ХАРАКТЕР РАЗРУШЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В конструкции, подвергаемой изгибу, под действием разрушающей нагрузки возможен излом по сечению, нормальному к продольной оси конструкции, и по наклонному. Излом по нормальному сечению вызывается действием изгибающего момента, по наклонному — совместным действием изгибающего момента и поперечной силы.
В соответствии с современными воззрениями, характер разрушения по нормальному сечению зависит (при прочих равных условиях) от содержания продольной растянутой арматуры, ее механических свойств и уровня предварительного напряжения; естественная форма такого разрушения - физическое разрушение сжатой зоны или растянутой арматуры. При этом считают, что могут быть два случая.Случай 1. В конструкциях слабо армированных при арматуре из твердой стали с малым относительным удлинением при разрыве (менее 4.. .5%) и при высоком уровне ее предварительного напряжения разрушение происходит вследствие разрыва растянутой арматуры.
Деформации крайних сжатых волокон бетона в этом случае не достигают предельных значений, а напряжения в сжатой арматуре — предела текучести и, следовательно, сопротивление сжатой зоны используется неполностью.
Случай 2. В конструкциях с умеренным содержанием растянутой арматуры и в переармированных, т. е. при арматуре, работающей упруго, физическое разрушение происходит по сжатой зоне в результате достижения деформациями крайних сжатых волокон предельных значений. Напряжения в сжатой арматуре могут достигать предела текучести или быть ниже его.
В конструкциях с умеренным содержанием растянутой арматуры при арматуре из мягкой стали сопротивление растянутой зоны используется полностью.
В конструкциях с умеренным содержанием растянутой арматуры при арматуре, не обладающей физическим пределом текучести, а также в переармированных конструкциях, сопротивление растянутой зоны используется неполностью.
Однако, как показывают последние исследования, в принципиальной постановке физическое разрушение сжатой зоны не может считаться единственной формой разрушения таких конструкций.
Наиболее наглядно это можно проиллюстрировать на примере однопролетной свободно опертой умеренно армированной балки при арматуре из мягкой стали. График “нагрузка — кривизна” для такой балки (рис. 2.11) представляет собой пологую (в сильно растянутом масштабе) кривую, нигпадающая ветвь которой может быть реализована (по аналогии с рис. 1.14) лишь при убывающей нагрузке. Если режим нагружения исключает такую возможность, в точке с максимальным изгибающим моментом должно произойти обрушение балки, при этом деформации крайних волокон могут быть достаточно далеки от предельных значений.
Суть этого явления заключается в следующем. При работе нормального сечения в стадии III, т. е. при достижении растянутой арматурой напряжений, равных физическому пределу текучести, равнодействующая сопротивления сжатой зоны при последующем увеличении нагрузки (из условия равновесия внутренних продольных усилий в указанном сечении) остается постоянной. Момент же внутренних сил по мере повышения нагрузки возрастает за счет уменьшения высоты сжатой зоны и, следовательно, увеличения плеча внутренней пары. При этом, однако, точка приложения равнодействующей сопротивления сжатой зоны все более смещается к нулевой линии. В конце концов наступает такое состояние — случай 3, при котором уменьшение высоты сжатой зоны уже не сопровождается увеличением внутреннего момента. Наступление этого состояния характеризуется нарушением силового равновесия сечения.
Аналогичную картину можно наблюдать при определенных условиях (достаточно большая протяженность ниспадающего участка диаграммы сжатого бетона) и при арматуре, не обладающей физическим пределом текучести, а также в переармированных конструкциях, когда рост нагрузки сопровождается смещением нулевой линии вниз, а значит и уменьшением плеча внутренней пары. И хотя равнодействующие сопротивлений сжатой и растянутой зон сечения при этом возрастают, но не столь значительно, чтобы по мере роста нагрузки соблюдалось силовое равновесие. Нарушение равновесия наступает в тот момент, когда при очередной пооции нагружения увеличение равнодействующих уже не может компенсировать уменьшения плеча внутренней пары.
Если речь идет о расчете однопролетных свободноопертых балок, то в практическом отношении все сказанное выше не имеет сколько-нибудь существенного значения, так как разница в нагрузках, вызывающих нарушение силового равновесия, и физическое разрушение сжатой зоны сечения, крайне незначительна.
Иное дело с неразрезными балками. Современные методы расчета таких балок основаны на последовательном рассмотрении ряда состояний каждой конкретной конструкции вплоть до исчерпания ее несущей способности, т. е. вплоть до разрушения по нор мальному сечению с минимальной жесткостью (максимальной кривизной). Поскольку смежные с ним сечения могут работать как в состоянии до нарушения силового равновесия, так и после, для наиболее полной реализации преимуществ имеющихся решений необходимо располагать и жесткостями, соответствующими этим состояниям.
При режиме нагружения, допускающем снижение нагрузки в процессе деформирования балки, нарушение силового равновесия нормального сечения практически исключается и деформирование завершается физическим разрушением сжатой зоны.
Процесс физического разрушения сжатой зоны внешне проявляется в лущении бетона на ее поверхности и в появлении и развитии мелких продольных трещин, аналогичных тем, которые возникают в бетонных призмах непосредственно перед их разделением на части, и завершается раздавливанием бетона либо раздавливанием с выколом.
При наличии мощной сжатой арматуры процесс разрушения сжатой зоны несколько растягивается и завершается выпучиванием арматуры.
При изгибе балки с умеренным содержанием поперечной арматуры в зонах совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил по мере роста нагрузки и развития наклонных трещин балка разделяется на части, соединенные бетоном сжатой зоны и арматурой, пересекаемой трещинами. Разрушение балки характеризуется обычно резким раскрытием одной из наклонных трещин (критической) и последующим физическим разрушением бетона над ней (рис. 2.12) в результате достижения продольными деформациями по направлению действия главных сжимающих напряжений предельных значений, проявляющимся внешне как раздавливание бетона либо как раздавливание с выколом. Напряженное состояние сжатой зоны на подходе к разрушению носит сложный характер, так как наряду с сжимающими действуют касательные напряжения.
Из опытов следует, что при ступенях нагрузки, предшествующих разрушению, в нормальном сечении под силой эпюра деформаций укорочения в вершине наклонной трещины имеет перелом, быстро распрямляющийся по мере удаления от силы к опоре (рис. 2.13).
Распределение деформаций сдвига в указанных сечениях описывается кривой с максимальными значениями у вершины трещины (рис. 2.13, б).
При умеренных процентах поперечного армирования напряжения в хомутах, пересекаемых критической наклонной трещиной, при разрушении балки достигают предела текучести (у устья и у вершины трещины — близки к нему).
Характерной особенностью напряженного состояния продольной растянутой арматуры в зоне пересечения ее критической наклонной трещиной является то, что в ней возникают не только нормальные, но и касательные напряжения (“нагельный эффект”).
Нормальные напряжения в продольной растянутой арматуре в месте ее пересечения критической наклонной трещиной при разрушении балки, как правило, меньше предела текучести. Некоторые исследователи указывают на возможность наличия при деформировании железобетонной балки в наклонной трещине значительных сил зацепления, объясняя это ломаной конфигурацией трещины и шероховатой поверхностью бетона в ней.
В балках таврового и двутаврового сечений с тонкой стенкой и сильной поперечной арматурой в результате включения в работу сжатой полки сопротивление по наклонным сечениям значительно возрастает. Усилия в бетоне такой стенки между наклонными трещинами увеличиваются, сопротивление поперечной арматуры используется неполностью. Наиболее вероятная форма разрушения в этих условиях — физическое разрушение бетона между наклонными трещинами (рис. 2.14) в результате достижения продольными деформациями по направлению действия главных сжимающих напряжений предельных значений. При разрушении стенки возникает сеть часто расположенных наклонных трещин с отслаиванием и последующим раздавливанием бетона.
Одна из возможных причин разрушения балки связана с нарушением анкеровки продольной растянутой арматуры. Продвижка арматуры в толще бетона сопровождается отслаиванием ее от окружающего бетона и образованием вдоль арматуры распространяющихся до опоры продольных трещин. Сжатая зона при этом сокращается и раздавливается (или выкалывается).
В конструкциях, работающих на изгиб с кручением, излом происходит обычно по пространственному сечению. Сжатая зона сечения, замыкая противоположные концы разрушающей трещины, располагается наклонно к продольной оси конструкции. Конструкция разрушается либо в результате достижения деформациями растянутой арматуры в одном или в двух направлениях предельных значений, либо в результате достижения предельных значений деформациями крайних сжатых волокон бетона в направлении действия главных сжимающих напряжений, причем в последнем случае напряжения в растянутой арматуре (в одном или в двух направлениях) могут достигать предела текучести или быть ниже его. Напряженное состояние пространственного сечения на подходе к разрушению носит сложный характер. В сжатой зоне бетона и в растянутой арматуре там, где она пересекается критической спиральной трещиной, кроме нормальных действуют также касательные напряжения.
При определенных условиях помимо разрушения по пространственному сечению возможно также разрушение бетона от сжатия между спиральными трещинами.
Опыты показывают, что при разрушении железобетонной конструкции по пространственному сечению в зависимости от изгибающего и крутящего моментов, а также от наличия и значения поперечной силы, возможны три схемы расположения сжатой зоны. Первая соответствует расположению сжатой зоны у верхней грани конструкции (рис. 2.15, а) и наблюдается при воздействии изгибающего и крутящего моментов, вторая — расположению сжатой зоны у боковой грани (рис. 2.15, б) — при действии крутящего момента и поперечной силы (изгибающий момент настолько мал, что его влиянием можно пренебречь), третья — расположению сжатой зоны у нижней грани (рис. 2.15, в). Такой случай может иметь место в зоне, где действуют небольшие изгибающие моменты и, следовательно, их разрушающее влияние невелико, а верхняя арматура, которая попадает в растянутую зону, значительно слабее нижней.
Голышев А.Б., Бачинский В.Я., Полищук В.П., Железобетонные конструкции, Киев, 2001