ПРИМЕНЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА МАШИНОСТРОЕНИИ

Физико-механические свойства

Как всякий камень, бетон хорошо работает на сжатие и плохо сопротивляется растяжению. Прочность бетона при растяжении составляет У10—1/і5 его прочности при сжатии и в большинстве случаев не может быть использована, так как при твердении бетона возникают собственные напряжения, в значительной мере поглощающие способность бетона противостоять растягиваю­щим напряжениям.

Стальная арматура предназначается главным образом для восприятия всех растягивающих усилий в железобетонных кон­струкциях. Совместная работа стали и бетона, сопротивляющихся внешним воздействиям как единое монолитное тело, оказалась возможной, благодаря следующим факторам:

А) значительному сцеплению между бетоном и сталью, препят­ствующему скольжению арматуры в бетоне;

Б) почти одинаковым коэффициентам линейного температур­ного расширения: для стали а = 0,000012, для бетона в среднем а = 0,00001;

В) отсутствию коррозии арматуры в бетоне, благодаря щелоч­ной среде, если раскрытие трещин в конструкции не превышает 0,5—0,7 мм.

В процессе твердения бетон уменьшается в объеме, т. е. про­исходит его усадка. При твердении бетона в воде происходит увеличение его объема — разбухание.

Коэффициент линейной усадки бетона в среднем может быть принят равным 0,00015, или 0,15 мм на 1 пог. м, что эквивалентно понижению температуры на 15°.

Коэффициент линейного разбухания в несколько раз меньше коэффициента линейной усадки.

Указанные коэффициенты определяются в соответствии со «Стро­ительными нормами и правилами» в зависимости от массивности конструкции, температурно-влажной среды и других факторов.

В железобетонных конструкциях деформации усадки значи­тельно меньше указанных величин (до 2 раз). Наиболее интенсивно усадка проявляется в первые недели твердения бетона, на которые и падает основная доля от общей усадки. В железобетоне вследствие наличия разнородных материалов (сталь, бетон) и внутренней статической неопределимости системы усадка вызывает собствен­ные или начальные напряжения: в арматуре — сжимающие, а в бетоне — растягивающие.

В массивных железобетонных конструкциях при несимметрич­ном расположении арматуры или металлических деталей следует опасаться искривления элементов вследствие неравномерных на­пряжений от усадки бетона. Усадка бетона может быть в значи­тельной мере уменьшена путем увеличения плотности бетона, повышения качества заполнителей и цемента и др.

При длительном действии нагрузки в бетоне развиваются пластические деформации, т. е. происходит так называемая пол­зучесть бетона.

Пластические деформации, как правило, в 1,5—2 раза пре­восходят упругие (деформации, соответствующие лишь кратко­временной нагрузке, при которой пластические деформации бетона отсутствуют). Наиболее интенсивный прирост деформаций наблю­дается в первые 4—3 месяца.

Ползучесть бетона затухает лишь в течение 3—4 лет.

Изучение ползучести бетона позволило установить влияние на иее отдельных факторов и выявить зависимости для определения деформаций ползучести за любой отрезок времени действия постоянной нагрузки.

Если в стальных конструкциях, выполняемых из однородных изотропных материалов, сечения могут намечаться по максималь­ным напряжениям, независимо от их знака, то при расчете железо­бетонных конструкций необходимо более точное определение действительного напряженного состояния конструкции.

Напряженное состояние любой системы из железобетона в за­висимости от величины нагрузки и длительности ее действия может меняться как в количественном, так и в качественном от1 ношении.

Процесс изменения напряженного состояния для наглядности рассмотрим на двух простейших видах деформации железобетон­ных элементов, а именно: для центрального сжатия и чистого изгиба.

Рассмотрим короткий железобетонный элемент, который при действии осевого сжатия не испытывает продольного изгиба.

Элемент армирован продольными стержнями, связанными между собой в поперечном направлении хомутами для предотвра­щения выпучивания продольных стержней при нагрузке, прибли­жающейся к разрушающей. При действии на него осевого уси­лия N, возрастающего от нуля до Np (разрушающего усилия), в любом поперечном сечении соблюдается равновесие между приложенным усилием и внутренними усилиями в бетоне и стали.

Это условие равновесия выражается следующей формулой:

N =. N6 f Na = O6F0 t aaFa,

Где N6 = A6F6 — осевое усилие, воспринимаемое бетоном;

Na — оaFа — осевое усилие, воспринимаемое продольными стержнями арматуры.

Вследствие монолитной связи между арматурой и бетоном оба материала деформируются одинаково. Выше уже указывалось, что при длительном напряженном состоянии в бетоне проявлябтся ползучесть. Это приводит к перераспределению общего усилия N, Действующего на элемент, между двумя материалами, а именно — к увеличению усилия в арматуре OaFa и ее напряжения оа за счет 496
некоторого уменьшения усилия в бетоне O6F6 и соответственно напряжения аб.

Такое перераспределение усилий между бетоном и арматурой в результате развития пластических деформаций в бетоне при увеличении нагрузки будет происходить до тех пор, пока напря­жения в арматуре ие достигнут предела текучести.

На фиг. 1 показаны кривые изменения во времени напряжений в бетоне и арматуре при длительной выдержке под нагрузкой железобетонных призм. В первый пе­риод после нагружения призм вслед­ствие ползучести бетона напряжения в нем уменьшаются, а в арматуре увеличиваются. После некоторого периода времени (около 150 дней) напряжения стабилизируются. Для призм из бетона марки «500» при армировании [х = 0,5% напряжения в арматуре возрастают более, чем в 2,5 раза по сравнению с началь­ными.

При мгновенной разгрузке бетон и арматура деформируются упруго, а напряжения материалов равны на­чальным по величине и обратны им по знаку. Поэтому после разгрузки железобетонная призма остается в напряженном (внутренне уравнове­шенном) состоянии — арматура сжа­та, а бетон растянут. Если при этом остаточные растягивающие напряже­ния в бетоне а6р > Rp, то в бетоне появляются трещины. При повтор­ном загружений до той же нагрузки напряжения в бетоне и арматуре будут равны напряжениям при первом загружении.

Дальнейшее увеличение нагрузки (после того как напряжения в арматуре достигнут предела текучести и, следовательно, остаются постоянными) будет приводить к увеличению напряжений в бетоне до исчерпания его прочности на сжатие. Следовательно, если путем увеличения нагрузки довести железобетонный элемент до разру­шения, то разрушающая нагрузка будет равна сумме прочностей бетонного сечения и продольной арматуры. Это известное поло­жение, проверенное многочисленными опытами, принято нормами проектирования железобетонных конструкций.

Опытами также установлено что предельная сжимаемость армированного бетона г6 при отсутствии наружной обоймы ко­леблется в пределах 1,5—3°/00, или 1,5-—3 лілс на 1 пог. м. Следо­вательно, даже при еб = 1,5°/00 напряжения в арматуре равны

32 Сборник 1835 497

Ва = Еага = 2 100 000-0,0015 = 3150 кг/см2, что соответствует пределу текучести высокопрочной арматурной стали.

Работу железобетона при изгибе можно проследить на балке, лагруженной сосредоточенным грузом посередине пролета (фиг. 2). При этом можно различить три характерные стадии напряженно деформированного состояния.

В сечениях близ опоры (сечение I), где изгибающие моменты незначительны, а следовательно, малы и величины деформаций бетона, с достаточной точностью можно считать, что железобетон подчиняется закону Гука, и эпюра напряжений близка к эпюре в идеально упругом теле. Однако постоянный модуль упругости,

Мало отличающийся для сжатого и растянутого бетона, может быть лринят лишь при относительно небольших напряжениях.

В более напряженных сечениях балки разница в величине модулей упругости сжатого и растянутого бетона становится более значительной. Напряжения в бетоне растянутой зоны быстро приближаются к пределу прочности при растяжении, и эпюра напряжений становится криволинейной в связи с пластическими деформациями, принимая вид, указанный в сечении Іа. В сжатой зоне бетон испытывает преимущественно упругиедеформации.

По исчерпании сопротивления растянутого бетона в нижней зоне образуются трещины, вначале невидимые простым глазом, а затем все более раскрывающиеся. Бетон растянутой зоны из работы выключается, и все растягивающие усилия воспринимаются лишь арматурой. Эта стадия охватывает весьма большую область напряженного состояния балки. Эпюра напряжений в сжатой зоне бетона, в связи с развитием ползучести бетона, резко отличается •от треугольной и приближается к гиперболической (сечение II).

Обычно при достижении арматурой предела текучести напря­жения в сжатом бетоне еще не достигают предела прочности. Дальнейшая картина разрушения характеризуется тем, что при увеличении изгибающего момента трещины в растянутой зоне вследствие текучести арматуры резко раскрываются, причем сжатая зона сокращается (сечение III), и, в конечном счете, напряжения в бетоне достигают предела прочности на сжатие.

Таким образом, при разрушении железобетонной балки от изгиба в растянутой зоне напряжения в арматуре соответствуют пределу текучести, и в сжатой зоне — пределу прочности бетона. Это положение, как и вся стадия III, принято в основу расчета прочности железобетонных конструкций по предельным состоя­ниям. В обычных изгибаемых железобетонных конструкциях считается нормальным образование трещин в растянутой зоне элемента при нагрузке, как правило, меньше эксплуатационной.

Сопротивление бетона растяжению расчетом на прочность обычно не учитывается, так как оно мало. По этим же причинам трещины в бетоне возникают при небольших напряжениях в ар­матуре.

В среднем предельная растяжимость бетона равна 0,15 мм/м,

Г напряжения в арматуре перед появлением трещин в бетоне,

0 15

Следовательно, равны всего -2,1-10е — 300 кг/см2.

Действующими нормами регламентируется ширина раскрытия трещин для элементов, находящихся в неблагоприятных эксплуа­тационных условиях. Она должна быть не более 0,3 мм, а в эле­ментах, находящихся под давлением жидкости, в зависимости от напряженного состояния, ширина раскрытия трещин должна быть не более 0,1—0,2 мм. Для того чтобы можно было эффек­тивно использовать высокосортные стали и при этом не допустить образования или большого раскрытия трещин в растянутых зонах железобетонного элемента, применяется предварительное напря­жение.