Исследование усилий и деформаций сдвига в наклонных трещинах железобетонных балок

Для замера деформаций на стержни продольной арматуры в каждом из выбранных пяти сечений балки наклеивалось по два тензорезистора с базой 10 мм. На схеме рис. 1 места установки тензорезисторов показаны для полупролета балки. Для наблюдения выбирались стержни с одной стороны сечения. Заранее изготовленные каркасы с наклеенными и изолированными тензорезисторами и металлическими реперами укладывались в формы с соблюдением проектного положения арматурных стержней. К поперечным стержням приваривались коротыши-реперы, по которым компараторами замерялась деформации хомутов. Нагрузка на балки прикладывалась ступенями в середине пролета. После появления определенного числа наклонных трещин нагрузка (как правило, не превышавшая 50-60% от разрушающей расчетной) сбрасывалась и вдоль трещин на поверхности ребер наклеивались металлические реперные точки, по которым измерялись взаимные перемещения берегов трещин при вторичном нагружении балки вплоть до её разрушения. Для замера деформаций бетона ребра под углом 45° к оси балки на поверхность ребра балок наклеивались дополнительные реперные точки. Одновременно раскрытие всех трещин дублировалось замерами оптическим микроскопом. Все замеры проводились на каждой ступени загружения. Схема трещин на каждой балке переносилась на миллиметровую бумагу. По результатам испытаний получена следующая информация:

- свойства арматуры и бетона, уровень разрушающей нагрузки и характер разрушения;

- результаты измерений относительных деформаций в продольной и поперечной арматуре;

- величины приращений тангенциальных и нормальных смещений берегов трещин ДЗ и Да, а также результаты традиционных измерений ширины раскрытия трещин микроскопом;

- значения деформаций сжатия в наклонных бетонных полосах ребра балок.

Для анализа опытных данных использован упрощенный подход, основанный на реализации ферменной аналогии с учетом энергетических методов, а также роли сил зацепления в наклонных трещинах ребра балки. При этом исходилось из рассмотрения условия равновесия относительно уровня продольной рабочей арматуры, включающем усилия в ребре и продольной арматуре. Необходимо также учитывать равновесие сил в наклонном сечении с учетом усилий в продольной и поперечной арматуре, а также сил зацепления. В работе [1] было показано, что последние определяют сдвиговую жесткость сечения с трещиной, которая может быть приведена к напряжениям сдвига выражением:

где: А - сдвиговая жесткость механизма зацепления в трещине, Н/мм²; К - коэффициент пропорциональности, Н/мм²; Да - ширина нормального раскрытия трещины, мм.

Использование полученных в [2] экспериментальных значений сдвиговой жесткости сечения с трещиной К показывает удовлетворительное согласие этих методов между собой и с энергетическим методом. Применение энергетического метода для стадий упругой работы поперечной арматуры несколько ограничено. Поскольку течение хомутов не связано с общим разрушением балки, то целесообразно рассматривать дополнительное условие равновесия, основанное на преодолении сил зацепления берегов трещин [3]. При этом следует не упускать из внимания вопросы сцепления и анкеровки арматуры в испытанных балках.

Суммарный вектор взаимных перемещений берегов трещин можно разбить на две компоненты ДЗ и Да в направлении любых координат. Учитывая, что угол наклона трещин а к оси балки не равен 90°, перемещения З и а были выражены через величины Дх и Ду:

В работе [3] было показано, что напряжение, передающееся через трещину, равно К (ДЗ / Да), т.е. при постоянном К оно зависит от отношения ДЗ / Да. Например, зависимость роста отношения ДЗ / Да с увеличением нагрузки для каждого из отмеченных реперов вдоль трещин в балках можно представить в виде, где для более ясного представления приведены усредненные значения AS / Aa для всей трещины. На графиках отмечены границы нагрузки, вызывающей текучесть хомутов, определенные по измеренным деформациям в хомутах. При этом за нижнюю границу принят физический предел текучести в любом хомуте, а за верхний - оценка по средней относительной деформации в хомутах. Как видно, отношение AS / Aa растет с увеличением нагрузки, что говорит об увеличении и сил зацепления. Следует заметить, что рассмотренные трещины имеют одинаковый наклон к оси балки. В связи с вышесказанным можно сделать следующие выводы об особенностях поведения испытанных балок:

1. Изменение напряжений в продольных стержнях балки в соответствии с эпюрой изгибающих моментов связано со сцеплением и образование наклонных трещин частично ухудшает это сцепление арматуры с бетоном ребра. Это способствует некоторому возрастанию усилий в продольной арматуре. Следовательно, эти усилия еще достаточно велики и может последовать разрушение балки от выдергивания арматуры. Таким образом, образование наклонных трещин повышает вероятность такого вида разрушения. Разрушение балок с более насыщенным поперечным армированием в виде откола защитного слоя вдоль продольной арматуры вблизи опор несомненно связано с высоким уровнем отмеченных выше сил сцепления.

2. Трещина раскалывания, как правило, начинается с конца пролета среза балки перед опорой и затем быстро распространяется вдоль продольной арматуры до торца балки. Такой механизм разрушения говорит о нецелесообразности увеличения длины заделки стержней более чем на 250 мм за опору, так как это не уменьшит опасности такого разрушения. Исследования говорят о том, что прочность сцепления в этом случае возрастает несущественно даже при наличии хомутов. Следовательно, из логических соображений, более целесообразным явилось бы увеличением толщины защитного слоя над опорами.

3. Отмеченный механизм разрушения балок требует точной оценки деформированного состояния рассмотренной зоны ребра балки, что связано со значительными трудностями. Они усугубляются наличием наклонных трещин вблизи опор (что, в свою очередь, связано с оценкой начальных деформаций), а также влиянием хомутов и опорной реакции.

Список литературы /References