Особенности образования и раскрытия трещин в изгибаемых конструкциях

В настоящее время практически отсутствуют исследования особенностей трещинообразования песчаных бетонов, как и вообще мало работ, анализирующих поведение арматуры в конструкциях из песчаного бетона.
В работах рассмотрены особенности образования и раскрытия трещин в изгибаемых конструкциях из песчаного бетона со стержневой арматурой без предварительного напряжения. В работе отмечено, что в сваях, изготовленных из песчаного бетона, трещины появлялись при более высокой нагрузке, чем в сваях из тяжелого бетона, количество трещин было большим, а шаг и раскрытие трещин, соответственно, меньшим. Поскольку сцепление песчаного бетона с арматурой, как показано выше, не хуже, чем у тяжелого бетона, материал однородней, а прочность на растяжение выше, такие особенности трещинообразования в песчаном бетоне вполне объяснимы.
Указанное обстоятельство для конструкций, предельное состояние которых определяется появлением или раскрытием трещин, позволяет повысить величину воспринимаемой нагрузки либо снизить их материалоемкость.
Исследования ставили целью провести сравнение изгибаемых конструкций из песчаного и тяжелого бетона по следующим показателям:
— распределение растягивающих напряжений между арматурой и бетоном после образования трещин,
— шаг и величина раскрытия трещин.

Для проведения исследований были изготовлены армированные балки прямоугольного сечения размерами 15x30x300 см (рис. 3.6). Арматура, расположенная в растянутой зоне, состоит из 2 продольных (AII d20, l = 2980) и поперечных (AI d8, l = 120) стержней, установленных с шагом 150 мм.
Из бетона М400 изготавливались экспериментальные балки трех серий общим количеством 12 штук:
Серия I. Тяжелый бетон.
Серия II. Песчаный бетон из смеси с OK = 5 см.
Серия III. Песчаный бетон из смеси жесткостью 60 с.
Составы песчаного бетона приведены в табл. 3.2.
Распределение растягивающих напряжений между арматурой и бетоном определялось измерением напряжений в рабочей арматуре в середине зоны чистого изгиба балки на участке длиной 0,4 м.
В каждом арматурном стержне были профрезерованы 2 продольные канавки (рис. 3.7), в которые наклеены датчики с базой 20 мм, расположенные в шахматном порядке и перекрывающие центральную зону стержня на длине 40 см.

Раскрытие трещин измерялось по всей длине зоны чистого изгиба индикаторами часового типа с ценой деления 0,001 мм, установленными по боковым граням балок.
Распределение напряжений в сжатой зоне бетона измерялось в сечении посредине балки датчиками, установленными по высоте балки (рис. 3.8).
Расчетный прогиб вычислялся как разность прогибов консоли и середины траверсы.
После наклейки и изоляции тензодатчиков произведена их тарировка. Деформации арматуры, соответствующие напряжениям 1200 кг/см2, замеренные по тензодатчикам, послужили основанием расчета тарировочных коэффициентов. Величина полученного коэффициента вариации v = 6,6% показала, что при подсчете напряжений необходимо учитывать тарировочные коэффициенты по каждому датчику.
Перед испытаниями проводился натурный обмер каждой балки и несколько загружении в пределах упругой работы до получения устойчивых показаний приборов.
Величины напряжений получены умножением деформаций по тензодатчикам на тарировочные коэффициенты и отложены по вертикали в соответствии с расположением датчиков на стержне, образуя таким образом эпюры ψd на среднем участке стержня длиной 40 см. Эпюры построены для каждого уровня нагрузки.

Максимальные напряжения в каждой эпюре σmax соответствуют появлению трещины в бетоне. На участках между трещинами в работу на растяжение частично включается бетон, что уменьшает σa. По величине отношения σmin/σmax можно судить о распределении напряжений между арматурой и бетоном. По существу, это отношение представляет собой экспериментальные значения коэффициента ψa. Зависимости ψa от нагрузки для трех серий балок (по экспериментальным значениям σmin/σmax) представлены на рис. 3.9. В табл. 3.3-3.5 приведены расчетные величины ψa, вычисленные по формулам СНиП.
Сравнение расчетных и экспериментальных значений коэффициента ψa показало, что даже при значительном раскрытии трещин под нагрузками, близкими к разрушающим, сцепление арматуры с растянутым бетоном во всех опытных балках частично сохранялось (экспериментальные значения ψa во всех испытанных балках в предельном состоянии по раскрытию трещин приближались к величине 0,7-0,74 независимо от вида бетона), т.е. коэффициент ψa мало зависит от вида заполнителя.
По результатам замеров раскрытия трещин вычислен средний шаг трещин lт для каждой серии балок. Величина составляет: для серии I (тяжелый бетон) — 17,3 см, для серии II (песчаный бетон группы В) — 15,8 см, для серии III (песчаный бетон группы Б) — 12,3 см.
По наибольшим показаниям индикаторов вычислено максимальное раскрытие трещин аТ в каждой балке на различных ступенях нагрузки. Эти данные, осредненные по сериям балок, приведены на рис. 3.10.
Анализ величин раскрытия трещин аТ и осредненных значений lT показал, что шаг и величина раскрытия трещин в песчаном бетоне группы В на 5-10 %, а в песчаном бетоне групп А и Б на 15-20% ниже, чем в равнопрочном тяжелом бетоне.
Таким образом, в результате исследований совместной работы песчаного бетона с арматурой получены данные об образовании и раскрытии трещин в изгибаемых конструкциях:
— значения коэффициента ψa, вычисленные как отношение напряжений в арматуре в середине участка между трещинами к напряжению в арматуре в месте раскрытия трещин, практически не зависят от вида заполнителя и технологии изготовления;
— шаг lT и величина раскрытия трещин аT в изгибаемых конструкциях из песчаного бетона группы В на 5-10%, а групп А и Б на 15-20 % меньше, чем в равнопрочном тяжелом бетоне;
— относительные прогибы (отношение фактического прогиба к расчетному) в балках из песчаного бетона в среднем на 10% меньше.