Войти  |  Регистрация
Авторизация
» » Усилия между железобетоном и сталью и способы объединения

Усилия между железобетоном и сталью и способы объединения


Термин «объединение» применяют к такому соединению железобетонных и стальных частей, которое обеспечивает совместность их работы, т. е. одинаковый или весьма близкий характер деформаций соседних волокон железобетона и стали. Через шов объединения стального пояса с железобетонной плитой передаются преимущественно продольные (сдвигающие) и поперечные (прижимающие и отрывающие) усилия.
Сдвигающие усилия от внешних силовых факторов

В простой изгибаемой объединенной балке постоянного поперечного сечения сдвигающее усилие на единицу длины шва определяют по элементарной формуле
Усилия между железобетоном и сталью и способы объединения

(если расчет ведется при модуле упругости бетона Eб, а его ползучесть и обжатие поперечных швов не учитываются). Однако в действительности в связи с отступлениями в работе балки от закона плоскости (главным образом, у концов балки и у мест приложения сосредоточенных сил), а также из-за влияния податливости шва на сдвиг эпюра сдвигающих сил оказывается не вполне подобной эпюре поперечных сил. Например, в испытанной нами объединенной балке деформации сдвига между железобетоном и сталью (а приближенно — и сдвигающие усилия) изменялись по длине участка с постоянной поперечной силой согласно рис. 102.
Эпюры сдвигающих сил отличаются плавностью, в них отсутствуют резкие скачки, характерные для эпюр поперечных сил.
Усилия между железобетоном и сталью и способы объединения

Податливость шва объединения железобетона и стали обеспечивает дополнительное перераспределение сдвигающих усилий в шве, в частности, разгрузку участков с наибольшей интенсивностью сдвигающих сил.
В общем случае, если сталежелезобетонный элемент имеет переменное поперечное сечение или работает не только на изгиб, но и на другие виды воздействия — продольные силы, крутящие моменты, внутренние напряжения, то сдвигающее усилие на единицу длины шва определяют, разделив элемент на достаточно короткие участки длиной а и полагая сдвигающие усилия на каждом участке равномерно распределенными. Тогда
Усилия между железобетоном и сталью и способы объединения

Для получения невыгодного t необходимо, разумеется, построить и загрузить линию влияния разности напряжений в сечениях 2-2 и 1-1. Места приложения к сталежелезобетонному элементу сосредоточенных поперечных и продольных усилий, а также места скачкообразного изменения его поперечного сечения должны при разбивке элемента на участки попадать на границы участков.
Если бы работа сталежелезобетонного элемента полностью подчинялась закону плоскости, то в местах приложения к нему сосредоточенных продольных усилий (т. е. в узлах сквозных ферм и местах приложения сил предварительного напряжения), а также в местах скачкообразного изменения поперечного сечения возникали бы сосредоточенные сдвигающие усилия Tc между железобетоном и сталью. В действительности эти сдвигающие усилия распределяются на некоторую длину, зависящую прежде всего от размеров поперечного сечения элемента.
Согласно Техническим указаниям BCH 92-63 сосредоточенные сдвигающие усилия можно распределять по прямоугольной эпюре с длиной ас или по треугольной эпюре с длиной 1,5 ас (рис. 103), где ас принимают равной:
- большему из размеров H; b и с при распределении сдвигающего усилия от скачкообразного изменения поперечного сечения или от продольной силы (например, предварительного напряжения), непосредственно приложенной к сталежелезобетонному элементу;
- большей из величин аф+Нж; b и с при распределении сдвигающего усилия, возникающего в узле жесткого пояса сквозной фермы от продольной силы, передающейся фасонкой.
Максимальную ординату треугольной эпюры принимают на конце, если эпюра расположена на конце элемента, и в середине эпюры, если она расположена на промежуточном его участке или в промежуточном узле (см. рис. 103).
Усилия между железобетоном и сталью и способы объединения

При определении сдвигающих усилий между железобетоном и сталью работу бетона полагают упругой независимо от величины получающихся в нем сжимающих напряжений. При получении в центре тяжести сечения бетона растягивающих напряжений, превышающих его нормативное сопротивление растяжению Rp, сдвигающие усилия определяют после выключения бетона из работы в соответствующей зоне.
Для определения сдвигающих усилий от постоянных нагрузок и воздействий с учетом ползучести бетона (и обжатия поперечных швов) бетон учитывают с эффективным модулем Eэ (если использование его возможно). Для определения сдвигающих усилий от усадочных воздействий соответственно принимают эффективный модуль Ey. Сдвигающие усилия в расчетах железнодорожных мостов на выносливость в зонах, где временная нагрузка увеличивает сжатие в бетоне, определяют при условном модуле упругости бетона, равном Еб+Еб'/2. Увеличение модуля упругости бетона по сравнению с величиной Eб' связано с тем, что наибольшие сдвигающие усилия возникают обычно на участках, на которых сжимающие напряжения невелики и виброползучесть бетона проявляется слабо.
В сквозных фермах (решетчатых комбинированных) сдвигающие усилия Tc, передающиеся на железобетон в узлах, получают, распределяя продольные (осевые) усилия в смежных панелях сталежелезобетонного пояса пропорционально продольным жесткостям плиты и стальной части пояса. Сдвигающие усилия от продольных сил суммируют со сдвигающими усилиями от поперечных сил, т. е. от изгиба пояса, вызываемого местной нагрузкой, эксцентричным прикреплением элементов решетки и общей работой пояса совместно со всей фермой в вертикальной плоскости за счет собственной жесткости пояса.
Концевые сдвигающие усилия от внутренних усадочных и температурных напряжений

При постоянном поперечном сечении сталежелезобетонного элемента внутренние напряжения и усилия от усадки бетона и колебаний температуры неизменны по его длине. Если бы работа такого сталежелезобетонного элемента строго подчинялась закону плоских сечений, то сдвигающие усилия передавались бы только сосредоточенно по концам элемента. Податливость при сдвигах приводит к распределению внутренних концевых сдвигающих усилий на некоторую длину. Таким образом, распределение сдвигающих усилий от внутренних напряжений, в противоположность распределению сдвигающих усилий от внешних силовых факторов, полностью зависит от податливости на сдвиг. Этот вопрос имеет большое практическое значение для расчета концевых участков шва объединения железобетона и стали.
Величины внутренних концевых усадочных и температурных сдвигающих усилий между железобетоном и сталью равны соответствующим осевым усилиям в плите, вычисленным для поперечного сечения, расположенного вблизи конца элемента. Таким образом, усадочное сдвигающее усилие
Усилия между железобетоном и сталью и способы объединения

а температурное сдвигающее усилие
Усилия между железобетоном и сталью и способы объединения

Разные знаки у членов, выражающих усилия в продольной арматуре при усадочных и температурных воздействиях, объясняются тем, что свободные температурные деформации арматуры и бетона равнозначны, а при проявлении усадки бетона арматура, наоборот, сопротивляется деформациям бетона.
Распределение концевых усадочных и температурных сдвигающих усилий изучалось во многих исследованиях, в частности, в России в работах и за рубежом в работах и др.
В ряде работ учитывали только упругую податливость шва между железобетоном и сталью, но игнорировали искривления сечений железобетона и стали. При этом исходили из удельной упругой податливости шва или из обратной ей величины коэффициента жесткости шва ε, выражающего величину погонной сдвигающей силы, необходимой для получения деформации сдвига, равной 1 см. В последних работах использовалась теория составных стержней на упругих податливых связях, передающих сдвигающие усилия.
Коэффициент жесткости шва, определяемый по величине перепада продольных деформаций в шве при натурных испытаниях вертикальной нагрузкой или другими способами, оказался крайне неопределенным и непостоянным. В частности, в работебыли получены ε = 4 250 кГ/см2 при пролете 31,2 м и ε = 37 000 кГ/см2 при пролете 22,8 м. В работе принималось (в примерах) ε = 500 000 кГ/см2. Очень часто перепад продольных деформаций в шве вообще не обнаруживается при натурных испытаниях; что должно было бы соответствовать ε = ∞. Кроме того, деформации сдвига в шве между железобетоном и сталью имеют в значительной степени неупругий характер. Все это существенно обесценивает те методы расчета, которые исходят из учета определенной величины упругой податливости или жесткости шва.
В условиях работы под температурными и усадочными воздействиями деформации сдвига в шве между железобетоном и сталью во всяком случае вполне соизмеримы с деформациями сдвига в самих материалах — стали и железобетоне. Это обстоятельство делает вполне правомерным подход к вопросу, осуществленный в работах, где задача решалась методами теории упругости, т. е. учитывались искривления сечений железобетона и стали, но игнорировалось влияние податливости шва. Анализ этого решения позволил получить в работе для концевой погонной сдвигающей силы следующее приближенное выражение (при х < а):
Усилия между железобетоном и сталью и способы объединения

Из рис. 104, на котором сопоставлены эпюры распределения концевых сдвигающих усилий согласно данным различных исследований, видно, что результат, полученный методами теории упругости, является промежуточным между результатами рассмотрения составного стержня при малых и больших коэффициентах жесткости шва ε. Учитывая перечисленные исследования и принимая во внимание необходимость упрощения расчетов, в Технических указаниях BCH 92-63 распределение концевых сдвигающих усилий (131) и (132), вызываемых внутренними усадочными и температурными напряжениями, рекомендуется по треугольной эпюре длиной а, одинаковой для обоих видов воздействий и равной большей из величин 0,7 Н; b и с (см. рис. 103 и 104). Для сквозных сталежелезобетонных пролетных строений величину 0,7Н заменяют соответственно на 0,7 Нж.
Усилия между железобетоном и сталью и способы объединения

Треугольная концевая эпюра распределения внутренних сдвигающих усилий также рекомендовалась в немецких нормах, причем длину ее принимали меньшей из величин l/10 и 2b. Таким образом, в наших новых нормах на основе последних исследований приняты более жесткие условия распределения внутренних концевых сдвигающих усилий, чем в немецких нормах.
Отрывающие усилия между железобетоном и сталью

Прижимающие усилия передаются через шов объединения железобетона и стали преимущественно на участках, загруженных временной вертикальной нагрузкой, и отрывающие — на участках, свободных от временной вертикальной нагрузки. Значительные местные возмущения вертикальных усилий, передающихся через шов, создаются, кроме того, некоторыми объединительными деталями.
Большое практическое значение имеют отрывающие усилия, возникающие по концам железобетонной плиты при воздействиях усадки бетона и колебаний температуры. С помощью рис. 105 легко убедиться, что такие усилия неизбежны в тех случаях, когда от указанных воздействий плита работает на растяжение, т. е. когда проявляется усадка бетона и температура стали оказывается выше, чем железобетона. Если бы отрывающие усилия по концам шва не возникали, то под действием одинаковых концевых сдвигающих сил кривизна плиты, обладающей малой жесткостью, была бы значительно больше, чем стальной части балки, что невозможно.
Усилия между железобетоном и сталью и способы объединения

Отрывающие усилия (по концам шва) возникают тогда, когда концевые сдвигающие силы от усадочных и температурных воздействий оказываются больше противоположных им по направлению концевых сдвигающих сил от постоянных вертикальных нагрузок. Это хорошо подтверждается практикой эксплуатации преимущественно железнодорожных пролетных строений, в которых постоянная нагрузка относительно мала. Горизонтальные трещины в шве между железобетоном и сталью часто наблюдаются по концам тех железнодорожных объединенных пролетных строений, в которых не было предусмотрено специальных мер против отрыва концов плиты, т. е. в пролетных строениях, запроектированных ранее 1955—1956 гг., когда отмеченное явление было обнаружено и учтено.
Вопрос о величине и распределении концевых вертикальных усилий был поставлен в работе и решался в работах методами теории упругости, а в работах — путем рассмотрения составного стержня с определенным коэффициентом жесткости шва ε. Примеры эпюр, полученных обоими методами, приведены на рис. 106.
Усилия между железобетоном и сталью и способы объединения

Эпюры концевых вертикальных сил имеют ту же суммарную длину, что и эпюры концевых сдвигающих сил, но получаются двузначными.
По приближенной формуле, выведенной в соответствии, концевая эпюра погонных вертикальных усилий в шве выражается уравнением
Усилия между железобетоном и сталью и способы объединения

Эпюра имеет нулевые точки при х = 0,25 а и при х=а (конец эпюры). Соответственно длина криволинейной треугольной эпюры отрывающих сил составляет 0,25 а. Наибольшая ордината на конце балки при х = 0
Усилия между железобетоном и сталью и способы объединения

Величина отрывающего (и прижимающего) усилия
Усилия между железобетоном и сталью и способы объединения

Величину отрывающего усилия можно определить с помощью упрощенной расчетной схемы согласно рис. 107 в виде низкой рамы из двух брусьев (плиты и стальной части балки), соединенных четырьмя вертикальными стерженьками. Стерженьки помещаются в центрах тяжести отрывающих и прижимающих участков эпюр вертикальных усилий в шве. Обозначив расстояние между парами стерженьков s и решив раму методом сил на действие сдвигающих усилий Т, получим при модуле упругости бетона Еб:
Усилия между железобетоном и сталью и способы объединения

Результаты исследований позволяют принять s=а/2, что подтверждает и рис. 106. Учтя это, а также то, что в расчетах на усадку бетона (с учетом его ползучести) модуль упругости бетона следует принимать Ey = 0,5 Еб, получим для усадочных и температурных отрывающих усилий в статически определимых балках со сплошной стенкой следующие формулы, рекомендуемые Техническими указаниями BCH 92-63:
Усилия между железобетоном и сталью и способы объединения

Учитывая, что а мало по сравнению с L, а Iб мало по сравнению с n1, Ic, можно получить еще более приближенную формулу, справедливую в равной степени и для статически определимых и для статически неопределимых систем
Усилия между железобетоном и сталью и способы объединения

которая почти совпадает с формулой (134).
Эпюру распределения усадочных и температурных отрывающих усилий рекомендуется принимать прямолинейной треугольной (см. рис. 106), причем, учитывая способность податливых объединительных деталей к перераспределению усилий, длину основания эпюры принимают 0,35 а, а не 0,25 а. В случае если а = 0,7Н, длина эпюры получается 0,25 Н.
Наибольшая ордината эпюры распределения отрывающих усилий
Усилия между железобетоном и сталью и способы объединения

Усадочные и температурные концевые отрывающие усилия необходимо алгебраически просуммировать с невыгодными значениями концевых вертикальных усилий между плитой и стальной конструкцией, возникающих от внешних нагрузок и воздействий (вертикальных нагрузок и предварительного напряжения). Эти вертикальные усилия определяют из условий равновесия короткого концевого участка железобетонной плиты, находящегося под действием указанных нагрузок, соответствующих сдвигающих усилий и напряжений в поперечном сечении плиты на расстоянии 0,35 а от ее конца.
Способы объединения и определение усилий на одну объединительную деталь

Наиболее простым по идее способом объединения железобетона и стали является применение жестких упоров (рис. 108, а), т. е. выступающих деталей, укрепленных на стальном элементе, работающих наподобие шпонки и вызывающих в бетоне достаточно равномерные деформации смятия.
Если постепенно уменьшать жесткость упора, он превратится из жесткого в гибкий, деформации смятия по высоте станут неравномерными, а с дальнейшим уменьшением жесткости появятся и деформации обратных знаков. Гибкие упоры (рис. 108, б) работают преимущественно на изгиб наподобие нагеля. Наибольшее смятие бетона возникает у основания гибкого упора.
Если гибкий упор заанкерить в бетоне, он будет воспринимать не только сдвигающие, но и отрывающие усилия. Такой гибкий упор, выполненный из арматурной стали и направленный перпендикулярно плоскости сдвига, называется вертикальным анкером (рис. 108, в). Работа вертикального анкера на растяжение связана главным образом с передачей через шов отрывающих и косых растягивающих сил. В случае действия в шве только одних сдвигающих сил существенных растягивающих усилий в вертикальном анкере не возникает. Растягивающее усилие в нем под действием одних сдвигающих сил может появиться только после весьма больших деформаций.
Усилия между железобетоном и сталью и способы объединения

Следующим классом способов объединения являются наклонные анкеры (рис. 108, г). Если наклонять анкер вдоль направления сдвигающей силы, растягивающее усилие в нем, передающееся на бетон сцеплением и анкеровкой, будет увеличиваться, а усилия изгиба, передающиеся смятием бетона поперек анкера, — уменьшаться.
Одним из способов объединения является приварка к стали (например, к закладной детали) продольной арматуры железобетона (рис. 108, д). Этот способ можно рассматривать как предельный случай наклонного анкера, когда угол его наклона уменьшен до нуля и арматурный стержень работает только на осевые усилия.
Особым способом объединения является увеличение трения и сцепления между железобетоном и сталью путем поперечного обжатия объединяемых элементов и шва между ними высокопрочными болтами или пучками высокопрочной проволоки, а также путем склеивания.
Сцепление практически оказывает влияние на работу шва также при большинстве других способов объединения.
При отсутствии объединительных деталей непосредственное сцепление бетона со сталью может, по результатам опытов, передавать от 9 до 24 кГ/см2. При наличии объединительных деталей сцепление нарушается при значительно более высоких средних скалывающих напряжениях по всей площади шва объединения: по данным — в среднем при 34 кГ/см2, по данным — при 42—46 кГ/см2. Последние цифры соответствуют сдвигающим усилиям, обычно передающимся через шов в эксплуатационных условиях. До нарушения сцепления сдвигающие усилия частично передаются непосредственным сцеплением и частично через объединительные детали.
Однако испытания показали, что при повторных воздействиях, особенно динамических, сцепление быстро нарушается. При однократном статическом воздействии сцепление нарушается значительно ранее наступления предельного состояния объединительных деталей, в особенности при наличии подливки между сборным железобетоном и сталью. По этим причинам при отсутствии специальных мероприятий, увеличивающих сцепление и трение, все сдвигающие и тем более отрывающие усилия, действующие в шве объединения, должны быть восприняты объединительными деталями.
Для определения усилий на каждую объединительную деталь строят эпюры невыгодных значений сдвигающих (и концевых отрывающих) усилий, приходящихся на единицу длины шва. Сдвигающее или отрывающее усилие, приходящееся на одну объединительную деталь (упор, группу анкеров и т. д.), принимают по площади соответствующей эпюры на длине, равной шагу объединительных деталей. При равномерном размещении объединительных деталей по длине рассматриваемой зоны усилие определяют для детали, находящейся в наиболее невыгодных условиях.
Добавлено Serxio 28-01-2016, 04:34 Просмотров: 1 296
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent