ПРИМЕНЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА МАШИНОСТРОЕНИИ

Исследование несущей способности железобетонных толстых плит с напрягаемой арматурой, являющихся элементом железобетонных станин

В течение 1958—1961 гг. в лаборатории железобетонных кон­струкций для машиностроения НИИЖБ были проведены экспери­ментальные исследования толстых железобетонных плит с напря­гаемой арматурой для определения влияния на несущую способ-

Ность и жесткость плиты некоторых, наиболее важных факторов. Испытания плит производили как на статическое (до разруше­ния), так и на многократно повторные загружения (для определе­ния общего предела выносливости конструкции).

Конструкция образцов, методика изготовления и испытания. Для исследования были приняты образцы в виде круглого в плане бетонного цилиндра, на боковую поверхность которого с напряже­нием навивалась проволока в один или несколько слоев, что поз­воляло создавать необходимое расчетное боковое обжатие бетона. Образцы с размещением тензодатчиков и схемой нагрузки показаны на фиг. 3. 270

Испытывались две серии образцов: КПБ (круглые бетонные плиты с напрягаемой арматурой) и КПО (те же плиты, отличаю­щиеся величиной бокового обжатия). Размеры образцов, а также количество слоев напряженной обмотки и степень обжатия бетона приведены при описании результатов испытания каждой серии образцов.

При испытании образцы устанавливали в пресс (фиг. 4) на опорное металлическое кольцо, максимальный диаметр которого был равен наружному диа­метру образца. Нагрузку передавали через жесткий металлический штамп. Кон­струкция и схема нагружения были выбраны наиболее про­стыми, поскольку предполага­лось провести испытание большого числа образцов (свыше 100 шт.).

При центральном прило­жении нагрузки через жест­кий штамп и опирання на кольцо с подливкой цемент­ным раствором была получена наиболее простая и ясная схема передачи усилий с ми­нимальным количеством фак­торов, влияющих на резуль­таты испытания.

Сравнение фиг. 2 и 3 по - фиг 4 установка образцов серий КПБ казывает, что конструкция и КПО в прессе для испытания,

Образцов и схемы испытания несколько отличаются от на­туры по размерам и схеме действительного распределения действую­щих на архитрав усилий. При испытании образца-плиты не моде­лируются остающиеся давление стен станины, площадь и характер опирання (по кольцу — в образце, и на сегментах — в станине), сжатие опорных участков плиты напрягаемой продольной арма­турой и ряд других особенностей.

Размеры образцов по отношению к натуре в 2—3 раза меньше.

Однако, предполагая, что имеющиеся различия не могут зна­чительно сказаться на результатах испытания, для большинства образцов отказались от более точного моделирования, а влияние неучтенных факторов проверяли на специальных образцах. Для этой цели были проведены испытания дополнительных серий образ­цов при опирании на сегменты, а также при исключении на опо­рах сил трения.

Образцы изготовляли в металлической или деревянной опа­лубке, стены которой перед бетонированием смазывали изолирую­щей смазкой.

Для приготовления бетона применяли цемент марки «500» Белгородского завода, щебень в большинстве случаев извест­няковый крупностью до 20 мм, песок чистый, горный.

Перемешивание бетонной смеси производили в бетономешалке свободного падения емкостью 250 л. Укладывали бетон в формы при помощи обычной переносной вибробулавы.

Изготовленные образцы хранили во влажных опилках в тече­ние 6—7 дней, а затем — в условиях воздушного режима. Темпе­ратура при изготовлении и хранении образцов изменялась от 15 до 20°С.

Прочность бетона при сжатии и модуль упругости материала определяли стандартным способом, путем испытания контрольных кубов размером 20 х 20 х 20 см и призм размером 20 х 20 х X 60 см.

Одновременно с образцами из общего замеса изготовляли и хранили в тех же условиях контрольные бетонные кубы и призмы.

Измерение деформации бетона призм производили при помощи механических рычажных тензометров.

Испытание контрольных призм осуществляли для бетона в возрасте 3; 7; 14 и 28 дней, а для некоторых образцов — в день навивки напряженной арматуры и в день испытания. Это позво­ляло определить изменение деформативности бетона в зависимо­сти от нарастания прочности, устанавливаемой по одновремен­ному испытанию контрольных кубов.

Примерно через 15—28 дней после изготовления образцов на их боковую поверхность наматывали стальную проволоку диа­метром 4—5 мм (ГОСТ 7348-55) с напряжением в ней от 4500 до 6000 кГ/см2. Для навивки использовали стандартную намоточ­ную машину ДН-5.

Испытание проводили на испытательном прессе «1000» или на горизонтальной машине «1500/3000».

Во время навивки напрягаемой проволоки и при испытании измеряли радиальные, тангенциальные и осевые деформации бетона, а также осевые деформации проволоки. На некоторых образцах измеряли контактное смятие бетона и общий прогиб под штампом.

Измерения деформаций бетона и проволоки проводили при помощи наружных и глубинных тензодатчиков; величину натяже­ния проволоки во время навивки определяли измерительной ско­бой с индикатором.

При помощи прогибомеров системы Максимова и индикато­ров часового типа с ценой деления 0,01 мм измеряли общие дефор­мации образцов. Во время испытания визуально определяли момент появления трещин в бетоне на доступных осмотру поверх­ностях и отмечали максимальную нагрузку, при которой начи­налось разрушение образца. Предельная разрушающая нагрузка фиксировалась по силоизмерительной шкале испытательного пресса и определялась моментом начала уменьшения нагрузки при непрекращающейся подкачке масла в силовой цилиндр пресса.

Влияние некоторых факторов на несущую способность образ­цов-плит. На несущую способность образцов влияют: высота плиты Я; диаметр d0 штампа, передающего нагрузку; рабочий про­лет I плиты (равный условному внутреннему диаметру опорного кольца); марка бетона; величина предварительного обжатия q\ способ опирання (по кольцу, по части кольца, с трением и без него).

Влияние высоты образца, диаметра штампа и опорного кольца. Для изучения влия­ния высоты плиты, диаметра штампа и рабочего пролета провели испытание 42 образцов-плит серии КПБ. Железобетонные толстые плиты этой серии были изготовлены из бетона марок: «500», «600» и «700». Кубиковая прочность бетона изменялась в пределах 495—709 кГ/см\

Все образцы имели практически одинаковый диаметр D, рав­ный 50 см, и высоту Я, равную примерно 10; 20; 30 и 40 см. Фактические размеры плит приведены в табл. 1.

Армирование имело вид спирали из высокопрочной арматурной проволоки диаметром 4 мм, навиваемой на наружную боковую поверхность плит. Фактический предел прочности проволоки изменялся от 17 400 до 20 700 кГ/см2. По механическим свойствам проволока отвечала требованиям ГОСТ 7348-55.

Навивку проволоки на образец проводили непосредственно перед испытанием машиной ДН-5. В проволоке создавали напря­жение растяжения порядка 6000—6300 кГ/см2, а в бетоне образ­ца— сжатие величиной до 60 кГ/см2 (с учетом потерь). При этом объемный коэффициент армирования (вычисленный как отношение

Объема металла к объему бетона р, = ^пр \ был равен 0,025

" бет /

(2,5%).

Испытание проводили на жестком металлическом кольце, внут­ренний диаметр которого dm = 30 см был условно принят за рабочий пролет плиты I. При этом отношение высоты к про-

Лету — для различных образцов серии было принято равным

0,33; 0,67; 1,0 и 1,33.

Образцы одинаковой высоты испытывали тремя типами штам­пов, имеющих диаметр d0 = 110; 225 и 317 мм, чему соответст­вует отношение-^-, равное 0,37; 0,75 и 1,05.

Характеристики и результаты испытания образцов серии КПБ

(D = 50 см-, марки бетона «500» —«700»; д = 60 кГ/см1)

Усилие пресса распределялось по всей поверхности штампа так, чтобы исключить изгибающие деформации; поэтому считали, что нагрузка на образец передается через жесткие штампы.

Несколько образцов высотой Н = 10 см испытывали штампами, имеющими диаметры d0 — 225 и 317 мм, на опорном кольце с внутренним диаметром 200 мм для определения характера ра­боты плиты при условии, что d0 >• I. Этот случай встречается в

18* 275

Некоторых вариантах реальных конструкций, когда нагрузка приложена по кольцу к плите, опирающейся на сплошное осно­вание.

Для каждого типа плиты имелись контрольные образцы (см. табл. 1), при испытании которых между опорной поверхностью и кольцом трение частично ликвидировалось при помощи пара­финовой смазки.

Во всех случаях испытание заканчивалось разрушением бетона образцов, которое сопровождалось постепенным снижением на-

= 225 мм, ~ = 0,75; 3 — d„ = 110 мм, ~ = 0,37; 4 — Н = 40 см; 5 — Н = 30 см;

6 — Н = 20 см; 7 — Н = 10 с я.

Грузки. Ни в одной плите не наблюдалось разрыва арматуры или больших пластических деформаций проволоки. Величиной Рразр считали максимальное усилие, которое было приложено к об­разцу.

Разрушение образца показано на фиг. 5. Внешними признаками исчерпывания несущей способности плиты являются: развитие сетки радиальных и кольцевых трещин на опорной и нагружае­мой поверхностях, раздробление бетона вокруг штампа и смятие его под штампом, перемещение срединной части относительно наружного кольцевого слоя.

Сравнение результатов испытания образцов, отличающихся высотой, показывает, что нагрузка, соответствующая моменту исчерпывания несущей способности, повышается примерно про­порционально изменению высоты (фиг. 6).

Коэффициент пропорциональности зависит от диаметра штампа, передающего нагрузку на образец. 276

Как видно из графика на фиг. 6, а, при малом диаметре штампа

И при отношении - у- = 0,37 несущая способность образца при

Увеличении высоты повышается менее интенсивно, чем при более

Высоких значениях отношения ~~ •

На фиг. 6, б приведен график зависимости величины разрушаю­щей нагрузки от диаметра штампа при неизменной высоте плиты. Здесь при d0 = 0 нагружение имеет вид сосредоточенной силы, приложенной в центре плиты, а при d0 = I или d0 > I нагрузка распределена по всей загружаемой поверхности плиты.

При увеличении диаметра штампа разрушение образца про­исходило при более высокой нагрузке.

Увеличение у в 3 раза (от d0 = 100 мм до d0 = 300 мм)

Вызвало повышение усилия при Я = 10 см в 5 раз; при Я — = 20 и 40 см — в 2 раза.

Для образцов высотой 10 и 40 см с увеличением

Несущая способность плит изменяется по криволинейному закону. При малой толщине плиты характер зависимости Рразр от

~ можно объяснить малой жесткостью плиты, ввиду чего умень­шение изгибающего момента при| ее нагружении (с увеличением сильно сказывается на несущей способности.

На несущую способность высоких образцов (Я = 40 см) вели­чина изгибающего момента влияет меньше, и при изменении

Диаметра штампа от d0 Д° разрушающая нагрузка

Повышается пропорционально.

При испытании плит штампом, диаметр которого больше, чем внутренний диаметр опорного кольца (d0 > /), разрушение происходило в результате раздавливания бетона при сжатии (табл. 1, образцы КПБ-33 и КПБ-29). В этом случае при d0> / разрушающая нагрузка возросла примерно в 3 раза по сравнению

Со случаем, когда - у - = 1 .

Влияние величины боково го обжатия*?. Зависимость несущей способности толстых плит-цилиндров от величины предварительного бокового обжатия изучали по результатам испытания серии образцов КПО, которая состояла из 27 цилиндров диаметром около 50 см и высотой 40 см; характеристики и результаты испытания образцов указаны в табл. 2. Прочность бетона при обжатии образцов составляла 535 кГ/см2.

Предварительное обжатие цилиндров осуществлено намоткой на боковую поверхность напрягаемой проволоки диаметром 4 мм.

277

(ГОСТ 7348-55) с пределом прочности при растяжении 17 000 кГ/см2. Проволоку навивали на боковую поверхность образца, создавая в ней усилие натяжения от 300 до 900 кГ.

Величину обжатия бетона образца на 1 см подсчитывали по формуле

П ~ aofnp'mV D/2

Где <J0fnp — Р — усилие натяжения проволоки; п — число слоев обоймы; D — наружный диаметр образца;

-------------------------------- - число проволок, уложенных вплотную

"яд

На 1 см высоты. После сокращения формула имеет вид

4 D/2dnp ■

При подсчете величины радиального сжатия, действующего в бетоне образца, учитывали потери предварительного напряже­ния в проволоке от обмятия бетона под витками спиральной обоймы (Аов). По строительным нормам и правилам (СН и П II-B. 1-62) эти потери могут быть приняты равными 300 кГ/см2.

Кроме этого, учитывали снижение натяжения в проволоке каждого слоя (кроме наружного) от упругого сжатия бетона после­дующими слоями. По данным ВНИИСТ эти потери не превышают 0,05 Р от каждого последующего слоя.

Предварительное напряжение бетона q для образцов серии КПО, вычисленное с учетом потерь, равно 25; 50; 80; 120; 170 и 250 кГ/см2. Для получения необходимого предварительного напряжения навивали обойму из одного, двух и трех слоев про­волоки, причем объемный коэффициент армирования ц имел величину 0,025; 0,05 и 0,075.

Навивку проволоки на образцы проводили при достижении бетоном прочности 535—600 кГ/см2 в возрасте около двух месяцев, а испытывали через три-четыре дня после создания предваритель­ного сжатия. При испытании образцы устанавливали на кольцо с внутренним диаметром I = 300 мм. Нагрузку передавали через жесткий штамп диаметром d0 = 225 мм. Все образцы разруша­лись по бетону.

Общие результаты испытаний этой серии образцов приведены на графике фиг. 7, где показана зависимость разрушающей обра­зец нагрузки от величины (отношение напряжения предва­рительного сжатия к кубиковой прочности бетона).

При увеличении предварительного обжатия образцов соот­ветственно повышается и несущая способность (Ррадр). При

279

Повышении значения от 0 до 0,3 разрушающая нагрузка уве­личивается примерно от 650 до 1300 т. Более высокое предвари­тельное напряжение, при котором -|г->0,3, не дает соответствен-

К

Ного повышения несущей способности.

Можно считать, что до —- = 0,2 повышение несущей способ­ности происходит пропорционально величине предварительного

Рразр G т 3,/Ш

11200 §

I woo

«3

TUflfl §60S

В зависимости от величины (R = 500-^600 кГ/см2); R

~ 0,75; —j—= 1,33^: 1—однослойная обойма; 2—двух­слойная обойма; 3— трехслойная обойма.

Обжатия. При значениях > 0,2 зависимость Рразр— f (~|г)

Имеет вид кривой, асимптотически приближающейся к некото­рому постоянному значению Рразр.

Критические значения величин ~ (на графике точки Б и В)

К

Определены по данным серии образцов приближенно по десяти точкам.

Отклонения значений Рразр от средней линии АБВГ состав­ляют в большинстве случаев 15%. Максимальные отклонения

Наблюдались при - f - = 0,1 и ~ = 0,27 и достигали 30%.

К к

Исследование влияния величины предварительного напряже­ния проведено, кроме того, по результатам испытания образцов серии ВП (табл. 3).

Общее количество образцов серии ВП составляет 32 шт. В группах Б, В, Г (см. табл.) объединены образцы, изготовленные из бетона равной прочности и отличающиеся по величине предва­рительного напряжения. Для сравнения были изготовлены и испытаны образцы без арматуры. 280

Образцы серии ВП отличались от рассмотренных выше разме­рами и наличием дополнительного бетонного кольца высотой

7—8 см и шириной 30 см (фиг. 8).

Образцы-цилиндры были запро­ектированы диаметром 120 см и высотой 75 см (вместе с бетонным кольцом). Рабочая высота ци­линдра была равна 67 см. Ввиду неточного изготовления опалубки, фактические размеры имели неко торые отклонения от проектных, не превышающие 5—10%.

Цилиндры армир'ованы гладкой проволокой диаметром 4 и 4,5 мм, навитой на боковую поверхность в два слоя. Предел прочности при

Фиг. 8. Образец серии вп растяжении проволоки составлял

12 500—14 000 кГ/см2. По механи­ческим свойствам сталь проволоки удовлетворяла требованиям ГОСТ 9389-60. Объемный коэффициент армирования (г при этом для всех образцов был одинаковый и равный 0,01. По высоте напряженная обойма не доведена до торцовых граней на 5—6 см (фиг. 8 и 9).

Необходимую величину предва­рительного обжатия получали путем задания усилия в проволоке от 300 до 1180 кГ, в результате чего обжа­тие бетона с учетом потерь состав­ляло примерно 22; 56; 74 и 95 кГ/см2.

Образцы изготовляют из бетона марок «100», «300», «400» и «500». Фактическая прочность бетона в день испытания, определенная путем испытания стандартных кубов раз­мером 20 X 20 X 20 см, приведена в табл. 4.

При анализе результатов испыта­ния учитывали также образцы серии ВП групп А и Д.

В первой группе (А) объединены цилиндры, предварительное напряже­ние которых было одинаковым и при­мерно равным <7=56 кГ/см2. Перемен­ным фактором здесь являлась проч­ность бетона, которая изменялась от R = 100 до R = 500 кГ/см2, 282

В группу Д входят четыре образца, изготовленные из бетона марки «100», неармированные, из бетона марки «400», армирован­ные гладкой проволокой диаметром 4 мм. В последних было создано поперечное обжатие q =■ 93 -=-94 кГ/см2. Образцы этой группы предназначались для исследования влияния на несущую способность способа опирания при испытании.

Все образцы серии ВП (кроме группы Д) испытывали нагруз­кой, приложенной к штампу диаметром 400 мм.

Опорное кольцо имело внутренний диаметр 600 мм. Цилиндр ВП-10 после испытания на кольце нагрузкой 2200 кГ переставили на опору в виде сегментов и нагружали до разрушения.

Образцы серии Д испытывали при опирании на сегменты (фиг. 9).

По серии ВП зависимость разрушающей нагрузки от величины предварительного напряжения может быть представлена графиком

На фиг. 10, а. При повышении значения до 0,15—0,20 разру­шающая нагрузка Рраэр пропорционально увеличивается. Для

Бетона марки «100» пропорциональность сохраняется примерно

До = 0,2. При более высоких марках бетона критическое зна - R

Чение -5- несколько ниже. При величине свыше критического к к

Несущая способность Рра3р повышается незначительно.

По результатам испытаний образцов серии ВП зависимость несущей способности образцов от марки бетона при различной величине предварительного напряжения показана на фиг. 10, б.

При изменении прочности бетона от 50 до 500 кГ/см2 наличие самого минимального предварительного напряжения {д = = 22 кГ/см2, р = 0,01) значительно повышает несущую способ­ность образца. Разрушающая нагрузка для образцов из бетона марки «100» увеличилась в 3 раза. Для бетонов высокой прочно­сти (марок «400»—«500») разрушающая нагрузка в этом случае повысилась примерно в 4 раза.

Из графиков следует, что при наличии предварительного напряжения обоймы и одинаковой величине обжатия разрушаю­щая нагрузка Рразр увеличивается пропорционально повышению марки бетона. При этом коэффициент пропорциональности зави­сит от величины предварительного напряжения д.

Несущая способность образцов без обоймы повышается про­порционально прочности бетона примерно до марки «200». Образ­цы без обоймы, изготовленные из бетоца высоких марок, разру­шались при низких нагрузках.

Таким образом, по результатам испытания образцов серии КПО и ВП установлено, что разрушающая образцы нагрузка зависит как от прочности бетона, так и от величины предваритель­ного напряжения. При одинаковой величине д разрушающая нагрузка повышается пропорционально марке бетона (в пределах от 50 до 500 кГ/см2).

С повышением степени обжатия образцов разрушающая на­грузка также возрастает. Однако имеется некоторая критическая

Величина отношения, до которой наблюдается пропорциональ-

Ное повышение несущей способности. Обжатие бетона свыше опре­деленной критической величины не рационально, так как не вызы­вает значительного повышения несущей способности образца.

Критическими величинами являются для высоких марок

Бетона («400»—«500») д = (0,10-^0,20) R-, для низких и средних марок («100»—«200») наиболее целесообразно принимать д = = (0,20-5-0,30) R.

Влияние условий опирания образцов. Во многих случаях схема загружения и опирания несколько отличается от принятой при исследовании несущей способности, так как в стенах цилиндри­ческих станин прессов, как правило, оставляют технологические
проемы с обеих сторон станины. Влияние на несущую способ­ность образцов такого изменения схемы моделировали тем, что образец при испытании опирали не на кольцо, а на отдельные сегменты (см. фиг. 8). Расстояние между сегментами выбрано из условий возможных размеров технологического проема в сте­нах станины.

На диаграмме (фиг. 11) дано сравнение результатов испытания идентичных образцов серии ВП при опирании их на кольцевой

Опоре и сегментах.

При исключении влияния прочности бетона получено, что результаты испытания об­разцов при опирании их на сегменты (т. е. по двум сторо­нам) или на кольцо отличаются незначительно.

Отклонения величины а = р

" lUOuR нах°Дятся в пределах

Допустимого разброса.

Можно предположить, что при испытании на сегментах несущая способность образцов - Фиг. 11. Влияние способа опирания на ЦИЛИНдров МОЖЄТ быть на 10— результаты испытания образцов се - ^ ^ чш при испытании

В _ , = о; 6 - , = 95 '«г/смч і - оп„- с опиранием на кольцо.

Рание на сегментах; 2 — опнранне на При устранении ТрвНИЯ НЭ

Кольце' опорной поверхности образцы

В большинстве случаев разру­шались при меньшей нагрузке (табл. 4). Наибольшее отклонение (36%) было получено для образцов высотой 10 см при нагружении их штампом d0 = 317 мм.

В случае нагружения таких плит штампами d0 = 225 мм и d0 = 110 мм трение на опорах влияет меньше. Один образец (КПБ-26) при наличии трения разрушился при нагрузке, вели­чина которой ниже, чем при испытании без трения.

Высокие образцы (Я = 40 см) при малом диаметре штампа (110 мм) разрушались в обоих случаях при одинаковой нагрузке. Увеличение диаметра штампа приводит для высоких образцов к повышению влияния трения.

В этом случае при увеличении диаметра штампа от 110 до 225 мм разрушающая нагрузка образцов с уменьшенным трением на опорной поверхности оказалось в среднем на 18% ниже.

Таким образом, влияние трения на опорах больше сказывается / на несущей способности плит малой высоты (при отношении /

286 І

И \

< 0,2J для случаев нагружения образцов штампом большого диаметра l).

Разрушающая нагрузка высоких образцов меньше

Зависит от наличия трения на опорах.

В среднем можно принять, что при отсутствии трения на опо­рах, несущая способность плит снижается примерно на 10—15%.