Живучесть железобетонных рам при внезапных запроектных воздействиях (стр. 3 )

-  глубина поврежденного слоя бетона принимается равной не более высоты сжатой зоны сечения;

-  учитывается изменение прочности бетона при длительном нагружении конструкции эксплуатационной нагрузкой и динамическая прочность бетона и арматурной стали при динамических запроектных воздействиях.

В традиционной форме записи уравнения равновесия имеют вид:

(11)

(12)

где wc,1, wc, сr, wc,2, wt,2, gc,1 , gc,cr, gc,2 , gt,2 - интегральные геометрические характеристики эпюр напряжений в сжатой и растянутой зонах бетона.

В третьей главе изложена методика и результаты экспериментальных исследований железобетонных рам в запредельных состояниях в виде мгновенного выключения из работы отдельных элементов.

В ходе эксперимента были поставлены и решены следующие основные задачи:

- исследование работы слоистого железобетонного элемента в рамной конструкции в предельном и запредельном состояниях;

- определение параметров жесткости и трещиностойкости, характера развития и ширины раскрытия трещин в элементах рам на всех этапах нагружения конструкций проектной и запроектной нагрузками;

- определение приращений динамических кривизн в сечениях элементов рамы до и после образования трещин от запроектного воздействия;

- определение схем и характера разрушения опытных рам при внезапном выключении моментной связи.

Для решения сформулированных задач были разработаны и изготовлены конструкции двух серий двухпролетных рам, каждая из пяти сборных элементов. Каждая серия включала по два образца. Первая конструктивная система была рассчитана и заармирована таким образом, чтобы при загружении её проектной и запроектной нагрузками произошло локальное разрушение первого пролета. Для второй системы расчетом определялось прогрессирующее разрушение всей системы.

В соответствии с принятой расчетной моделью учета средовых повреждений железобетонных элементов, опытная конструкция сборной двухпролетной рамы выполнена в виде двух сборных ригелей сечением 120х40 мм длиной 1200 мм и стоек такого же сечения длинной 700 мм. Сечения ригелей приняты слоистыми из бетонов классов В12,5, В15, В27,5 (для образцов первой серии) и В12,5, В15, В25 (для образцов второй серии) с толщиной каждого слоя по 40 мм. Стойки изготавливаются из бетона класса В27,5. Армирование сборных образцов ригелей принято плоскими сварными каркасами с рабочей арматурой диаметром 5 мм класса А400 (для образцов первой серии) и диаметром 4 мм класса В500 (для второй серии); поперечная арматура запроектирована из проволоки диаметром 1,5 мм с шагом 60 мм. Стойки армировались плоскими сварными каркасами с рабочей арматурой диаметром 8 мм класса А400.

Для моделирования запроектного воздействия как внезапного выключения связей соединительные элементы сборной рамы выполнялись из прокалиброванных на заданное разрывное усилие закладных деталей.

Испытания конструкций производили на специально разработанном стенде, включающем опорные, нагрузочные и распределительные устройства (рисунок 3). Нагружение опытных конструкций рам проектной нагрузкой производилось ступенями по 0,05 – 0,1 от теоретической разрушающей нагрузки. Приложение запроектной нагрузки в виде внезапного выключения моментной связи в месте сопряжения крайней левой стойки и ригеля осуществлялось вследствие разрыва сечения соединительного элемента от растягивающего усилия, действующего в этом элементе, при приложении к раме проектной расчетной нагрузки.

Рисунок 3 – Общий вид испытаний

В процессе испытаний измерялись и фиксировались продольные деформации сжатого и растянутого бетона, деформации растянутых соединительных элементов (калиброванных накладок), прогибы ригелей во всех пролетах, характер трещинообразования и ширина раскрытия трещин, характер разрушения конструкции.

Для измерения перечисленных опытных параметров конструкций рам применялись метод электротензометрии с использованием цифрового тензометрического измерителя ЦТИ-1, механические приборы (индикаторы часового типа и прогибомеры), микроскоп МБП-3 и видеокамеры.

В результате проведенных экспериментальных исследований были выявлены особенности деформирования, трещинообразования и разрушения эксплуаируемых железобетонных рам при проектной и запроектной нагрузках. В частности, проанализирован характер распределения деформаций бетона по высоте сечения ригеля рамы слоистого сечения. Установлено, что качественное распределение деформаций по высоте сечения близко к распределению деформаций в сплошных конструкциях. Это подтвердило предположение о том, что для слоистых конструкций, в которых не наблюдается деформаций сдвига между отдельными слоями справедливо использование гипотезы плоских сечений.

Сопоставление теоретической (рисунок 4, кривая 1) и опытной (кривая 3) зависимостей «момент - кривизна» для ригеля слоистого сечения показали удовлетворительное их согласование. Удовлетворительное согласование опытных и расчетных данных полученно и для значений ширины раскрытия трещин при нагружении рам проектной нагрузкой (рисунок 5).

Анализ результатов испытаний железобетонных рам запроектной нагрузкой показал следующее. В результате хрупкого разрыва сварного шва соединительного элемента в узле сопряжения левой стойки и ригеля возникали затухающие во времени колебания элементов рамы. Изгибающие моменты и, соответственно, кривизны в ригелях и стойках в течение первого полупериода их колебаний превышали соответствующие моменты и кривизны, если бы переход n раз статически неопределимой в n-1 раз статически неопределимую раму осуществлялся путем его медленной принудительной разгрузки от значения действующего в опорном сечении ригеля момента до его нулевого значения. Коэффициент динамичности q, равный отношению кривизн рамы до и после выключения моментной связи æn-1/æn и вычисленный с учетом перераспределения усилий в раме составил 1,59. По значению коэффициента q, найдена динамическая кривизна в рассматриваемом сечении для рам первой серии (см. рисунок 4). Из рисунка видно, что значение этой кривизны æ существенно больше расчетного предельного значения кривизны для этого же сечения æ0,sp = 2,4·10-2 м-1 при статическом нагружении. Следовательно, согласно расчета при рассматриваемом запроектном воздействии ригель первого пролета рамы должен разрушиться. Этот вывод был подтвержден опытными результатами разрушения рамы первой серии.

Рисунок 4 – Диаграммы «М - æ»: 1, 2 – расчетная для пролетного и опорного сечений рамы первой серии; 3 – опытная, для пролетного сечения рамы

Приложение запроектной нагрузки к рамам осуществлялось в два этапа.

На первом этапе приложение запроектной нагрузки к опытным конструкциям рам обеих серий осуществлялось при статической нагрузке P = 0,8 Pcrc. В результате запроектного воздействия в среднем сечении первого пролета рам обеих серий образовались трещины. Момент в пролетном сечении M (вычисленный по опытным деформациям), возникший в результате внезапного запроектного воздействия, был в 1,45 раз больше момента трещинообразования в том же сечении. Это явилось ещё одним подтверждением наличия динамического эффекта в оставшихся неразрушенными частях рамы при хрупком выключении моментной связи.

На втором этапе нагружения опытных конструкций при значении проектной нагрузки P = 0,8 Pu установлено, что при более высоком уровне нагружения рам проектной нагрузкой, когда в конструкциях имеют место неупругие деформации и трещины, коэффициент динамичности θ заметно снижается. Так, если при первом нагружении (до появления трещин) опытное значение этого коэффициента составило 1,73, то при втором нагружении оно равнялось 1,51.

Измерениями ширины раскрытия трещин в ригелях до (рисунок 5) и после (таблица 1) запроектного воздействия установлено увеличение этого параметра в пролетных и опорных сечениях. Полученные количественные данные о приращениях ширины раскрытия трещин в опытных рамах также подтвердили наличие динамического эффекта в конструктивной системе при внезапном разрушении отдельных ее элементов.

Рисунок 5 – Ширина раскрытия трещин теоретическая (кривая 1), экспериментальная в ригеле первого пролета (кривая 2) и второго пролета (кривая 3) образцов первой серии

В тоже время относительные значения приращений ширины раскрытия трещин от запроектного воздействия оказались значительно меньшими, чем относительные приращения прогибов от этих же динамических догружений рам. Причиной этого явилось, с одной стороны, запаздывание во времени процесса трещинообразования при динамическом запроектном воздействии, с другой - частичное закрытие трещин при затухании динамического эффекта (в последней строке таблицы 1 приведены остаточные значения ширины раскрытия трещин).

Таблица 1 – Остаточная ширина раскрытия трещин в первой конструктивной системе после запроектного воздействия

Запроектная нагрузка, М, кНм	Номер загружения	Ширина раскрытия трещин первого типа (в пролете) аcrc , мм для	Ширина раскрытия трещин второго типа (на опоре) аcrc , мм
1-го пролета	2-го пролета	В ригеле слева	В ригеле справа
расчет	экс-т	расчет	экс-т	расчет	экс-т	расчет	экс-т
0,3	1	0,074	0,05	-	-	-	-	-	-
1,06	2	0,36	0,3	0,3	0,25	0,3	0,3	0,4	0,3

Ещё одной важной особенностью, полученной в испытаниях конструкций рам со слоистым сечением ригелей, явился характер их разрушения. Если нормально армированные рамы сплошного сечения имели пластичный характер разрушения (по арматуре), то опытные рамы с тем же армированием, но с верхним слоем меньшей прочности разрушились хрупко (по бетону).