Lektsii_-_osnovy_zh_b_konstruktsy

41

Рис. 5.4. Методы анкеровки напрягаемой арматуры:

а– кольца с коротышами; б – высаженная головка; в – нарезной наконечник с гайкой;

г- приварка коротышей; д – обжатая шайба; е – приваренное кольцо;

ж– нарезной конец с гайкой

Метод натяжения на бетон применяется, когда натяжение на упоры не может быть применено, например, при возведении большепролетных сооружений непосредственно на строительной площадке, при укрупнительной сборке составных конструкций и в других случаях. Первоначально изготавливают бетонный или слабоармированный элемент, в ко-

тором предусматриваются каналы или пазы для установки арматуры (рис.5.1, б). После достижения бетоном передаточной прочности производится натяжение арматуры. Натя-

жение арматуры осуществляется специальными домкратами, опирающимися непосредст-

венно на торцы бетонного элемента. После натяжения концы арматуры закрепляются на торцах элемента с помощью специальных анкеров, действующих в основном на эффекте заклинивания (рис. 5.5). Для защиты арматуры от коррозии и обеспечения сцепления ар-

матуры с бетоном каналы или пазы заполняют под давлением цементным или цементно-

песчанным раствором. При натяжении арматуры на бетон целесообразно применение пучковой или прядевой арматуры, а также канатов из высокопрочной проволоки.

Натяжение арматуры осуществляется несколькими способами: механическим, элек-

тротермическим, электромеханическим и физико-химическим. При механическом способе арматуру натягивают гидравлическими домкратами. Это позволяет достаточно точно из-

мерять силу натяжения. Когда напряжения в арматуре достигают заданной величины, ар-

матуру закрепляют и снимают домкрат. Широкое распространение получил электротер-

42

мический способ натяжения. Он основан на свойстве стали расширяться при нагревании.

Нагретые при прохождении электрического тока до 300 – 4000 С арматурные стержни ук-

ладывают в формы, закрепляют в концевых упорах, а затем ток отключается.

Рис. 5.5.Анкеровка напрягаемой проволочной арматуры при натяжении на бетон:

а – гильзостержневой анкер; б – анкер стаканного типа; в – анкер с конической пробкой; 1 - напрягаемая проволока; 2 – гильза; 3 – стержень с нарезкой; 4 – бетон, запрессов в анкер ; 5 – стальной стакан; 6 – стальной стержень; 7 – стальные шайбы; 8 – кольцо; 9 – крюки на концах арматуры; 10 – подача давления масла; 11 – зажим для проволок; 12упор; 13 – анкерная пробка; 14 – обойма; 15 – преднапрягаемая конструкция;

16– полость домкрата, заполняемая при запрессовке анкерной пробки; 17полость домкра та, заполняемая при натяжении арматуры

При остывании стержни, стремясь вернуть начальную длину, натягиваются и напрягают-

ся. Электромеханический способ сочетает в себе как механическое натяжение, так и на-

грев с помощью электрического тока. Физико-химический способ натяжения использует-

ся при производстве самонапрягающихся конструкций. В этих конструкциях натяжение арматуры достигается за счет расширения твердеющего бетона, полученного с примене-

нием напрягающего цемента.

Предварительно напряженные железобетонные конструкции при действии нагрузки проходят следующие стадии напряженно деформированного состояния. При некоторой величине внешних усилий предварительное напряжение, сжимающее растянутую зону,

гасится. Затем, при увеличении нагрузки в наиболее растянутых областях сечений, напря-

43

жения бетона достигают величины расчетного сопротивления растяжению, что ведет к образованию трещин. Образование трещин служит границей первой стадии деформиро-

вания. При увеличении нагрузки трещины расширяются и распространяются в сторону границы сжатой зоны бетона, т.е. наступает вторая стадия деформирования. При даль-

нейшем увеличении нагрузки напряжения в бетоне достигают предела прочности бетона на сжатие, а в арматуре временного сопротивления. Это означает конец третьей стадии

деформирования и разрушение элемента. Из сравнения стадий деформирования обыкно-

венного и предварительно напряженного железобетона следует, что при расчете по проч-

ности предварительно напряженные элементы не отличаются от ненапряженных: и в тех и в других напряжения в арматуре и бетоне достигают своих расчетных величин. Разница заключается в том, что относительное приращение внешней нагрузки между первой и третьей стадиями нагружения, в предварительно напряженных элементах в несколько раз меньше чем в обыкновенных, т.е. стадия развития трещин менее выражена, что свиде-

тельствует о том, что по сравнению с ненапряженными элементами, предварительно на-

пряженные обладают большей жесткостью и трещиностойкостью.

44

Лекция 6

Расчет прочности сжатых элементов.

Темой настоящей лекции является расчет сжатых стержневых элементов железобе-

тонных конструкций различных зданий и сооружений. К сжатым элементам относятся ко-

лонны одноэтажных и многоэтажных зданий, стойки рам, стойки, раскосы и пояса ферм и тому подобные конструкции. Такие элементы подвержены действию продольных сжи-

мающих сил, которые приложены или центрально, по оси элемента, или внецентренно, а

также одновременному действию сжимающей силы и изгибающего момента. Эти случаи нагружения схематично представлены на рис. 6.1. При сжатии любых элементов цен-

тральное сжатие практически исключено, так как всегда имеют место либо неточности изготовления элементов, либо неоднородность бетона как по сечению так и по длине , ли-

бо эксцентриситет предусмотрен способом приложения усилий и эти факторы учитыва-

ются тем, что при расчете статически определимых конструкций всегда учитывается слу-

чайный эксцентриситет ea , а сжатие всегда рассматривается как внецентренное. Поэтому в дальнейшем изложении термин центральное сжатие следует понимать как сжатие со случайным эксцентриситетом ea . В самом общем случае, для статически определимых

Рис.6.1. Схемы нагружения железобетонных колонн:

а– центральное нагружение: б – колонна с консолью;

в– общий случай нагружения колонны

конструкций, действие усилий от внешних нагрузок - изгибающего момента М и про-

дольной силы N заменяется действием продольной силы, приложенoй с эксцентриситетом e0 , который вычисляется по формуле

45

Случайный эксцентриситет принимается большим или равным одной из следующих ве-

личин: 1/600 расчетной длины элемента, 1/30 высоты его сечения и 1 см. При расчете ста-

тически неопределимых конструкций при e0 > ea случайный эксцентриситет не учитыва-

ется.

Форма поперечного сечения сжатого элемента зависит от характера прилагаемых усилий. Для центрально сжатых элементов принимаются компактные поперечные сече-

ния симметричной формы: квадратные, круглые и т.п. (рис.6.2, а-д), а в случае действия силы и момента принимают сечения развитые в плоскости действия момента: прямо-

угольные, двутавровые или двухветьевые (рис.6.2, е-з).

Рис.6.2. Формы поперечных сечений сжатых железобетонных колонн Размеры поперечных сечений определяются как требованиями расчета, так и техно-

логическими требованиями. Они должны быть такими, чтобы обеспечить гибкость колонн относительно любой оси не более λ = 120, а для других сжатых элементов не более

λ = 200. Необходимую для определения гибкости расчетную длину внецентренно сжатых элементов ℓ0 принимают в зависимости от типа зданий и сооружений. Для колонн много-

этажных зданий, при числе пролетов не менее двух и жестких узлах сопряжений ригелей и колонн, при монолитном варианте каркаса ℓ0 = 0,7 Н, при сборном каркасе ℓ0 = Н, где

Н – высота этажа. Для остальных сооружений, а также для элементов ферм и арок расчет-

ная длина принимается по нормам проектирования. С технологической точки зрения

(удобство при бетонировании) не рекомендуется применять колонны сечением меньшим чем 250 х 250 мм. Поперечные размеры колон унифицированы: при размерах до 500 мм их принимают кратными 50 мм, а при больших размерах – кратными 100мм.

Сжатые элементы армируют преимущественно стержневой ненапрягаемой армату-

рой в виде сварных или вязаных каркасов. Диаметры продольных стержней назначают,

46

как правило, не более 40мм, а минимальный диаметр для сборных конструкций принима-

ется не менее 16 мм, для монолитных - не менее 12 мм. Рекомендуется все стержни на-

значать одинакового диаметра. В колоннах сечением до 400 х 400мм и менее применяется продольная арматура в виде четырех стержней, расположенных по углам. При больших размерах сечения устанавливаются промежуточные стержни, при центральном сжатии по периметру (рис.6.3), при внецентренном по ширине сечения (рис. 6.4).

Рис.6.3. Армирование центрально сжатых колонн:

1 – сварные плоские каркасы; 2 – соединительные стержни; 3 – промежуточные стержни; 4 – шпильки; 5 – хомуты

Максимальный процент армирования µ для колонн рекомендуется принимать в пределах от 1% до 2%, при максимальном насыщении арматурой не более 3%. Если расстояние между продольными стержнями превышает в плоскости изгиба 500 мм, а в направлении перпендикулярном плоскости изгиба 400 мм, между ними необходимо устанавливать конструктивную продольную арматуру диаметром не менее 12 мм. Сварные пространст-

венные каркасы образуются из двух плоских путем приварки поперечных соединительных стержней к крайним стержням плоских каркасов. При большом поперечном сечении ар-

матуры число каркасов может быть увеличено, но все они должны быть соединены попе-

речными стержнями. Если в пространственном каркасе имеются промежуточные стержни,

то они связываются между собой с помощью шпилек, устанавливаемых с тем же шагом что и хомуты. Поперечную арматуру (хомуты) в колоннах устанавливают конструктивно.

Хомуты охватывают всю продольную арматуру и обеспечивают сжатые стержни от боко-

вого выпучивания. Их устанавливают: при арматуре с расчетным сопротивление сжатию

Rsc ≤ 4000 кгс/см2 с шагом не более 500 мм и не более 20 диаметров продольных стерж-

ней в сварных каркасах или 15 диаметров в вязаных (имеется в виду минимальный диа-

метр стержней), а при арматуре с Rsc ≥4500 кгс/см2, с шагом не более 400 мм и, соответ-

ственно, с шагом не меньше чем 15 диаметров в сварных каркасах и не менее 12 диамет-

ров в вязаных каркасах. В местах стыкования продольных стержней без сварки (внахле-

47

стку) расстояние между хомутами не должно превышать 10 диаметров рабочей арматуры.

Кроме того шаг хомутов должен быть не более удвоенной ширины сечения - S ≤ 2b.

Рис.6.4. Армирование железобетонных колонн при действии сжимающей силы и изгибающего момента:

а,б – однорядное и двухрядное армирование наименее сжатой зоны; в – армирование сварными каркасами; д – армирование вязанными каркасами; 1 – сварные плоские каркасы; 2 – соединительные стержни; 3 – шпильки; 4 – хомуты

Переходя к расчету внецентренно сжатых элементов, отметим, что характер их раз-

рушения зависит от эксцентриситета приложения продольной силы и количества армату-

ры. Как и в случае изгиба, при внецентренном сжатии различают два случая разрушения

– случаи больших и малых эксцентриситетов. Случай больших эксцентриситетов анало-

гичен первому случаю разрушения железобетонных элементов при изгибе. Со стороны растянутой зоны сечения образуются трещины, напряжения в наиболее удаленной от ли-

нии действия силы арматуре достигают предела текучести, затем наступает разрушение сжатой зоны бетона. В случае малых эксцентриситетов, арматура со стороны наиболее удаленной от линии действия сжимающей силы или слабо растянута или сжата, напряже-

ния в бетоне сжатой зоны и в расположенной в этой зоне арматуре достигают предельных величин и разрушение наступает подобно второму случаю разрушения изгибаемых эле-

ментов. Граница между этими двумя случаями устанавливается по величине относи-

48

тельной высоты сжатой зоны ξ. Если ξ ≤ ξR имеет место случай больших эксцентриси-

тетов, если ξ > ξR -случай малых эксцентриситетов. Значение величины ξR вычисляет-

ся по уже известному соотношению для изгибаемых элементов

ξR = ω/ [1 + (Rs / σsc,u)(1 - ω/1,1)],

где: ω– характеристика сжатой зоны, для тяжелого бетона ω= 0,85 – 0,0008 Rb ;

σsc,u = 4000 (при благоприятных условиях твердения), размерность кгс/см2.

Рис.6.5. Схема усилий в поперечном сечении сжатого прямоугольного элемента:

а - случай больших эксцентриситетов; б – случай малых эксцентриситетов; 1 – продольная ось элемента; 2 – граница сжатой зоны

На рис. 6.5, в качестве примера, представлена схема усилий и напряжений во вне-

центренно сжатой колонне прямоугольного сечения. В случае больших эксцентриситетов эпюру напряжений в сжатом бетоне принимают прямоугольной (рис.6.5, а), а сами на-

пряжения равными расчетному сопротивлению бетона на сжатие - Rb. Напряжения в растянутой и сжатой арматуре принимаются равными расчетным - соответственно: Rs

и Rsc. В случае малых эксцентриситетов (рис.6,5, б), действительную эпюру напряжений

49

в сжатом бетоне также заменяют прямоугольной, напряжения в бетоне и напряжения в сжатой арматуре принимают равными расчетным: Rb и Rsc. Что же касается арматуры,

расположенной у менее сжатой грани, напряжения в ней принимаются меньше расчетных,

равными величине – σs.

При поверочном расчете прямоугольного сечения проверка прочности производит-

ся по соотношению

центренно сжатого элемента от действия внешних усилий; остальные геометрические

где NCR – условная критическая сила, определяемая согласно нормам проектирования железобетонных конструкций.

Высота сжатой зоны х определится из равенства нулю проекций всех действующих уси-

лий на продольную ось элемента. Для случая больших эксцентриситетов имеем:

где напряжение σs для ненапрягаемой арматуры классов А400 и ниже и бетоне класса В30 и ниже вычисляется по соотношению

В случае центрального сжатия, т.е. если в расчет принимается только случайный

эксцентриситет ea, элементы прямоугольного сечения с симметричной арматурой классов А300 и А400 и при приведенной гибкости ℓ0 / h ≤ 20 разрешается проверять по формуле для продольного изгиба

где: Аb = h b – площадь сечения бетона; γc – коэффициент условий работы: γc = 0,9 при h ≤ 200мм и γc = 1 при h > 200 мм; φ – коэффициент продольного изгиба, учитывающий длительность загружения, гибкость элемента и его армирование, принимается по нормам проектирования конструкций.

При центральном сжатии расчетная длина элементов для вычисления гибкости принима-

ется в зависимости от вида закрепления его концов по правилам строительной механики.

50

Несущую способность центрально сжатых железобетонных элементов можно суще-

ственно повысить, если располагать поперечную арматуру с малым шагом как по длине элемента, так и по его сечению (рис. 6.6). Такое армирование называется косвенным. Его влияние на прочность железобетонного элемента основано на том, что косвенное армиро-

вание препятствует поперечному деформированию сжатого бетона, оно создает некую обойму, которая увеличивает прочность всего элемента. Для элементов с круглым и

Рис.6.6. Центрально сжатые элементы усиленные косвенным армированием:

а – спиралями; б – сварными кольцами; в – сварными сетками

многоугольным сечениями применяют спиральное или кольцевое армирование, для эле-

ментов с прямоугольным сечением применяют косвенное армирование в виде сварных сеток. Часто косвенное армирование применяют только для усиления узловых зон элемен-

тов - баз и капителей колонн.