Тема: Конструирование изгибаемых элементов

Лекция № 8

Вопросы: 1. Общие принципы конструирования.

2. Конструирование плит

3. Конструирование балок

4. Конструирование преднапряженных элементов

1. Общие принципы конструирования изгибаемых элементов. К изгибаемым элементам относятся плиты и балки, как наиболее распространенный тип конструкций в строительстве. Применяются как самостоятельные конструкции, так и в различных комбинациях друг с другом.

Под конструированием элементов в общем случае понимают рациональные схемы размещения рабочей и монтажной арматуры в сечении и по длине элемента, разработку и вычерчивание рабочих опалубочных и арматурных чертежей, узлов и элементов конструкций. Конструирование в целом выполняется на основе данных расчета сечений и с учетом конструктивных требований норм.

Для более четкого представления о роли продольной и поперечной арматуры в изгибаемых элементах целесообразно рассмотреть основные типы силовых трещин и характер разрушения при изгибе (на примере балки).

В зависимости от характера силовых воздействий в растянутых зонах железобетонных изгибаемых конструкций могут образовываться в общем случае трещины, нормальные к продольной оси конструкции и наклонные (рис. 41): первые – в зоне чистого изгиба (т.е. от действия изгибающих моментов), вторые – в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил.

Рис. 41. Схема основных силовых трещин в изгибаемом элементе:

а – а – нормальное сечение; б – б – наклонное сечение; 1 – нормальные трещины;

2 – наклонные трещины; 3 – местное раздробление сжатого бетона; 4 – продольная арматура

Разрушение изгибаемого элемента может произойти как по нормальному сечению а-а от действия изгибающего момента, так и по наклонному б-б от совместного действия моментов и поперечных сил. Поэтому в железобетонном изгибаемом элементе ставится как продольная арматура 4, обеспечивающая прочность нормальных сечений, так и поперечная в виде хомутов 3 (рис. 42, а) или отгибов 5 (рис. 42, б), обеспечивающая прочность наклонных сечений.

Рис. 42. Схемы армирования железобетонных балок:

а – поперечными стержнями (хомутами); б – отгибами продольной арматуры на опорах;

1 – нормальное сечение; 2 – наклонное сечение; 3 – поперечные стержни (хомуты);

4 – продольная арматура; 5 – отгибы продольной арматуры

Важнейший принцип конструирования изгибаемых элементов – продольная рабочая арматура по длине элемента размещается в соответствии с эпюрами изгибающих моментов.

2. Конструирование плит. Плитами называют ж/б элементы, у которых один размер (толщина h ₁) значительно меньше двух других. Могут быть сплошными гладкими (рис. 43, а) и ребристыми (рис. 43, б, в); по числу пролетов – однопролетными (рис. 44, а) и многопролетными неразрезными (рис. 44, б-г); по способу изготовления – сборными (рис. 43, а, б), монолитными (рис. 43, в; 44, в, г) и сборно-монолитными. Для плит отношение h ₁/ l ₁ = 1/20…1/40 и менее.

Рис. 43. Конструкции изгибаемых железобетонных элементов:

а – сборное перекрытие; б – сборная плита; в – монолитное перекрытие; г – схема плиты,

опертой по контуру; д – схема балочной плиты; 1 – плита; 2 – балка

В конструктивном отношении различают плиты балочные и опертые по контуру. Если плита опирается по четырем сторонам и имеет отношение сторон l ₂ / l ₁ £ 2, то она изгибается в двух направлениях и является опертой по контуру (рис. 43, г). Такие плиты армируют рабочей арматурой в обоих направлениях.

При отношении сторон l ₂ / l ₁ > 2 плита изгибается только в одном (коротком) направлении и называется балочной (рис. 43, д); расчетным пролетом в этом случае является более короткая сторона. Балочными считаются также плиты, опирающиеся только по двум противоположным сторонам, причем, независимо от соотношения сторон l ₂ / l ₁; расчетным пролетом в этом случае является, естественно, сторона, перпендикулярная линии опирания плиты.

Плиты армируют преимущественно сварными сетками из стержней, расположенных в двух взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 44).

Рис. 44. Армирование железобетонных плит:

а – однопролетной, свободно лежащей на двух опорах; б – эпюра изгибающих

моментов; в – многопролетной – рулонными сетками с продольной рабочей арматурой;

г – то же, с поперечной рабочей арматурой

В балочных плитах рабочая арматура ставится вдоль пролета ближе к растянутой грани плиты; арматура перпендикулярного направления играет роль распределительной. Площадь сечения рабочей арматуры определяют расчетом, а распределительной – принимают конструктивно, но не менее 10% от площади рабочей. В однопролетных свободно опертых плитах рабочую арматуру ставят только в пролете (рис. 44, а), а в защемленных и многопролетных – в пролетах и на опорах в соответствии с эпюрой изгибающих моментов (рис. 44).

Плиты, изгибаемые в двух направлениях (см. рис. 43, г), армируют сетками с рабочей арматурой в обоих направлениях. При этом ближе к растянутой грани располагают арматуру, параллельную короткой стороне l ₁, т.к. в этом направлении значения изгибающих моментов больше, чем в направлении длинной стороны l ₂. Вообще, размещать рабочую арматуру ближе к растянутой грани важно для увеличения плеча внутренней пары сил, что ведет к уменьшению усилия в арматуре, а следовательно, к экономии стали.

Для армирования плит толщиной 6…10 см обычно применяют сварные рулонные сетки с продольной рабочей арматурой. Такие сетки раскатывают вдоль пролета плиты (см. рис. 44, в), располагая рабочую арматуру в середине пролета внизу, а над опорами – вверху плиты (непрерывное армирование). При толщине 11 см и более плиты армируют рулонными или плоскими сетками с поперечной рабочей арматурой; в пролетах и над опорами укладывают отдельные сетки (см. рис. 44, г) – раздельное армирование.

Сварные сетки изготовляют из проволочной арматуры класса В500 и стержневой классов А400 и А500. Диаметр рабочих стержней – 5…12 мм, распределительных – 3…8 мм. Распределительная арматура обеспечивает проектное положение рабочих стержней, уменьшает усадочные и температурные деформации бетона, способствует распределению местных нагрузок на большую площадь.

Вязаные сетки изготовляют обычно только из стержневой арматуры классов А240…А500 диаметром 6…12 мм (и более в толстых плитах); такие сетки применяют реже сварных, лишь при сложной конфигурации плит в плане или наличии большого числа отверстий (как правило, в монолитных перекрытиях).

Расстояния между стержнями в сетках в целях более полного вовлечения в совместную работу арматуры и бетона, а также недопущения продавливания бетона в ячейках сетки принимают:

а) для рабочих стержней в средней части пролета и над опорами – не более 200 мм при h ₁ £ 150 мм и не более 1,5 h ₁ – при h ₁ > 150 мм; на всех остальных участках – не более 350 мм;

б) для распределительных стержней – 250…300 мм, но не реже 350 мм.

В целях экономии стали часть рабочих стержней можно не доводить до опор, а обрывать в пролете в соответствии с эпюрой изгибающих моментов (см. рис. 26, б). До опор доводится не менее 1/3 площади сечения стержней в пролете, соответствующей наибольшему положительному моменту.

Защитный слой бетона для рабочей арматуры принимают не менее 10 мм, а в плитах толщиной более 100 мм – 15 мм.

Сборные железобетонные плиты изготовляют в виде крупноразмерных ребристых или многопустотных элементов (панелей). Основной принцип их формообразования – максимальное удаление бетона из растянутой зоны с сохранением минимальных ее размеров, необходимых лишь для размещения рабочей арматуры. Так образуются ребристые плиты с ребрами вниз (рис. 45, а), вверх (рис. 45, б) или многопустотные (рис. 45, г – е).

Рис. 45. Типы сборных панелей:

а – с ребрами вниз; б – с ребрами вверх; в – сплошные; г-д – многопустотные;

1 – слой легкого бетона; 2 – слой тяжелого бетона

3. Конструирование балок. Балками называют линейные конструкции, размеры сечения b ´ h которых значительно меньше длины l. По количеству пролетов и характеру опирания могут быть однопролетными свободно опертыми, однопролетными защемленными на одной или на обеих опорах, многопролетными неразрезными и консольными; по способу изготовления – сборными, монолитными и сборно-монолитными. Наиболее распространенные формы поперечного сечения балок приведены на рис. 46. Примеры конструкций сборных однопролетных балок даны на рис. 47.

Рис. 46. Поперечные сечения балок и схемы армирования:

а – прямоугольное; б – тавровое с полкой вверху; в – то же, внизу; г – двутавровое;

д – трапециевидное; 1 – продольные стержни; 2 – поперечные стержни

Рис. 47. Примеры конструкций сборных железобетонных балок

Высота поперечного сечения балок h обычно составляет 1/10…1/20 пролета и принимается кратно 50 мм при h £ 500 мм и кратно 100 мм при

h > 500 мм; ширина сечения b обычно составляет 1/2…1/4 высоты и принимается равной 100, 120, 150, 180, 200, 250 и далее кратно 50 мм.

Как уже было сказано в п. 1, армирование балок выполняют продольными рабочими стержнями 1, поперечной арматурой 2 и монтажными стержнями 3 (рис. 48), соединенными между собой в сварные или вязаные каркасы. Продольную рабочую арматуру в балках (как и в плитах) укладывают в растянутых зонах согласно эпюре изгибающих моментов.

Рис. 48. Примеры армирования балок:

1 – продольные рабочие стержни; 2 – поперечные стержни; 3 – монтажные стержни

В поперечном сечении балки рабочую арматуру размещают в один или два ряда по высоте с такими зазорами (рис. 49), которые допускали бы плотную укладку бетона и надежное сцепление с арматурой.

Рис.49. Размещение арматуры в сечениях балок, армированных сварными (а, б)

и вязаными (в) каркасами: 1 – арматура Æ 10-12 мм у боковых граней балок;

2 – продольные стержни сварной сетки для армирования полки таврового сечения

В качестве продольной рабочей арматуры без преднапряжения обычно применяют стержни периодического профиля из стали класса А400 и А500 (А500С) диаметром 12…32 мм. Площадь сечения продольной арматуры определяется по расчету, но должна быть не менее 0,1% от рабочей площади бетона b´ h ₀. Количество плоских сварных каркасов в сечении балки может быть разным. При ширине сечения (ребра) до 100-150 мм устанавливают один каркас, при большей ширине – два и более (рис. 49, а, б). Монтажную арматуру принимают диаметром 8…12 мм. Отдельные плоские каркасы объединяются в пространственные с помощью соединительных стержней, устанавливаемых с шагом £ 600 мм.

Для экономии стали часть продольной арматуры может быть оборвана в пролете в соответствии с эпюрой изгибающих моментов.

Поперечную арматуру 2 (см. рис. 46, 48) устанавливают для восприятия поперечных усилий, действующих в наклонных сечениях (см. п. 1). Количество поперечной арматуры, ее диаметр и расстояния между стержнями определяются расчетом прочности наклонных сечений и конструктивными требованиями (рис. 50). На приопорных участках l_sup, где поперечная арматура требуется по расчету, шаг S_w1 должен быть не более 0,5 h ₀ и не более 300 мм; на остальных участках шаг S_w2 – не более 0,75 h ₀ и не более 500 мм. В балках и ребрах высотой более 150 мм поперечная арматура ставится всегда, даже если по расчету она не нужна.

Рис. 50. Конструктивные требования к размещению поперечной арматуры

В балках с вязаными каркасами вместо поперечных стержней или в дополнение к ним применяют наклонные стержни (отгибы, см. рис. 42). Они работают эффективнее поперечных стержней (хомутов), поскольку больше соответствуют направлению главных растягивающих напряжений балки, но более трудоемки в исполнении. Наклон отгибов принимается 45° в балках высотой до 800 мм и 60° - при большей высоте; образуют их путем отгиба части продольных стержней или постановкой самостоятельных отгибов.

В балках высотой более 700 мм у боковых граней ставят дополнительные продольные стержни диаметром 10-12 мм на расстояниях (по высоте) не более 400 мм (см. рис. 49, а, б). Эти стержни служат для восприятия усилий от усадки бетона, температурных деформаций, придают жесткость пространственному каркасу, а также вместе с поперечной арматурой сдерживают раскрытие наклонных трещин на боковых гранях балок.

4. Конструирование преднапряженных элементов. Наиболее рациональная форма сечения для предварительно напряженных балок - двутавровая с тонкой стенкой, а при толстом ребре – тавровая. Сжатую полку сечения развивают из условия восприятия изгибающего момента от расчетных нагрузок, а уширение растянутой зоны – из условия размещения растянутой арматуры и обеспечения прочности этой части сечения при обжатии балки. Целесообразно принимать наибольшую возможную рабочую высоту сечения и наименьшую толщину его стенок, т.к. это повышает несущую способность, жесткость и трещиностойкость элементов.

Предварительно напряженная арматура также размещается в соответствии с эпюрой моментов и поперечных сил, но не входит в состав каркасов (т.е. к ней не приваривается и не привязывается никакая другая арматура). Размещение арматуры в сечении должно обеспечивать возможность использования стандартных анкеров и захватов, а также качественное уплотнение бетона. Поэтому в растянутой зоне делают уширения сечения (рис. 51, а – в).

Рис. 51. Размещение предварительно напряженной арматуры в сечении:

а – армирование отдельными проволоками; б – стержневая арматура; в – арматурные канаты

Кроме напрягаемой арматуры, в балках устанавливают и ненапрягаемую (расчетную или конструктивную), располагая ее ближе к наружным поверхностям элемента так, чтобы поперечная арматура (хомуты) охватывала всю продольную арматуру (рис. 51, а, б, в).

Расположение напрягаемой арматуры по длине элемента может быть прямолинейным по всей длине или криволинейным на приопорных участках.

В однопролетных балках небольшой высоты при небольших нагрузках и пролетах преднапряженную арматуру располагают в растянутой зоне прямолинейно по всей длине элемента (рис. 52, а).

Рис. 52. Схемы армирования балок предварительно напряженной арматурой

Так как усилие обжатия Р приложено внецентренно (рис. 52, а), то при обжатии балка получает выгиб, и в верхних волокнах появляются растягивающие напряжения, постоянные по всей длине балки (рис. 52, б). От внешней нагрузки в верхней зоне возникают сжимающие напряжения, изменяющиеся по длине балки по квадратной параболе (т.е. пропорционально изгибающему моменту, рис. 52, в). Суммируя эпюры напряжений (рис. 52, г), видим, что в верхних волокнах балки вблизи опор неизбежны растягивающие напряжения, которые могут вызывать появление трещин. Для погашения этих напряжений в балках большой высоту устанавливают верхнюю напрягаемую арматуру в количестве 15…25% от нижней (рис. 52, д). Равнодействующая усилий напрягаемых арматур SP_i в этом случае должна находиться в пределах ядра сечения.

При больших нагрузках и пролетах часть напрягаемой арматуры отгибают кверху (рис. 52, е). Чаще это делают при натяжении арматуры на бетон. Отгиб напрягаемой арматуры дает возможность:

- уменьшить величину поперечной силы за счет вертикальной составляющей усилия натяжения отгиба, что уменьшает главные растягивающие напряжения на приопорных участках балки, уменьшает толщину ребра и сечение поперечной арматуры;

- уменьшить растягивающие напряжения в верхних волокнах бетона при обжатии вблизи опорных сечений, где влияние собственного веса почти не сказывается;

- удобнее разместить анкеры и натяжные приспособления на торцах балки для натяжения арматуры (рис. 53).

Рис. 53. Отгибы продольной напрягаемой арматуры на приопорных участках балки

В преднапряженных элементах (в частности, балках) особое значение имеет конструирование концевых участков балок. Здесь происходит передача значительных усилий обжатия с арматуры на бетон, в результате чего возникают мощные местные сжимающие и растягивающие напряжения в торцевой части балки, что приводит к появлению трещин, раскрывающихся на торце и на верхней грани опорной части элемента (рис. 54, а, б).

Рис. 54. Напряженное состояние и армирование концов балок:

а – напряженно-деформированное состояние; б – образование продольных (радиальных)

трещин вдоль напрягаемой арматуры без анкеров; в – армирование; I – траектории главных

растягивающих напряжений; II – то же, сжимающих; 1 – четыре сетки косвенного армирования Æ4 с шагом 50…100 мм на длине не менее 0,6 l_p для местного усиления бетона; 2 - дополнительные хомуты с шагом 50…100 мм на длине £ h/ 4, приваренные к опорной закладной детали; 3 – дополнительная продольная ненапрягаемая арматура для ограничения раскрытия вертикальных трещин в верхней зоне концевых участков; 4 – продольные трещины по периметру арматуры без анкеров

Поэтому концевые участки преднапряженных балок усиливают путем увеличения размеров сечения на опорах, утолщения защитного слоя бетона, а также дополнительной поперечной и продольной арматурой (рис. 55, в).

Толщину защитного слоя у концов преднапряженных элементов на длине зоны анкеровки принимают не менее (2…3) d и не менее 40 мм.

Дата добавления: 2014-01-20