "зажимающий" эффект от действия опорной реакции практически не проявляется, элемент разрушается от продергивания арматуры при крайне низких значениях разрушающего момента Msu. В связи с чем рекомендуется для изгибаемых элементов с Ат1200 считать рациональным назначение и введение в расчет lsup = 5ds, в том числе при наличии трещин раскалывания ограниченной ширины раскрытия;

Корректировка величины длины зоны передачи напряжений 1р до некоторого значения lanief - длина зоны анкеровки "в деле". При расчете прочности наклонных сечений изгибаемых элементов на действие изгибающего момента расчетное значение длины зоны передачи напряжений 1р рекомендуется определять по предлагаемой универсальной формуле (1):

Рис. 3. Экспериментальные данные о влиянии предварительного напряжения арматры класса Ami200, контролируемого при отпуске натяжения, на величину момента Ми, воспринимаего наклонным сечением опытных балок в предельной по прочности стадии, при различных вариантах усиления анкеровки:

а) для балок без анкеров;

б) для балок с анкерами (тип 2); / - /sup = 2,5 ds ; 2 - lsup = 5 ds ; 3 - lsup = 10 ds ;4-усредненная зависимость для аналогичных балок, разрушение которыхобеспечивалось по нормальному сечению.

3) При продольных трещинах раскалывания, ширина раскрытия асгсп которых превышает указанные ограничения, расчет прочности наклонных сечений по существующей методике СНиП при расчетных значениях 1р для изгибаемых элементов с высокопрочной арматурой класса Ат1200 не рекомендуется.