Теория прочности бетона и железобетона

Обновлено: 25.04.2024

Прочность бетона зависит от многочисленных факторов: структуры, марки и вида цемента, водоцементного отношения, вида и прочности крупных и мелких заполнителей, вида напряженного состояния, формы и размеров образца, длительности загружения.

На прочность бетона большое влияние оказывает скорость загружения образцов. При замедленном их нагружении, прочность бетона оказывается на 10…15% меньше, чем при кратковременном статическом. При быстром загружении прочность бетона возрастает до 20 %.

Бетон имеет различную прочность при разных силовых воздействиях: сжатии, растяжении, изгибе, срезе. В связи с этим различают несколько характеристик прочности бетона: кубиковую и призменную прочность, прочность при растяжении, срезе и скалывании; прочность при многократных повторных нагрузках, прочность при кратковременном, длительном и динамическом действии нагрузок.

Кубиковая прочность

В железобетонных конструкциях бетон преимущественно используется для восприятия сжимающих напряжений. Поэтому за основную характеристику прочностных свойств бетона принята его прочность на осевое сжатие, устанавливаемая, как правило, путем испытания стандартных кубов размером 150×150×150 мм, испытанных при температуре (20 ± 2) °С через 28 дней твердения в нормальных условиях (температуре воздуха 15. 20 °С и относительной влажности 90. 100%). Реже испытания проводят па цилиндрах диаметром (d) 100, 150, 200 и 300 мм с высотой h = 2d.

За кубиковую прочность бетона принимают временное сопротивление R эталонных кубов, определяемое по выражению:

где F – разрушающая нагрузка, Н;

А – средняя рабочая площадь образца, мм 2 ;

α – переводный коэффициент, зависящий от размеров образца. С уменьшением размеров поперечного сечения коэффициент а уменьшается. Это объясняется изменением эффекта обоймы с изменением размеров образца и расстояния между его торцами.

Различное сопротивление сжатию образцов разной величины (и формы) объясняется влиянием сил трения, возникающих между гранями образца и опорными плитами пресса.

Вблизи опорных плит пресса силы трения, направленные внутрь, создают как бы обойму и тем самым увеличивают прочность образцов при сжатии. По мере удаления от торцов влияние сил трения уменьшается. Поэтому бетонный куб получает форму двух усеченных пирамид (рис.2, а). При отсутствии (или существенном уменьшении) сил трения характер разрушения меняется, происходит раскалывание куба по плоскостям, параллельным направлению действующей внешней нагрузки (рис.2, б).

Рис. 2. Характер разрушения бетонных кубов; а - при наличии трения по опорным плоскостям; б - при отсутствии трения по опорным плоскостям

Реальные железобетонные конструкции по своей форме значительно отличаются от кубов. Поэтому кубиковая прочность не может непосредственно характеризовать прочность сжатых участков железобетонных конструкций. Для этой цели используют другую характеристику - призменную прочность бетона.

Призменная прочность

Железобетонные конструкции по форме отличаются от кубов, поэтому кубиковая прочность бетона не может быть непосредственно использована в расчетах прочности элементов конструкции. Основной характеристикой прочности бетона сжатых элементов является призменная прочность. Под призменной прочностью σ_bu понимают временное сопротивление осевому сжатию призмы с отношением высоты призмы h к размеру а квадратного основания, равным 4.

В реальных конструкциях напряженное состояние бетона сжатой зоны приближается к напряженному состоянию призм. Образцы призматической формы, для которых влияние сил трения меньше, чем для кубов, при одинаковом поперечном сечении показывают меньшую прочность на сжатие. При отношении высоты призмы к стороне основания h /a > 4 влияние сил трения практически исчезает, и прочность становится постоянной и равной ≈ 0,75 R.

Прочность на осевое растяжение

Прочность бетона на осевое растяжение зависит от прочности при растяжении цементного камня и его сцепления с зернами крупного заполнителя.

Рис.3. Схемы испытаний образцов для определения прочности бетона на растяжение

Опытным путем она определяется испытаниями на разрыв образцов в виде восьмерок, на раскалывание образцов в виде цилиндров, кубов или на изгиб бетонных балочек.

Прочность бетона на осевое растяжение имеет сравнительно небольшое значение.

Ориентировочное значение σ_bt можно определить по эмпирической формуле Фере:

где γ = 0,8 – коэффициент для бетонов класса В25 и ниже, γ = 0,7 – для бетонов класса В30 и ниже

Прочность бетона при срезе и скалывании

Под чистым срезом понимают разделение элемента на части по сечению, к которому приложены перерезывающие силы.

Под чистым скалыванием понимают взаимное смещение (сдвиг) частей элемента между собой под действием скалывающих (сдвигающих) усилий.

Железобетонные конструкции редко работают на чистый срез и скалывание. Обычно срез сопровождается действием продольных сил, а скалывание - действием поперечных сил.

Сопротивление срезу может возникать в шпоночных соединениях и у опор балок, а сопротивление скалыванию – при изгибе преднапряженных балок до появления в них наклонных трещин, если не обеспечена надежная связь между верхней и нижней частями бетона на опорах.

В нормах временное сопротивление срезу и скалыванию не приводится, и его принимают приблизительно равным 2σ_btu

Прочность бетона при длительном действии нагрузки

Пределом длительного сопротивления бетона называют наибольшие статические неизменные во времени напряжения, которые он может выдерживать неограниченно долгое время без разрушения.

При длительном действии нагрузки бетонный образец разрушается при напряжениях, меньших, чем при кратковременной нагрузке. Это обусловлено влиянием развивающихся неупругих деформаций изменением структуры бетона.

При расчете прочности элементов в расчетное сопротивление бетона сжатиюR_bи растяжениюR_bt вводят коэффициент условия работы γ_b₂ , учитывающий влияние на прочность бетона вероятной длительности действии я расчетных усилий и условий возрастания прочности бетона во времени.

Прочность бетона при многократном действии нагрузки

Под прочностью бетона при многократно повторных (подвижных или пульсирующих) нагрузках σ_f (предел выносливости бетона) понимают напряжение, при котором количество циклов нагрузки и разгрузки, необходимых для разрушения образца, составляет не менее 1 000 000.

Предел выносливости бетона связан с нижней границей образования микротрещин. Если многократно повторная нагрузка вызывает в бетоне напряжения, превышающие границы трещинообразования, то при большом количестве циклов наступает его разрушение.

Предел выносливости бетона σ_f определяют посредством умножения временных сопротивлений σ_bu иσ_btu бетона на коэффициент условий работы бетона γ_b₁.

Значительное расширение за последние годы объема железобетонных конструкций, изготовляемых из бетона повышенной прочности, обусловливает большой интерес инженеров и научных работников к вопросам теории прочности бетона и железобетона, которым посвящена предлагаемая книга.

В книге дается анализ физических явлений в бетоне под воздействием внешней нагрузки, которые определяют прочность и деформативные свойства бетонных и железобетонных конструкций; критически рассматриваются различные теории прочности твердых тел, применявшиеся для объяснения различных видов разрушения бетона и железобетона под нагрузкой. Выявленные закономерности изменения прочности бетона в простейшем случае осевого сжатия позволили автору проанализировать причины понижения или повышения его прочности при более сложных напряженных состояниях (двухосное и всестороннее сжатие, многократно повторяющаяся нагрузка и др.).

Вопросы, рассматриваемые автором, мало освещены в специальной литературе, что увеличивает актуальность книги. Книга предназначается для инженеров-строителей — проектировщиков и производственников, а также для испытателей строительных материалов и научных работников.

Глава I. Обзор исследований общих закономерностей деформаций в прочности бетона
1. Деформации и напряжения в твердых телах
2. Закономерности связи напряжений и деформаций в бетоне
3. Теории прочности при сложном напряженном состоянии и их приложение к бетону

Глава II. Физические основы прочности и деформаций бетона при одноосном сжатии
1. Физические представления о деформации и прочности твердых тел
2. Физические основы деформаций бетона при одноосном сжатии
3. Физические основы прочности бетона при одноосном сжатии
4. Напряженное состояние бетона при растяжении

Глава III. Прочность и деформации бетона при сложных и неоднородных напряженных состояниях
1. Сложное напряженное состояние бетона
2. Неоднородное напряженное состояние бетона

Глава IV. Прочность и деформации бетона при воздействии многократно повторяющейся нагрузки и длительном действии нагрузки
1. Физические основы прочности бетона при воздействии многократно повторяющейся нагрузки
2. Прочность бетона при длительном воздействии нагрузки

Книга посвящена теории бетона и железобетона, причем основной своей задачей автор поставил изложение исторического хода развития теории и ее современного состояния. В основном рассмотрены следующие вопросы: строение бетона, его прочность и деформации под нагрузкой, совместная работа бетона с арматурой, основы, классической теории железобетона, теория разрушающих нагрузок, расчет балок, центрально и внецентренно нагруженных стоек по стадии разрушения, усадка и ползучесть бетона в железобетонных конструкциях, работа армированного бетона на растяжение, напряженно-армированный бетон. Книга предназначена для инженеров-проектировщиков, аспирантов и студентов строительных втузов.

Первый раздел. Бетон

Глава I. Строение бетона
§ 1. Состав и образование бетона
§ 2. Бетон как псевдотвердое тело
§ 3. Плотность бетона
§ 4. Зависимость физико-технических свойств бетона от его структуры

Глава II. Прочность бетона при испытании
§ 5. Мера прочности бетона
§ 6. Экспериментальное определение марки бетона
§ 7. Влияние возраста бетона
§ 8. Влияние формы и размеров образца
§ 9. Методика изготовления и испытания нормального образца
§ 10. Напряженное состояние призматического образца
§ 11. Сопротивление бетона разрыву
§ 12. Сопротивление бетона изгибу
§ 13. Сопротивление бетона срезу
§ 14. Сопротивление бетона ударам и изнашиванию
§ 15. Прочность бетона в конструкциях

Глава III. Механические деформации бетона
§ 16. Виды деформаций бетона
§ 17. Первичные деформации бетона под нагрузкой
§ 18. Модуль деформации и пуассоново число
§ 19. Закон деформаций бетона при сжатии и растяжении
§ 2Ü. Нахождение закона деформаций бетона из опыта на изгиб
§ 21. Ползучесть бетона по данным опытов
§ 22. Влияние повторных нагрузок
§ 23. Влияние температуры
§ 24. Явление усадки в цементном растворе и бетоне
§ 25. Причины усадки цементного раствора
§ 26. Опытные данные
§ 27. Усадка бетона

Второй раздел. Железобетон

Глава V. Сочетание бетона с арматурой
§ 28. Возможность совместной работы бетона с железом
§ 29. Сцепление арматуры с бетоном
§ 30. Экспериментальное определение силы сцепления
§ 31. Распределение напряжений сцепления
§ 32. Свойства арматуры

Глава VI. Классическая теория расчета железобетонных конструкций
§ 33. Исторический очерк
§ 34. Стадии напряженного состояния армированных элементов
§ 35. Монолитность железобетона
§ 36. Гипотеза плоских сечений
§ 37. Упругость бетона
§ 38. Приведение железа к бетону
§ 39. Растянутая зона бетона в железобетонной балке
§ 40. Дефекты классической теории
§ 41. Попытки исправления классической теории

Глава VII. Теория разрушающих нагрузок
§ 42. Этапы развития теории железобетона
§ 43. Определение разрушающей нагрузки
§ 44. Стадия разрушения и момент разрушения

Глава VIII. Расчет железобетонной балки по стадии разрушения
§ 45. К истории вопроса
§ 46. Формула Лолейта
§ 47. Способ Штаермана
§ 48. Теория Залигера
§ 49. Предложения автора
§ 50. Балка с двойной арматурой

Глава IX. Стойки под центральную нагрузку
$ 51. Данные опытов
§ 52. Величина разрушающей нагрузки
§ 53. Исследование расчетной формулы
§ 54. Напряжения и деформации в железобетонной стойке
§ 55. Продольный изгиб железобетонной колонны
§ 56. Предельная высота колонн
§ 57. Расчет железобетонных колонн на устойчивость
§ 58. Общие предпосылки
§ 59. Внецентренное сжатие бетонной колонны
§ 60. Границы критического состояния при внецентренном сжатии
§ 61. Железобетонная колонна под действием силы, приложенной внутри ядра
§ 62. Железобетонная колонна под действием силы, приложенной вне ядра
§ 63. Некоторые выводы из изложенной теории
§ 64. Косое внецентренное сжатие

Глава XI. Усадка бетона в железобетонных конструкциях
§ 65. Начальные напряжения
§ 66. Элементарный учет начальных напряжений в железобетонном призматическом элементе
§ 67. Изменение напряжений по длине призматического элемента
§ 68. Радиус взаимодействия
§ 69. Учет фактора времени
§ 70. Общие выводы

Глава XII. Эффект ползучести бетона в железобетонных конструкциях
§ 71. Опыты с железобетонными колоннами
§ 72. Рабочие гипотезы учета ползучести бетона
§ 73. Влияние ползучести бетона в центрально нагруженной железобетонной колонне
§ 74. Модуль Дэвиса
§ 75. Влияние ползучести бетона в железобетонных балках
§ 76. Совместное влияние усадки и ползучести
§ 77. Метод Дишингера

Глава XIII. Работа армированного бетона на растяжение
§ 78. Трещины в бетоне и причины их образования
§ 79. Мероприятия к предупреждению трещин
§ 80. Осевое растяжение армированного элемента
§ 81. Балка с одиночной арматурой
§ 82. Влияние усадки бетона на образование трещин
§ 83. Образование трещин под нагрузкой

Глава XIV. Напряженно-армированный бетон
§ 84. Идея напряженного армирования
§ 85. Предварительное натяжение арматуры в растянутом элементе
§ 86. Расчет напряженно-армированного элемента на осевое растяжение
§ 87. Балка с предварительным натяжением арматуры
§ 88. Балка прямоугольного сечения
§ 89. Поправка на усадку и ползучесть бетона
§ 90. Пример расчета напряженно-армированной балки
§ 91. Главные напряжения
§ 92. Данные опытов

Указатель имен
Предметный указатель

Предисловие

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Майоров В.И.

Is contained the information about the strength and deformation characteristics of the mechanical properties of concrete, which constitute the experimental basis for development of the drag theory of concrete in different regimes of load. The results of investigating the parameters of resistance to cracks, factor of concentration of deformations in the apex of crack and components of the deformation of concrete are new.

Experimental Basis of the Strength Theory Concrete

Текст научной работы на тему «Экспериментальная основа и элементы теории прочности бетона»

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОСНОВА И ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА.

В.И.МАЙОРОВ, доктор технических наук, профессор Российский университет дружбы народов (Москва).

Рассматриваются результаты исследований механических свойств тяжёлых бетонов при простом одноосном сжатии, растяжении и растяжении при изгибе. Диапазон изменения призменной прочности ЯЬп от 15 до

Для исследований поля деформаций на поверхности бетона был применён метод оптически активных покрытий. Возраст образцов (более трёх месяцев) исключал влияние физико-химических факторов на устойчивость структуры цементного камня.

а) Деформативность бетона при простом одноосном сжатии.

На рис. 1-2 приведены осреднённые графики зависимостей «а- к», построенные по результатам испытания призм различной прочности и времени нагружения. Диаграммы «а-е» являются интегральной характеристикой механических свойств и состояний бетона. Они позволяют получить информацию о прочности Яь и деформативности бетона еь , модуле деформаций Е, коэффициенте поперечного расширения ¡л , коэффициенте

упругогшас! ичности Я , вязкости V, составляющих полной деформации ев и их предельных значениях.

Важными результатами анализа рис. 1-2 является обнаруживаемая инвариантность величины относительной деформации £„ в экстремальной

точке графиков /(&,£) при = 0, равной е„ = 200 10 отн.ед., не заде

висимо от прочности и времени нагружения. Диаграммы рис. 1-2 объединяет общая закономерность повышения предела прочности Яь , сокращения полной деформации £в с ростом скорости деформирования ¿от £в " 350-400 до £к .

О 50 100 150 200 250 300 Е Ю ' Деформации

100 200 300 S-I0-*

О 50 100 150 200 250 300

Рис.3. Составляющие деформации £в.

Формально, величину полной деформации £„ можно разделить на две составляющих: линейно £л и нелинейно £Ш1 зависящих от напряжений a(t), рис.3. Линейная деформация, в свою очередь, состоит из упругой £у , по

определению инвариантной к скорости деформирования, и вязкой составляющей £v , зависящей от £. Способность бетона к неупругому деформированию оценивается коэффициентом упру гопластичности :

Обозначим s / £ = Я' , тогда: Я. =

где: Ея, Е - начальный р полный модули деформации.

Как и Лв модуль полной деформации Е является переменной величиной, зависящей от соотношения между упругой и неупругой составляющей восходящей ветви графика f(a,e). На величину Я» влияют те же факторы, что и на прочность бетона (состав, степень уплотнения бетона, скорость деформации £). По данным опытов при изменении призменной прочности R^,, от 20 МПа до 55 МПа, Хв изменилась в пределах от 0.55 до 0.15. При изменении скорости деформирования £ от / 10~6 [ до

6 ■ 10'1 1с диапазон изменения Лв составил: для бетона Яь„ = 20 МПа -

0.65-0.33; для бетона ЯЬн = 55 МПа - 0.33-0.12. В зависимости от Хв бетон может проявлять свойства упругого материала с присущим хрупким характером разрушения при преобладании упругих деформаций и, наоборот, не упруго-деформируемого материала, разрушению которого предшествуют неупругие деформации.

Мерой упругих свойств бетона служит начальный модуль деформаций Е„ равный тангенсу угла наклона касательной в начальной точке графика /(<т,£-). Опытное значение начального модуля деформаций в разных режимах испытания, определённого по скорости прохождения ультразвука, приведены на рис.4.

10 3 10-г 10и 10о 10 10г | с

Рис.4. Опытные значения начального модуля деформаций Е„ (— значение модуля упругости по скорости прохождения ультразвука).

Существенно важным, с точки зрения оценки фактора времени на прочность и де-формативность бетона, является исследование неупругой составляющей диаграммы, состоящей из условно пластической части £т , включающей деформации субмикроскопического разрыва сплошности и деформаций, связанных с образованием и развитием микротрещин £мр на

восходящей ветви графика

В опытах, наряду с тензометрическими измерениями, проводилась ультразвуковая дефектоскопия изменения плотности образцов в процессе нагружения и после разгрузки. Обнаруживаемые графиками 1, 2 рис.5 потери скорости прохождения ультразвука после разгрузки, показывают, что

разрушение структуры бетона на субмикроскопическом уровне происходит с самого начала нагружения. Заметим, что ещё в ранних опытах Глэн-виля при исследование ползучести было обнаружено поперечное расширение, интенсивность которого оцениваемая коэффициентом поперечной деформации Ц , возрастала цри общем затухании линейной ползучести во времени.

0,3 1 2 пр пм * на :л« »ИГ РП жт «W им »V

4 20 2 4 6 9 10 11 V

Рис.5. Изменение скорости ультразвука в зависимости от

новая стадия работы бетона в условии образования и развития равновесных микротрещин.

Микроразрывы сплошности бетона происходят с постоянной интенсивностью, устойчиво сохраняя пропорциональную зависимость между приростом неупругой части деформаций и ростом напряжения. В количественном отношении интенсивность образования микротрещин определим параметром £(1) рис.4. Аналитическая аппроксимация экспериментальной

кривой £(/) имеет вид: ф) = 0.5ф~.2!Н1&н +1) (3)

1И lO3,®* «•• 10» 10 10> «"t., с

Рис.6. Зависимость £(/) от времени нагружения t,r

Объективным показателем напряжённо-деформированного состояния структуры бетона является коэффициент поперечных деформаций. В упругой стадии его величина постоянна

ц = 0.14-0.16 независимо от

скорости деформаций. Предельное значение /л , при котором структура бетона теряет устойчивость, равно 0.33.

Зависимость коэффициента поперечных деформаций Ц от скорости деформирования е иллюстрируется графиком на рис.7.

Рис. 1, 2, 6, 7 отражают закономерность, в основе которой лежит затормаживание процессов трещинообразования с ростом скорости деформирования £ и, как следствие, увеличение верхнего предела координат второй точки перелома графика /(а,е) „рс^е„рс ) рис.8 и предела сопротивления разрушению.

Рис.7. Зависимость коэффициен- Рис.8. Зависимость верхнего та поперечных деформаций от предела

Более сложной экспериментальной задачей и не менее важной является исследование вязкого механизма или компоненты деформаций £в,

напрямую связанной со скоростью деформации £, и, в силу этого, выполняющей функцию временного регулятора процессов деформирования. Вязкую составляющую £v можно определить графически как разность

между линейной деформацией £л и её упругой составляющей, соответствующей модулю упругости, определённой по скорости распространения ультразвука при а = О.

Получены интерполяционные аналитические выражения функций

КО* v (¿) в виде: v(t) = 1.9 10^ t°* , v (£)= 1.64 ■ 102 e~°s (4)

Значения коэффициентов п и V.

'„ сек Амбарцумцн АЛ. Удальцов В.С. Автор

-4 2 10 1.83 Ю'4 28.3 - - 1.6 ю~4 32

2-10 2 3.32 10~Ъ 325 4.96 ■ 10 ^ 588 2.8 10~Ъ 600

2 2.00 10~1 4 1.7 10 2.30 Ю'1 4 1.9 10 2.10 /О"1 3.0 ю4

2 2 10 8.6 7.1 Ю5 - 10.4 1.2 10в

Яьк и деформации £ к . Нисходящий участок диаграммы отражает стадию

разрушения бетона, сопровождающуюся мгновенным высвобождением накопленной потенциальной энергии упругого внутреннего сопротивления.

Разрушение носит хрупкий характер макроразрывов сплошности бетона в условии отсутствия пластических деформаций в силу изменения да

б) Опыты при простом одноосном растяжении, растяжении и сжатии при изгибе.

Диаграммы продольных деформаций бетона при осевом растяжении и фибровых деформаций нормального сечения в зоне чистого изгиба представлены на рис.9, 10.

Опыты на растяжение дополняют исследования механизма разрушения бетона как процессов разрыва сплошности бетона в условии равномерного и неравномерного (градиентного) распределения деформаций в

нормальном сечении, следуя зависимости: £ = -- , (5)

где: р - радиус кривизны; у - расстояние от нейтральной оси.

Рис.10. Графики прогибов / и Рис.9. Зависимости «ет-е» при фибровых деформаций цен-простом одноосном растяжении. трального сечения при изгибе.

Нетрудно заметить^ что графики деформаций (рис.1, 2, 9, 10) объединяют общие закономерности влияния фактора времени на прочность и де-формативность бетона при незначительных изменениях количественных показателей предельных значений составляющих полной деформации.

Диаграммы растяжения бетона отличает практически отсутствие нисходящей ветви, как при статических, так и при динамических испытаниях. Общая картина распределения деформаций в зоне чистого изгиба балки представлена фотографией полос интерференции в оптически активном покрытии, наклеенном на поверхности бетона (рис.11)*.

Наблюдаемая по числу полос местная концентрация деформаций в вершинах трещин более чем в 3 раза превышает предельную растяжимость бетона, что возможно только при вязко-пластическом течении бетона в

локальной области в условии ограничения развития поперечных деформаций. Как и в случае одноосного сжатия, диаграммы деформаций бетона при осевом растяжении и растяжении при изгибе отражают три стадии

Рис.11. Общая картина полос интерференции.

напряжённо-деформированного состояния: начальную - упругую с граничным значением предельной растяжимости бетона на микроскопическом уровне е = (7 -14) -10 5 отн.ед., не зависящей от скорости дефор-

маций; стадию равновесивгв состояния в условии образования и развития равновесных микротрещин гр - (15 20) • 105 отн.ед. и стадию разрушения при достижении деформацией предельных значений £пр > 20 10 5 отн.ед., зависящих от £.

При градиентном характере распределения напряжений в сечении сопротивление бетона растянутой зоны и величина предельной деформации оказывается выше, чем при одноосном растяжении. При испытании на изгиб отношение уровня напряжений при образовании микротрещин к

разрушающему изменялось от 0.5 при £р = 8 10 с при £р =40 10 5 отн.ед. до 0.8 при £р = 2 ■ 10~2 с-', при £р=20-10~5

Изменения деформаций бетона сжатой зоны следовали линейному закону и были далеки от предельных.

Исследованию нелинейности эпюры напряжений сжатой зоны посвящена обширная литература. В основном она относится к низкомарочным бетонам Яы < 30 МПа. В практике современного строительства широко применяются бетоны классов от В(30-60) до В( 100-150).

Как видим на рис. 1 диаграммы высокомарочных бетонов существенно отличаются от бетонов низких марок, прежде всего сокращением нелинейной составляющей деформации.

Опыты автора с армированными балками показали, что линейный характер эпюры сжатой зоны, начиная с бетонов класса В-30, сохраняется вплоть до разрушения. Моменту разрушения предшествует резкое увеличение фибровых деформаций за границей линейного графика. Предельная

сжимаемость при изгибе составила (400 - 600)-10~5 отн.ед., в 3 раза превышая £ д осевого сжатия.

В стадии, предшествующей разрушению, величина коэффициента поперечных деформаций ц верхнего слоя возрастает до 0.3. В следствии значительного перепада значений ц в горизонтальном сечении нижнего граничного слоя, где ц < 0.2 возникают нормальные напряжения отрыва, выражающиеся в образовании горизонтальных трещин в сжатой зоне и её разрушение. Появление новых трещин по высоте приводит к хрупкому разрушению всего сечения.

в) Влияние повторных непериодических нагружений.

Исследования влияния не периодически повторяющихся динамических нагрузок проводилось в режимах близким к сейсмическим воздействиям. Уровень предварительного нагружения составлял (0.9-1.3) /?„„.

Характер диаграммы « ег - £ » при повторяющихся нагрузках во многом зависит от того, насколько превышен уровень напряжений при образовании микротрещин сгмт . Если нагрузки не превышают предела тре-щинообразования, графики «сг-е » (рис. 12а) образуют замкнутую петлю, площадь которой равна потенциальной энергии накопленной вязко-пластическими деформациями.

20 4в М М IM 120 140 IM IWZMC'fO

» )И I№ Ш l*t ¡80 2М Е-

продольные деформации; поперечные деформации.

Превышение напряжениями предельных значений при микроразрывах сплошности бетона приводит при разгрузке к образованию остаточных

деформаций £ост. Величина ^ост. зависит от уровня повторного напряжения, протяжённости эксгремальной области графика /(ег,£) и числа повторных испытаний.

Если начальное напряжение достигло верхнего предела равновесного состояния (трс, то образование и накопление остаточных деформаций происходит даже тогда, когда напряжения повторных нагрузок не превышают начального уровня сгм тр (рис.12в).

Достижение напряжения предела равновесного состояния апрс является пределом несущей способности при последующем испытании, не зависимо от режима нагружения, рис. 12г. С увеличением числа повторных нагрузок приращение остаточных деформаций постепенно затухает.

После разгрузки происходит частичное смыкание полостей микроразрывов вследствие упруго-вязкого последействия. В то же время остаточные пластические реформации, сосредоточенные в вершинах микротрещин, препятствуют смыканию берегов разрыва, создавая эффект расклинивания и увеличивая, тем самым, величину концентрации начальных напряжений.

Значительно уступая в количественном отношении, деформации вязко-пластического течения, служит регулятором процессов разрушения от скорости £ на уровне напряжений а > амт в силу зависимости: а, = V е.

Это выражается: при однократном нагружении, в затормаживании развития микротрещин с ростом £ и, тем самым, расширении области равновесного состояния диаграммы « сг - г » и величины разрушающего напряжения;

при многократном - в сокращении резервов неупругого деформирования по мере увеличения повторений, что приводит к линейно-хрупкому разрушению, но уже на более низком уровне повторного разрушающего напряжения.

Изложенные материалы характеризуют работу бетона при простом напряжённом состоянии в условии непрерывного роста напряжения.

Расширение факторов влияния (ограничение свободы деформаций, изменение знака и выдержка напряжений во времени) внесёт адекватные коррективы качественного и количественного характера в основные параметры механических свойств бетона.

На рис.13 приведены осциллограммы записей деформаций бетона и арматуры в зоне разрушения железобетонной преграды при контактном взрыве заряда на поверхности.

В отличие от простого одноосного напряжения деформации бетона в волне сжатия более, чем в 2 раза превышают предельное значение £к , сохраняя линейную зависимость «сг-£ ». Наблюдаемые на рис. 136 несовпадения во времени максимумов амплитуд деформаций бетона (1) и арматуры (2, 3) в силу различия скоростей распространения волн провоци-

руют опережающее развитие разрушений контактной области вдоль арматуры и в целом объёма разрушений (рис.14).

Эту особенность необходимо учитывать при построении расчётных моделей и схем при проектировании конструкций, предельное состояние которых связано с волновыми напряжениями удара и взрыва.

= 0.26 ■ Ш|||'|~| l|llll Г / / Hm J/,/ 1 in|ii iLnjiM ,n In 1 II || III

= 0.26 \ - 1 " mill I'miiiii .In III in

j " '1 llijil i l .jill Ill 11111, MM | III

Опыт Л 4. С - 4.2 кг

Рис. 13. Осциллограмма записи деформаций в зоне действия контактного взрыва: а) запись деформаций бетона с экрана катодного осциллографа; б) лента шлейфового осциллографа: 1-деформации бетона, 2-3 - арматуры.

Рис.14. Характер разрушения опытных фрагментов, различающихся армированием.

EXPERIMENTAL BASIS OF THE STRENGTH THEORY

Прочность бетона определяется его сопротивлением различным силовым воздействиям — сжатию, растяжению, изгибу, срезу. Один и тот же бетон имеет разное временное сопротивление при различных силовых воздействиях. Исследования показали, что теории прочности, предложенные для других материалов, к бетону не применимы. Поэтому количественная оценка прочности бетона в настоящее время основывается на осреднённых опытных данных, которые принимаются в качестве исходных при проектировании любых бетонных и железобетонных конструкций.

Отсутствие закономерности в расположении отдельных частиц, составляющих бетон, приводит к тому, что при испытании образцов, изготовленных из одной и той же бетонной смеси, получают различные показатели временного сопротивления — разброс прочности. Кроме того, необходимо помнить, что механические свойства цементного камня и заполнителей существенно отличаются друг от друга; к тому же структура бетона изобилует дефектами, которыми, помимо пор, являются пустоты около зёрен заполнителя, возникающие при твердении бетона.

Прочность бетона на осевое сжатиесчитается основной его характеристикой, так как наиболее ценным качеством бетона является его высокая прочность на сжатие. Она в лабораторных условиях может определяться на образцах в форме кубов, призм или цилиндров. У нас в стране для оценки прочности бетона при сжатии используют преимущественно кубы.

Так как бетон представляет собой неоднородный искусственный каменный материал, то для получения достоверных сведений об его прочности в соответствии с действующими стандартами испытывают партию образцов и определяют (средний предел прочности на осевое сжатие бетонных кубов с ребром 150 мм) и (средний предел прочности на осевое сжатие эталонных бетонных образцов призм).

Кубиковая прочность.При осевом сжатии кубы (как и другие сжатые образцы) разрушаются вследствие разрыва бетона в поперечном направлении. Наклон трещин обусловлен влиянием сил трения, которые развиваются на контактных поверхностях между подушками пресса и опорными Гранями куба (рис. 2.2а). Силы трения, направленные внутрь, препятствуют свободным поперечным деформациям бетона вблизи опорных поверхностей и тем самым повышают его прочность на сжатие (создаётся эффект обоймы). Удерживающее влияние сил трения по мере удаления от торцевых граней куба уменьшается, поэтому после разрушения куб приобретает форму четырех усеченных пирамид, сомкнутых малыми основаниями. Если при осевом сжатии куба удаётся устранить или значительно уменьшить (с помощью смазки контактных поверхностей, например, парафином или картонных прокладок) влияние сил опорного трения, то характер его разрушения и прочность изменяются (рис. 2.2б).

Рисунок 2.2 – Характер разрушения бетонных кубов: а — при наличии трения по опорным плоскостям; б — при отсутствии трения; 1 — силы трения; 2 — трещины; 3 — смазка.

В этом случае поперечные деформации проявляются свободно и трещины разрыва становятся вертикальными, параллельными действию сжимающей силы, а временное сопротивление бетона сжатию существенно уменьшается. Согласно стандарту кубы испытывают без смазки контактных поверхностей и при отсутствии прикладок.

Опытами установлено, что прочность бетона одного и того же состава зависит от размеров куба. За стандартные (эталонные) лабораторные образцы принимают кубы с ребром 150 мм. При испытаниях кубов иных размеров результаты их испытаний с помощью поправочных коэффициентов приводят к результатам испытаний эталонных кубов.

Призменная прочность.Реальные железобетонные конструкции по своей форме и размерам существенно отличаются от лабораторных кубов. В них чаще всего один размер превышает два других (например, пролёт — ширину и высоту изгибаемого элемента; высота сжатого элемента — размеры его поперечного сечения).

В связи с тем, что при испытаниях бетона при переходе от образца в форме куба к образцу в форме призмы (при одинаковой площади их сечения) временное сопротивление сжатию при увеличении h уменьшается (рис. 1.3), кубиковая прочность не может быть непосредственно использована в расчётах прочности элементов конструкций, а служит только для контроля качества бетона в производственных условиях.

Уменьшение временного сопротивления бетона сжатию при переходе; от образцов в форме куба к образцам в форме призмы объясняется тем, что при увеличении отношения h/a постепенно ослабевает влияние сил трения, возникающих между торцами образца и плитами пресса, на напряжённое состояние образца в его средней по высоте части, а для призм с h/a ≥ 4 это влияние практически полностью исключено.

Принято определять призменную прочность бетона , основную и наиболее стабильную характеристику прочности бетона на сжатие, используемую в расчётах на прочность сжатых и изгибаемых элементов, на эталонных призмах с размерами 150 ´ 150 ´ 600 мм (h/ a = 4).

Рисунок 2.3 – График зависимости призменной прочности бетона от
отношения размеров испытываемого образца

Прочность бетона на осевое растяжениезависит от сопротивления цементного камня растяжению и прочности его сцепления с зёрнами заполнителя. Согласно опытным данным:

где — средний предел бетона на осевое растяжение.

Причём относительная прочность бетона при осевом растяжении k_t уменьшается с повышением прочности бетона на сжатие. Причинами низкой прочности бетона на растяжение являются неоднородность его структуры, наличие начальных напряжений, слабое сцепление цементного камня с крупным заполнителем. Некоторое повышение (примерно на 15. 20%) может быть достигнуто увеличением расхода цемента на единицу объёма бетона, уменьшением W/C, применением вместо гравия щебня с шероховатой поверхностью, промывкой заполнителя.

Имеется несколько лабораторных методик определения .Однако при этих испытаниях наблюдается ещё больший разброс показателей прочности по сравнению с испытаниями бетона на осевое сжатие, так как образцы трудно центрировать. Поэтому, если известна прочность бетона при сжатии, иногда определяют теоретически, например, по формуле:

Читайте также:

Теория прочности бетона и железобетона

Предисловие

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Майоров В.И.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Майоров В.И.

Experimental Basis of the Strength Theory Concrete

Текст научной работы на тему «Экспериментальная основа и элементы теории прочности бетона»