7-3. РАСЧЕТ НА ДЕЙСТВИЕ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА И ПЕРЕРЕЗЫВАЮЩЕЙ СИЛЫ
В аварийных режимах, возникающих при обрывах проводов и грозозащитных тросов, стойки одностоечных свободностоящих опор находятся под одновременным воздействием изгибающих моментов и моментных пар, действующих в плоскостях, перпендикулярных оси стойки, и обычно называемых крутящими. Кроме этого на стойки опор действуют также перерезывающие силы, которые в отдельных случаях достигают больших значений. Действию сравнительно больших перерезывающих сил подвергаются стойки одностоечных свободностоящих опор на участке ниже уровня грунта, стойки анкерных угловых опор на оттяжках (см. рис. 3-12) на участках между отметками крепления к стойке тяг и поясов траверсы, к которой крепятся оттяжки и др.
При чистом кручении линии действия главных растягивающих напряжений в закручиваемых ненапряженных элементах из изотропных материалов составляют с образующими поверхности элемента угол 45°. Это положение может быть отнесено и к ненапряженным железобетонным элементам, в том числе и к коническим и цилиндрическим железобетонным стойкам. Крутящие моменты, создаваемые неуравновешенными тяжениями, возникающими при обрыве проводов в применяемых в настоящее время конструкциях железобетонных опор, имеют относительно большие значения. Возникающие при этом главные растягивающие напряжения намного, иногда в несколько раз, превосходят нормативные сопротивления применимых для стоек бетонов сравнительно высоких марок (400 и 500).
Чтобы обеспечить восприятие этих напряжений, ставят специальную арматуру. Наиболее эффективные результаты дает арматура, расположенная по траекториям главных растягивающих напряжений. Такая арматура наиболее экономична при действии крутящих моментов постоянного направления. Если крутящие моменты имеют знакопеременный характер, требуется двойная спираль: по одной на каждое направление действия крутящего момента. В этом случае экономический эффект арматуры, ориентированной по главным растягивающим напряжениям, снижается. Несомненным достоинством применения ориентированной арматуры является возможность получения большей жесткости стоек при работе на кручение, а также максимальной несущей способности при заданных размерах сечения. Кроме того, она весьма эффективно воспринимает нормальные растягивающие напряжения.
Для стоек железобетонных опор по целому ряду причин, в том числе и технологических, поперечная арматура, требуемая по условию кручения, выполняется в виде односторонней однозаходной спирали из обыкновенной арматурной проволоки класса В-I ГОСТ 6727—53*. Такая спираль примерно одинаково воспринимает крутящие моменты обоих знаков — это ее основное достоинство, а ее намотка проста и технологична. Главным недостатком железобетонных элементов с односторонней однозаходной спиралью является сравнительно невысокая несущая способность и повышенная деформативность их при действии крутящего момента. Несмотря на это, она нашла применение во всех железобетонных конических и цилиндрических стойках опор. В случае необходимости повышения несущей способности элементов увеличивается их наружный диаметр.
Расчет на совместное действие изгиба и кручения.
Последние работы, выполненные в НИИЖБ, показали, что применяемый длительное время метод расчета железобетонных труб на кручение [19], который не учитывает действующего совместно с ним изгибающего момента, не отражает действительной работы элемента. Канд. техн. наук Η. Н. Лессинг и Э. Г. Елагин [22, 37] разработали метод, в основу которого положили напряженное состояние в элементе, создаваемое одновременным действием изгибающего и крутящего моментов. В соответствии с этим методом предельный крутящий момент Мκ.п элемента кольцевого сечения с равномерно распределенной по периметру продольной арматурой в виде охватывающей однозаходной односторонней спирали определяется по формуле:
(7-34)
Для элементов с обычной арматурой полученный по этой формуле момент не должен превышать величины
(7-35)
которая характеризует наибольшую возможную прочность элемента по условиям работы бетона и ограничивает верхнюю границу площади спирали.
Дальнейшее повышение прочности может быть достигнуто только путем увеличения размеров сечения или прочности бетона:
Экспериментальные и теоретические исследования показывают, что сопротивляемость кручению предварительно напряженных железобетонных стоек, не имеющих спирали, может быть более высокой, чем стоек с ненапряженной продольной арматурой и односторонней однозаходной спиралью при предельном армировании.
Однако при действии сочетаний нагрузок аварийных режимов стойка подвергается одновременному действию изгиба и кручения, т. е. находится в сложнонапряженном состоянии. В этом случае способность стойки воспринимать крутящие моменты по сравнению с условиями чистого кручения уменьшается, поскольку нормальные напряжения предварительного обжатия бетона в части сечения гасятся нормальными растягивающими напряжениями от изгиба в растянутой зоне. Так как эпюра изгибающих моментов по форме близка к треугольной, то предварительное обжатие сдвигает отметку разрушения вниз, т. е. на участок больших диаметров, и тем в большей мере, чем больше напряжена предольная арматура. Отыскание отметки сечения, в которой главные растягивающие напряжения раньше, чем в остальных, достигают предельной величины, сводится к решению следующей системы уравнений:
Величина максимального касательного напряжения, обусловленного действием перерезывающей силы Q, определяется выражением:
- Когда при действии расчетных нагрузок отметка разрушения смещается в область значительных диаметров и удовлетворяется условие (7-61), спираль по расчету не требуется и при выполнении некоторых дополнительных условий может не ставиться.
- Когда условие (7-61) не удовлетворяется, спираль должна предусматриваться в обязательном порядке, а ее площадь и шаг витков определяются расчетом.
