Деформационное уплотнение бетона концевых участков железобетонных элементов при ступенчатом отпуске натяжения арматуры Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Мамонтов Ю.А. д-р техн. наук, профессор.

ЮКГУ им. М.Ауезова

ДЕФОРМАЦИОННОЕ УПЛОТНЕНИЕ БЕТОНА КОНЦЕВЫХ УЧАСТКОВ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ СТУПЕНЧАТОМ ОТПУСКЕ НАТЯЖЕНИЯ АРМАТУРЫ

Длина зоны передачи напряжений зависит от прочности бетона в момент отпуска натяжения арматуры. СНиП 2.03.01-84 рекомендует определять ее по формуле

I =

р

/ \ о

ю--^ + Х Я.

\ /

- 1.

(1)

Регулируя величину передаваемого напряжения 08р в соответствии с изменяющейся во времени прочностью бетона R , т. е. оставляя соотношение о / R посто-

вр7 Бр вр

янным, можно добиться неизменности длины зоны передачи напряжений. Исходя из этой предпосылки, считаем, что отпуск натяжения арматуры можно производить не только однократно при наборе бетона соответствующей передаточной прочности, но и многократно, поэтапно в процессе твердения бетона, например, во время тепловой обработки.

Такого приема в технологии изготовления преднап-ряженных железобетонных изделий практика не имела [1]. Передавая напряжения с арматуры на « молодой» бетон частями в процессе твердения, т. е. как бы приучая его к восприятию смолоду значительных усилий, можно формировать не только более плотную структуру бетона в околоарматурной зоне, но и изменять, вернее, регулировать напряжённо-деформированное состояние в концевых участках конструкций. Используя высокую деформативность бетона в раннем возрасте, можно добиться более согласованной работы его с арматурой в зоне передачи напряжений. Уплотняя бетонные шпонки под выступами, арматура будет проникать в тело бетона без нарушения его сплошности. Чем моложе бетон, т.е. чем меньше его прочность и выше деформа-тивность, тем в более удалённых от торца областях будет происходить заанкеривание, и где будут действовать максимальные силы сцепления. С ростом прочности бетона очередная доля передаваемого напряжения будет восприниматься областями, расположенными ближе к торцу. Таким образом, можно исключить в зоне передачи усилий пиковые напряжения сцепления и тем самым снизить величину опасного распора за счёт более или менее равномерного распределения его по длине заделки. При этом необходимо учесть, что твердение бетона околоарматурной зоны, нагруженного в раннем возрасте, будет протекать в условиях, способствующих дополнительному уплотнению и упрочнению структуры за счёт изменения расположения частиц, релаксации напряжений и их выравнивания по сечению и длине конст-

рукции в промежутках между этапами отпуска натяжения арматуры; механическому изменению структуры бетона, в особенности в шпонках, при воздействии выступов арматуры на него, что приводит к измельчению структурных составляющих и, следовательно, к уменьшению внутреннего напряжённого состояния и повышению однородности; интенсивному залечиванию возможных внутренних трещин продуктами новообразований, полученных в процессе дальнейшей гидратации цемента при тепловлажностной обработке и т.п.

Итак, изучение вопроса деформационного уплотнения бетона, нагруженного в раннем возрасте, имеет как теоретическую, так и практическую значимость. Особенно это важно, если речь идёт не о простом повышении прочности, а о целом комплексе взаимосвязанных воздействий на его структуру и напряжённое состояние, способных изменить расход арматуры и теплоносителя, расширить область применения высокопрочной арматуры и повысить долговечность предварительно напряжённых конструкций.

Здесь уместно рассмотреть вопрос об изменениях напряженно-деформированного состояния бетона в околоарматурной зоне между смежными ступенями нагружения. Как известно, упруго-мгновенные деформации не зависят от режима предшествующего нагру-жения, а определяются только величиной напряжений и механическими характеристиками бетона в момент приложения усилий. Деформации ползучести проявляются лишь при наличии напряжений и увеличиваются во времени даже при их неизменных значениях. Величина этих деформаций определяется интенсивностью нагружения, возрастом бетона, режимом и длительностью нагружения.

При неизменной интенсивности нагружения деформации ползучести бетона монотонно затухают во времени.

Одной из предпосылок современной теории деформирования бетона является принцип наложения частных деформаций, т. е. постоянных или переменных во времени напряжениях механическое состояние бетона представляет собой сумму частных деформаций. Однако принцип наложения деформаций вовсе не распространяется на понятие наложения напряжений. Даже наоборот, в нелинейной теории деформаций доказывается неприемлемость принципа наложения напряжений.

Полные относительные деформации бетона, как сум-

ма частных деформаций, находятся из выражения е(1) = е (1) + е (1) + е (1)

(2)

где (1) - температурно-влажностные деформации; еу (1) - упруго-мгновенные деформации; (1) - деформации ползучести; 1 - продолжительность наблюдения.

После отпуска натяжения арматуры под действием поперечных усилий распора развиваются радиальные и окружные деформации контактного слоя и окружающего арматурный стержень бетона. В результате сдерживающего влияния бетонной оболочки и поперечной арматуры полные деформации остаются неизменными во времени. Это возможно в результате роста деформаций ползучести за счет упругих. Этот процесс сопровождается падением напряжений, т.е. их релаксацией.

Быстрый рост прочности в процессе тепловой обработки обусловливает столь же быстрое возрастание модуля упругости бетона и снижение интенсивности на-гружения о / R(t). Кроме этого, образующиеся в процессе гидратации новообразования наслаиваются на уже сформировавшуюся и деформированную предыдущим нагружением первоначальную структуру бетона. По мере роста контактной прочности происходит перераспределение напряжений между первоначальной структурой и новообразованиями.

Химическая контракция, вызванная гидратацией цемента, также способствует снижению внутренних напряжений.

Если деформации ползучести достигнут величины деформации, возникшей при нагружении, то напряжение в бетоне станут равными нулю, т.е. произойдет его разгружение.

Упругие деформации, развивающиеся в бетоне в процессе очередной ступени отпуска натяжения арматуры, определяются из выражения

е „ (т) = -

о(т)

(3)

Е

о

где еу(т) - упругие радиальные ег или окружные деформации в момент нагружения т; о(т) - радиальные ог или окружные о напряжения после окончания отпуска натяжения арматуры; Еу(о/Явр т) - модуль упругости бетона, твердевшего под нагрузкой интенсивностью о/ Rвр , приложенной на предыдущей ступени отпуска арматуры, к моменту т.

Деформации ползучести, накопленные между двумя ступенями нагружения, можно найти из выражения

, (К) =-}о(т) •

Е„ (0, т)

Е

, ч —С ((„, т)ё т, (4) дт

о(т)

Я(тУ

где Еш(0,т), Еш(о(т)Ж(т),т) - модули деформаций бетона в зависимости от интенсивности нагружения и момента наблюдения; С(1п,т) - мера ползучести бетона, определя-

емая длительностью нагружения и возрастом бетона; т -текущая координата времени между ступенями нагру-жения п-1 и п.

Знак «минус» перед правой частью выражения (4) соответствует условию

• —• С а , т) < 0 дт ,

(5)

отражающему затухающую во времени меру ползучести.

Поскольку полная деформация на каждой ступени загружения не изменяется во времени и равна начальному значению е (0), учитывая закон Гука, можно записать

е( ) = е(0) =

о(0)

Л (0)'

(6)

где о(0) - напряжение в начальный момент времени после очередного этапа отпуска натяжения арматуры; Еу(0) - модуль упругости бетона в этот момент. Тогда выражение (2) без учета температурно-влажностных деформаций запишется в виде

о(0) Еу (0)

о(т)

Е,

о

}о(/) •

Е„(0, т)

Е

о(т) Я(ту

дт

С (г„, Щ т, (7)

Отсюда следует, что за счет увеличения деформаций ползучести и повышения модулей упругости и деформаций, а также прочности бетона в процессе тепловой обработки, напряжение в бетоне о(т) будет непрерывно уменьшаться до полной его разгрузки. Здесь речь идет только о распорных усилиях рсц, трансформирующихся в радиальные и окружные напряжения. Касательные напряжения тсц изменяются по другим законам, которые в данном случае не рассматриваются.

Определение функций о(т,^т, Епл(о(т) / Я(т),т^т, С(1п,т)ёт не входило в задачи настоящего исследования, поэтому для дальнейших расчетов примем некоторые допущения.

Изменение модулей упругости Еу(т) и деформаций Е(т) в промежутках между ступенями нагружения, равных одному часу, происходит по линейному закону. По этому же закону изменяется мера ползучести С(1п,т). В момент нагружения напряжения о(т) от максимальных значений падают до нуля к началу следующей ступени. То есть среднее значение напряжений в течение одной ступени равно о(т) = о(т)/2.

Модуль упруго-пластичности бетона при растяжении принят равным

Е = 0,5 Е (8)

Щ1 7 у у '

Среднее значение модуля упруго-пластичности бетона в течение одной ступени нагружения равно

Е

о(т)

Е

о

— ,т

я ,

+ Е„

о

—, т

я

_1±

, (9)

т

п-1

2

Аналогично определяется среднее значение модуля упругости Е у(оЖ, т).

Мера ползучести в зависимости от интенсивности и продолжительности нагружения определена экспериментально при изучении влияния раннего нагружения бетона на его прочностные и деформативные свойства.

Экспериментальные и расчетные данные по ежечасному отпуску натяжения арматуры представлены в таблице 1 и на рисунке 1, на котором также приводятся результаты по одно-, двух- и трехступенчатому отпуску арматуры. Первое, что необходимо отметить - это резкое, в несколько раз, снижение растягивающихся напряжений в зоне анкеровки при многоступенчатом отпуске натяжения арматуры в период тепловой обработки изделий.

При ежечасной передаче усилий в промежутках между ступенями происходит релаксация напряжений. При этом с повышением прочности бетона, в результате уменьшения абсолютных значений упругих деформаций, падение напряжения происходит столь быстро, что к началу следующего этапа нагружения, бетон иногда оказывается полностью разгруженным. Это подтверждается решением выражения (5).

о(т) Я(т)

, т

[о(т) т1 + Е |о(т) т|

Я(т)'" + Еу Я(т)'" \ /п

Ет(0, т) = 0,5 Еу (о(т) / Л(т) , т)

от) Еи (0. т) + Щ, (о, т)^ Я(т)' 2

ч /

Относительно о (т) - напряжения к концу этапа нагружения п - 1

°(т)„-1 =

о(0)

Е, (0)

-0(т)|

о(т) Я(т)'

о(т) Я(т)

- - С (г, т)

Е,|Я, т

Подобная ситуация складывается при двух- и трехступенчатом отпуске натяжения арматуры.

4 МГГ0

24

У8

/2

И

4 ж

8

/2

/4

Рисунок 1. Влияние режима отпуска натяжения арматурына изменение величины растягивающих напряжений оЕ во время тепловой обработки, 1, час

Подводя итог результатам исследования ступенчатой передачи усилий с арматуры на бетон в период тепловой обработки, можно констатировать, что данная технологическая операция позволяет уменьшить концентрацию местных растягивающих напряжений в зоне анкеровки, исключить появление поперечных и радиальных трещин, снизить продолжительность тепловой обработки изделий и тем самым уменьшить их энергоемкость.

ЛИТЕРАТУРА

1. Способ изготовления предварительно напряжённых железобетонных изделий: А. с. № 1209802 СССР, МК3 Е 04 21 / 12 Ю.А. Мамонтов, В.А. Кривошеев и др. (СССР). -4 с.: ил.

Таблица 1

Основные данные по напряженному состоянию в зоне анкеровки при ежечасном отпуске натяжения арматуры

Е

у

2

Параметры Срок отпуска натяжения арматуры с момента начала тепловой обработки, ч.

2 3 4 5 6 7 8

^ Мпа 1,5 4 6,7 9,3 11,5 13 14

Еу(0,т) 3250 7850 11930 15200 17590 19040 19950

Еу(у/ад 3250 13190 20040 25540 29550 31990 33515

8220 16615 22790 27550 30770 32750

ЕПл(0,т) 1885 6595 10020 12770 14775 15995 16760

Еш(у/ад 4240 8300 11400 13770 15385 16380

Ц кК 0,818 1,5 1,98 1,71 1,635 2,42 2

До'10-6,м 86 34 51 46 46 64 49

ф-104, МПа-1 39 1,28 1,54 1,59 1,7 1,52 1,26

q( 1 ), кКТ/м 358 266 334 287 268 421 412

Цп, МПа 0,35 2,64 3,32 2,85 2,66 4,2 4,1

Уt, МПа 0,36 2,73 3,44 2,95 2,75 4,3 4,25

С'106,МПа-1 150 120 97 82 69 66 63

у^х), МПа - 0,62 0,5 0,07 0,055 0

Примечание: Еу (о(т) / К(т) , т) = 1,68 ■ Еу (0,т); где go - величина проскальзывания арматуры относительно торца элемента, ф -податливость бетона контактного слоя, q(l) - контактные усилия вдоль зоны анкеровки, Рсц - прочность сцепления, Р - усилие в арматуре.