Как работает бетон под нагрузкой: Высокопрочный бетон — Как сделать ремонт квартиры самостоятельно?
Высокопрочный бетон — Как сделать ремонт квартиры самостоятельно?
Под прочным бетоном понимается затвердевший бетон. Он должен соответствовать заранее установленным требованиям для данной конструкции (рис. 1).
Рис. 1. Примеры применения бетона
Свойства
Бетон имеет задачу нести нагрузку Поэтому требуется соответствующая нагрузке прочность на сжатие. Если бетон при изгибе работает на растяжение, он получает трещины или разрушается. Изменение формы под нагрузкой называют ползучестью, изменение формы на основе уменьшения объема бетона во время процесса гидратации называют усадкой.
Чтобы улучшить сопротивление трещинообразованию из-за изменения формы бетона, можно применять волокнистый бетон.
Здесь речь идет о бетоне, у которого кроме заполнителя подмешиваются волокна различных материалов. В качестве таких материалов применяют стальные волокна, волокна из стекловолокна, синтетические волокна или углеродистые волокна.
Эти волокна не могут заменить арматуры, однако они снижают трещинообразование и повышают прочность бетона на растяжение.
Структура бетона должна быть такой плотной, чтобы была обеспечена защита от коррозии. При применении бетона для наружных деталей требуется морозостойкость бетона. При хорошем уплотнении содержание пор в теле бетона достаточно мало, однако водонепроницаемость целенаправленно может быть обеспечена только, например, за счет применения добавок и присадок, а также за счет выбора заполнителя соответствующего гранулометрического состава.
Из-за своей высокой плотности бетон имеет плохую теплоизолирующую способность, однако это же свойство придает ему высокую звукоизолирующую способность от воздушного шума. Однако его жесткая структура является причиной недостаточной звукоизоляции бетонных конструкций от корпусного шума и ударного шума по междуэтажным перекрытиям в жилищном строительстве.
Прочность на сжатие является важнейшим свойством бетона.
Она зависит от прочности цемента, водоцементного отношения и гранулометрического состава заполнителя. Бетон с грубозернистым заполнителем имеет меньшую поверхность соприкосновения зерен, и в нем возникает больше пустот (поры насыпи), чем в бетоне с разноразмерным заполнителем. Эти поры должны заполняться цементным клеем. Поэтому следует стремиться к гранулометрическому составу заполнителя согласно регулярной ситовой линии области 3, так как тогда при наибольшем возможном количестве точек соприкосновения зерен заполнителя получается мало воздушных пор.
Твердение начинается через 12 часов после смешивания бетона. Через 3 дня он имеет, например, при применении цемента СЕМ 32,5 R и наружной температуре +20 °С от 50 до 60% своей прочности. После 7 дней его прочность составляет от 65 до 80%, и через 28 дней бетон достигает своей минимальной прочности на сжатие. Дальнейшее нарастание прочности возможно. Она, однако, не учитывается при расчете бетонных конструкций на допустимые нагрузки.
Бетоны с особыми свойствами
Если к конструкциям предъявляются особые требования, как, например, водонепроницаемость или сопротивление воздействию химических материалов или сильным механическим воздействиям, применяют бетон классов экспозиции XD, XF, ХА или ХМ (рис. 2).
Рис. 2. Применение бетона с особыми свойствами
Водонепроницаемый бетон (WU-бетон) для конструкций толщиной около 10 см до 40 см должен быть таким плотным, чтобы глубина проникновения воды в него не превышала 0,6, а при более толстых конструкциях — 0,7 толщины.
Бетон с высокой морозостойкостью применяется, если он во влажном состоянии подвергается резким колебаниям замораживания и оттаивания. Если конструкции подвергаются воздействию еще и солей для оттаивания, то применяют бетон с высокой морозостойкостью и сопротивлением действию оттаивающих солей. В обоих случаях водонепроницаемость бетона необходима.
Заполнитель должен обладать высокой морозостойкостью (eF). Водоцементное отношение не должно превышать граничных значений, установленных нормами. Иногда требуется ограниченное применение порообразуюших добавок. Для бетона, подверженного агрессивному воздействию мороза и солей оттаивания, как, например, дорожное полотно и перекрытия парковок, следует применять виды цемента СЕМ I, СЕМ II класса прочности 32,5 N или СЕМ III класса прочности 42,5 N.
Бетон с высокой сопротивляемостью химической агрессии устанавливается по плотности и по отношению w/z бетона. При сильных воздействиях SO4 на конструкции, например за счет дымовых газов, загрязненных вредными веществами почвы и промышленных сточных вод, требуется применение цемента с высоким сопротивлением воздействию сульфатов.
Высокотемпературный бетон до 250 °С приготавливается с использованием заполнителя, имеющего по возможности малый коэффициент температурного расширения, например известняка.
За бетоном следует в два раза дольше осуществлять последующий уход, чем это требуется при самых невыгодных условиях. Перед первым нагреванием бетон должен просохнуть.
Для предотвращения трещин первое нагревание должно происходить медленно.
Бетон с высокой сопротивляемостью истиранию должен выдерживать особо высокие механические воздействия, например от сильного транспортного движения, падающего насыпного материала, от быстро текущей и содержащей твердые вещества воды, а также от частых ударов при перемещении тяжелых предметов (рис. 3).
Рис. 3. Полы на складах из износостойкого бетона
Зерна заполнителя диаметром до 4 мм должны быть преимущественно из кварца или из материалов по меньшей мере такой же твердости. Для более грубых зерен следует применять каменную породу или искусственно приготовленные материалы с высоким сопротивлением истиранию (износостойкостью). При особо высоких нагрузках подходят такие твердые материалы, как металлические шлаки или металлическая стружка.
Для любого заполнителя требованием является наличие равномерно шероховатой поверхности и жатой формы зерен. Каменный заполнитель должен быть по возможности грубозернистым и по ситовой линии лежать вблизи ситовой линии А или при гранулометрическом составе с выбросами — вблизи ситовых линий В или U. Уход за бетоном после укладки должен производиться в два раза дольше обычного.
Классификация набравшего прочность бетона
Наряду с классификацией бетона по плотности и консистенции бетон подразделяется по прочности на сжатие (на классы прочности на сжатие) и по условиям окружающей среды (классы экспозиции).
Классы бетона по прочности на сжатие
Требуемая минимальная прочность на сжатие зависит от требований к бетону и к конструкциям из него. В DIN EN 206 бетон обозначается сокращенно С (Concrete) и бетоны подразделяются на классы прочности (табл. 1). Присвоение бетону того или иного класса прочности производится по результатам испытаний прочности затвердевших образцов после выдержки в течение 28 дней.
По DIN 1045 прочность на сжатие проверяется на образцах в виде кубиков с длиной стороны 150 мм, если другое не оговаривается. Согласно DIN EN 206 допустимыми являются также цилиндрические образцы диаметром 150 мм и высотой 300 мм.
Полученная прочность считается характеристической прочностью образца и при цилиндрических образцах обозначается fck,cyt а при кубических — fсk,сubе.
| Таблица 1. Классы прочности на сжатие для нормального и тяжелого бетона по DIN EN 206 | |||||
| Класс прочности на сжатие | Характерная минимальная прочность на сжатие цилиндра fck,cytH/мм2 | Характерная минимальная прочность кубиков fck,cube, H/мм2 | Класс прочности на сжатие | Характерная минимальная прочность на сжатие цилиндра fck,cyt, Н/мм2 | Характерная минимальная прочность кубиков fck,cube, Н/мм2 |
| С8/10 | 8 | 10 | С45/55 | 45 | 55 |
| С12/15 | 12 | 15 | С50/60 | 50 | 60 |
| С16/20 | 16 | 20 | С55/67 | 55 | 67 |
| С20/25 | 20 | 25 | С60/75 | 60 | 75 |
| С25/30 | 25 | 30 | С70/85 | 70 | 85 |
| СХ30/37 | 30 | 37 | С80/95 | 80 | 95 |
| С35/45 | 35 | 45 | С90/105 | 90 | 105 |
| С40/50 | 40 | 50 | С100/115 | 100 | 115 |
Это та прочность, которая согласно ожиданиям будет только на 5% ниже всех возможных измеренных значений.
Классы экспозиции
Бетонные конструкции подвержены внешним воздействиям. Они могут привести к повреждениям конструкций. Если, например, бетонная конструкция подвержена постоянному воздействию влажности и мороза, то плотная структура бетона разрушается и арматура больше не будет защищена от коррозии. Также и химические вещества, например соль оттаивания или морская вода, могут вызвать повреждение конструкции.
При определении состава бетона поэтому необходимо учитывать влияния, которым впоследствии будет подвергаться строительная конструкция. Различные условия окружающей среды подразделяются по виду вредных влияний на 7 классов. Их называют классами экспозиции, сокращенно X (табл. 2).
| Таблица 2. Классы экспозиции и граничные значения для состава и свойств бетона по DIN 1045 | |||||
| Классы экспозиции | Описание окружающей среды | Класс прочности на сжатие | Минимальное содержание цемента, кг/м3 | Наибольшее долустимое значение w/z | Конструкции (примеры) |
1. Коррозия и риск воздействий отсутствуют | |||||
| ХО | Для бетона без арматуры | С8/10 | — | — | Фундаменты (без воздействия мороза), внутренние неармированные конструкции |
| 2. Коррозия арматуры вследствие карбонизации | |||||
| ХС1 | Сухо/постоянно мокро | С16/20 | 240 | 0,75 | Внутренние армированные конструкции при обычной влажности воздуха включая кухни, ванные, моечные | ХС2 | Мокро, редко сухо | С16/20 | 240 | 0,75 | Фундаменты, стены подвалов под землей, армированные плиты подошвы (без воздействия мороза) | ХСЗ | Умеренная влажность | С20/25 | 260 | 0,65 | Армированные конструкции на наружном воздухе |
| ХС4 | Попеременно мокро и сухо | С20/25 | 280 | 0,60 | Конструкции снаружи, армированные. Конструкции с высоким сопротивлением проникновению воды, стены подвалов над уровнем грунта |
| 3. Коррозия арматуры, обусловленная хлоридами, за исключением морской воды | |||||
| XD1 | Умеренная влажность | С30/37 | 300 | 0,55 | Конструкции снаружи, с влиянием мороза (горизонтальные), туман от разбрызгиваемой антиобледенительной соли | XD2 | Мокро, редко сухо | С35/45 | 320 | 0,50 | XD3 | Попеременно мокро и сухо | С35/45 | 320 | 0,45 | Конструкции снаружи, с влиянием мороза (вертикальные), солевой туман |
4. Коррозия арматуры, обусловленная хлоридами из морской воды | |||||
| XS1 | Соленый воздух, но нет непосредственного контакта с морской водой | С30/37 | 300 | 0,55 | Наружные конструкции, например устои плотин и заградительных сооружений |
| XS2 | Под водой | С35/45 | 320 | 0,50 | Конструкции портовых сооружений, постоянно находящиеся под водой, например подошвы заградительных сооружений |
| XS3 | Районы приливов, места, подверженные брызгам воды и тумана от разбрызгивания | С35/45 | 320 | 0,45 | Стенки причалов в портовых сооружениях, стены шлюзов |
5. Воздействие мороза с и без антиобледенительных средств | |||||
| XF1 | Умеренное водонасыщение без антиобледенительных средств | С25/30 | 280 | 0,60 | Наружные конструкции |
| XF2 | Среднее водонасыщение при использовании антиобледенителей | С25/30 | 300 | 0,55 | Конструкции в водяном тумане или в местах воздействия брызг воды на обрабатываемых антиобледенителями дорожных поверхноcтях, если это не XF4, конструкции в местах воздействия брызг морской воды |
| С35/45 | 320 | 0,50 | |||
| XF3 | Высокое водонасыщение без антиобледенителей | С25/30 | 300 | 0,55 | Открытые резервуары для воды, строительные конструкции при периодическом воздействии пресной воды |
| С35/45 | 320 | 0,50 | |||
| XF4 | Высокое водонасыщение при воздействии антиобледенительных средств | С30/37 | 320 | 0,50 | Плоскости дорожного покрытия, обрабатываемые антиобледенителями, преимущественно горизонтальные конструкции дорожных покрытий, находящиеся под воздействием брызг воды, при воздействии антиоблединительных солей |
6. Коррозия бетона при химических воздействиях | |||||
| ХА1 | Окружающая среда, химически слабо воздействующая на бетон | С25/30 | 280 | 0,60 | Стены подвалов и водонепроницаемые сооружения со слабым химическим воздействием на них, резервуары очистных сооружений, дождеприемные резервуары |
| XA2 | Химически среднее воздействие на окружающую среду | С35/45 | 320 | 0,50 | Стены подвалов в земле и водонепроницаемые сооружения при среднем химическом воздействии, бетонные конструкции, соприкасающиеся с морской водой |
| ХА3 | Химически сильное воздействие на окружающую сраду | С35/45 | 320 | 0,45 | Промышленные водоотводные сооружения при наличии химически агрессивных стоков, силосные ямы, градирни с отведением дымовых газов |
7. Коррозия бетона из-за истирающих нагрузок | |||||
| XM1 | Умеренные истирающие нагрузки | С30/37 | 300 | 0,55 | Несущие промышленные полы или полы жесткости при нагрузке от транспортных средств на надувном резиновом ходу |
| XM2 | Сильные истирающие нагрузки | С30/37 | 300 | 0,55 | Несущие промышпенные попы и попы жесткости при нагрузке от вилочных погрузчиков на надувном ипи цельном резиновом ходу |
| С35/45 | 320 | 0,45 | |||
| XM3 | Очень сильные истирающие нагрузки | С35/45 | 320 | 0,45 | Поверхности, по которым часто перемещаются гусеничные транспортные средства |
- Нет риска коррозии и агрессивных воздействий (ХО = без агрессивных воздействий).
- Коррозия арматуры, инициированная карбонизацией (ХС = карбонизация).
- Коррозия арматуры, обусловленная хлоридами, за исключением морской воды (XD = Deicing Salt — солевой антиобледенитель дорожных покрытий).
- Коррозия арматуры, обусловленная хлоридами морской воды (XS = Seawater — морская вода).
- Удар мороза без оттаиваюших средств (XF = Freesing — замораживание).
- Химическая агрессия против бетона, например от природных грунтов или сточных вод (ХА = химическая кислота).
- Агрессия против бетона истирающих нагрузок (ХМ = механическое истирание).
Однако бетонная конструкция может подвергаться многим влияниям. Это может быть выражено с помощью комбинации классов экспозиции.
Для того чтобы бетон для конструкции достиг желаемых свойств, DIN 1045 устанавливает граничные значения для минимального содержания цемента и наибольшего допустимого значения w/z для применяемых классов по прочности на сжатие (см.
табл. 2).
Основной закон прочности бетона — Бетоны
Основной закон прочности бетона
Бетон работает под нагрузкой как единый композиционный материал, и в формировании его прочности участвуют цементный камень (матрица), зерна заполнителя и контактный слой между ними. Иными словами, прочность бетона зависит от прочности составляющих его материалов и от прочности сцепления их друг с другом. Прочность заполнителя (песка, щебня, гравия) в тяжелом бетоне, как правило, выше заданной прочности бетона, поэтому мало влияет на последнюю.
Таким образом, прочность бетона определяется в основном двумя факторами: – прочностью затвердевшего цементного камня; – прочностью его сцепления с заполнителем.
Прочность цементного камня, в свою очередь, зависит от двух факторов: активности (марки) используемого цемента (Rn) и соотношения количеств цемента и воды (Ц/В).
Чем выше марка цемента, тем при прочих равных условиях будет прочнее цементный камень, так как марка цемента — это в действительности прочность модельного (мелкозернистого) бетона, отформованного и твердевшего в стандартных условиях.
Зависимость прочности цементного камня от соотношения цемента и воды в бетонной смеси объясняется следующим. Цемент при твердении химически связывает не более 20…25% воды от своей массы. Но чтобы обеспечить необходимую пластичность цементного теста и соответственно подвижность бетонной смеси, необходи брать 40…80% воды от массы цемента. Вода, кроме того, необходи для смачивания поверхности песка и крупного заполнителя: больш удельная поверхность заполнителя требует большего расхода воды. Естественно, чем больше в бетоне будет свободной, химически не связанной воды, тем больше впоследствии будет пор в цементном камне и соответственно ниже станет его прочность.
С другой стороны, если не обеспечить необходимую удобоукла-дываемость бетонной смеси, соответствующую принятому в данном конкретном случае методу уплотнения, то из-за недоуплотнения в структуре бетона появятся крупные пустоты и участки с нарушенной связью «цементный камень — заполнитель», что приведет к резкому снижению прочности бетона.
Экспериментально кривая зависимости прочности бетона от количества воды затворения (В) при постоянном расходе цемента (Ц) (т. е. фактически от В/Ц) и при одинаковом методе уплотнения подтверждает сказанное выше. Левая ветвь кривой отвечает не-доуплотненным бетонным смесям, слишком жестким для данного способа уплотнения. При возрастании количества воды затворения до известного предела бетонная смесь укладывается плотнее, уменьшается объем пустот, а прочность бетона повышается. При оптимальном (для данного способа уплотнения) количестве воды бетон имеет наибольшую прочность и плотность, что соответствует максимуму на кривой прочности. Дальнейшее увеличение количества воды разжижает бетонную смесь, повышает ее подвижность. Однако добавляемая вода лишь частично связывается цементом, а избыток ее образует в бетоне поры — и в результате прочность бетона понижается (правая ветвь кривой).
Для каждой бетонной смеси существует оптимальное количество воды, которое позволяет получить при данном способе уплотнения бетон с минимальной пористостью и наибольшей прочностью.
Прочность сцепления между цементным камнем и заполнителем определяется в основном качеством поверхности заполнителя. Для обеспечения высокой прочности сцепления поверхность зерен заполнителя должна быть чистой и шероховатой. Например, бетон на щебне при прочих равных условиях прочнее бетона на гравии.
Читать далее:
Легкие бетоны
Железобетон
Бетон для монолитных конструкции
Производственные факторы, определяющие качество бетона
Определение состава бетона
Структура и свойства тяжелого бетона
Добавки к бетону и строительному раствор
Вода
Мелкий заполнитель
Характеристика заполнителей
Основы расчета железобетона. 200 вопросов и ответов, стр. №9
Условие равновесия: Ncrc = Nbt + Ns, где Nbt = RbtAb, Ns = P2 + DNsp = ssp2Asp + 2aRbtAsp. Окончательно: Ncrc= P2 + Rbt (Ab+ 2aAsp).
Стадия 6 – после образования трещин бетон выключается из работы и всю нагрузку воспринимает одна арматура (так же, как элемент с обычной арматурой на стадии 3).
Таким образом, трещиностойкость (т.е. усилие образования трещин Ncrc) преднапряженного элемента по сравнению с обычным выросла на величину силы обжатия Р2 (рис. 24,в). Подобные же стадии работы и у изгибаемых элементов, только с более сложными эпюрами напряжений.
51. Почему напряжения при обжатии определяют исходя из упругих деформаций бетона?
В первые мгновения после передачи усилия обжатия бетон работает практически упруго, а напряжение sbp в нем можно определять по обычным формулам сопромата. От величин именно этих напряжений зависят в дальнейшем деформации ползучести, а от них – и потери напряжений в напрягаемой арматуре. Как видим, в этом случае никаких погрешностей в расчете нет. Для случая расчета по закрытию трещин объяснение дано в вопросе 162.
Для остальных случаев заведомо допускается некоторая погрешность, чтобы исключить неоправданное усложнение расчетов.
Однако погрешность эта компенсируется поправочными коэффициентами, например, коэффициентом j при подсчете величины радиуса ядра сечения и коэффициентом g при подсчете величины упруго-пластического момента сопротивления (см. вопрос 152).
52. Есть ли смысл создавать преднапряжение в элементах, сжатых внешней нагрузкой?
На первый взгляд, это кажется бессмысленным. Действительно, зачем к сжатию бетона внешней нагрузкой добавлять еще и предварительное обжатие? И все же такие случаи встречаются. Например, для многоэтажных зданий иногда изготавливают цельные, очень длинные колонны, что весьма удобно для монтажников – исключается трудоемкая стыковка коротких колонн. Но поднять и перевести длинную колонну невозможно: или она сломается, или в ней образуются недопустимо широкие трещины под воздействием изгибающего момента МW от собственного веса qW (рис. 25,а). Если колонну изготовить преднапряженной, то вместо работы только на изгиб она будет работать на сжатие (Р) с изгибом (МW), т.
е. на внецентренное сжатие. Причем силу обжатия Р можно подобрать таким образом, что растягивающих напряжений в бетоне вообще не будет. Аналогичное решение применяют и к длинным сваям.
Другой пример: в изгибаемых элементах в зоне, которая будет сжата от внешней нагрузки, могут образовываться недопустимо широкие трещины на стадии обжатия силой Р. Если нельзя уменьшить Р, то приходится ставить напрягаемую арматуру S´p в сжатой зоне и создавать еще одну силу обжатия Р´ (рис. 25,б).
Разумеется, напрягаемая арматура в сжатой зоне играет положительную роль, пока конструкция не загружена внешней нагрузкой. Далее ее роль отрицательна, за исключением одного случая: если ssc,u— ssp2 > 0, то в напрягаемой арматуре растягивающие напряжения перейдут в сжимающие и она начнет работать как обычная сжатая арматура (здесь ssp2 – величина преднапряжения с учетом всех потерь, а ssc,u – предельные напряжения в стали, которые могут быть достигнуты в момент разрушения сжатого бетона; их принимают равными 500, 400 или 330 МПа в зависимости от длительности действия сжимающей нагрузки на бетон; см.
также вопрос 27).
Рис. 25, Рис. 26
53. Что такое самоанкерующаяся арматура?
Силу натяжения арматуры можно передать на бетон двумя способами: через концевые анкера (рис. 26,а) или за счет сил сцепления (рис. 26,б). Первый способ применяют, преимущественно, при натяжении на бетон, второй — на упоры. При втором способе анкера не нужны, арматура сама заанкеривается в бетоне, поэтому и называется самоанкерующейся. Такой арматуре для уравновешивания силы обжатия Р необходимо иметь достаточную сумму сил сцепления (∑Тсц =Р), которые действуют в концевом участке – этот участок называется зоной передачи напряжений lp. Длина lp тем меньше, чем больше силы сцепления Тсц, которые зависят от профиля арматуры, ее диаметра d, передаточной прочности бетона Rbp и, конечно же, от величины преднапряжения ssp. Величину lp определяют по формуле: lp = (w ssp/Rbp +lp)d, где w и lp – эмпирические коэффициенты, учитывающие профиль арматуры.
В соответствии с характером действия Тсц меняется и усилие обжатия Рx – от нуля в торце до Р в конце зоны lp. Величина Рx меняется по сложному закону (пунктирная линия на рис. 26,б), для простоты расчетов замененному линейным законом: Рx = (lx / lp)Р ≤ Р. Очевидно, что по такому же закону меняются и напряжения обжатия в бетоне sbp.
54. В каких расчетах используют lp?
Используют тогда, когда необходимо учесть уменьшение силы обжатия бетона и ослабление сцепления арматуры с бетоном в концевых участках, т.е. в расчете трещиностойкости опорных участков (наклонные сечения), в расчете прочности наклонных сечений на изгибающий момент, в расчете прочности и трещиностойкости нормальных сечений концевых участков при действии монтажных и транспортных нагрузок и т.п. Когда дело касается учета анкеровки напрягаемой арматуры, то составители Норм проектирования, упрощая задачу, предложили принимать большее из значений lan (см.
вопрос 17) иlp.
В действительности же, природа сцепления при выдергивании арматуры и при передаче усилия ее натяжения на бетон совершенно различна: если в первом случае арматура максимально смещается относительно бетона вблизи опасной трещины, то во втором – в торце конструкции.
55. С какой целью в концевых участках преднапряженных конструкций устанавливают косвенную арматуру?
Напрягаемые стержни, канаты, проволока представляют собой сосредоточенные силы, приложенные в торцах конструкций. Самоанкерующаяся арматура, кроме того, работает как клин, сужающийся по длине lp (сужение происходит от поперечных деформаций, пропорциональных продольным). В итоге, в бетоне образуются продольные трещины, которые можно предотвратить или сдержать арматурой поперечного направления. Сдерживая поперечные деформации, она косвенно повышает прочность бетона (см. вопрос 8) – отсюда и название “косвенная арматура”. Косвенной арматурой могут служить сварные сетки, спирали, анкера закладной детали и т.
п. Косвенная арматура должна устанавливаться с шагом 50…100 мм на длине не менее 0,6lp.
Страницы:
Преднапряжение канатной арматуры
Суть технологии преднапряжения с натяжением на бетон в построечных условиях (постнапряжение) заключается в том, что напрягаемая арматура натягивается после бетонирования и набора бетоном достаточной прочности. В результате напрягаемая арматура (канат) лучше воспринимает нагрузки, которые оказывают на нее внешние силы в течение всего срока службы сооружения.
Компания Энерпром осуществляет поставки оборудования для преднапряжения железобетона на строительные объекты. Кроме этого мы оказываем техническую и информационную поддержку на всех стадиях работ — начиная от получения проекта и заканчивая сдачей объекта.
Порядок преднапряжения железобетона
Суть метода в том, что между верхней и нижней арматурной сеткой в будущем перекрытии прокладываются стальные канаты. Их размещают с переменной высотой размещения в зависимости от зоны возникновения напряжения растяжения.
Канаты проталкиваются в каналообразователь (пластиковую оболочку) при помощи проталкивателя каната, чтобы исключить сцепление бетона с канатом. После набора бетоном 70-75% от необходимой прочности канаты подвергаются напряжению и анкеруются. Напряжение производится при помощи гидравлических домкратов-натяжителей.
Домкрат закрепляют напротив одного из, размещенных в бетонной конструкции, анкеров каната (активный анкер) и натягивают канат с определенной силой с помощью маслостанции. В результате происходит передача нагрузки изгиба от бетона на канаты. Метод основан на свойственных бетону особенностях – становиться более устойчивым к разрушению при сжатии.
Преднапряженное армирование
Как известно, бетон очень устойчив к силам сжатия и неустойчив к силам растяжения (прочность бетона при растяжении составляет приблизительно 10% от прочности растяжения). Традиционые железобетонные конструкции перекрытия (плита, балка) при воздействии нагрузки приобретают определенный изгиб, в результате нижняя часть (зона растяжения) поперечного сечения приобретает удлинение.
Даже незначительное удлинение достаточно для появления трещин. Стальная арматура, которая обычно размещается в зоне растяжения, чтобы ограничить ширину трещин и взять на себя напряжение растяжения, работает как «пассивное» армирование — она не воспринимает воздействие сил (не включается в общую работу конструкции) до момента, когда бетонная конструкция приобретает изгиб, достаточный для образования трещин.
В случае с постнапряженной железобетонной конструкцией ее армирование работает, как «активное» армирование. Так как канаты подвергнуты напряжению, армирование эффективно (включается в общую работу конструкции), даже если трещины в бетоне не появились. Таким образом, постнапряженные железобетонные конструкции при полной нагрузке могут быть запроектированы с минимальным изгибом и образованием трещин.
Существует два типа систем постнапряженного армирования: несвязанные и связанные.
Несвязанная система постнапряженного армирования
В несвязанной системе постнапряженного армирования канаты с бетоном не находятся в прямой связи.
Самые распространенные несвязанные системы постнапряженного армирования – это системы типа одного каната, которые используются для балок и плит перекрытия зданий, для многоэтажных автостоянок и плит на грунте. Элемент системы армирования типа одного каната состоит из семи проволок, покрытых антикоррозийной смазкой и помещенных в пластиковую оболочку и анкеровки, состоящей из литого металлического элемента (анкера) и конического трехлепесткового клина – для заклинивания каната.
Для анкерования каната используются два анкера (на каждом конце по одному), которые передают силу сжатия на конструкцию. Один из анкеров выполняет функцию пассивного анкера, второй — функцию активного анкера. Через активный анкер выполняется растяжение каната, в свою очередь, пассивный анкер обеспечивает анкерование на другом конце каната. В случае длинного элемента системы армирования типа одного каната по длине могут быть введены промежуточные анкеры.
Связанная система постнапряженного армирования
В связанной системе постнапряженного армирования канаты в пластиковой или металлической оболочке расположены два или более каната.
Эти канаты подвержены напряжению большими многоарматурными гидравлическими домкратами и заанкерованы в соответствующих анкерах. После выполнения напряжения оболочка каната заполняется цементным раствором, который обеспечивает антикоррозийную защиту, а также связывает канат с бетоном расположенным вокруг оболочки. Связанные системы армирования используются для мостов, вантовых мостов. На стройках эти системы обычно используются только для очень сильно нагруженных балок.
Нестационарное поведение полномасштабных переработанных железобетонных балок при длительном нагружении
4.1. Формула расчета, основанная на теории длительной деформации бетона
Полный прогиб бетонной балки при длительном нагружении можно разделить на три части: начальный прогиб, вызванный нагрузкой, приращение прогиба, вызванное ползучести бетона, и усадка бетона. .
Распределение напряжения-деформации сечения бетонной балки под действием длительной нагрузки показано на рис.
Зависимость распределения напряжения от деформации сечения балки.
( a ) Деформация сечения балки при t 0 и t ; ( b ) напряжение сечения балки при t 0 ; ( c ) Напряжение сечения балки при т.
t 0 определяется как начальный момент нагружения балки до стабильной длительной нагрузки, а t — любой момент времени в процессе длительного нагружения.В процессе нагружения стержни на растяжение и сжатие испытывают фиксированный изгибающий момент. Из-за эффекта усадки и ползучести деформации бетона в зоне сжатия со временем увеличиваются, но арматура не будет усаживаться или ползти. Следовательно, деформация бетона в зоне сжатия будет ограничена сжатой арматурой. Сжимающие напряжения в бетоне со временем будут продолжать передаваться на арматуру, а внутренняя сила будет продолжать перераспределяться.Из-за фиксированного изгибающего момента для поддержания баланса напряжений в сечении высота области сжатия бетона будет продолжать увеличиваться.
Поэтому усадка и ползучесть бетона являются основной причиной увеличения деформации бетонной балки со временем.
При расчете на длительный прогиб железобетонных балок приняты следующие основные допущения [54,55]: , а напряжения бетона в зоне сжатия не учитываются.
(2)
Под действием долговременной нагрузки допущение о плоском сечении остается в силе.
(3)
При длительном нагружении арматура и бетон работают вместе без относительного проскальзывания.
(4)
При длительном нагружении напряжение растягивающихся стальных стержней изменяется незначительно и им можно пренебречь.
(5)
Расчет выполнен методом эффективного модуля с поправкой на возраст.
В период времени с t 0 до t , поскольку приращение внутренней силы и момента равно 0, уравнения (2) и (3) могут быть получены.
ΔNc(t,t0)+ΔNs′(t,t0)+ΔNs(t,t0)=0
(2)
Nc(t)(h0−x3)−Nc(t0)(h0−x03 )+ΔNs′(t,t0)(h0−as′)=0
(3)
где ΔNc(t,t0), ΔNs(t,t0) и ΔNs′(t,t0) — приращение равнодействующей силы напряжения сжатия бетона, арматуры сжатия и арматуры растяжения от t 0 от до т соответственно; Nc(t) и Nc(t0) – результирующие сжимающие напряжения бетона при t и t 0 соответственно; h 0 – эффективная высота сечения балки; х и х 0 — высоты зоны сжатия сечения балки при t и t 0 соответственно; as′ – расстояние от результирующей точки сжатой арматуры до края зоны сжатия бетона.
Уравнения (4) и (5) могут быть получены благодаря предположению о плоском сечении и методу эффективного модуля с поправкой на возраст.
Δψ=Δεcd=Δεs′d−as′=Δεsh0−d
(4)
Ec(t,t0)=Ec0[1+χ(t,t0)ϕ(t,t0)]
( 5)
где Δεc, Δεs и Δεs′ – значения корректировки деформации бетона на краю зоны сжатия, растянутой арматуры и сжатой арматуры балки от t 0 до t соответственно; E(t,t0) — эффективный модуль упругости бетона с поправкой на возраст при t ; Ec0 – модуль упругости бетона при t 0 ; χ(t,t0) — коэффициент с поправкой на возраст, который можно упростить как χ; ϕ(t,t0) – коэффициент ползучести бетона от t 0 до t , где коэффициент ползучести – отношение деформации ползучести εcc к начальной упругой деформации под нагрузкой εc0, которое может быть упрощено как ϕ.
От t 0 до t корректировка деформации сжатия бетона на краю зоны сжатия сечения балки Δεc может быть выражена уравнением (6).
Δεc=εc0⋅ϕ+ΔσcEc(t,t0)+εsh(t,t0)
(6)
где Δσc — корректировка напряжения сжатия бетона от t 0 до t , а εsh(t,t0) — деформация усадки бетона от t 0 до t , который можно упростить до εsh.
Приращение кривизны сечения можно выразить уравнением (7).
Δψ=Δεcd=εc0[ϕ−1−χϕ+x0x(χϕ+1)]+εshh0[1+2αEρ′(1−as′/h0)x/h0(χϕ+1)]
(7)
Видно, что параметры формулы относительно сложные. Для упрощения расчета некоторые параметры упрощаются исходя из выполнения следующих требований точности [56]:
(1)
as′/h0 следует принимать равным 0,1 при условии выполнения конструктивных требований к усилению сечения балки.
(2)
χ обычно принимается равным 0,8.
(3)
xh0 можно рассматривать как xx0⋅x0h0; приблизительные значения составляют 1,25 и 0,3 соответственно.
Упрощенное выражение дополнительной кривизны Δψ может быть выражено уравнением (8).
Δψ=Δψc+Δψs=ψ0x0h00,84ϕ−0,21+12,5αEρ′+εshh011+12,5αEρ′
(8)
где Δψc — кривизна, вызванная ползучестью, а Δψs — кривизна, вызванная усадкой.
Прогиб балки, вызванный ползучестью, может быть связан с кривизной ползучести посредством принципа виртуальной работы, а кривизна, вызванная усадкой, постоянна вдоль продольного направления балки. Формула расчета деформации ползучести и усадки может быть выражена уравнениями (9) и (10).
Δfcr=∫0lΔψc(x)M¯(x)dx
(9)
Прогиб бетонной балки в середине пролета под длительной нагрузкой может быть выражен уравнением (11).
f=Δfкр+Δfш=f0+f0x0h00,84ϕ−0,21+12,5αEρ′+l2εsh8h011+12,5αEρ′
(11)
Временное нагружение можно рассчитать, определив коэффициент ползучести ϕ и деформацию усадки εsh.
4.2. Метод расчета начального прогиба
Прогиб балок под нагрузкой рассчитывается по уравнению (12).
f0=Fa24Bs(3l2−4a2)±5ql4384Bs
(12)
где Bs — кратковременная жесткость бетонной балки, a — расстояние от опоры до точки нагрузки, а l — расстояние между двумя опорами.
Кратковременную жесткость балок можно рассчитать методом анализа жесткости. Формула расчета жесткости на основе аналитического метода в GB50010-2010 [39] приведена в уравнении (13).
БС=ЭСАШ021.15ψ+0,2+6αЭр
(13)
где ES — модуль упругости арматуры; AS – общая площадь сечения растянутой арматуры; ψ – коэффициент неравномерности продольной растянутой арматуры, ψ=1,1−0,65ft/(ρteσs); футы и футы
— прочность бетона на осевое растяжение и прочность на сжатие соответственно; α c2 — коэффициент уменьшения, учитывающий хрупкость бетона, со значениями в диапазоне от 0.87 к 1; σ s – напряжение стали в сечении трещины, σs=M/(ASηh0); η — коэффициент плеча внутренней силы участка с трещиной; М — изгибающий момент в среднем пролете балки; αЕ — отношение модуля упругости арматуры к модулю упругости бетона; ρ – коэффициент армирования; ρte – коэффициент армирования продольных растянутых стальных стержней, рассчитанный по эффективной площади растянутого бетонного сечения, ρte=AS0.
5бх.
Сравнение рассчитанного по формуле прогиба и измеренного значения показано на и .
Таблица 6
Расчетный начальный прогиб образцов без РФА по аналитическому методу расчета жесткости.
| Образец | Первоначальный прогиб (мм) | Аналитический метод расчета жесткости | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Расчетное значение исходного отклонения (мм) | Соотношение расчетного значения к измеренному значению | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| D0/0-L | 1. 883 | +2,092 | 1,111 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| D33 / 0-L | 2,004 | 2,182 | 1,089 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| D66 / 0-L | 1,930 | 2,235 | 1,158 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| D 0/0 -H | 4,759 | 1,079 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| D33 / 0-Н | 4,806 | 1,126 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| D66 / 0-Н | 4,430 | 1,022 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| D100/0-H | 4. 590 | 4,919 | 1,072 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| G0 / 0-L | 1,767 | 1,919 | 1,086 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| G100 / 0-L | 1,721 | 2,058 | 1,195 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| G0 / 0 -H | 3,659 | 0,885 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| G33 / 0-Н | 4,158 | 1,070 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| G66 / 0-Н | 3,886 | 1,153 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| G100/0-H | 3. Таблица 7
показывает, что для образцов без РФА средний коэффициент начального прогиба, рассчитанный методом анализа жесткости, равен 1. 4.3. Метод расчета приращения прогиба В формуле ϕ и εsh обычно рассчитываются с помощью модели прогнозирования усадки и ползучести бетона.
Таким образом, на основе данных испытаний модель прогнозирования усадки и ползучести RAC может быть получена путем изменения характеристик RAC. Кривые времени выдерживания прогибной нагрузки балок NAC при низких коэффициентах напряжения, полученные с помощью трех вышеуказанных моделей, показаны на рис. Сравнение расчетных значений и тестовых значений каждой модели для балок NAC при низком коэффициенте напряжения. ( a ) Образец D0/0-L; ( b ) Образец G0/0-L. По сравнению с балками NAC большая самоусадка RAC является основной причиной большего отклонения середины пролета балки RAC.На основании этого результата к усадочной деформации прогнозной модели применяется поправочный коэффициент. При высоком коэффициенте напряжения RCA и коэффициент напряжения будут совместно влиять на развитие прогиба балок RAC. Однако в этом исследовании было получено меньше данных о высоких коэффициентах стресса, а стресс был более концентрированным, чем в других исследованиях. На основе результатов подгонки данных испытаний и с учетом характеристик RAC предлагаются новые факторы влияния, основанные на коэффициенте влияния деформации усадки εcso:εRCA, который основан на влиянии RCA и соответствующим образом увеличен, и εRFA, который основан на влиянии RFA. Значения εRCA={1(α≤30%)1,25(30%<α≤70%) 1,4(70%<α≤100%) εRFA={1,5(α≤50%)1,8(α>50%) На основе коэффициентов εRCA и εRFA кривая прогиба образца рассчитывается по уравнениям (2)–(13).Сравнения между рассчитанными кривыми и измеренными кривыми времени выдерживания прогиба и нагрузки балок RAC, полученных путем настройки модели, показаны на . Некоторые периоды времени выбираются для сравнения результатов расчетов с измеренными значениями для изучения их ошибок, включая 1, 28, 90, 180, 360, 540 и 744 дня. Сравнение расчетных значений и измеренных значений балок RAC.( и ) D33/0-L; ( б ) Д66/0-Л; ( с ) G100/0-L; ( г ) Д33/0-Н; ( и ) D66/0-H; ( ф ) Д100/0-Н; ( г ) G33/0-H; ( ч ) G66/0-H; ( и )G100/0-H; ( и )D66/50-H; ( к ) Д100/50-Н; ( л ) D100/100-H. Сравнение результатов испытаний и расчетных результатов. ( a ) Соотношения различных типов образцов; ( b ) средние соотношения образцов. Таблица 8Отношение расчетного прогиба к измеренному прогибу образцов в разные периоды времени.
Из результатов видно, что расчетные значения, полученные с использованием модели прогнозирования RAC, модифицированной моделью CEB-FIP2010, хорошо согласуются с данными испытаний. Экспериментальные и теоретические исследования характеристик изгиба железобетонных балок из нержавеющей стали В этой статье изучаются и анализируются характеристики изгиба железобетонных балок из нержавеющей стали (SS).Мы в основном фокусируемся на их режиме трещины, режиме разрушения, кривой нагрузки-прогиба и несущей способности. Шесть балок с испытательными параметрами, включая диаметр армирования, тип армирования и расстояние между хомутами, были испытаны на 4-точечный изгиб. 1. ВведениеНержавеющая сталь обладает многими выдающимися свойствами, которые можно использовать в инженерном строительстве. Коррозионная стойкость играет важнейшую роль в обеспечении устойчивости железобетонных конструкций [3, 4]. Возникновение проблем коррозии стали сопровождается высокими затратами на техническое обслуживание и интервалами технического обслуживания. Было проведено множество исследований коррозионной стойкости арматуры из нержавеющей стали в бетоне. При определенной концентрации хлорид-иона пассивирующая пленка железобетонной конструкции из нержавеющей стали будет разрушена, и ее долговечность окажется под угрозой. С другой стороны, многие исследователи изучали механические свойства нержавеющей стали, остаточные напряжения, высокотемпературные свойства, свойства при растяжении и т. д. [14–23]. В испытании на одноосное растяжение при комнатной температуре нержавеющая сталь не имеет четко определенного предела текучести и демонстрирует отличные характеристики деформационного упрочнения.Кроме того, процесс холодной штамповки оказывает определенное влияние на механические свойства нержавеющей стали. В процессе холодной штамповки номинальный предел текучести и предел прочности при растяжении нержавеющей стали увеличиваются, а относительное удлинение уменьшается. В последнее время сообщалось о некоторых исследованиях конструкционных свойств железобетонных конструкций из нержавеющей стали. Некоторые исследования показали, что замена арматуры из углеродистой стали на арматуру из нержавеющей стали мало повлияла на свойства сцепления [24–26]. Хассанейн и Сильвестр [27] изучили механические свойства наклонных дуплексных балок из нержавеющей стали при изгибе, используя модель конечных элементов для анализа, и пришли к выводу, что прогноз изгиба, предусмотренный EN 1993-1-4, является консервативным. Однако в настоящее время нет экспериментальных исследований характеристик изгиба железобетонных конструкций из нержавеющей стали. В данной работе были изготовлены и испытаны два комплекта образцов. В качестве переменных рассматривались тип (армирование из нержавеющей стали и рядовое армирование) и диаметр (6,5, 12 и 16 мм) армирования. Кроме того, на основе теории проектирования железобетонных изгибаемых элементов и экспериментальных результатов были оценены прогнозные уравнения китайских и американских норм для характеристик изгиба.Тем временем были разработаны модели конечных элементов для проверки и прогнозирования экспериментальных результатов. 2. Теория расчета железобетонных изгибаемых элементов Методы расчета предельных условий вероятности, используемые в действующих китайских нормах GB 50010-2010 [30] и американских нормах ACI 318-14 [31], делят предельное состояние инженерных конструкций на два типа: предельные состояния по предельной прочности и предельные состояния по эксплуатационной пригодности. 2.1. Изгибающая способность нормального сечения Теоретический предельный момент представляет собой изгибающую способность нормального сечения, которая предлагается по следующей формуле: где коэффициент сопротивления сечения, расчетное значение прочности бетона на осевое сжатие, ширина прямоугольного сечения и — эффективная высота сечения. 2.2. Прочность на сдвиг косой секцииВо избежание хрупкого разрушения количество хомутов в проекте должно соответствовать требованиям конструкции. Шесть балок в этом испытании были оборудованы скобами и не были оснащены изогнутой арматурой. Предельная способность балки к сдвигу складывается из силы сдвига бетона и силы сдвига хомутов. Таким образом, основной метод расчета на срез косого сечения балок представлен в , где предельная срезывающая способность косого сечения, сдвигающая способность бетона и сдвигающая способность хомутов. 2.3. Крекинг-момент Расчет крекинг-момента в китайских и американских нормах отличается. Уравнение (3) показывает метод расчета теоретического момента растрескивания бетона в ACI 318-14: где теоретическое значение момента растрескивания бетона. — прочность бетона на изгиб при растяжении, , — прочность на сжатие испытательного блока бетонного цилиндра, а его отношение преобразования к кубической прочности на сжатие составляет . Как показано в уравнении (4), теоретическое значение момента образования трещин в ГБ 50010-2010 связано с прочностью и размерами арматуры и бетона: где — теоретическое значение момента разрушения бетона, — коэффициенты пластичности модуль сечения, — коэффициент контроля растягивающего напряжения бетона, — стандартное значение прочности бетона на растяжение, — преобразованный модуль сечения до края растянутого бетона, рассчитанный по формуле, где — момент сопротивления сечения на осях центроидов, — расстояние между преобразованным сечением центр тяжести и кромка сжатия сечения, а – высота сечения. 3. Экспериментальная программа3.1. Материалы Армирование шести балок включало арматуру из нержавеющей стали и арматуру из обычной стали. Как показано на рисунке 1, арматура из нержавеющей стали представляла собой арматуру из нержавеющей стали 022Cr22Ni5Mo3N производства Shanxi Taigang Stainless Steel Co.
В таблице 1 показаны свойства материала стальной арматуры. Удлинение арматуры из нержавеющей стали превышает 30%. По сравнению с обычной стальной арматурой, арматура из нержавеющей стали обладает более высокой прочностью, более высоким коэффициентом текучести, большим удлинением и более низким модулем упругости.Механические свойства и технологические свойства арматуры из нержавеющей стали соответствуют требованиям к формованию и конструкционному использованию компонентов бетона. В таблице 2 представлены пропорции бетонной смеси, удельная расчетная прочность бетона составила 30 МПа.
3.2. Экспериментальный дизайнНа рис. 2 показаны шесть образцов и процесс их изготовления. Имелись две изгибаемые железобетонные балки из нержавеющей стали (номера BKW1 и BKW2), две изгибаемые железобетонные балки из нержавеющей стали (номера BKJ1 и BKJ2), одна обычная железобетонная изгибающая балка (№ PKW1) и одна обычная железобетонная поперечная балка ( Нет.ПКЖ1). На рис. 3 показаны детали продольной арматуры. Все балки были спроектированы с длиной 2400 мм и прямоугольным поперечным сечением 150 × 300 мм. Пролет балки в чистом виде составлял 1800 мм, а длина участка чистого изгиба – 600 мм.
В таблице 3 подробно показаны типы и характеристики стальной арматуры каждой балки. Диаметр напрягаемой арматуры, используемой в изгибаемой балке, составлял 12 мм, а диаметр напрягаемой арматуры, используемой в поперечной балке, составлял 16 мм.
Стандартные кубические блоки со стороной 150 мм были зарезервированы при построении балок, а блоки и блоки прочность бетона на сжатие образцов. 3.3. Экспериментальный метод Расположение датчика давления, LVDT, тензодатчиков и точек нагрузки показано на рисунках 4 и 5.Метод квазистатической постепенной загрузки был принят для проверки поведения на изгиб всех образцов. Для приложения нагрузки к распределительной балке использовалась машина для испытаний на сжатие общей мощностью 2000 кН. Стальная распределительная балка распределяла сосредоточенные нагрузки на две точки пересечения вершины балки. В ходе испытаний использовалась ступенчатая нагрузка, и все балки были предварительно нагружены до 20 кН, а затем разгружены. До того, как нагружение достигло 80 % от теоретической растрескивающей нагрузки балки, отношение каждой ступени нагрузки составляло 5 % от теоретической предельной нагрузки, а значение нагрузки каждой ступени составляло не более 5 кН при приближении к растрескивающей нагрузке.После появления первой трещины значение нагрузки каждой ступени составляло 10 % от теоретической предельной нагрузки, а при приближении к теоретической предельной нагрузке скорость нагружения замедлялась. Датчик давления использовался для наблюдения за приложенной нагрузкой.Для контроля отклонения луча вдоль продольного направления луча были установлены пять LVDT с диапазоном 50 мм. Как показано на рисунке 4, положения LVDT были, соответственно, в середине пролета балки, две точки нагрузки и две центральные точки опоры. Чистый прогиб балок представлял собой разницу между смещением середины пролета и осадкой поддержки, измеренной с помощью LDVT. Для проверки предположения о том, что деформация сечения соответствует плоскому сечению, в среднем пролете балки было использовано в общей сложности 5 тензодатчиков для наблюдения за распределением деформации по высоте.Высота расположения тензорезисторов (расстояние от сжатой кромки балки) составляла 0 мм, 75 мм, 150 мм, 225 мм и 300 мм соответственно. 4. Экспериментальные результаты и их обсуждение4.1. Кривые нагрузки-прогиба и режимы отказа На рисунке 6 (а) показаны кривые нагрузки-прогиба для среднего пролета трех изгибных балок. Балки BKW1 и BKW2, а также балка PKW1 показали пластический отказ. Прогиб балки продолжал увеличиваться после текучести, в то время как нагрузка медленно увеличивалась.На рисунке 6 (б) представлена кривая нагрузка-прогиб в середине пролета трех срезных балок. Обычная железобетонная балка сдвига PKJ1 показала пластический отказ, и прогиб продолжал увеличиваться после того, как балка поддалась, в то время как нагрузка увеличивалась медленно. Предельная несущая способность BKW1 и BKW2 составляла 140 кН, предельная несущая способность PKW1 составляла 100 кН, а отношение предельной несущей способности двух типов составляло 1,40. Балки сдвига BKJ1 и BKJ2 из SS арматуры показали хрупкий отказ.Когда балка была повреждена, растянутая арматура еще не поддалась, но бетон сжатой секции был разрушен, в результате чего балка внезапно сломалась. На рис. 7 представлены фотографии и картины трещин всех балок после повреждения. При той же нагрузке ширина трещины поперечной балки была значительно меньше, чем у изгибаемой балки.Причина может заключаться в том, что более высокий коэффициент армирования сдвиговых балок контролировал развитие трещины по ширине. Режимы отказа двух видов железобетонных балок аналогичны; их можно приблизительно разделить на следующие три стадии: Первая стадия – упругая стадия. В начале нагружения напряжение арматуры было небольшим, прогиб медленно менялся с нагрузкой, трещины не появлялись. Второй этап – этап крекинга.На этом этапе по мере развития трещин жесткость балок постепенно уменьшалась. После достижения момента растрескивания первая вертикальная трещина появилась вблизи середины пролета в нижней части балки. Третий этап — этап отказа. На этом этапе новые трещины почти не появлялись, а вертикальные и косые трещины быстро развивались вверх, пока балка не была повреждена.Среди изгибных балок ширина вертикальных трещин в середине пролета резко развилась, а высота расширена над нейтральной осью после того, как продольная растянутая арматура уступила. 4.2. Распределение деформации бетона На рис. 8 показано распределение деформации бетона по высоте в средней части шести балок под действием нагрузок на различных уровнях. Деформация бетона в момент разрушения балок, очевидно, была аномальной на верхнем и нижнем краях мидель-секции. 4.3. Сравнение результатов испытаний с теоретическими результатами4.3.1. Крекинг-момент На основании уравнений (3) и (4) был рассчитан крекинг-момент, который вместе с экспериментальными значениями представлен на рис. 9.Экспериментальные моменты растрескивания как SS, так и обычных железобетонных балок были больше, чем теоретические моменты растрескивания. Среди них отношение между экспериментальными моментами образования трещин и моментами образования трещин, рассчитанными по коду ACI 318-14, составляет от 1,21 до 1,43, а среднее значение равно 1,328.
4.3.2. Несущая способность нормального сечения Теоретические предельные моменты трех изгибных балок были рассчитаны по уравнению (1). На рис. 10 показано теоретическое значение и экспериментальное значение предельных моментов, обозначающих несущую способность нормального сечения. Экспериментальные предельные моменты SS и обычных железобетонных балок были больше, чем теоретические предельные моменты.Среднее отношение экспериментальных предельных моментов к теоретическим предельным моментам железобетонной балки из СС составляет 1,35 с коэффициентом дисперсии 0,068.
4.3.3. Несущая способность косой секцииТеоретическая предельная нагрузка на сдвиг трех балок на сдвиг рассчитывается по уравнению (2). На рис. 11 показано сравнение экспериментальной и теоретической предельной прочности на сдвиг, которая представляет собой несущую способность косого сечения.При том же условии армирования средняя предельная прочность на сдвиг железобетонных балок из СС в 1,27 раза выше, чем у обычных железобетонных балок. Экспериментальная предельная сдвиговая способность BKJ1 и BKJ2 в 1,41 раза превышает теоретическое значение, а экспериментальная предельная сдвиговая способность PKJ1 в 1,13 раза превышает теоретическое значение. Поэтому уравнение (2) является консервативным для расчета предела прочности на сдвиг железобетонных балок из СС.
5. Анализ методом конечных элементов Для исследования методом конечных элементов использовался ABAQUS для проверки и прогнозирования экспериментальных результатов. 5.1. Материалы, составляющие модели5.1.1. Модель бетона Модель бетона использовала модель пластичности повреждения бетона (модель CDP), предоставленную ABAQUS, а одноосное определяющее соотношение бетона было предоставлено GB 50010-2010. Модель отражает явление уменьшения модуля упругости бетона с увеличением степени повреждения. Одноосная конститутивная модель может быть определена по формуле, где — параметр эволюции бетона при одноосной нагрузке, а — начальный модуль упругости. Когда бетон находится под одноосным сжатием, можно определить по следующим уравнениям:где — значение параметра нисходящего участка кривой одноосного сжатия бетона-деформации.является репрезентативным значением прочности бетона на одноосное сжатие. пиковая деформация сжатия, соответствующая репрезентативному значению прочности на одноосное сжатие. 5.1.2. Модель обычной стальной арматуры На рис. 13 показана модель обычной арматуры, состоящей из трех частей. Эта модель воплощает явление текучести обычной стали и упрощает ее механические свойства до трех прямых. Учредительное соотношение рассчитывается по формуле где — модуль упругости арматуры, — репрезентативное значение предела текучести арматуры, — деформация в начальной точке твердения стальной арматуры, — деформация текучести арматуры, — пиковая деформация арматуры, — наклон сечения упрочнения арматуры, , и является репрезентативным значением предела прочности арматуры.
5.1.3. Модель армирования SSРамберг и Осгуд [33] впервые предложили использовать три параметра для описания нелинейной зависимости между напряжением и деформацией. Расмуссен [34] улучшил модель Рамберга-Осгуда, и улучшенная модель лучше отражала реальную кривую напряжения-деформации арматуры из нержавеющей стали. Как показано на рисунке 14, модель SS армирования приняла модель Расмуссена. Модель состоит из двух частей и может быть определена следующим образом: где – показатель деформационного упрочнения, – модуль упругости, – соответствующие значения предельного напряжения упругости, когда остаточная деформация равна 0.2% и 0,01% соответственно — предельное напряжение и предельная деформация.
5.2. Аналитические результаты и обсуждение В ABAQUS картина повреждения бетона при растяжении может рассматриваться как структура трещин. На рис. 15 показана типичная структура трещин для конечно-элементных моделей. Первая трещина произошла в нижней части модели.
На рис. 16 показано сравнение аналитических кривых нагрузки-прогиба и экспериментальных результатов для шести балок. Среди этих балок результаты (включая начальный модуль упругости, растрескивающую нагрузку, предельную нагрузку и кривую нагрузки-прогиба), предсказанные моделью конечных элементов, показали хорошее согласие с экспериментальными результатами. Из таблицы 4 видно, что прогиб, соответствующий растрескивающей нагрузке и предельной нагрузке, проанализированные с помощью модели конечных элементов, близок к результату испытаний.Отношение растрескивающей нагрузки аналитического значения к экспериментальному значению составляет от 0,89 до 1,13, а отношение предельной нагрузки аналитического значения к экспериментальному значению составляет от 0,99 до 1,06.
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
512
109, стандартное отклонение равно 0,048, а коэффициент вариации равен 0,043. Это показывает, что аналитический метод расчета жесткости позволяет разумно рассчитать начальный прогиб балки и является консервативным. показывает, что начальный прогиб образцов с РЧА, рассчитанный методом анализа жесткости, часто меньше измеренного значения. Это показывает, что аналитический метод расчета жесткости не может эффективно соответствовать начальному прогибу балок с RFA.Учитывая влияние РЧА на механическое поведение бетона, коэффициент неравномерности ψ продольной растянутой арматуры умножается на поправочный коэффициент α. Для образцов с РКА α принимается равным 1,0; для образцов с РЧА или с РЧА и РЧА α принимается равным 1,2. Результаты, полученные с использованием усовершенствованного аналитического метода расчета жесткости, являются более консервативными, чем результаты, рассчитанные другими методами.
Распространенными моделями прогнозирования усадки и ползучести бетона являются модель CEB-FIP2010 [57], предложенная Европейской ассоциацией бетона, модель GL2000 [58] и модель ACI209R-92 [59], предложенная и рекомендованная Американской ассоциацией бетона. Однако, анализируя приведенные выше модели, можно сделать следующие наблюдения:
Сравнение трех кривых показывает, что закономерность развития трех моделей аналогична экспериментальной.Модель CEB-FIP2010 хорошо согласуется с тестовыми данными и большую часть времени может сохранять определенную степень консерватизма. Поэтому эта модель выбрана в качестве базовой модели для расчета приращения прогиба балок RAC.
Таким образом, факторы влияния RCA и RFA на поведение ползучести предлагаются, а факторы влияния RCA на ползучесть соответствующим образом увеличены, чтобы гарантировать, что расчетные значения прогиба балок при различных коэффициентах напряжения имеют определенный консерватизм.
Отношение расчетного прогиба к измеренному прогибу образцов в разные периоды времени показано на и .
016
016
045
026
037
048
Однако, поскольку на деформацию образца в начальный период легко влияют внешние факторы, а развитие прогиба склонно вызывать колебания, формула рассчитана для идеальных условий без учета вышеуказанных факторов, поэтому прогиб, рассчитанный при удерживании нагрузки время 28 дней относительно велико, с большой ошибкой измерения.В более поздний период нагружения сходимость расчетной модели хуже, чем при измерении, особенно для образцов с РКА и РЧА. Учитывая небольшое количество образцов, этот метод может обеспечить точность расчета, но его все же необходимо проверить на дополнительных данных испытаний.
Результаты испытаний показывают, что режим разрушения железобетонной балки из нержавеющей стали можно разделить на три стадии: упругую стадию, стадию растрескивания и стадию разрушения. Деформация среднего сечения железобетонной балки из нержавеющей стали соответствует предположению о плоском сечении.При одинаковых условиях армирования несущая способность нормального сечения и несущей способности косого сечения железобетонных балок из СС значительно выше, чем у обычных железобетонных балок. Кроме того, также оценивался прогноз момента образования трещин и несущей способности, рассчитанный по ACI 318-14 и GB 50010-2010. Результаты расчетов двух кодов были безопасными и консервативными, а GB 50010-2010 обеспечил более точное предсказание моментов образования трещин. Кроме того, для проверки надежности результатов испытаний были созданы модели конечных элементов, и результаты анализа хорошо подтвердили результаты испытаний.
Благодаря его превосходной пластичности, долговечности и возможности вторичной переработки можно создать более прочную и экологически чистую конструкцию из нержавеющей стали [1, 2]. Обладая отличной пластичностью и растяжимостью, он дает больше возможностей для внешнего вида, цвета и стиля инженерной конструкции. Кроме того, нержавеющая сталь обладает отличной коррозионной стойкостью и высокой химической стабильностью, поэтому арматуру из нержавеющей стали можно использовать для мостов, берегового оборудования и зданий.
Концентрация ионов хлорида по-разному влияет на нержавеющую сталь и обычную углеродистую сталь; допустимый предел концентрации ионов хлора в армировании из нержавеющей стали в 10 раз выше, чем в углеродном армировании [5].При воздействии хлоридов на арматуру из обычной стали и арматуру из нержавеющей стали повреждения арматуры из обычной стали более серьезные, чем арматуры из нержавеющей стали [6–8]. Было обнаружено, что присутствие хлорида влияет на электронные свойства пассивирующих пленок железобетонной конструкции, а аустенитная арматура из нержавеющей стали имеет лучшие электронные и электрохимические свойства, чем арматура из дуплексной нержавеющей стали. Кроме того, сплав SS может эффективно повысить сопротивление скольжению, твердость и коррозионную стойкость обычной нержавеющей стали, чтобы решить проблему коррозии стали, но на него также влияют такие факторы, как концентрация ионов хлорида, ингибитор коррозии и холод. рабочие уровни [9–13].На основании проведенных выше исследований можно сделать вывод, что коррозионную стойкость железобетонной конструкции из СС достаточно увеличить на порядок по сравнению с обычной углеродистой сталью.
Шамасс и др. [28, 29] предоставили несколько методов прогнозирования характеристик изгиба композитных балок из нержавеющей стали, основанных на методе непрерывной прочности.
При проектировании железобетонных элементов несущая способность должна рассчитываться в соответствии с предельным состоянием предела прочности для обеспечения безопасности и надежности.Во-первых, расчет несущей способности бетонных изгибаемых элементов в основном включает расчет способности к изгибу нормального сечения и расчет способности сдвига наклонного сечения. Во-вторых, также необходимо проектировать изгибаемые элементы в соответствии с предельными состояниями пригодности к эксплуатации. Это в основном для проверки деформации и трещиностойкости или ширины трещины, чтобы гарантировать, что элементы можно использовать нормально. Метод расчета несущей способности китайского и американского норм одинаков, а метод расчета момента разрушения отличается.Прямоугольное сечение образцов было взято в качестве примера для иллюстрации метода проектирования железобетонных изгибаемых элементов.
— момент сопротивления сечения по центральным осям независимо от площади арматуры.- расстояние между центральной осью и краем растянутого бетона.
, Ltd., которая была доступна в трех типах диаметров: 6,5 мм, 12 мм и 16 мм. В обычной стальной арматуре использовалась резьбовая арматура HRB335 диаметром 12 мм и 16 мм и круглая арматура HPB335 диаметром 6 мм.диаметром 5 мм производства Anyang Iron and Steel Co., Ltd. Согласно китайскому стандарту GB/T 228-2010 [32], два вида стальной арматуры были испытаны на одноосное растяжение при комнатной температуре.
5
Средние значения прочности бетона на сжатие блоков приведены в таблице 3.
Нагрузку выдерживали в течение 5 минут после каждого этапа нагружения, при этом ширину трещины регистрировали прибором для наблюдения за трещинами с точностью до 0,02 мм и наблюдали за возникновением и развитием трещин.
Предельная несущая способность BKJ1 и BKJ2 составляла 185 кН, предельная несущая способность PKJ1 составляла 140 кН, а отношение предельной несущей способности двух типов составляло 1,32.
При увеличении нагрузки трещины медленно развивались вверх, а их ширина медленно увеличивалась. Когда нагрузка достигла примерно 30% от предельной нагрузки на балку, в сегменте чистого изгиба появилось несколько вертикальных трещин. Когда нагрузка достигла примерно 40% предельной нагрузки, количество трещин достигло относительно стабильного значения, и эти трещины были мелкими и короткими и появились ниже нейтральной оси.По мере того, как нагрузка продолжала увеличиваться, трещина все еще развивалась медленно, и между первоначальными трещинами появлялось больше вертикальных трещин. Когда подкрепления приблизились к пределу текучести, косые трещины появились в средней и нижней частях сегмента изгиба сдвига и быстро развивались в направлении точек нагружения и опор.
Длина косых трещин продолжала расти, а ширина практически не менялась. Когда деформация бетона вблизи точек нагрузки приближалась к предельной деформации сжатия и разрушалась, несущая способность резко снижалась, и балки ломались. До повреждения прогиб трех балок продолжал расти, а рост нагрузки замедлялся.Среди сдвиговых балок после того, как стремена балки поддались, косые трещины быстро развивались от опор к точкам нагрузки, и их ширина также быстро увеличивалась. Длина и ширина вертикальных трещин в середине пролета развивались медленнее. BKJ1 и BKJ2 показали явление приблизительного хрупкого разрушения: после того как балки вышли из строя, они быстро разрушались, а прогиб существенно не возрастал. Напротив, PKJ1 сохранял рост прогиба по мере приближения к отказу.
Причина заключалась в том, что по мере разрушения балок резко возрастала деформация сечения, и деформацию бетона было трудно регистрировать. На каждом этапе деформация бетона в мидельном сечении всех балок была примерно линейно распределена по высоте.Разумно полагать, что деформация сечения всех балок соответствует предположению о плоском сечении. Это соответствует основным положениям механики материалов и служит основой для следующих теоретических расчетов железобетонной балки из нержавеющей стали.
Некоторые результаты, рассчитанные по американскому коду, значительно отличаются от результатов испытаний; тем не менее, общая тенденция безопасна. Отношение между экспериментальными моментами образования трещин и моментами образования трещин, рассчитанными в соответствии со стандартом ГБ 50010-2010, находится в пределах 1.07 и 1,20, а среднее значение 1,138. Китайский код обеспечивает более точное предсказание результатов теста.
Можно сделать вывод, что предельный момент нормального сечения железобетонной балки из нержавеющей стали, рассчитанный по действующим нормам, на 35 % безопаснее.
Были смоделированы шесть балок, и результаты анализа были сопоставлены с экспериментальными результатами для анализа. На рис. 12 подробно показана модель конечных элементов. В модели удалось избежать концентрации напряжений в точках нагружения и опорах за счет установки стальной пластины, а процесс нагружения контролировался перемещением. Арматура была заделана в бетон. Шестнадцатеричная форма элемента и метод структурирования были приняты для управления сеткой. Затем были описаны конститутивные модели, использованные для трех материалов модели, и обсуждены аналитические результаты.
Когда бетон находится под одноосным растяжением, его можно определить по следующим уравнениям: где — значение параметра нисходящего участка кривой напряжения-деформации одноосного растяжения бетона. является репрезентативным значением прочности бетона на одноосное растяжение. пиковая деформация растяжения, соответствующая репрезентативному значению прочности на одноосное растяжение.
Затем трещины распространяются снизу вверх и от опор к точкам нагружения. Образцы трещин и их характеристики в анализе методом конечных элементов соответствовали тесту.Это показывает, что модель конечных элементов может отражать явления структуры трещин железобетонных балок из нержавеющей стали.
Максимальная ошибка растрескивания нагрузки составляет 13%, а максимальная ошибка предельной нагрузки составляет 6%. Это сравнение показывает, что модель, созданная программой конечных элементов, может в достаточной степени предсказать экспериментальные результаты.
036.
Выводы
6. Выводы
. В данной работе SS армирование SS и обычное усиление стали было испытано при односпальном напряжении при комнатной температуре.Затем были исследованы на механическое поведение 6 балок размерами 150 мм × 300 мм, 2400 мм, состоящих из стальной арматуры разного типа и диаметра. На основании вышеприведенного исследования можно сделать следующие выводы: (1) арматура из нержавеющей стали не имеет четко определенного предела текучести. По сравнению с обычной стальной арматурой, арматура из нержавеющей стали обладает более высокой прочностью, большим коэффициентом текучести, большим удлинением и немного более низким модулем упругости. В испытаниях на изгиб и сдвиг арматура из нержавеющей стали показывает хороший механизм совместной работы с бетоном.(2) отклонение деформации бетона в середине пролета было примерно линейно распределено по высоте. Можно считать, что деформация сечения железобетонной балки из нержавеющей стали соответствует предположению о плоском сечении.
(3) По сравнению с обычными стальными железобетонными балками, железобетонные балки из нержавеющей стали имели большую предельную несущую способность. При одинаковых условиях армирования отношение предельной несущей способности между двумя типами сталежелезобетонных балок составило 1.40 на изгиб и 1,32 на сдвиг. Однако железобетонные балки из нержавеющей стали склонны к хрупкому разрушению из-за высокого коэффициента армирования. (4) Экспериментальные моменты растрескивания как для балок из нержавеющей стали, так и для обычных железобетонных балок больше, чем теоретический момент трещинообразования. Для оценки моментов трещин ACI 318-14 обеспечил в среднем 28,5% и 35% более безопасный прогноз для SS и обычных железобетонных балок, соответственно. GB 50010-2010 предоставил в среднем 15% и 11.5% SS для SS и обычных железобетонных балок соответственно. Результаты, рассчитанные по GB 50010-2010, ближе к экспериментальным результатам, в то время как ACI 318-14 был безопаснее. (5) Метод расчета несущей способности нормального сечения и наклонного сечения одинаков в американских и китайских нормах.
. Теоретическая несущая способность всех балок в 1,13-1,45 раза превышала экспериментальные результаты. Безопасно прогнозировать несущую способность изгибаемых элементов арматуры из нержавеющей стали, используя существующие нормы.(6) Картины трещин и кривые нагрузка-прогиб, полученные из FEA, хорошо согласуются с экспериментальными результатами, а максимальная ошибка предельной нагрузки составляет 6%. Сравнение доказывает рациональность и целесообразность данной работы.
Доступность данных
Данные, использованные для поддержки результатов этого исследования, включены в статью.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Благодарности
Авторы хотели бы выразить благодарность за финансовую поддержку, предоставленную Национальным фондом естественных наук Китая (No.51679220) и Открытого проектного фонда Научно-исследовательского центра по безопасности дамб и предупреждению катастроф MMR (№ 2018002).
%PDF-1.
4
%
551 0 объект>
эндообъект
внешняя ссылка
551 597
0000000016 00000 н
0000013463 00000 н
0000012236 00000 н
0000013595 00000 н
0000021922 00000 н
0000022298 00000 н
0000023459 00000 н
0000024015 00000 н
0000024051 00000 н
0000024079 00000 н
0000024107 00000 н
0000024191 00000 н
0000024521 00000 н
0000024982 00000 н
0000025047 00000 н
0000026485 00000 н
0000027347 00000 н
0000028254 00000 н
0000029124 00000 н
0000030006 00000 н
0000030916 00000 н
0000031844 00000 н
0000032886 00000 н
0000033052 00000 н
0000035722 00000 н
0000041527 00000 н
0000041834 00000 н
0000043574 00000 н
0000043836 00000 н
0000043872 00000 н
0000043956 00000 н
0000044590 00000 н
0000044765 00000 н
0000048344 00000 н
0000048514 00000 н
0000048683 00000 н
0000048855 00000 н
0000049027 00000 н
0000049199 00000 н
0000049371 00000 н
0000049543 00000 н
0000049715 00000 н
0000049887 00000 н
0000050059 00000 н
0000050229 00000 н
0000050398 00000 н
0000050568 00000 н
0000050737 00000 н
0000050909 00000 н
0000051081 00000 н
0000051250 00000 н
0000051422 00000 н
0000051592 00000 н
0000051764 00000 н
0000051936 00000 н
0000052108 00000 н
0000052277 00000 н
0000052446 00000 н
0000052618 00000 н
0000052787 00000 н
0000052959 00000 н
0000053129 00000 н
0000053301 00000 н
0000053473 00000 н
0000053643 00000 н
0000053812 00000 н
0000053984 00000 н
0000054151 00000 н
0000054323 00000 н
0000054493 00000 н
0000054665 00000 н
0000054837 00000 н
0000055009 00000 н
0000055178 00000 н
0000055345 00000 н
0000055517 00000 н
0000055687 00000 н
0000055859 00000 н
0000056031 00000 н
0000056203 00000 н
0000056375 00000 н
0000056547 00000 н
0000056716 00000 н
0000056885 00000 н
0000057057 00000 н
0000057233 00000 н
0000057404 00000 н
0000057575 00000 н
0000057746 00000 н
0000057929 00000 н
0000058097 00000 н
0000058271 00000 н
0000058442 00000 н
0000058613 00000 н
0000058784 00000 н
0000058955 00000 н
0000059126 00000 н
0000059295 00000 н
0000059466 00000 н
0000059637 00000 н
0000059808 00000 н
0000059979 00000 н
0000060145 00000 н
0000060313 00000 н
0000060482 00000 н
0000060653 00000 н
0000060822 00000 н
0000060993 00000 н
0000061164 00000 н
0000061335 00000 н
0000061506 00000 н
0000061678 00000 н
0000061849 00000 н
0000062020 00000 н
0000062192 00000 н
0000062362 00000 н
0000062530 00000 н
0000062701 00000 н
0000062873 00000 н
0000063043 00000 н
0000063211 00000 н
0000063380 00000 н
0000063552 00000 н
0000063723 00000 н
0000063894 00000 н
0000064066 00000 н
0000064235 00000 н
0000064406 00000 н
0000064575 00000 н
0000064747 00000 н
0000064919 00000 н
0000065088 00000 н
0000065260 00000 н
0000065429 00000 н
0000065600 00000 н
0000065769 00000 н
0000065939 00000 н
0000066110 00000 н
0000066279 00000 н
0000066450 00000 н
0000066618 00000 н
0000066790 00000 н
0000066962 00000 н
0000067133 00000 н
0000067302 00000 н
0000067474 00000 н
0000067645 00000 н
0000067816 00000 н
0000067985 00000 н
0000068157 00000 н
0000068328 00000 н
0000068498 00000 н
0000068665 00000 н
0000068836 00000 н
0000069008 00000 н
0000069179 00000 н
0000069350 00000 н
0000069520 00000 н
0000069692 00000 н
0000069861 00000 н
0000070032 00000 н
0000070199 00000 н
0000070371 00000 н
0000070542 00000 н
0000070714 00000 н
0000070884 00000 н
0000071055 00000 н
0000071223 00000 н
0000071395 00000 н
0000071566 00000 н
0000071738 00000 н
0000071910 00000 н
0000072082 00000 н
0000072253 00000 н
0000072425 00000 н
0000072594 00000 н
0000072766 00000 н
0000072938 00000 н
0000073106 00000 н
0000073275 00000 н
0000073447 00000 н
0000073618 00000 н
0000073787 00000 н
0000073956 00000 н
0000074124 00000 н
0000074296 00000 н
0000074467 00000 н
0000074637 00000 н
0000074809 00000 н
0000074980 00000 н
0000075150 00000 н
0000075319 00000 н
0000075490 00000 н
0000075661 00000 н
0000075839 00000 н
0000076013 00000 н
0000076184 00000 н
0000076355 00000 н
0000076526 00000 н
0000076697 00000 н
0000076866 00000 н
0000077037 00000 н
0000077208 00000 н
0000077379 00000 н
0000077550 00000 н
0000077719 00000 н
0000077890 00000 н
0000078058 00000 н
0000078229 00000 н
0000078400 00000 н
0000078568 00000 н
0000078739 00000 н
0000078907 00000 н
0000079078 00000 н
0000079249 00000 н
0000079420 00000 н
0000079591 00000 н
0000079762 00000 н
0000079930 00000 н
0000080101 00000 н
0000080270 00000 н
0000080441 00000 н
0000080612 00000 н
0000080783 00000 н
0000080954 00000 н
0000081123 00000 н
0000081294 00000 н
0000081465 00000 н
0000081636 00000 н
0000081807 00000 н
0000081973 00000 н
0000082142 00000 н
0000082310 00000 н
0000082481 00000 н
0000082652 00000 н
0000082820 00000 н
0000082991 00000 н
0000083162 00000 н
0000083330 00000 н
0000083501 00000 н
0000083672 00000 н
0000083840 00000 н
0000084011 00000 н
0000084182 00000 н
0000084348 00000 н
0000084519 00000 н
0000084687 00000 н
0000084858 00000 н
0000085029 00000 н
0000085200 00000 н
0000085368 00000 н
0000085539 00000 н
0000085710 00000 н
0000085878 00000 н
0000086047 00000 н
0000086218 00000 н
0000086386 00000 н
0000086554 00000 н
0000086725 00000 н
0000086893 00000 н
0000087061 00000 н
0000087232 00000 н
0000087403 00000 н
0000087571 00000 н
0000087742 00000 н
0000087910 00000 н
0000088081 00000 н
0000088252 00000 н
0000088420 00000 н
0000088591 00000 н
0000088762 00000 н
0000088930 00000 н
0000089101 00000 н
0000089269 00000 н
0000089440 00000 н
0000089608 00000 н
0000089779 00000 н
0000089947 00000 н
00000
00000 н
00000
00000 н
00000
00000
00000
00000 н
00000
00000 н
00000
00000 н
00000
00000 н
00000 00000 н
00000
00000 н
00000
00000 н
0000091976 00000 н
0000092144 00000 н
0000092312 00000 н
0000092483 00000 н
0000092649 00000 н
0000092820 00000 н
0000092991 00000 н
0000093162 00000 н
0000093333 00000 н
0000093499 00000 н
0000093670 00000 н
0000093838 00000 н
0000094006 00000 н
0000094174 00000 н
0000094345 00000 н
0000094516 00000 н
0000094687 00000 н
0000094855 00000 н
0000095023 00000 н
0000095194 00000 н
0000095365 00000 н
0000095533 00000 н
0000095702 00000 н
0000095873 00000 н
0000096041 00000 н
0000096209 00000 н
0000096377 00000 н
0000096545 00000 н
0000096716 00000 н
0000096887 00000 н
0000097055 00000 н
0000097223 00000 н
0000097394 00000 н
0000097562 00000 н
0000097730 00000 н
0000097899 00000 н
0000098067 00000 н
0000098236 00000 н
0000098404 00000 н
0000098575 00000 н
0000098743 00000 н
0000098911 00000 н
0000099079 00000 н
0000099250 00000 н
0000099418 00000 н
0000099586 00000 н
0000099757 00000 н
0000099925 00000 н
0000100096 00000 н
0000100267 00000 н
0000100435 00000 н
0000100606 00000 н
0000100774 00000 н
0000100945 00000 н
0000101116 00000 н
0000101285 00000 н
0000101456 00000 н
0000101622 00000 н
0000101793 00000 н
0000101964 00000 н
0000102132 00000 н
0000102300 00000 н
0000102471 00000 н
0000102639 00000 н
0000102807 00000 н
0000102978 00000 н
0000103146 00000 н
0000103314 00000 н
0000103485 00000 н
0000103656 00000 н
0000103827 00000 н
0000103998 00000 н
0000104166 00000 н
0000104334 00000 н
0000104505 00000 н
0000104673 00000 н
0000104841 00000 н
0000105010 00000 н
0000105181 00000 н
0000105349 00000 н
0000105517 00000 н
0000105688 00000 н
0000105859 00000 н
0000106027 00000 н
0000106193 00000 н
0000106361 00000 н
0000106532 00000 н
0000106703 00000 н
0000106871 00000 н
0000107042 00000 н
0000107210 00000 н
0000107378 00000 н
0000107549 00000 н
0000107717 00000 н
0000107888 00000 н
0000108056 00000 н
0000108224 00000 н
0000108395 00000 н
0000108563 00000 н
0000108734 00000 н
0000108905 00000 н
0000109073 00000 н
0000109244 00000 н
0000109412 00000 н
0000109583 00000 н
0000109751 00000 н
0000109919 00000 н
0000110087 00000 н
0000110255 00000 н
0000110426 00000 н
0000110597 00000 н
0000110765 00000 н
0000110933 00000 н
0000111101 00000 н
0000111269 00000 н
0000111437 00000 н
0000111605 00000 н
0000111776 00000 н
0000111947 00000 н
0000112115 00000 н
0000112284 00000 н
0000112455 00000 н
0000112626 00000 н
0000112797 00000 н
0000112968 00000 н
0000113136 00000 н
0000113305 00000 н
0000113476 00000 н
0000113644 00000 н
0000113815 00000 н
0000113986 00000 н
0000114157 00000 н
0000114328 00000 н
0000114499 00000 н
0000114667 00000 н
0000114835 00000 н
0000115006 00000 н
0000115174 00000 н
0000115345 00000 н
0000115516 00000 н
0000115684 00000 н
0000115855 00000 н
0000116023 00000 н
0000116194 00000 н
0000116365 00000 н
0000116533 00000 н
0000116704 00000 н
0000116875 00000 н
0000117046 00000 н
0000117217 00000 н
0000117388 00000 н
0000117556 00000 н
0000117727 00000 н
0000117898 00000 н
0000118066 00000 н
0000118234 00000 н
0000118405 00000 н
0000118576 00000 н
0000118747 00000 н
0000118918 00000 н
0000119089 00000 н
0000119261 00000 н
0000119433 00000 н
0000119605 00000 н
0000119777 00000 н
0000119949 00000 н
0000120121 00000 н
0000120293 00000 н
0000120465 00000 н
0000120637 00000 н
0000120809 00000 н
0000120979 00000 н
0000121151 00000 н
0000121323 00000 н
0000121495 00000 н
0000121667 00000 н
0000121837 00000 н
0000122009 00000 н
0000122178 00000 н
0000122350 00000 н
0000122522 00000 н
0000122692 00000 н
0000122864 00000 н
0000123036 00000 н
0000123208 00000 н
0000123380 00000 н
0000123552 00000 н
0000123724 00000 н
0000123894 00000 н
0000124066 00000 н
0000124238 00000 н
0000124405 00000 н
0000124574 00000 н
0000124744 00000 н
0000124916 00000 н
0000125088 00000 н
0000125257 00000 н
0000125424 00000 н
0000125596 00000 н
0000125768 00000 н
0000125937 00000 н
0000126109 00000 н
0000126281 00000 н
0000126451 00000 н
0000126621 00000 н
0000126791 00000 н
0000126961 00000 н
0000127133 00000 н
0000127302 00000 н
0000127471 00000 н
0000127640 00000 н
0000127812 00000 н
0000127984 00000 н
0000128156 00000 н
0000128326 00000 н
0000128496 00000 н
0000128665 00000 н
0000128837 00000 н
0000129006 00000 н
0000129178 00000 н
0000129350 00000 н
0000129522 00000 н
0000129694 00000 н
0000129866 00000 н
0000130038 00000 н
0000130210 00000 н
0000130382 00000 н
0000130554 00000 н
0000130726 00000 н
0000130898 00000 н
0000131070 00000 н
0000131242 00000 н
0000131414 00000 н
0000131583 00000 н
0000131755 00000 н
0000131925 00000 н
0000132094 00000 н
0000132264 00000 н
0000132436 00000 н
0000132605 00000 н
0000132774 00000 н
0000132946 00000 н
0000133118 00000 н
0000133290 00000 н
0000133462 00000 н
0000133631 00000 н
0000133801 00000 н
0000133973 00000 н
0000134145 00000 н
0000134317 00000 н
0000134489 00000 н
0000134661 00000 н
0000134833 00000 н
0000135005 00000 н
0000135177 00000 н
0000135347 00000 н
0000135519 00000 н
0000135688 00000 н
0000135870 00000 н
0000136042 00000 н
0000136212 00000 н
0000136381 00000 н
0000136553 00000 н
0000136722 00000 н
0000136892 00000 н
0000137061 00000 н
0000137233 00000 н
0000137405 00000 н
0000137577 00000 н
0000137749 00000 н
0000137919 00000 н
0000138089 00000 н
0000138256 00000 н
0000138423 00000 н
0000138595 00000 н
0000138767 00000 н
0000138937 00000 н
0000139107 00000 н
0000139277 00000 н
0000139449 00000 н
0000139621 00000 н
0000139791 00000 н
0000139963 00000 н
0000140135 00000 н
0000140304 00000 н
0000140474 00000 н
0000140643 00000 н
0000140812 00000 н
0000140984 00000 н
0000141156 00000 н
0000141328 00000 н
0000141500 00000 н
0000141672 00000 н
0000141844 00000 н
0000142016 00000 н
0000142188 00000 н
0000142360 00000 н
0000142529 00000 н
0000142696 00000 н
0000142865 00000 н
0000143035 00000 н
0000143207 00000 н
0000143379 00000 н
0000143551 00000 н
0000143723 00000 н
0000143895 00000 н
0000144065 00000 н
0000144237 00000 н
трейлер
]>>
startxref
0
%%EOF
553 0 объект > поток
xڤV_L[UΥz+c-Љ@WZ&,j3G[ҐZ
Исследование механического поведения и процесса разрушения бетона при начальном повреждении при внецентренной нагрузке
Влияние всестороннего давления на механические параметры
На рис.
6 показана эволюция пикового напряжения бетона с увеличением всестороннего давления.Из рис. 6 видно, что пиковое напряжение бетона под действием равномерной нагрузки и внецентренной нагрузки постепенно увеличивается с увеличением всестороннего давления, и оба показывают закон линейной функции. Наклон кривой подгонки между пиковым напряжением и ограничивающим давлением при равномерной нагрузке выше, чем при внецентренной нагрузке, что указывает на то, что пиковая прочность бетона при равномерной нагрузке более чувствительна к всестороннему давлению. При одинаковом ограничивающем давлении пиковое напряжение бетона при равномерной нагрузке выше, чем при внецентренной нагрузке, что указывает на то, что внецентренная нагрузка с большей вероятностью приведет к разрушению бетона.Это связано с тем, что при двухосном сжатии внецентренной нагрузки образец можно разделить на две части в осевом направлении: зону нагрузки и зону без нагрузки (рис. 3). Перед приложением нагрузки две части сначала достигают одинакового значения ограничивающего давления, затем нагрузка в области нагрузки постепенно увеличивается до тех пор, пока образец не разрушается, а в ненагруженной области сохраняется постоянное ограничивающее давление.
В процессе увеличения нагрузки в нагружаемой зоне возникает разница напряжений между нагружаемой и ненагружаемой зонами, а вблизи границы раздела двух частей имеется явная зона концентрации напряжений.Наличие зоны концентрации напряжений делает образец более склонным к разрушению при двухосном сжатии под действием внецентренной нагрузки. Существование всестороннего давления может только увеличить способность образца сопротивляться разрушению, но не устранит влияние зоны концентрации напряжений при внецентренной нагрузке, поэтому пиковое напряжение при внецентренной нагрузке меньше, чем при равномерной нагрузке при различных ограничивающих нагрузках. .
Рисунок 6
Влияние всестороннего давления на пиковое напряжение.
Перед проведением численных испытаний бетона при различном всестороннем давлении процессы деформирования и разрушения бетона при одноосном сжатии равномерно распределенной нагрузки и внецентренной нагрузки моделируются с помощью программного обеспечения моделирования потока частиц.
На рис. 7а показаны кривые напряжение-деформация для двух режимов нагружения. Из рис. 7а видно, что пиковое напряжение бетона одноосного сжатия при равномерной нагрузке составляет 64,75 МПа, а пиковое напряжение бетона одноосного сжатия при внецентренной нагрузке составляет 25.79 МПа, первое примерно в 2,5 раза больше второго. Можно видеть, что наличие внецентренной нагрузки серьезно снижает сжимающую способность бетона, а бетонная техника более подвержена авариям, связанным с безопасностью. На стадии текучести количество и степень колебаний кривой напряжения при внецентренной нагрузке больше, чем при равномерной нагрузке, и вблизи времени пика наблюдается очевидное явление смягчения деформации. Подобно двухосному сжатию, одноосное сжатие под действием внецентренной нагрузки можно разделить на зону нагрузки и зону без нагрузки.С увеличением осевой нагрузки в области нагрузки будет очевидная концентрация напряжения между границей раздела двух областей. Наличие концентрации напряжений способствует разрушению образца, в результате чего пиковое напряжение образца при внецентренной нагрузке оказывается меньше, чем при равномерной нагрузке.
Рисунок 7
Результаты моделирования одноосного сжатия и коэффициента нарастания напряжения.
Отношение пикового напряжения к равномерной нагрузке при двухосном сжатии определяется как коэффициент увеличения пикового напряжения.При двухосном сжатии с равномерно распределенной нагрузкой коэффициент повышения пикового напряжения увеличивается с 1,2278 при всестороннем давлении 5 МПа до 1,80695 при 30 МПа, что увеличилось примерно в 1,47 раза. Коэффициент повышения пикового напряжения внецентренной нагрузки при двухосном сжатии увеличился с 1,018 при всестороннем давлении 5 МПа до 1,559 при 30 МПа, что увеличилось примерно в 1,53 раза. На рисунке 7b показана взаимосвязь между коэффициентом увеличения пикового напряжения и ограничивающим давлением при двух режимах нагрузки.Из рис. 7б видно, что с увеличением всестороннего давления коэффициенты увеличения пикового напряжения при равномерной нагрузке и внецентренной нагрузке постепенно увеличиваются, и все они показывают закон линейной функции.
Наклон двух аппроксимирующих кривых в основном одинаков, что указывает на то, что изменение коэффициента увеличения пикового напряжения при двух режимах нагружения примерно одинаково, но при одном и том же ограничивающем давлении коэффициент увеличения пикового напряжения при равномерном сжатии нагрузки равен выше, чем при сжатии внецентренной нагрузкой.
В этой статье, в соответствии с методом, рекомендованным Potyondy и Cundall, напряжение возникновения трещин в бетоне определяется в соответствии с изменением количества трещин в процессе моделирования. Сначала определяют количество трещин n в образце при максимальном напряжении, а затем находят напряжение, соответствующее 1% от n , как напряжение зарождения трещины в образце. В соответствии с вышеуказанным методом определяют напряжение зарождения трещины в бетоне при равномерной нагрузке и сжатии внецентренной нагрузки при различных условиях всестороннего давления, как показано на рис.8.
Рисунок 8
Влияние всестороннего давления на напряжение зарождения трещины.
Из рис. 8 видно, что напряжение образования трещин в бетоне при равномерной нагрузке и сжатии внецентренной нагрузки постепенно увеличивается с увеличением всестороннего давления, и эта зависимость является квадратичной функцией. При одинаковом всестороннем давлении напряжение зарождения трещины в бетоне при внецентренной нагрузке меньше, чем при равномерной нагрузке, что указывает на более вероятное развитие образования трещин в бетоне при внецентренной нагрузке, что приводит к разрушению образцов.Это имеет большое значение для определения показателей мониторинга и раннего предупреждения бетонной конструкции при внецентренной нагрузке. При внецентренном нагружении полоса концентрации напряжений между нагруженной и ненагруженной областями облегчает образование в образце мезотрещин в этой области. Конечный эффект нагружающей плиты и наличие начальных повреждений усилят явление концентрации напряжений в этой области. В этих двух частях сначала появляются мезотрещины (рис. 15), что приводит к тому, что напряжение растрескивания образца оказывается меньше равномерной нагрузки при приложении внецентренной нагрузки.
Влияние всестороннего давления на режим разрушения
Для анализа влияния режима нагружения и всестороннего давления на режим разрушения бетона диаграмма режима разрушения в момент времени, когда напряжение образца составляет 80% пикового напряжения после извлечения отказа, как показано на рис. 9 и 10.
Рисунок 9
Характер разрушения бетона при равномерной нагрузке.
Рисунок 10
Режим разрушения бетона под внецентренной нагрузкой.
Как видно из рис.9 и 10 видно, что на режим разрушения бетона одновременно влияют начальное повреждение, режим нагружения и всестороннее давление. При одноосном сжатии с равномерно распределенной нагрузкой направление макротрещины разрушения образца примерно параллельно начальной трещине. Макротрещина связана с обоими концами исходной трещины и проходит через верхний и нижний концы образца. Происходит разрушение композита при сдвиге при растяжении, и результаты моделирования согласуются с результатами исследования Zhang 20 .
При всестороннем давлении 5 МПа макротрещины образца располагаются приблизительно вертикально к исходным трещинам и находятся в состоянии антикрыловидных трещин. Макротрещины не достигают конца образца, а проникают с обеих сторон образца, и происходит разрушение образца при сдвиге. При всестороннем давлении выше 10 МПа в основном происходит разрушение образца при сдвиге, а макротрещины имеют Х-образную форму, а точки поворота трещин с левой и правой сторон расположены на двух вершинах начального трещины.С увеличением всестороннего давления увеличивается диапазон распространения и ширина макротрещин.
При одноосном сжатии образца под действием внецентренной нагрузки макротрещины располагаются в зоне непосредственного нагружения. Примерно параллельно направлению нагрузки в середине образца имеется трещина сдвига I вида, которая соединяется с обоими концами исходной трещины и не проникает в образец. Наконец, разрушение образца происходит из-за того, что трещина начинается от границы раздела нагруженной и ненагруженной зон, а наклонная трещина вырывается из середины образца.
После приложения всестороннего давления из-за ограничения всестороннего давления трещине, инициированной из положения концентрации напряжения на стыке нагруженной и ненагруженной областей, трудно распространиться на край образца, который превращается в увеличение диапазона отказов в этой области. Из-за совместного влияния всестороннего давления и области нагружения некоторые трещины образуются и в ненагруженной зоне. Макротрещины, образующиеся в зоне ненагружения, представляют собой наклонные трещины, соединяющие конец исходной трещины с торцом образца, а сквозные трещины, приводящие к разрушению образца, еще располагаются в зоне нагружения.Сквозные трещины представляют собой ломаные линейные трещины сдвига с начальной трещиной в качестве точки поворота.
Макротрещины, образующиеся в зоне ненагружения, представляют собой наклонные трещины, соединяющие исходные концы трещины и торец образца, а трещины, вызывающие повреждение образца, еще располагаются в зоне нагружения. Сквозные трещины представляют собой ломаные линии трещин сдвига с начальными трещинами в качестве точки поворота.
Влияние всестороннего давления на развитие микротрещин
Для сравнения и анализа разницы количества микротрещин при равномерной и внецентренной нагрузке количество микротрещин в образце подсчитывали, когда послепиковое напряжение падало до 80 % пикового напряжения.На рисунке 11 показана зависимость между количеством трещин растяжения, трещин при сдвиге и всесторонним давлением бетона при равномерной и внецентренной нагрузке. Из рис. 11 видно, что с увеличением всестороннего давления количество трещин растяжения и трещин сдвига при двух режимах нагружения постепенно увеличивается, и оба выше, чем при одноосном сжатии. При одинаковом всестороннем давлении количество трещин растяжения при равномерной нагрузке больше, чем при внецентренной нагрузке, а с увеличением всестороннего давления увеличение числа трещин растяжения при двух методах нагружения можно разделить на две стадии: замедление роста и ускорение роста.За исключением всестороннего давления 25 МПа, количество трещин при сдвиге, вызванных внецентренной нагрузкой, выше, чем при равномерной нагрузке.
При добавлении количества трещин растяжения и трещин при сдвиге количество трещин при равномерной нагрузке больше, чем при внецентренной нагрузке. Соотношение между общим числом трещин показывает, что в образце при внецентренной нагрузке имеется область концентрации напряжений. Направляющее действие концентрации напряжений приводит к быстрому образованию и распространению микротрещин, что приводит к разрушению образцов.То есть бетон более подвержен разрушению при внецентренной нагрузке. Поэтому в процессе строительства следует по возможности избегать внецентренной нагрузки; в противном случае при проектировании опор туннеля или проезжей части под действием внецентренной нагрузки следует учитывать влияние внецентренной нагрузки, а область концентрации напряжений, вызванная внецентренной нагрузкой, должна в основном поддерживаться.
Рисунок 11
Зависимость между количеством трещин и всесторонним давлением.
На рис. 12 показана тенденция изменения числа трещин при осевой деформации при различных всесторонних давлениях при равномерной и эксцентричной нагрузке.
Из рис. 12 видно, что с увеличением всестороннего давления величина деформации, соответствующая точке перегиба кривой, постепенно увеличивается, и количество трещин также постепенно увеличивается. Отличие состоит в том, что нарастание осевой деформации при равномерной нагрузке и различном всестороннем давлении происходит более сбалансировано, тогда как при внецентренной нагрузке рост осевой деформации постепенно уменьшается с увеличением всестороннего давления, а также уменьшается увеличение количества микротрещин.
Рисунок 12
Зависимость между количеством трещин и осевой деформацией.
Из рис. 12 видно, что при различных всесторонних давлениях закон изменения кривой зависимости между числом мезотрещин и осевой деформацией образцов бетона при равномерной нагрузке и внецентренной нагрузке в основном одинаков, что показывает только разницу общего количества трещин. Учитывая ограничение объема статьи, мы берем только кривую эволюции количества трещин при 20 МПа в качестве примера для анализа процесса микроэволюции трещин.
Чтобы систематически сравнивать процесс разрушения бетона при двух режимах нагружения, в этой статье представлен процесс разрушения бетона с начальным повреждением при одноосном сжатии и всестороннем давлении 20 МПа при равномерной нагрузке и внецентренной нагрузке. На рис. 13 показан процесс эволюции количества трещин с кривой напряжения–деформации при одноосном сжатии при равномерной и внецентренной нагрузке. Согласно закону эволюции напряженно-деформированного состояния и числа микротрещин на рис.13, распространение микротрещин в бетоне при одноосном сжатии делится на три стадии: период покоя I на стадии начального нагружения, период предпикового расширения II от точки зарождения трещины до точки пика и период быстрого роста III после пика.
Рис. 13
Взаимосвязь между количеством трещин и развитием напряжения-деформации при одноосном сжатии. На рис.13 для наблюдения за процессом распространения и эволюции микротрещин, где время а соответствует положению напряжения зарождения трещины.
На рисунках 14 и 15 показан процесс роста трещины при равномерной нагрузке и внецентренной нагрузке при различном времени нагружения.
Рисунок 14
Процесс разрушения образца при одноосном сжатии под действием равномерной нагрузки.
Рисунок 15
Процесс разрушения образца при одноосном сжатии под действием внецентренной нагрузки.
Как видно из рис.14 видно, что микротрещина начинается от верхнего конца исходной трещины из-за концентрации напряжений в вершине исходной трещины при нагружении до момента а. По мере увеличения напряжения к моменту b трещина а еще больше расширяется, и появляется небольшое количество связанных с ней трещин. Трещина b и связанные с ней трещины появляются у нижнего конца первоначальной трещины. При нагружении до момента с образовавшиеся трещины а и Ь продолжают распространяться до конца образца, попутные трещины еще больше увеличиваются, а по обе стороны от исходной трещины появляется небольшое количество трещин с и d.
В момент нагружения d трещина а явно не меняется, трещина Ь приближается к концу образца после распространения, а количество трещин с и d несколько увеличивается. В момент времени е после пика обе трещины а и b проходят до конца образца, а конечные трещины а и b примерно параллельны первоначальному направлению трещины.
Из рис. 15 видно, что в точке возникновения напряжения возникновения трещины а из-за концентрации напряжений на конце верхней нагрузочной плиты и конце начальной трещины в обеих областях появляются микротрещины а и b.В отличие от равномерной нагрузки, трещина а не появляется на вершине начальной трещины, а появляется справа от вершины начальной трещины, которая находится в том же вертикальном положении, что и трещина b на конце нагрузочной плиты. . В момент b трещины a и b постепенно распространяются, а трещина c появляется в вершине исходной трещины. В момент с смена трещины а и трещины с не очевидна, а трещина b непрерывно расширяется, а трещина, образовавшаяся на левой стороне образца, имеет тенденцию к проникновению.
В точке пика d трещина b проходит через левую сторону образца, трещины a и c далее расширяются и удлиняются, а с левой стороны трещины c появляются рассеянные мезотрещины. В момент времени e после пика ширина трещины b еще больше увеличивается, трещины a и c расширяются дальше, трещина a проходит через трещину b, а направления распространения трещин a и c примерно параллельны осевому направлению.
На рис. 16 показано изменение количества трещин с кривыми напряжение-деформация при двухосном сжатии (вмещающее давление 20 МПа) при равномерной нагрузке и внецентренной нагрузке.Согласно закону эволюции напряженно-деформированного состояния и числа микротрещин на рис. 16, процесс распространения микротрещин в бетоне при двухосном сжатии можно разделить на три стадии: стадия покоя I на начальной стадии нагружения, стадия предпикового распространения II от точки зарождения трещины до точки пика и постпиковой стадии быстрого роста III.
Рис. 16
Взаимосвязь между количеством трещин и развитием напряжения-деформации при трехосном сжатии.
На рис.16 для наблюдения за процессом распространения и развития микротрещин, где время а соответствует положению напряжения зарождения трещины. На рисунках 17 и 18 показан процесс роста трещины при равномерной нагрузке и внецентренной нагрузке при различном времени нагружения. Из рис. 17 видно, что при сжатии равномерно распределенной нагрузки трещины a и b появляются на обоих концах исходной трещины, когда нагрузка достигает времени a. В момент b трещина а и b распространяется параллельно осевому направлению нагружения, при этом трещина b у нижней вершины исходной трещины распространяется вверх, а трещина а у верхней вершины распространяется вниз в виде антикрыльевая трещина.Когда нагружение продолжается до с, длина трещины b сильно изменяется, трещина продолжает расширяться, а ширина увеличивается, а в диагональном положении образца появляются рассеянные микротрещины. На пике d количество трещин в диагональном положении образца еще больше увеличивается, показывая тенденцию к проникновению.
В момент е после пика трещины по диагонали образца соединяются с трещинами а и b, а ширина трещин увеличивается с ростом напряжения. Это видно из рис.18 видно, что процесс зарождения и распространения трещины при внецентренной нагрузке отличается от таковой при равномерной нагрузке. В момент а трещина начинается и распространяется от конца нагружающей пластины и нижнего конца исходной трещины. В момент нагружения b трещина а продолжает расширяться вниз и ее ширина увеличивается с увеличением нагрузки, трещина b расширяется вверх и ее ширина увеличивается, а трещина с формируется в вершине исходной трещины и распространяется вниз. В момент с длина трещины а и b несколько увеличивается, в основном в виде ширины, а трещина с изменяется мало.В момент пика d трещина а практически не меняется, трещина b распространяется до правого края образца, в области d левого нижнего угла образца появляются рассеянные микротрещины, а трещина с продолжает расширяться к нижнему краю образца. правый угол. В момент времени e после пика трещины b и c вместе с начальными трещинами образуют сквозную трещину, и образец разрушается.
Рисунок 17
Развитие трещины при двухосном сжатии под действием равномерной нагрузки.
Рисунок 18
Развитие трещины при двухосном сжатии под действием внецентренной нагрузки.
Мосты из предварительно напряженного бетона
Мосты из предварительно напряженного бетона
Как построить мостовую балку из предварительно напряженного бетона? Проведите краткий обзор процесса сборного железобетона.
Что такое предварительно напряженный бетон?
Основные виды бетона
Существует множество технических разновидностей современного бетона, но в исторических зданиях и мостах обычно использовались три основных типа: простой или неармированный бетон, железобетон и предварительно напряженный бетон.
Бетон, как и камень, очень прочен при сжатии и хорошо работает, например, при использовании в качестве вертикальной колонны или опорной стойки.
При горизонтальном использовании в качестве плиты или балки бетон обычно может перекрывать только короткие расстояния, прежде чем он начнет трескаться и разрушаться, если его не сделать толще. Глубина и вес простой бетонной балки вскоре становятся слишком большими и непрактичными для более длинных горизонтальных пролетов, необходимых в зданиях и мостах.
Строители узнали, что добавление металлических арматурных стержней в бетонную балку или плиту позволит пролететь большее расстояние до появления трещин.В результате железобетон стал важным конструкционным материалом для строительства мостов после 1900 года. Практически весь современный бетон армируется металлом.
Вот несколько пояснений о предварительно напряженном бетоне и о том, как он работает:
Предварительно напряженный бетон
Даже железобетон имеет ограниченную способность выдерживать большие расстояния, прежде чем растрескается и разрушится под нагрузкой. За годы до Второй мировой войны европейские инженеры экспериментировали с новой системой обработки бетона, чтобы еще больше увеличить длину пролета при меньшем весе.
Эта система стала известна как «предварительно напряженный» бетон, потому что к бетонной балке применялось растяжение или напряжение до того, как она была установлена на место.
Один из первых инженеров, Гюстав Магнель, сравнил эту систему с удерживанием ряда книг, плотно прижав их с каждого конца и подняв в воздух. Аналогичным образом бетонная балка может быть плотно закреплена с каждого конца с помощью стального стержня или троса. Бетонная балка «предварительно напряжена», потому что напряжение создается до или «до» фактического использования балки при приложении рабочего напряжения.
Правильно спроектированная балка из предварительно напряженного бетона может прокладываться на большие расстояния, чем железобетонная балка, она тоньше, легче по весу и использует меньше бетона, не трескаясь и не ломаясь.
Рисунок 1. Вот рисунок бельгийского инженера Гюстава Магнеля, который объясняет предварительное напряжение, показывая, как ряд книг, плотно прижатых друг к другу, становится балкой, способной поддерживать большее количество книг.
Рисунок 2. В апреле 1960 года журнал «Minnesota Highways» опубликовал эту карикатуру, чтобы проиллюстрировать преимущество предварительного натяжения бетонной балки для предотвращения растрескивания под нагрузкой.
Типы предварительно напряженного бетона
Предварительно напряженный бетон создается с помощью одного из двух процессов: постнатяжения и предварительного натяжения.
Последующее натяжение
В самом простом типе ранних балок из предварительно напряженного бетона использовались стальные тросы для плотного связывания ряда бетонных блоков встык. Это похоже на поднятие ряда книг, прижав их друг к другу с каждого конца. Это называется «пост-натяжение», потому что бетонные блоки натягиваются после того, как они произведены с помощью обычного процесса литья бетонных блоков.Портативное гидравлическое домкратное устройство натягивает тросы, создавая необходимое натяжение.
Вместо использования отдельных блоков можно отлить единый бетонный блок с трубами или трубопроводом внутри для натяжных тросов, которые будут добавлены позже. Этот метод использовался на нескольких ранних мостах Миннесоты.
Система пост-натяжения требовала простого оборудования и могла быть установлена практически в любом месте, в том числе на площадке моста. Фактически, первый мост из предварительно напряженного бетона в Миннесоте был с пост-напряжением.
Поскольку последующее натяжение было ограничено меньшими балками и плитами, альтернативный метод предварительного натяжения стал отраслевым стандартом после первых лет.
Рисунок 3. Это фрагмент первоначального инженерного плана 1957 года для конструкции плиты с постнапряжением для моста 9065, первоначально расположенного на шоссе 61 к югу от Вайноны, но теперь замененного. Показаны пары поперечных сечений двух плит: нижняя пара относится к одной из двух плит снаружи пролета и называется «фасцией» или внешними плитами.
Внизу справа — разрез конца плиты, а внизу слева — центр плиты, показывающий цилиндрические полые центры каждой плиты, экономящие бетон и вес. Верхняя пара взята из одной из внутренних плит, снова показывая конец вверху справа и центр вверху слева. Горизонтальный ряд точек чуть выше нижней части балки представляет собой расположение стальных прядей, протянутых через плиту после затвердевания бетона и затем натянутых.
Предварительное натяжение
Предварительное натяжение стало еще одним способом предварительного напряжения бетона.При предварительном натяжении бетон заливается вокруг уже натянутых тросов и дает возможность затвердеть и удерживать тросы на месте. Когда бетон затвердеет и затвердеет, концы натянутых тросов обрезаются, и натяжение передается на балку или плиту.
Все предварительно напряженные мостовые балки сегодня изготавливаются с использованием процесса предварительного натяжения, который является более сложным, чем процесс последующего натяжения.
Предварительное натяжение требует строительства больших «литейных станин» для удержания стальных тросов, называемых «прядями», в сильно натянутом состоянии, пока вокруг них заливают бетон в формах.
С помощью предварительного натяжения производители изготовили балки и плиты гораздо большего размера. Литейные площадки были построены в длинных фабричных зданиях, что позволяло вести производство круглый год в контролируемых условиях. Длина предварительно натянутых балок была ограничена транспортными ограничениями между заводом и площадкой моста, а также наличием кранов, способных поднимать балки на место. В отличие от стальных балок, которые можно было перевозить более короткими секциями и скреплять болтами на площадке моста, балки из предварительно напряженного бетона приходилось перевозить на грузовиках в готовом виде, и их нельзя было собирать из более коротких блоков.
Рисунок 4. Фрагмент первоначального инженерного плана 1958 года для конструкции предварительно напряженных балок моста 6579 в Сент-Поле (сейчас заменен).
Здесь показаны три поперечных сечения одной балки или балки. Слева (А-А) — вид с торца, а в центре и справа — два вида в средних точках. На чертежах видно, что балка имеет форму двутавровой балки, за исключением концов, где она утолщена для предотвращения растрескивания. Точки на сечениях представляют расположение предварительно напряженных стальных прядей, которые проходят от одного конца до другого.Эти пряди залиты внутри бетонной балки.
Первые мосты из предварительно напряженного бетона
Первый в США: мост Уолнат-Лейн, Филадельфия, 1950 г.
Мост Уолнат-Лейн в Филадельфии, строительство которого было завершено в конце 1950 года, считается первым крупным мостом из предварительно напряженного бетона в США. Гюстав Магнель, бельгийский инженер, и Чарльз Золлман, ученик Магнеля, спроектировали мост. Каждая из предварительно напряженных бетонных балок была отлита на площадке моста в виде единой детали.После того, как бетон затвердеет и затвердеет, кабель будет протянут встык через предусмотренное отверстие.
Домкратное устройство натянуло трос, который затем был закреплен на месте. Первоначальные балки и надстройка были заменены в 1989-90 гг.
Рисунок 5. Мост Уолнат-Лейн, Филадельфия, фото Исторического Американского Инженерного Рекорда (HAER). На этом документальном снимке, сделанном в 1968 году, показан пролет моста Уолнат-Лейн, состоящий из параллельных рядов предварительно напряженных бетонных балок с последующим натяжением, расположенных близко друг к другу.Изображение получено из Библиотеки Конгресса.
Первый в Миннесоте: мост Лейк-Сити, Лейк-Сити, Миннесота, 1953 г.
В 1952 году братья Норберт и Леонард Соукуп основали компанию Northern States Prestressed Concrete Co., чтобы построить первый в Миннесоте мост из предварительно напряженного бетона с использованием метода последующего натяжения. Они собрали ряды специально разработанных бетонных блоков, стянули их вместе в длинный ряд с помощью тросов и создали ряд блок-балок из предварительно напряженного бетона.
Балки создали пролет для моста, по которому проходило местное движение от шоссе 61 США до лагеря бойскаутов за пределами Лейк-Сити. С тех пор мост был заменен.
Рис. 6. Строительство моста в Лейк-Сити в серии пронумерованных изображений: (1) Блочные балки с пост-напряжением были собраны на заводе компании Northern States Prestressed Concrete Co. в Миннеаполисе и доставлены грузовиками на строительную площадку моста недалеко от Лейк-Сити. , недалеко от шоссе. 61. (2) Крупный план трех блочных балок, лежащих на земле рядом с работным домом.Натяжной трос виден сбоку от ближайшей балки. (3) Вид на одну блок-балку на месте от центральной опоры до дальнего устоя, отходящую от камеры, со второй балкой, опускаемой краном. (4) Все блочные балки на месте. (5) Рабочие на блочно-балочном пролете готовятся к установке поперечных тросов, связывающих балки вместе, бок о бок.
Рисунок 7. Это реклама компании Northern States Prestressed Concrete Co.
, с иллюстрацией их блочных балок, используемых для пролетов моста Лейк-Сити. Сравните этот вид с фотографией балок на Рисунке 6 (см. вид 2 вверху справа), на котором показана сторона балки с натянутой прядью снаружи балки. Объявление из «Строительного вестника» от 6 августа 1953 г.
Первый в Миннесоте: мост 9053, Блумингтон, 1957 г.
После моста в Лейк-Сити братья Соукуп построили завод для своей новой компании Prestressed Concrete, Inc.в растущем пригороде Розвилля, штат Миннесота, для изготовления предварительно напряженных железобетонных балок. Чарльз Золлман, работавший на мосту Уолнат-Лейн, консультировал братьев по проектированию литейных станин для нового завода. На литейном заводе в Розвилле компания Soukups производила балки из предварительно напряженного бетона для зданий и мостов, в том числе для первого крупного моста из предварительно напряженного бетона в Миннесоте, по которому проходит 94-я улица через новое шоссе Interstate 35W.
Мост с его оригинальными балками до сих пор несет 94-ю улицу и внесен в Национальный реестр исторических мест.
Рисунок 8. Первый крупный мост из предварительно напряженного бетона в Миннесоте, мост 9053, по которому проходит 94-я улица через межштатную автомагистраль 35W в Блумингтоне, штат Миннесота.
Рис. 9. Реклама нового литейно-производственного завода братьев Соукуп, Prestressed Concrete, Inc., в расширяющемся послевоенном пригороде городов-побратимов Розвилля. Здесь изготовили предварительно напряженные железобетонные балки для моста 9053.Разработанный для ограждения линейных литейных станин, он состоял из длинного ограждения с вертикальным блоком для размещения бетонной установки, что позволяло работать круглый год в условиях с контролируемым климатом. Северо-западный архитектор, май — июнь 1957 г.
Предварительно напряженные мосты и автомагистраль между штатами в 1950-е годы
Созданная в соответствии с Федеральным законом о шоссейных дорогах 1956 года, новая система автомагистралей между штатами потребовала строительства тысяч новых мостов по всей стране.
Новые автомагистрали, спроектированные как автострады, нигде не будут иметь транспортных развязок. Все автомагистрали и железные дороги будут проходить над или под новыми межштатными автомагистралями. Поскольку дизайн новой межштатной автомагистрали был настолько однородным и соответствовал оригинальной четырехполосной системе, большинство мостов были похожи по форме и длине. Этим требованиям идеально подошла новая система из предварительно напряженного бетона, которая легко производила большое количество однородных балок, отлитых на заводах за пределами площадки, в контролируемых заводских условиях, независимо от погоды и условий на площадке.Кроме того, новые балки из предварительно напряженного бетона оказались конкурентоспособными по размеру и стоимости по сравнению со стальными балками, особенно когда в 1950-х годах сталь была дефицитной и дорогой.
Межгосударственная система помогла практически за одну ночь создать крупную отрасль по производству предварительно напряженного бетона.
Одни и те же заводы часто производили балки, плиты и доски для крыш и полов для строительства множества новых торговых центров, школ, стадионов, офисов и других построек в пригородах, к которым ведут межштатные автомагистрали.
Рисунок 10. Эти эскизы межштатной автомагистрали показывают постоянную конструкцию и размеры моста для пересечения четырех полос движения в различных ситуациях.Длина пролетов остается неизменной для моста за мостом.
Мосты из предварительно напряженного бетона в Миннесоте
Исторические предварительно напряженные мосты
| Мост № | Год постройки | Местоположение |
|---|---|---|
| 9053 | 1957 | округ Хеннепин, Блумингтон (также обсуждалось выше ) |
| 9082 | 1958 | Округ Хеннепин, Блумингтон |
| 9108 | 1958 | Округ Дакота, Инвер-Гроув-Хайтс |
| 9109 | 1958 | Округ Дакота, Инвер-Гроув-Хайтс |
| 9232 | 1958 | ул. |
| 9407 | 1958 | Округ Олмстед, Рочестер |
| 27547 | 1970 | Округ Хеннепин, Миннеаполис (пример с пост-натяжением) |
Округ Луи, ХиббингКак использовать стальную фибру в бетоне | Журнал «Бетонное строительство»
В 2003 году в Центре Эла Макгуайра Университета Маркетт в Милуоки был установлен спортивный зал площадью 22 000 квадратных футов.Подрядчик по проектированию и строительству, компания Opus North, Милуоки, хотел, чтобы пол был без швов, трещин и искривлений. Чтобы выполнить эти требования, подрядчик использовал бетонную смесь, содержащую 46 фунтов стальной фибры (см. «Бетонный пол без трещин и изгибов» Marquette, январь 2004 г., http://go.hw.net/cc-marquette). . Из этого и многих других опытов, полученных с момента введения армирования стальной фиброй в 1960-х годах, начинают пониматься преимущества и ограничения, связанные с добавлением фибры в бетон.
Наиболее широкое применение железобетона, армированного стальной фиброй, — строительство плит перекрытий, хотя его использование в качестве замены или дополнения к структурной арматуре в других областях быстро растет. Использование стального волокна для полов/плит может сэкономить деньги по сравнению с другими армирующими системами. Кроме того, расстояние между швами может быть увеличено, и в некоторых случаях их можно использовать в качестве замены структурной арматуры.
В некотором отношении роль полимерных макроволокон и стальных волокон в бетоне одинакова.Каждый продукт можно использовать для увеличения ширины шва в плитах перекрытия, и каждый из них может уменьшить скручивание. Оба типа волокон можно успешно смешивать в бетоне при высокой дозировке, не влияя на условия укладки и отделки, и оба они могут успешно перекачиваться насосом. Однако стальные волокна имеют и другие преимущества.
Типы стальной фибры
Типы стальных волокон определены ASTM A820:
- Тип V: модифицированная холоднотянутая проволока
Волокна типа I имеют предел прочности при растяжении от 145 000 до 445 000 фунтов на квадратный дюйм, а типы II, III, IV и V имеют предел прочности при растяжении всего 50 000 фунтов на квадратный дюйм.
Формы волокна варьируются от круглых проволок с деформированными концами разного диаметра (тип I), прямоугольных или квадратных стержней с углублениями (тип II), треугольного поперечного сечения и скрученных (тип V) до серповидного поперечного сечения и гофрированных (тип V). ), а также другие формы. Они также бывают разной длины, от 1/4 дюйма до более 2 дюймов. Майкл Картер, менеджер по работе с ключевыми клиентами Propex (Fibermesh), Чаттануга, Теннеси, говорит, что есть компромисс с длиной. Более длинные волокна, как правило, работают лучше, но их сложнее смешивать и хорошо смешивать с бетоном.Чтобы решить эту проблему, производители часто связывают волокна с помощью водорастворимого клея, чтобы добиться лучшей дисперсии в бетоне во время смешивания.
Размеры диаметра или периметра изделий различаются, и производители волокон продают волокна разной формы. Джимм Миллиган, региональный менеджер компании Bekaert (Dramix) на Среднем Западе, Манси, Индиана, говорит, что задача состоит в том, чтобы деформировать концы волокна таким образом, чтобы добиться максимального сцепления с бетоном и хорошего сцепления цементного теста по всей длине волокна.
Вы также можете оценить эффективность волокна по соотношению сторон — длине, деленной на диаметр.Чем выше соотношение сторон, тем лучше производительность. Более длинные волокна имеют более высокое соотношение сторон. Используйте пропорции для сравнения волокон одинаковой длины.
Некоторые производители смешивают стальные волокна с полимерными пластиковыми макро- и микроволокнами для получения синергетического эффекта.
Контроль трещин
Уход за швами — это большое дело, говорит Майк МакФи, менеджер по технической поддержке компании Fibercon, Шарлотт, Северная Каролина. Для владельцев полов трещины и контрольные швы представляют собой будущие проблемы с обслуживанием, поэтому меньшее количество швов является признаком качества.Стыки в полах, какими бы необходимыми они ни были, обычно изнашиваются первыми, что стоит владельцам денег на ремонт по мере старения пола. Поэтому владельцы часто готовы платить за более высокие дозы стальной фибры в обмен на увеличенное расстояние между стыками и срок службы стыков.
Если бы они могли себе это позволить, владельцы строили бы полы вообще без швов.
Количество стальной фибры, добавляемой в бетонную смесь, зависит от целей: экономия средств, увеличение расстояния между швами или улучшение конструкции. Дозы стального волокна могут быть от 8 фунтов до 200 фунтов на кубический ярд.Увеличение процентного содержания волокон в смеси позволяет спецификаторам увеличить расстояние между стыками. Полы армируются, чтобы предотвратить растрескивание между пропилами в соответствии с рекомендациями ACI по распилу швов, или полностью армируются, чтобы не было пильных швов между конструкционными швами. Это те же рекомендации, которые ACI поддерживает для армированных полов.
Волокна иногда указываются в процентах от объема бетона. Так, например, 66 фунтов волокна на кубический ярд составляет около 0,5% по объему. Добавление 1% клетчатки составляет приблизительно 132 фунта.
Важность всей системы
Простое добавление стальной фибры к бетону не гарантирует успеха.
Стальные волокна в бетоне представляют собой только часть системы. Есть и другие важные элементы, которые необходимо учитывать, включая подготовку основания, состав бетонной смеси и общее количество воды в смеси.
Состояние основания критическое. Основание под плитой должно иметь достаточный дренаж, должным образом уплотняться и иметь ровную гладкую поверхность. Также рекомендуется установка хорошей системы пароизоляции.Нельзя допускать укладки бетона на грязь и лужи воды. Эти области должны быть удалены, заменены подходящим материалом и уплотнены перед укладкой бетона. Цель состоит в том, чтобы создать гладкую поверхность для нижней части бетонной плиты, чтобы она могла свободно перемещаться при усадке — плиты, зацепившиеся за земляное полотно неправильной формы, могут стать достаточно напряженными, чтобы расколоться.
Майкл Картер, менеджер по работе с ключевыми клиентами Propex, говорит, что разумно разработать хорошие совокупные распределения для микса.Смеси с хорошим гранулометрическим составом требуют меньше цемента, что дает более прочный бетон.
Они также требуют меньшего количества воды, поэтому усадка меньше. Прочность бетона на сжатие, изгиб и растяжение во многом определяется составом бетонной смеси, а не добавлением стальной фибры. Высокая прочность на изгиб особенно необходима для качественной укладки стальной фибры в бетон.
Важно принять решение о дозировке стальной фибры, которую следует включить в приложение. Например, чтобы увеличить расстояние между швами в проекте, сохраняя при этом защиту от трещин, может потребоваться 40 фунтов на кубический ярд стальной фибры, добавленной к хорошей смеси с низкой усадкой.Увеличить расстояние между швами можно, добавив нужное количество волокон (и правильного типа) в качественную бетонную смесь, добавив нужное количество воды и уложив смесь на хорошо подготовленное основание
.
Смешивание
Сегодня большинство волокон добавляется на заводе готовых смесей. Самый популярный метод — использовать конвейер для загрузки их в грузовик сразу после загрузки бетонных ингредиентов.
Если они смешиваются с бетоном на строительной площадке, используются либо конвейеры, либо машины, которые могут вдувать их в смеситель.В любом случае, смешивание выполняется легко.
Поддержка производителя оптоволокна
В некоторых случаях производители волокна нанимают инженеров-конструкторов, однако их торговые представители являются специалистами, которые могут помочь в разработке смесей с использованием армирования стальным волокном. Они могут помочь вам определиться с типом волокна, стилем и количеством волокна для применения, дать совет по пропорциям смеси, предоставить информацию о стоимости, а иногда даже предоставить конвейеры, необходимые для загрузки волокна в грузовик для готовой смеси.Миллиган говорит, что его компания разработала запатентованную программную систему, помогающую разрабатывать конструкции для различных приложений. Но он говорит, что помогает только тем, кто на самом деле отвечает за бетон.
Опыт подрядчика
Когда подрядчики сталкиваются с установкой плит перекрытий из стального волокна, у них, естественно, возникают вопросы о том, как укладывать и отделывать, что происходит, когда нормы дозировки увеличиваются или увеличиваются затраты на установку.
Вот отчеты двух подрядчиков об их опыте.
Стив Ллойд, вице-президент Lloyd Concrete Services, Форест, Вирджиния, в настоящее время укладывает и отделывает 10 миллионов квадратных футов пола каждый год — плиты на земле и настиле. Большая часть этой работы включает стальные волокна. Он говорит, что у них есть 17-летний опыт работы со стальной фиброй в строительстве бетонных полов. «Моя первая работа была катастрофой; волокна повсюду торчали из поверхности пола, и бригада провела весь день, следя за укладкой, собирая волокна с поверхности». Но они узнали, как с ними работать, а также какие типы использовать для достижения наилучших результатов.Они устанавливают дозировку, которую хотят владельцы, в соответствии с производительностью пола. Они помещают всего лишь 25 фунтов и целых 75 фунтов на кубический ярд бетона.
Увеличение расстояния между швами и уменьшение растрескивания являются основными причинами, по которым их клиенты хотят использовать стальную фибру в своем бетоне, говорит Ллойд. В проектах с металлическими настилами они могут уменьшить количество трещин. Он сообщает, что самое длинное успешное расстояние между швами, которое они установили, составляет 100×100 футов. Их самая длинная сверхплоская плита перекрытия F-min имеет ширину 12 футов и длину 210 футов.«Для этой установки часть арматуры была заменена стальной фиброй», — добавляет он.
Ллойд говорит, что вы должны не торопиться с такой работой. Иногда стяжку проводят по бетону дважды. Также помогает снижение уровня вибрации на их плите.
Том Гарза, руководитель проекта компании Barton Malow, Саутфилд, штат Мичиган, подрядчика, специализирующегося на промышленных работах, уложил бетон с дозировкой стальной фибры до 55 фунтов на кубический ярд.Владельцы указывают более высокие показатели для улучшения свойств пола, таких как ударопрочность, более высокие номинальные нагрузки и уменьшение растрескивания и скручивания, но не для увеличения расстояния между швами. Они по-прежнему следуют ранее изложенным правилам расстояния между суставами ACI.
Поскольку дозировка увеличивается, Гарза говорит, что они принимают меры, чтобы волокна не были видны на поверхности. Их отделочники проводят валиком по свежеуложенному бетону, чтобы немного вдавить волокна. Они не делают этого, когда применяются поверхностные отвердители.
«Мы не заметили повышенного износа затирочных лотков и лезвий затирочных машин при более высоких нормах дозирования, но мы наблюдаем повышенный износ лезвий пилы при резке контрольных швов», — добавляет Гарза.
Строительство цеха по производству двигателей
Вам может быть интересно, насколько сложно укладывать и отделывать бетон со стальной фиброй, добавленной в смесь. Некоторый свет на это проливает проект, который я недавно посетил, где Бартон Малоу, имеющий большой опыт работы со стальным волокном, устанавливал пол из стального волокна.
Когда производитель автомобилей решил добавить 100 000 квадратных футов производственных площадей к своему объекту, они указали светоотражающий бетонный пол толщиной 12 дюймов с 23 фунтами высокоэффективных стальных волокон длиной 2 дюйма на кубический ярд. конкретный. Они наняли Бартона Малоу для строительства здания, включая бетонные работы.
Миллиган говорит, что спецификация автопроизводителя заменила другие формы армирования — сварную проволочную сетку и арматуру — стальными волокнами, что сэкономило им деньги, сократило время подготовки и упростило установку.Армирование стальным волокном ориентировано во всех направлениях и распределено по бетону. Таким образом, без арматуры на земле автобетоносмесители могли выгружаться прямо из желоба, что устраняло необходимость в бетононасосах. Безопасность рабочих также повышается, поскольку нет арматуры, о которую можно споткнуться.
Миллиган говорит, что эти владельцы не указали стальные волокна для увеличения расстояния между стыками; они использовали его для замены других форм арматуры, препятствующей образованию трещин. «Расстояние между швами соответствует директиве ACI, требующей, чтобы швы не превышали 2 1/2 толщины плиты, выраженной в футах», — говорит он.Поэтому для этого проекта Бартон Малоу использовал пилу с ранним входом, чтобы прорезать швы через каждые 21 фут 6 дюймов в обоих направлениях примерно через три часа после завершения отделки.
Гарза говорит, что бетонная смесь для этого проекта включала 540 фунтов портландцемента, водоцементное отношение 0,54, хорошо отсортированный 2-дюймовый смешанный крупный заполнитель и средний понизитель воды. Это дало бетон с прочностью на сжатие 4000 фунтов на квадратный дюйм и прочностью на изгиб после трещины 200 фунтов на квадратный дюйм. Гарза говорит, что они работали с инженером и поставщиком готовых смесей, чтобы разработать эту смесь с уменьшенной усадкой.Крупность хорошо отсортированного заполнителя в смеси — единственное, что немного усложняло отделку.
Том Бинковски, главный прораб проекта, говорит, что укладка и стяжка не сложнее, чем бетон без стальной фибры. Он добавляет, что светоотражающий цветной отвердитель, указанный для этого проекта, нанесенный из расчета 1 1/2 фунта на квадратный фут, покрыл волокна и облегчил отделку поверхности. В других проектах, по его словам, они часто пропускают «роллер-жук» по только что срезанной поверхности, чтобы вдавить крупные заполнители и волокна, нанося на поверхность цементную пасту, чтобы добиться лучшего результата после затирки.
Чтобы уложить и закончить этот бетон, Бартон Малоу залил пол секциями по 20 000 квадратных футов — примерно 1000 кубических ярдов. Весь бетон был уложен из желобов грузовиков, выровнен с помощью лазерной стяжки, залит булкой, а затем нанесен светоотражающий цветной отвердитель, нанесенный распределителем материала. Как только отделщик мог ходить по свежему бетону, для выполнения первого прохода использовалась отделочная машина с ручным управлением, оснащенная затирочными подушечками, затиркой цвета и подготовкой поверхности для затирочных мастерков, оснащенных затирочными затирочными кругами, которые выполняли следующий проход. .Последовали операции затирки, чтобы обеспечить желаемую отделку с твердой затиркой.
Можно ли перерабатывать сталефибробетон?
«Не легко» — самый частый ответ. Картер говорит, что все, что превышает 50 фунтов волокна на ярд бетона, должно быть распилено и поднято. — Отбойным молотком не вытащишь. Макфи соглашается: «Если вы забыли провести ватерлинию под плитой, вам придется полностью прорезать линии траншеи через бетон, а затем разрезать бетон на удобные секции, которые можно будет поднять.
Никто из опрошенных для этой статьи не знал, как лучше всего снести плиту, потому что они не знали никого, кто это делал. Даже первые применения железобетона, армированного стальной фиброй, продолжают работать хорошо, и это говорит в пользу продукта.
Подробнее о Bekaert Corp.
Найдите продукты, контактную информацию и статьи о Bekaert Corp.
Стать более эффективным при работе с бетоном
Смешивание и заливка бетона — достаточно простой процесс, который хорошо информированный неспециалист может использовать в качестве хобби, хотя, как правило, рекомендуется поручить эту работу опытным профессионалам, если это важный аспект возведения структурно прочного здания.Архитектор должен понимать, как и почему бетон работает именно так, как он работает, но может не иметь опыта работы с методами фактического применения в рабочих условиях.
Генеральный подрядчик с другой специализацией должен иметь хорошее представление о работе с бетоном, но, вероятно, не имеет такого же опыта, как профессиональная бетонная бригада, работающая с бетоном каждый день. Независимо от того, с какой точки зрения вы подходите к своему конкретному проекту, есть несколько общих правил, которые помогут вам стать более эффективным при работе с бетоном.
Прочность бетона на растяжение
Прочность бетона на растяжение — это его сопротивление растягивающим или скручивающим усилиям, а не его способность выдерживать сжимающие нагрузки. Мост нуждается в прочности на растяжение, поскольку он изгибается под нагрузкой или из-за погодных условий. Фундамент здания или бетонные стены сталкиваются с требованиями к растяжению, поскольку здание со временем оседает. Производитель определяет прочность на растяжение и сжатие, используя свой отвержденный продукт, на месте проведения работ проводится испытание на осадку.
По сути, заполнение стакана влажной смесью, переворачивание его вверх дном и снятие стакана — это то, с чего начинается испытание на осадку, а затем отсчет времени, в течение которого он сохраняет свою форму, определяет правильность перемешивания бетона в зависимости от того, требуется ли прочность или маневренность. проект.
Использование калькулятора бетонных плит
Неспособность определить нужное количество бетона с помощью калькулятора бетонных плит для смешивания или заказа может привести к дорогостоящей ошибке для бетонного проекта.Слишком много — это беспорядок, чтобы очистить, слишком мало потребует второго нанесения, которое может не сцепиться хорошо или обеспечить прочность одной заливки. Важным аспектом является не обязательно доверять планам, а измерить площадь после завершения земляного полотна и добавления гравия и грязи по мере необходимости. Не забывайте учитывать арматуру и понимать, что бетон будет давать усадку по мере затвердевания и испарения воды.
Выбор и использование пилы по бетону
Существует четыре основных типа пил для резки бетона, каждый из которых имеет свой набор преимуществ для различных областей применения.Пила с ручным управлением является самой мощной и точной, способной выполнять резку быстро с минимальной нагрузкой на пользователя при выполнении задач по резке в течение всего дня. Ручная пила с режущей кромкой предназначена для отделочных работ по краям и может легко прорезать арматуру бетона. Влажные пилы разбрызгивают воду на срез, удерживая пыль для лучшей видимости и контроля над срезом. Алмазный диск — это не совсем пила, но он необходим для выполнения чистых разрезов, которые будут видны, когда работа будет завершена.
Пропорции для смешивания бетона
Типичные пропорции бетона: четыре части заполнителя, две части песка и одна часть цемента. Пропорции могут меняться в зависимости от конкретного применения, большее количество цемента повышает клейкость, большее количество песка позволяет лучше формовать, большее количество заполнителя делает бетон более прочным. Правило для воды заключается в том, чтобы использовать как можно меньше воды, чтобы скрепить все вместе, или немного больше, если это необходимо для маневренности, если в проекте есть кривые или углы в ограниченном пространстве.
Повышение эффективности работы с бетоном помогает повысить общую прибыль производства и повысить безопасность команды.