В статье автор исследует влияние параметров сечения и процента армирования продольной арматуры на несущую способность сталефиброжелезобетонных балок, подверженных совместному действию крутящего и изгибающего моментов.

Ключевые слова: сталефиброжелезобетон, кручение с изгибом, численные исследования, эксперимент.

С каждым годом все больше развивается перспективное направление, связанное с использованием дополнительного армирования железобетона стальными фибрами, при котором повышаются прочностные и жесткостные свойства железобетонных конструкций. Также стальная фибра позволяет повысить предельную растяжимость, трещиностойкость и ударопрочность бетона.

В настоящее время изучению напряженно — деформированного состояния железобетонных элементов посвящено не так много исследований, еще меньше изучению сталефиброжелезобетонных элементов (далее СФБЖБЭ), в том числе, работающих на совместное действие кручения с изгибом.

И. В. Бахотский [1] первым предложил методику расчета СФБЖБЭ, подверженных совместному воздействию кручения с изгибом, а так же вывел уравнение расчета таких элементов. В ходе его исследований было выяснено, что при совместном воздействии на СФБЖБЭ изгибающих и крутящих моментов разрушение происходит с образованием геометрически сложной поверхности, образованной пространственной трещиной. Данный вид разрушения аналогичен с испытаниями железобетонных элементов. [2–4]

В данной статье ставится цель изучить влияние параметров сечения и процента армирования регулярной арматурой на прочность СФБЖБЭ, подверженных совместному действию крутящих и изгибающих моментов. Для этого в программном комплексе Лира-Сапр был проведен ряд численных исследований сталефиброжелезобетонной балки в нелинейной постановке.

В рамках проведения численного эксперимента была рассмотрена сталефиброжелезобетонная балка, аналогичная образцу И. В. Бахотского в [1]. Размеры балки 1200х120х180, процентное содержание фибры 3 %. Балка моделировалась с помощью объемных параллелепипедов типа 231 (физически нелинейный параллелепипед) размерами 10х10х20 (мм), арматура — типа 210, как физически нелинейный универсальный пространственный стержневой КЭ.

С целью изучения влияния различных параметров влияния на прочность СФБЖБЭ процент армирования регулярной арматуры был принят от 0,73 % до 2,36 %; размеры соотношения высоты сечения балки к ширине были приняты от 0,67 до 2,5. Армирование балки и ее расчетная схема представлены соответственно на рисунках 1 и 2.

В качестве критерия разрушения принималось достижение арматуры растянутой зоны предела текучести.

Рис.1. Схема армирования сталефиброжелезобетонной балки

*-арматура 10,12,14,16,18 диаметров

Рис.2. Расчетная схема сталефиброжелезобетонной балки

По полученным результатам численного эксперимента были построены различные зависимости. На рисунке 3 представлен график зависимости напряжений в арматуре от усилий для разных процентов армирования продольной арматуры.

Рис. 3. Зависимость напряжений от усилий при разном проценте армирования

При действии разрушающей нагрузки на балки с разными соотношениями сторон и разным процентом армирования продольной арматуры были построены графики следующих зависимостей: зависимость крутящего момента от соотношения h/b (рис. 4) и зависимость изгибающего момента от соотношения h/b (рис.5).

Рис. 4. График зависимости крутящего момента от соотношения h/b при разном проценте армирования

Рис. 5. График зависимости изгибающего момента от соотношения h/b при разном проценте армирования

Для балок с процентом армирования 𝜇=1.22 и 𝜇=1.43 были построены зависимости величин углов поворота и прогибов от соотношения сторон.(рис.6–9.)

Рис. 6. Зависимость величины угла поворота от нагрузки при разном соотношении сторон при 𝜇=1.22

Рис. 7. Зависимость величины прогиба от нагрузки при разном соотношении сторон при 𝜇=1.22

Рис. 8. Зависимость величины угла поворота от нагрузки при разном соотношении сторон при 𝜇=1.43

Рис. 9. Зависимость величины прогиба от нагрузки при разном соотношении сторон при 𝜇=1.43

По итогам экспериментов можно сделать следующие выводы:

− при увеличении армирования продольной арматуры увеличивается несущая способность балки;

− крутящий и изгибающий момент при увеличении соотношения сечения h/b от 0.67 к 1.5 уменьшаются;

− при дальнейшем увеличении (от 1.5 к 2.5) значения моментов увеличиваются;

− при увеличении соотношений сторон уменьшается предельный прогиб и угол поворота для случая 𝜇=1.43;

− для случая 𝜇=1.43 при соотношении сторон 1.5 предельный прогиб и угол поворота наименьший;

− при сравнении СФЖБЭ с железобетонными образцами схожих сечений [4,5] значения углов поворота и крутящих моментов при добавлении фибры значительно уменьшаются.

Литература:

1. Бахотский И. В. Прочность фиброжелезобетонных конструкций в условиях кручения с изгибом: дис. канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2013- 112 с
2. Лессиг Н. Н. Определение несущей способности железобетонных элементов прямоугольного сечения, работающих на изгиб с кручением. / Н. Н. Лессиг // Сб. тр. НИИЖБ, — М., — 1959. Вып. 5. Исследование прочности элементов железобетонных конструкций. — С. 3–28.
3. Байков В. Н. Исследование несущей способности железобетонных элементов прямоугольного сечения при совместном действии изгиба и кручения / В. Н. Байков, В. И. Фомичев // Изв. вузов. Сер.строительство и архитектура. — 1975. — № 2. — С.19–25.
4. Меркулов Д. С. Прочность и деформативность составных железобетонных конструкций при изгибе с кручением: автореф. дис. канд. техн. наук.-О.,2009.-19 с.
5. Арзамасцев С. А. Прочность и деформативность железобетонных изгибаемых элементов при кручении от кратковременных динамических нагрузок: дис. канд. техн. наук. Томск, 2017 -181 с.