Лабораторные статические испытания объединенных балок при действии вертикальных нагрузок
|
В России и других странах проведены многочисленные лабораторные статические испытания объединенных балок на опытных образцах различного размера. Как правило, опытные образцы испытывали вертикальными нагрузками до разрушения, точнее, до исчерпания несущей способности, т. е. до падения давления в прессе или домкратах. В отличие от обычных натурных испытаний лабораторные опыты дают материал для суждения о предельных состояниях объединенных балок, а некоторые из опытов — также и о действительной работе балок под длительными или повторными нагрузками. В 1943 г. в Швейцарии испытали статической нагрузкой две объединенные балки пролетом 4 м. Уже эти испытания показали большие запасы несущей способности в объединенных балках и установили возможность определения разрушающего изгибающего момента на основе теории предельного равновесия. Начиная с 1947 г. в течение многих лет в Иллинойском университете (США) велись испытания разрезных и неразрезных объединенных балок, имевших чаще всего пролеты 1,52 м. Было изучено много вопросов и наиболее подробно — влияние на работу балок податливости различных объединительных деталей и сцепления бетона со сталью. В 1950—1951 гг. С.Н. Ерлыков (Лентрансмостпроект) на трех образцах пролетом 1,5 м исследовал особенности работы и характер раскрытия трещин в объединенных балках с относительно высокими железобетонными ребрами и наклонными арматурными анкерами. В 1951—1953 гг. в Дармштадской высшей технической школе (ФРГ) испытали 4 опытные объединенные балки пролетом 14 м с различными видами объединительных деталей. В связи с большими размерами образцов, а также детальным изучением влияния ползучести и усадки бетона эти эксперименты представляют особый интерес. В 1952 г. в Сибирском автодорожном институте (г. Омск) испытали 8 опытных объединенных балок различных конструкций с пролетом 2,5 м. При этом были исследованы закономерности развития пластических деформаций в бетоне и стали при однократном загружении балки. В 1954—1955 гг. в НИИЖТе испытали 24 опытные объединенные балки пролетом 1,32 ж и 6 пространственных объединенных конструкций пролетом 5,5 м. Исследовались работа объединенных балок на положительный момент при относительно большой прочности бетона, работа на отрицательный момент, специфика работы при сборной плите и другие вопросы.  В 1957 г. в ДНИИСе и МАДИ автором совместно с Г. П. Соловьевым было испытано статической нагрузкой 9 пространственных образцов объединенных балок пролетом 6 м. Размеры и конструкция образцов, схема приложения испытательной нагрузки и расстановка приборов показаны на рис. 62. Образцы различались конструкцией и размещением объединительных деталей и кубиковой прочностью бетона, изменявшейся от 202 до 304 кГ/см2. Предел текучести стали колебался в пределах 2 275—2 340 кГ/см2. Три образца были испытаны с монолитной железобетонной плитой и 6 образцов — со сборной железобетонной плитой. Особенностями испытаний были сравнительно большие размеры образцов и достаточно полное использование сопротивления бетона в предельном состоянии. При испытаниях осуществлялись разгрузки и повторные приложения нагрузки на каждой ее ступени, что в определенной степени отвечало действительным условиям работы мостовых конструкций. Кроме того, лабораторные статические испытания объединенных балок производились также в Швеции в 1952 г., в России в 1953 г. и рядом исследователей в Чехословакии, ФРГ, Китае, США, Англии и других странах. В настоящей главе рассматриваются данные испытаний, относящиеся к деформациям объединенных балок и предельным состояниям их поперечных сечений. Данные испытаний балок, освещающие работу и разрушение швов объединения железобетона и стали, изложены далее. Лабораторные статические испытания объединенных балок показали, что достаточно удаленные от опор поперечные сечения балок остаются при деформациях практически плоскими по высоте балки не только при небольших напряжениях (что было уже ранее установлено результатами натурных испытаний), но и при непосредственном приближении к исчерпанию поперечным сечением несущей способности; при этом податливость шва объединения железобетона и стали мало сказывается на напряжениях. Это следует из очертания полученных в наших опытах эпюр продольных деформаций, приведенных на рис. 63. На этих эпюрах уступ между деформациями железобетонной плиты и стального двутавра отсутствует, несмотря на то, что шов между ними был отнюдь не абсолютно жестким: упругие деформации сдвига при нагрузке Р=50 т достигали 0,14 мм и остаточные — 0,10 мм. В некоторых экспериментах, например, в опытах уступ между деформациями железобетонной плиты и стального двутавра удавалось зафиксировать, однако величина его всегда была незначительной.   В большинстве статических лабораторных исследований объединенных балок испытательную нагрузку прикладывали ступенями почти без разгрузок и повторных загружений. При отсутствии разгрузок и повторных загружений зависимость деформаций от нагрузки имела характер согласно рис. 64, а, если развитие пластических деформаций начиналось в стали, и согласно рис. 64, б, если развитие пластических деформаций начиналось в бетоне. В обоих случаях начальные участки графиков практически прямолинейны. Следует отметить, что при однократном загружении образцов испытательной нагрузкой в опытах, отличавшихся небольшими напряжениями в бетоне, удалось получить хорошую сходимость соотношения n1 = Ес/Еб, определявшегося несколькими способами (по прогибам опытного образца в середине пролета, по углам поворота опорных сечений и по положению нейтральной оси в середине пролета). Это подтверждает правильность расчетной схемы объединенной балки, в которой не учитывается податливость шва объединения железобетона и стали. В опытах при увеличении фибровых напряжений в бетоне от 10 до 200 кГ/см2 величина M1 изменялась в пределах от 6,9 до 8 при кубиковой прочности бетона 357 кГ/см2 и от 5,85 до 6,9 при кубиковой прочности 400—425 кГ/см2.  Несколько увеличенные значения параметра n1 по сравнению с обычными, характерными для работы бетона на сжатие, можно объяснить неравномерностью деформирования железобетонной плиты по ширине, т. е. недоиспользованием крайних участков свесов плиты. Действительно, измерения продольных деформаций бетона показали, что в одиночных объединенных балках, особенно при небольшом отношении длины пролета к ширине железобетонной плиты, закон плоских сечений по ширине плиты соблюдается значительно хуже, чем по высоте объединенной балки (рис. 65, а). Неравномерность напряжений по ширине плиты увеличивается от середины пролета к опорам; соответственно уменьшается площадь железобетонной плиты, полноценно включающаяся в работу. Это обстоятельство вызывает снижение нейтральной оси объединенной балки от середины пролета к опорам (рис. 65, б), отмечавшееся в опытах и др. В опытах средние коэффициенты неравномерности работы плиты (отношения действительной площади эпюры деформаций к площади прямоугольной эпюры с такой же максимальной ординатой) составляли от 0,5 до 0,75, причем они увеличивались с ростом нагрузки и напряжений в бетоне. При опирании плиты на две или большее количество балок коэффициент неравномерности приближается к единице. Например, в трехбалочных пространственных образцах средний коэффициент неравномерности изменялся от 0,75 до 0,9, а в наших опытах он был близок к единице. Экспериментальные данные позволяют считать, что в реальных объединенных пролетных строениях, где всегда имеется не менее двух балок, а отношение длины пролета к ширине плиты, приходящейся на одну балку, значительно больше, чем в опытных образцах, коэффициент неравномерности тем более должен быть близок к единице.  Большая часть опытных образцов в нашем исследовании была испытана нагрузкой, которую прикладывали двумя домкратами в третях пролета (см. рис. 62), причем за условный нуль принимали нагрузку 2Р = 2*5 т. В ходе испытаний нагрузку увеличивали ступенями по 5 т от каждого домкрата и на каждой ступени производили разгрузки и повторные загружения. Количество разгрузок и повторных загружений на основных ступенях (P = 15; 25; 35; 45; 55 т) было от 7 до 13, а на промежуточных ступенях (P = 10; 20; 30 т и т. д.) — по одному. На следующую ступень нагрузку поднимали только с предыдущей ступени. Такой порядок испытаний приняли потому, что особенностью работы бетона, аналогичной ползучести под постоянной нагрузкой, является, как известно, нарастание деформации в бетоне при повторных загружениях временной нагрузкой, называемое при многократной повторности виброползучестью. Оба эти явления имеют сравнительно близкую природу и проявляются тем заметнее, чем больше напряжения в бетоне. Деформации ползучести от постоянной нагрузки затухают со временем, а деформации от загружений временной нагрузкой стабилизируются после некоторого количества повторных загружений, тем большего, чем выше напряжения в бетоне. Если напряжения в бетоне. Если напряжения превосходят предел выносливости, то деформации полностью не стабилизируются, и в результате значительного количества повторений временной нагрузки наступает разрушение от усталости бетона. В обычной статически определимой железобетонной балке, особенно при одиночной арматуре, ползучесть бетона и нарастание деформаций при Повторных загружениях сказываются только на общих деформациях балки и почти не отражаются на внутренних усилиях и напряжениях в бетоне и арматуре. Как бы ни были велики указанные дополнительные деформации бетона, все сжатие воспринимает бетон, а все растяжение — арматура, и обе эти внутренние силы почти стабильны, если сохраняется неизменным внешний изгибающий момент от постоянной и временной нагрузок, уравновешиваемый внутренними силами. Соответственно дополнительные пластические деформации бетона на прочности такой железобетонной балки непосредственно не отражаются, что согласуется с трактовкой расчета на прочность, как расчета на однократное воздействие расчетных нагрузок. В объединенной сталежелезобетонной балке роль дополнительных пластических деформаций бетона совершенно иная. Поскольку имеется жесткая стальная часть балки, способная самостоятельно работать на изгиб, дополнительные пластические деформации бетона приводят прежде всего к перераспределению внутренних усилий между бетоном и сталью. При этом сжимающее усилие в бетоне уменьшается, соответственно в стальной части балки уменьшается растягивающее усилие и увеличивается изгибающий момент. Величины же дополнительных пластических деформаций бетона в объединенной балке оказываются меньше, чем в железобетонной, поскольку полному проявлению этих деформаций препятствует жесткая стальная часть конструкции. В результате оказывается уменьшенным и влияние дополнительных пластических деформаций бетона на общие деформации объединенной балки (прогибы, углы поворота и т. д.). Анализ рассмотренных явлений позволяет сделать важный вывод о том, что нарастание деформаций и снижение напряжений в бетоне при повторных загружениях объединенной балки временной нагрузкой может, как и ползучесть бетона, непосредственно отражаться на прочности объединенной балки. Поскольку при эксплуатации однократное загружение моста сразу расчетной временной нагрузкой является нереальным и поскольку в действительности мосты работают именно на повторные воздействия временной нагрузки, очевидно, что объединенные балки при испытаниях необходимо подвергать повторным загружениям не только в исследованиях предельного состояния по выносливости, но и при изучении предельного состояния по прочности. Однако если при испытаниях на выносливость количество циклов (повторений нагрузки) должно измеряться сотнями тыс. или млнми, то при испытаниях на прочность достаточно ограничиться несколькими повторениями нагрузки (или несколькими десятками повторений), чтобы добиться такого перераспределения усилий и напряжений между бетоном и сталью, которое достаточно близко к реальным условиям работы мостовой объединенной балки.  Дело в том, что наибольшее нарастание деформаций бетона, а вместе с тем и всех других общих и местных деформаций объединенной балки происходит уже при первых нескольких повторениях нагрузки, после чего наступает относительная (в пределах точности измерительных приборов) стабилизация деформаций. Подтверждением этого может служить рис. 66, на котором показаны полученные экспериментально кривые стабилизации прогибов опытных образцов объединенных балок. Таковы обоснования порядка загружения, принятого в проведенных нами статических испытаниях. Примеры полученных в этих опытах графиков прогибов в середине пролета, относительных деформаций в стальном нижнем поясе и относительных деформаций верхней фибры бетона приведены на рис. 67. Из этих графиков видно, что работа опытных образцов была нелинейной и неупругой, начиная с самых низких ступеней нагрузки,а при разгрузках обнаруживались значительные остаточные деформации. Однако, как это было видно еще из графиков рис. 66, после небольшого количества повторных загружений на каждой ступени (при не слишком высоких ступенях нагрузки) достигалась практическая стабилизация деформаций и объединенная балка начинала работать под данной нагрузкой вполне упруго.   После каждой разгрузки, следующей за загружением с некоторым развитием пластических деформаций в бетоне, в балке образуются остаточные деформации и напряжения: фибры бетона остаются укороченными и растянутыми (это растяжение может быть погашено сжатием от постоянной нагрузки), фибры стального верхнего пояса — укороченными и сжатыми, фибры нижнего пояса — удлиненными и растянутыми. Для последующего загружения указанные остаточные напряжения являются начальными. Таким образом, в стальной части балки происходит суммирование напряжений, отвечающих упругой работе, с напряжениями, возникшими от развития дополнительных пластических деформаций в бетоне. Это ускоряет появление пластических деформаций в стали, и в результате работа объединенной балки становится еще менее упругой. В наших опытах пластические деформации в стали появились еще быстрее потому, что в двутаврах не были сняты остаточные сварочные напряжения. Кроме того, в некоторых образцах использовались стальные двутавры, взятые от ранее испытанных образцов и прошедшие правку после исчерпания несущей способности в предыдущем испытании, что способствовало проявлению эффекта Баушингера.  В результате проведенных статических испытаний получены интересные зависимости между относительными деформациями и напряжениями в бетоне объединенных балок (рис. 68). Кривые 1, построенные по упругим деформациям разгрузок, характеризуют обычную зависимость между напряжениями и упругими деформациями бетона как материала. Кривые 3 построены по полным деформациям после повторных загружений и характеризуют специфическую для эксплуатационной стадии работы объединенных балок зависимость между напряжениями в бетоне и его полными деформациями, слагающимися в общем случае из упругих деформаций, пластических деформаций первого загружения и дополнительных пластических деформаций, накопившихся при повторных загружениях. На рис. 68 показаны еще кривые 2, построенные по полным деформациям, измеренным на каждой ступени нагрузки перед началом повторных загружений. Эти кривые достаточно близки к зависимостям между напряжениями и полными деформациями в бетоне как материале при однократном загружении, однако они учитывают не только упругие и пластические деформации первого загружения, но и влияние повторных загружений на более низких ступенях нагрузки. Все изложенное свидетельствует о том, что действительная работа объединенной балки отличается значительной сложностью и зависит даже от количества и величины ранее прикладывавшихся временных нагрузок, т. е. как бы от «биографии» балки. Характер разрушения тех образцов объединенных балок, в которых несущая способность была исчерпана в поперечном сечении, нагруженном максимальным изгибающим моментом, достаточно сходен в опытах различных исследователей. Пластические деформации в бетоне с увеличением нагрузки нарастают постепенно, поэтому качественные изменения в работе образца возникают обычно только с развитием пластических деформаций в стали нижнего пояса балки, когда полные и остаточные прогибы и другие общие и местные деформации начинают расти особенно интенсивно. Одновременно с этим начинает интенсивно проявляться ползучесть бетона, в результате чего по приборам в течение нескольких минут наблюдается некоторое увеличение деформаций без изменения испытательной нагрузки. После существенной проработки пластических деформаций в стали и бетоне, на что требуется сравнительно большое дополнительное увеличение испытательной нагрузки (в среднем на 12—20%), в бетоне возникают видимые продольные трещины. Наконец, при новом увеличении испытательной нагрузки (на 6—10%) и достижении моментом величины Mэ происходит раздробление сжатого бетона (рис. 69) и исчерпание несущей способности образца.  В табл. 9 сопоставлены экспериментальные и теоретические предельные изгибающие моменты для нескольких характерных испытанных нами опытных образцов. В этой таблице: Mэ — экспериментальный изгибающий момент исчерпания несущей способности; My — теоретический предельный изгибающий момент упругой работы; Mp — теоретический изгибающий момент предельного равновесия; εбф,э — экспериментальная относительная деформация верхней фибры бетона перед исчерпанием несущей способности; Rкуб — кубиковая прочность бетона плиты. Экспериментальные изгибающие моменты Mэ значительно превосходят теоретические изгибающие моменты My, вычисленные в предположении упругости бетона и стали и отвечающие достижению напряжением в крайней фибре бетона прочности бетона на сжатие при изгибе или достижению напряжением в крайней фибре стали предела текучести стали. Особо следует отметить, что в испытанных образцах при расчете в предположении упругой работы предельные напряжения раньше достигаются в крайней фибре бетона, чем в крайней фибре стали. Теоретические изгибающие моменты My поэтому очень сильно зависят от прочности бетона. В то же время экспериментальные изгибающие моменты Mэ близки к теоретическим изгибающим моментам Mр, отвечающим предельному равновесию в поперечном сечении опытного образца, когда напряжения во всей стали равны ее пределу текучести, а напряжения во всем бетоне — прочности бетона на сжатие при изгибе. Очень важно, что при расчете по предельному равновесию влияние прочности бетона на теоретическую несущую способность проявляется значительно менее резко, чем при расчете в предположении упругой работы. В экспериментах же влияние прочности бетона на несущую способность образца было практически неощутимым; во всяком случае оно было меньше влияния ряда других факторов, явившихся причиной разброса несущей способности. Таким образом, теория предельного равновесия оказывается значительно ближе к экспериментальным данным об исчерпании несущей способности образцов, чем теория упругой работы.  При исчерпании несущей способности полные прогибы опытных образцов составляли от 1/106 до 1/205, а остаточные прогибы — от 1/185 до 1/408 длины пролета. Трещины в бетоне, как уже указывалось, появлялись раньше потери несущей способности. Оценивая величины общих деформаций и состояние объединенной балки в целом, нельзя не прийти к выводу, что она перестает удовлетворять эксплуатационным требованиям ранее исчерпания несущей способности. Поэтому за предельное состояние объединенной балки по прочности следует принять более низкое состояние, в большинстве случаев — существенное развитие текучести в стали со стороны нижнего пояса. В опытах такое предельное состояние наступало под нагрузками, составлявшими 80—85% нагрузки исчерпания несущей способности. Отметим попутно, что несовпадение первого предельного состояния (потери эксплуатационной способности) и потери несущей способности, полученное для объединенных балок, не является каким-то исключением. Напротив, для большинства строительных конструкций, в том числе и железобетонных, эксплуатационная способность исчерпывается в предельном состоянии по прочности (и по выносливости) ранее исчерпания несущей способности. Для некоторых объединенных балок предельным состоянием по прочности может явиться раздробление сжатого бетона, если оно происходит ранее существенного развития текучести в стали. Как известно, раздробление сжатого бетона в данных конкретных условиях работы происходит при достаточно стабильных предельных относительных деформациях, что подтверждается и данными табл. 9. Остановимся кратко на результатах сравнительных лабораторных статических испытаний объединенных балок со сборной и с монолитной железобетонной плитой. В опытах образцы со сборной плитой показали деформативные свойства и несущую способность, близкие к аналогичным показателям образца с монолитной плитой. Снижение несущей способности при сборной плите не превосходило 10%. В наших испытаниях снижения несущей способности и изменения общих деформативных свойств при сборной плите вообще не было отмечено при прочности бетона замоноличивания швов, превышающей прочность бетона блоков (превышение составляло от 5 до 50%). Сборные плиты имели при этом 3 или 7 поперечных швов шириной по 80 мм. Несмотря на увеличенную прочность, деформации бетона в шве все же превосходили деформации его в блоке (на той же базе) на 20—25%, дополнительное обжатие одного шва при предельных напряжениях составляло примерно 0,03 мм (за счет худшего уплотнения бетона в шве, а также контактных и усадочных явлений). Столь малые дополнительные местные деформации практически не сказались на общих деформациях и несущей способности образцов, хотя раздробление бетона и происходило в конечном счете всегда в зоне одного из стыков. В одном опытном образце (№ 6) прочность бетона в швах составляла только примерно 50% прочности бетона блоков. При этом деформативность швов оказалась в 5 раз больше деформативности бетона блоков (на той же базе), что весьма пагубно сказалось на работе всего образца — общая деформативность его увеличилась на 38%, а несущая способность снизилась на 21% по сравнению с аналогичным опытным образцом с нормально замоноличенными швами. |
