Примеры постадийного определения силовых факторов при различных случаях регулирования и предварительного напряжения
|
Если регулирование внешних силовых факторов в элементах статически неопределимых систем осуществляют без искусственных перемещений по направлениям отдельных статических связей, то для вычисления силовых факторов стадии (или одну стадию) работы расчленяют на этапы в соответствии с изменениями, вносимыми в схему конструкции при загружении ее постоянными вертикальными нагрузками. Такими изменениями могут быть устройство или заглушение разрывов или шарниров, подведение или удаление опор, установка отдельных элементов сквозных конструкций после воспринятия части постоянной нагрузки и т. д. В расчлененной стадии работы силовые факторы определяют поэтапным суммированием их составляющих от постоянных нагрузок. Воздействия временных нагрузок, ползучести бетона и обжатия поперечных швов под постоянными нагрузками, веса опалубки и т. д. учитывают обычным порядком. Например, если объединенное сечение элемента статически неопределимой конструкции имеет, как обычно, две стадии работы, а регулирование осуществляют не только в первой стадии, расчленяемой на этапы а, b .... и т. д., но и во второй стадии, расчленяемой в свою очередь на этапы с, d ... и т. д., то изгибающие моменты вычисляют следующим образом:  Если применяют внешнее предварительное напряжение конструкции, то силовые факторы от веса противовесов, усилий натяжения анкерных тяг и т. д. (обозначенные индексом r) суммируют с силовыми факторами от собственного веса конструкции на той стадии, на которой осуществляют предварительное напряжение. Например, если его делают во II стадии, то  Выражения по типу (2) можно использовать также при регулировании смещениями опорных закреплений силовых факторов от собственного веса конструкций. Место силовых факторов от предварительного напряжения при этом занимают обозначаемые таким же образом силовые факторы от регулирования — от изменений опорных реакций, вызываемых смещениями опорных закреплений и вычисляемых по формуле  На рис. 71 показан пример определения изгибающих моментов в неразрезной объединенной балке, регулируемой опусканием средней опоры с целью обжатия железобетонной плиты и разгрузки опорного сечения. Отметим, что между рассматриваемым регулированием и рассмотренным выше регулированием с изменением схемы нет принципиальной разницы. В данном случае можно считать, что одна часть постоянной нагрузки от собственного веса передана на схему, не имеющую средней опоры, а другая часть — на неразрезную балку. Особенность состоит в том, что к смещению Δ (вернее, к величине Rr) должен вводиться самостоятельный коэффициент перегрузки, который может отличаться от коэффициента перегрузки нагрузки от собственного веса.  Особенностями внутреннего предварительного напряжения с перераспределением силовых факторов между железобетоном и сталью являются предварительный выгиб стальной части элемента и снятие выгибающих усилий после объединения железобетона и стали. В результате изгибающий момент Mr, развиваемый выгибающими силами, передается в другую стадию работы, в которой воспринятое его более выгодно. При двух стадиях работы:  Для схемы по рис. 72 (см. также рис. 9, a) Mr = Rrl/4, a Mп = 0. Здесь Rr — усилие выдомкрачивания балки с временной опоры. При таком способе суммарные изгибающие моменты в сечениях статически определимой системы остаются неизменными, равными M = Mg + Мq, как и в конструкции без предварительного напряжения. Зато суммарные напряжения в стали уменьшаются, а в бетоне увеличиваются. В статически неопределимой системе изменяются также суммарные изгибающие моменты за счет изменения величины Mп. В схеме по рис. 72 искусственный предварительный выгиб можно получить не выдомкрачиванием с временной опоры, а накаткой балки на эту опору, имеющую повышенную отметку. Если искусственного предварительного выгиба нет, а отметка временной опоры соответствует заводскому строительному подъему балки, то предварительное напряжение отсутствует, и остается только регулирование, при котором нагрузка I стадии передается на неразрезную схему, имеющую временную опору. При этом формулы (3) и эпюры рис. 72 остаются в силе, но Rr — это реакция неразрезной балки от постоянной нагрузки I стадии и веса опалубки. Вообще говоря, к регулированию силовых факторов от собственного веса можно отнести и случай накатки балки на повышенную временную опору, поскольку при этом искусственные перемещения по направлениям опорных закреплений не превосходят соответствующих свободных перемещений от собственного веса конструкции. При осуществлении внутреннего предварительного напряжения обжатием железобетонной плиты горизонтальными домкратами плита включается в работу, но еще не объединяется со стальной конструкцией. Следовательно, предварительное напряжение составляет здесь самостоятельный этап той стадии, которая определяется включением в работу железобетонной плиты. В объединенной балке, имеющей две станции работы — например, разрезной согласно рис. 9, в или неразрезной, II стадию работы расчленяют на этап «а», в котором осуществляется предварительное напряжение, и этап «b», в котором балка работает объединенным сечением. Силовые факторы этапа «а», возникающие от усилий Pдм, развиваемых домкратами, определяют при раздельной работе железобетонной плиты и стальной конструкции, но с учетом трения, развивающегося между ними под действием веса плиты, равного gпл на единицу длины. Коэффициент трения f принимают в зависимости от того, опирается плита на стальную конструкцию непосредственно (трение скольжения бетона по стали), посредством закладных деталей (трение скольжения стали по стали) или посредством катков. Осевые усилия сжатия в железобетонной плите и растяжения в стальной конструкции вычисляют по формуле  Варианты предварительного напряжения натяжением высокопрочной арматуры особенно разнообразны. Определение силовых факторов в поперечных сечениях сталежелезобетонных элементов при этих вариантах изложено далее. Здесь же рассматривается только расчленение работы конструкции с высокопрочной арматурой на стадии и этапы, а также некоторые особенности этой работы. При натяжении высокопрочная арматура является отдельным самостоятельным элементом (или совокупностью отдельных самостоятельных элементов) прямолинейного, полигонального или криволинейного очертания. Воздействия натяжения передаются как внешние усилия (нагрузки) на основную конструкцию, в местах анкерных закреплений и перегиба высокопрочной арматуры. Коэффициенты трения высокопрочной арматуры по стальным направляющим, как и силы трения о стенки каналов в железобетоне, принимают согласно техническим условиям. Силы взаимодействия между основной конструкцией и натягиваемой высокопрочной арматурой образуют уравновешенную систему. Как правило, высокопрочную арматуру натягивают при обеспечении внешней статической определимости основной конструкции; при этом никаких внешних опорных реакций от натяжения высокопрочной арматуры не возникает. В тех редких случаях, когда высокопрочную арматуру натягивают при внешней статической неопределимости основной конструкции, возникает уравновешенная система внешних опорных реакций. Искажение геометрической схемы конструкции вследствие деформаций, возникающих от натяжения высокопрочной арматуры, при определении силовых факторов, как правило, не учитывают. Если высокопрочная арматура состоит из отдельных последовательно натягиваемых элементов, то в каждом элементе k (кроме натягиваемого последним) вследствие деформаций, возникающих при последующем натяжении остальных элементов i арматуры, усилие уменьшается на величину NΔk. При этом  При прямолинейной арматуре каждую величину NΔi,k определяют по формуле  δi,k вычисляют интегрированием эпюр осевых усилий и изгибающих моментов, построенных от Ni = 1 и от Nk = 1 в системах, состоящих из основной конструкции и тех элементов высокопрочной арматуры (в том числе и элемента k), которые натягивают ранее элемента i. Эти системы, естественно, обладают внутренней статической неопределимостью. Для упрощения задачи можно при вычислении δi,k пренебрегать работой ранее натянутых элементов высокопрочной арматуры под действием сил Ni = 1 и считать, что эти силы передаются только через основную конструкцию. При таком упрощении в случае, если натяжение передается на основную конструкцию постоянного поперечного сечения с геометрическими характеристиками Fосн и Iосн, получается  Полного использования всех элементов высокопрочной арматуры можно достигнуть, если в них будут возникать одинаковые полные усилия в период эксплуатации. Соответственно усилия непосредственного натяжения домкратами должны назначаться для различных элементов неодинаковыми — наибольшими для элементов, натягиваемых первыми, и наименьшими для элементов, натягиваемых последними. Схема работы высокопрочной арматуры в период эксплуатации либо остается такой же, как и в период предварительного напряжения, либо изменяется из-за того, что по длине высокопрочной арматуры вводят новые статические связи, передающие сдвигающие усилия между арматурой и основной конструкцией. Для шпренгельной высокопрочной арматуры эти связи можно осуществить таким искусственным прижатием ее к основной конструкции в отдельных точках или местах перегиба, которое исключит сдвиги в этих точках. Чаще всего высокопрочную арматуру замоноличивают в каналах плиты, что исключает сдвиги между арматурой и железобетоном по всей длине. Элементы шпренгельной высокопрочной арматуры в период эксплуатации остаются самостоятельными и в совокупности с основной конструкцией образуют статически неопределимую систему. От вертикальных нагрузок в элементах шпренгельной высокопрочной арматуры возникают усилия Xп, называемые усилиями самонатяжения. Их определяют расчетом статически неопределимой системы методом сил. Если искусственное прижатие отсутствует, то при расчетах на вертикальные нагрузки Технические указания BCH 92-63 разрешают не учитывать силы трения в местах перегиба арматуры. Замоноличенная высокопрочная арматура входит в состав сечения сталежелезобетонного элемента. Усилия и напряжения в замоноличенной высокопрочной арматуре от вертикальных нагрузок определяют одновременно с вычислением соответствующих напряжений в других частях сталежелезобетонного элемента. Открытую (незамоноличенную) высокопрочную арматуру также можно вводить в состав сечения сталежелезобетонного или стального элемента, если арматура прижата к основной конструкции в достаточно близких друг к другу точках. Натяжение высокопрочной арматуры можно осуществлять несколькими ступенями, чередуя их с загружениями конструкции определенными частями постоянных вертикальных нагрузок (обычно от веса железобетонных плит). Многоступенчатым натяжением достигается высокая степень выгодной замены обычной стали высокопрочной, однако производство работ усложняется. В объединенном сечении, предварительно напряженном натяжением высокопрочной арматуры, имеется обычно 3 стадии работы — по числу частей сечения (стальная часть, высокопрочная арматура, одна железобетонная плита), последовательно включаемых в работу. В двухплитном сечении имеется обычно 4 стадии работы. В подобных конструкциях для определения силовых факторов часто приходится стадии работы делить на отдельные этапы. При этом этапы работы разграничиваются процессами соединения включенных в работу, но работавших раздельно частей сечения в один элемент (объединение предварительно напряженной железобетонной плиты со стальной конструкцией, замоноличивание высокопрочной арматуры и т. д.). В таких случаях геометрические характеристики сечения меняются не только от стадии к стадии, но и от этапа к этапу. Следовательно, для конструкций, предварительно напрягаемых натяжением высокопрочной арматуры, интегральные силовые факторы — осевые усилия и изгибающие моменты, как правило, вычисляют отдельно на каждом этапе и не суммируют на каждой стадии работы, как это делают, например, по формуле (1) или (3) для конструкций, регулируемых изменением схемы главных ферм. В некоторых случаях натяжение высокопрочной арматуры составляет самостоятельную стадию работы или самостоятельный этап работы, если на этой стадии или на этом этапе не воспринимаются вертикальные нагрузки. Например, при натяжении высокопрочной арматуры на железобетонную плиту, свободно уложенную на стальную конструкцию, предварительное напряжение составляет самостоятельную (II) стадию работы, на которой оно воспринимается работой только высокопрочной арматуры и плиты. Первую часть вертикальных нагрузок воспринимает стальная часть конструкции на I стадии работы, а вторую часть вертикальных нагрузок воспринимают все 3 объединенные части сечения, т. е. на III стадии работы. Если при двухступенчатом предварительном напряжении объединенного сечения первую ступень натяжения воспринимает стальная часть конструкции, а вторую ступень — объединенная конструкция, то вторая ступень натяжения образует самостоятельный этап «а» III стадии работы. В данном случае первую часть вертикальных нагрузок воспринимает стальная часть на I стадии работы, вторую часть вертикальных нагрузок — стальная часть с высокопрочной арматурой после первой ступени натяжения, т. е. на II стадии работы, и третью часть вертикальных нагрузок — полное сталежелезобетонное сечение после второй ступени натяжения и замоноличивания высокопрочной арматуры, т. е. на этапе «b» III стадии работы. Чаще всего натяжение высокопрочной арматуры осуществляют на тех же этапах или на тех же стадиях (не расчлененных на этапы), на которых воспринимаются и вертикальные нагрузки. В этих случаях осевые усилия и изгибающие моменты от предварительного напряжения могут, естественно, суммироваться с соответствующими силовыми факторами от вертикальных нагрузок в пределах этого этапа или этой стадии работы. |
