Железобетонные элементы опор линий электропередачи по трещиностойкости должны рассчитываться на сочетания нормативных нагрузок нормальных режимов.
Ниже приводится метод расчета по трещинообразованию и ширине раскрытия трещин элементов кольцевого сечения, который на протяжении последних лет использовался при проектировании железобетонных опор линий электропередачи.
Так как в этом методе расчет по трещинообразованию является промежуточным при определении ширины раскрытия трещин, то он подчинен общему принципу, положенному в основу расчета железобетонных элементов кольцевого сечения по трещиностойкости. Вид формул для расчета по трещинообразованию при этом получается иным, чем формул, рекомендуемых нормами, хотя и те и другие дают практически одинаковые результаты. Очевидно, что в тех случаях, когда для одного и того же элемента определяется усилие трещинообразования и ширина раскрытия трещин, удобнее иметь формулы, в основу которых положены одни и те же параметры.
1. Расчет по образованию трещин.
Действующие нормы рекомендуют в качестве предельной при работе железобетонного элемента без трещин принимать эпюру напряжений (рис. 7-18), состоящую из треугольного и прямоугольного участков в сжатой и растянутой зонах сечения соответственно. Относительные деформации отдельных волокон сечения при этом принимаются прямо пропорциональными их расстояниям от нейтральной оси, а предельная относительная деформация бетона при растяжении с учетом его неупругих
Параметр φопределяется из следующих уравнений: для внецентренного растяжения и сжатия
в соответствии с которым напряжение в наиболее удаленном от нейтральной оси волокне бетона сжатой зоны не должно превышать нормативной величины призменной прочности.
Полученные формулы имеют принципиально иное построение, чем формула ядровых моментов, хотя расчетные значения усилий трещинообразования по этим формулам и по формуле ядровых моментов достаточно близки: розница не превышает 3%.
Несовершенство существующих заводских методов контроля предварительного напряжения продольной арматуры в процессе изготовления железобетонных стоек опор линий электропередачи делает необходимым осуществлять этот контроль также при заводских испытаниях готовых стоек. Однако при этих испытаниях трещиностойкость контролируется по образованию видимых (с помощью микроскопа Бриннеля или иного оптического прибора) трещин. Проведенные в разное время испытания стоек. железобетонных опор показали, что образование видимых невооруженным глазом трещин происходит при значительно больших нагрузках, чем те, которые получаются из расчета по формуле ядровых моментов или по формулам (7-84) — (7-87). Иногда это превышение достигает 50%. Такие расхождения не могут быть объяснены отличием фактических сопротивлений бетона на растяжение или фактических напряжений обжатия от вводимых в расчет, поскольку обжатие в действительности всегда оказывается ниже вводимого в расчет, а увеличение, даже существенное, сопротивления Rрн увеличивает расчетную трещиностойкость значительно меньше, чем это нужно для совпадения расчетных результатов с опытными.
Данные опытов свидетельствуют о том, что процесс образования макротрещин носит скачкообразный характер: трещина при определенной нагрузке образуется и сразу, т. е. без изменения нагрузки и практически мгновенно, достигает конечной ширины раскрытия, при которой она в большинстве случаев сравнительно легко наблюдается невооруженным глазом.
Регистрация момента образования таких трещин в. процессе нагружения элемента не вызывает затруднений, поскольку их раскрытие особенно в стойках с предварительно напряженной проволочной арматурой класса ВР=II или из семипроволочных прядей класса П-7 сразу достигает значительной ширины и сопровождается треском, происходящим при разрыве бетона. При нагружении с помощью ручной лебедки показание динамометра в момент разрыва бетона заметно падает и для восстановления нагрузки требуется дополнительное вращение лебедки.
Отмеченное расхождение между опытными и расчетными усилиями трещинообразования является результатом выбора разных состояний элемента, принимаемых за предельные при работе без трещин. Явление скачкообразного раскрытия трещины до значительных размеров является заключительным этапом ее образования, тогда как весь процесс происходит в интервале изменения нагрузки, ширина которого в некоторых случаях может быть достаточно большой.
Анализ кривых деформаций элемента и показаний расположенных в растянутой зоне тензометров свидетельствует о том, что разрыву бетона предшествует процесс образования в растянутой зоне элемента микротрещин, которые оптическими приборами, применяемыми для этих целей, не регистрируются. Их образование в зависимости от конкретных условий в некоторых случаях может начаться значительно раньше непосредственного разрыва бетона, в других оба эти процесса следуют один за другим со сравнительно небольшим интервалом изменения нагрузки. Сказанное хорошо прослеживается на следующих примерах.
Для железобетонных стоек с продольной арматурой из высокопрочной арматурной проволоки периодического профиля (класса Вр-II) рекомендуется
Величина приращения напряжений в наиболее удаленном от нейтральной оси стержне продольной арматуры на участке трещины определится из уравнений равновесия всех действующих по одну сторону от сечения усилий. Напряженное состояние сечения (рис. 7-19) для внешних нагрузок, не превышающих нормативные, принято соответствующим стадии II, которая характеризуется треугольной эпюрой напряжений в арматуре растянутой зоны (упругие деформации) и параболической в бетоне сжатой зоны. Для железобетонных элементов с разными характеристиками бетона и арматуры и с разным процентом армирования полнота эпюры нормальных напряжений в бетоне сжатой зоны будет разной: пределами ее изменения являются треугольная и прямоугольная формы. Поскольку зависимость напряжение — деформация для бетона криволинейная, то получение эпюр треугольной или прямоугольной форм является теоретически невозможным. Формы эпюр, близкие к предельным, на практике могут иметь место: близкая к треугольной — в сечении ненапряженных элементов при образовании трещин, прямоугольная — в сечениях элементов из бетонов низких марок при действии усилий, обусловленных расчетными нагрузками. На практике приходится иметь дело с любыми нагрузками, действующими на железобетонные элементы с ненапряженной и напряженной арматурой, степень обжатия которых изменяется в значительных пределах. Следовательно, форма эпюры напряжений в бетоне сжатой зоны сечения также может иметь любой промежуточный вид между треугольной и прямоугольной. Поскольку определить действительную форму эпюры трудно, расчетные уравнения для инженерных целей составляются при учете треугольной или прямоугольной формы.
Рис. 7-19. Общий вид эпюр напряжений в сечении с трещиной при действии непредельных нагрузок
Рис. 7-20. Схема напряженного состояния сечения, принимаемая при определении приращения напряжений в арматуре σа
Можно рассчитать значения ширины раскрытия трещин при обеих предельных формах эпюры, между ними будет находиться действительная ширина. Но это приводит к необходимости выполнения двух параллельных расчетов. Анализ показал, что разница результатов для обоих случаев получается небольшой. А кроме того характер зависимости напряжение—деформация для бетонов стоек железобетонных опор, изготавливаемых центробежным способом, вплоть до их разрушения близок к линейному. Поэтому для инженерных расчетов при конструировании опор ВЛ проверку ширины раскрытия трещин рекомендуется производить только при треугольной эпюре нормальных напряжений в бетоне сжатой зоны (рис. 7-20). Имея в виду сказанное, напряженное состояние элемента учитывают при следующих условиях.
- Нормальные сечения элемента при его нагружении остаются плоскими.
Б. Эпюра напряжений в продольной арматуре растянутой зоны треугольная.
- Работа бетона растянутой зоны на участках между трещинами учитывается коэффициентом.
Г. Эпюра напряжений в бетоне сжатой зоны треугольная.
Д. За счет деформации бетона сжатой зоны напряжения растяжения в напряженных стержнях продольной арматуры уменьшаются до значения
Так как в общем случае эпюры нормальных напряжений в продольной арматуре и бетоне не будут подобны из-за разных диаграмм напряжение — деформация, то приведенные выражения для определения напряжений σн.с и σа.с также будут давать ошибку, разную в р,азных случаях. Однако даже при наибольших ошибках при определении σн.с и σа.с погрешность в определении ширины раскрытия трещин получается небольшой, что дает возможность не уточнять их.
Так же как и при определении усилий трещинообразования, расчетные уравнения для определения ширины раскрытия трещин получены для случая действия силы, приложенной с большим эксцентриситетом (I случай). Верхний знак в уравнениях соответствует внецентренному растяжению, нижний — внецентренному сжатию; один знак является общим для обоих случаев. Уравнения для случая чистого изгиба получены путем предельного перехода из расчетных уравнений для случая действия внецентренно приложенной силы. Предварительное напряжение продольной арматуры в напряженных элементах учтено как внешняя центральная сжимающая сила Νο, равная равнодействующей нормальных напряжений в напряженной и ненапряженной продольной арматуре.
Равновесие в сечении определяется следующей системой уравнений:
