Влияние петлевых стыков арматуры на прочность внецентренно сжатых железобетонных конструкций

Введение

В последнее время в железобетонных конструкциях находят применение петлевые соединения рабочей арматуры. Применение таких соединений снижает трудоемкость изготовления арматурных каркасов на строительной площадке.

Анализ имеющихся результатов исследований петлевых соединений рабочей арматуры [1–7] показал, что они проводились преимущественно для изгибаемых элементов. Применение таких соединений в сжатых конструкциях требовало дополнительного обоснования.

Целью настоящего исследования являлась оценка на основании анализа результатов экспериментальных исследований влияния на прочность железобетонных внецентренно сжатых элементов конструктивных решений петлевых стыков арматуры.

Материалы и методы

Оценка влияния различных конструктивных решений петлевых стыков на прочность нормальных сечений внецентренно сжатых железобетонных элементов выполнена по результатам выполненных в НИИЖБ им. А. А. Гвоздева экспериментальных исследований опытных образцов [8].

Были рассмотрены результаты испытаний 7 серий опытных образцов по 3–4 образца-близнеца в каждой серии.

В качестве контрольных были приняты результаты испытаний образцов базовой серии без петлевых стыков (серия К.1). Образцы с петлевыми соединениями были предусмотрены нескольких типов: серия К.2 – с перехлестом петлевых стыков без прямой вставки (т. е. без прямых участков стыкуемых стержней арматуры в зоне стыка), серии К.3 и К.4 – с прямой вставкой в петлевом стыке длиной соответственно 5d_s и 10d_s (d_s – диаметр продольной арматуры); серии К.5, К.6 и К.7 – с установкой поперечной арматуры в зоне петлевого стыка без прямой вставки и с прямой вставкой длиной 5d_s и 10d_s соответственно. Петлевые стыки арматуры располагались в средней части опытных образцов.

Детально конструктивные решения опытных образцов, а также методика их испытаний описаны в работе [8].

Результаты

По результатам выполненного анализа установлена степень влияния конструктивных решений петлевых стыков на прочность нормального сечения внецентренно сжатых элементов.

В результате анализа опытных данных выявлено следующее. Установлено, что разрушение всех образцов происходило по нормальному сечению с раздроблением бетона в сжатой зоне при достижении напряжений в растянутой арматуре физического предела текучести. В контрольных образцах (серия К.1 – образцы без петлевых стыков арматуры) разрушение сопровождалось выпучиванием стержней сжатой арматуры.

Опытные значения разрушающих нагрузок для образцов-близнецов во всех сериях оказались близки между собой – отклонение не превышает 13 % (рис. 1а).

Разброс опытных разрушающих нагрузок для образцов серии К.1 составил не более 8 %.

Разброс опытных разрушающих нагрузок для образцов серии К.2 составил не более 7 %. Среднее по этой серии опытное значение разрушающей нагрузки оказалось на 12 % ниже ее среднего опытного значения для контрольных образцов серии К.1 (рис. 1б). Таким образом, можно увидеть, что конструктивное решение петлевого стыка без прямой вставки в явном виде снижает прочность нормального сечения при внецентренном сжатии.

Средние значения опытной разрушающей нагрузки образцов каждой из серий К.3–К.7 оказались ниже среднего опытного значения образцов серии К.1 на 3–8 %. В целом по сериям К.3–К.7 среднее значение разрушающей нагрузки образцов оказалось ниже ее среднего значения для контрольных образцов серии К.1 на 6 %.

Согласно результатам испытаний устройство прямой вставки в петлевом стыке приводит к повышению разрушающей нагрузки образцов серии К.3 в среднем на 8 %, а серии К.4 – на 7 % по сравнению с образцами серии К.2. Установка поперечной арматуры в зоне петлевого стыка без прямой вставки (серия К.5) повышает разрушающую нагрузку в среднем на 5 % по сравнению с образцами серии К.2. Дополнительная установка поперечной арматуры в зоне петлевого стыка с прямой вставкой практически не повлияла на величину разрушающей нагрузки: ее повышение составило 5 % для стыка с длиной прямой вставки 5d_s (серия К.6) и 10 % – с длиной 10d_s (серия К.7).

Сравнение среднего значения опытной разрушающей нагрузки образцов с петлевыми стыками без прямой вставки и с прямой вставкой показало, что введение прямой вставки приводит к увеличению несущей способности нормального сечения в зоне стыка. При этом увеличение длины прямой вставки приводит к повышению прочности образцов, однако она все равно ниже прочности образцов без петлевых стыков.

Установлено, что наличие поперечной арматуры в стыке без прямой вставки (сравнение образцов серии К.2 и К.5) незначительно увеличивает несущую способность – всего на 5 %. Аналогичная ситуация наблюдается при увеличенной длине прямой вставки (образцы серии К.4 и К.7) – увеличение на 2 %. Сравнивая образцы серии К.3 и К.6, можно отметить несколько негативное влияние установленной поперечной арматуры: среднее значение разрушающей нагрузки для серии К.6 ниже на 3 % аналогичных образцов без поперечной арматуры серии К.3. Возможно, данный эффект связан с более пластичной схемой разрушения образцов серии К.3, т. к. наблюдается различная картина трещинообразования при разрушении данных серий, о чем будет упомянуто отдельно.

Расчетные значения разрушающих нагрузок опытных образцов определяли согласно [2] по фактическим характеристикам материалов и фактическим размерам поперечных сечений элементов. Расчетные значения разрушающих нагрузок опытных образцов с петлевыми стыками всех серий определяли как для элементов без соединений.

Сопоставление результатов расчетов с опытными данными (рис. 2) показало следующее.

Для образцов серии К.1 отношение опытных разрушающих нагрузок к их расчетным значениям изменялось от 0,93 до 1,09. Среднее для серии отношение составило 0,99.

Для образцов серии К.2, выполненных с перехлестом петлевых стыков арматуры без прямой вставки, отношение опытных и расчетных разрушающих нагрузок изменялось от 0,84 до 0,9, а среднее отношение для серии составило 0,86. Для образцов серий К.3–К.7 с прямой вставкой и (или) с поперечными стержнями арматуры в зоне петлевого стыка отношение опытных разрушающих нагрузок к их расчетным значениям изменялось от 0,91 до 1,06, среднее отношение для образцов всех этих серий составило 0,97.

Таким образом, по результатам испытаний можно отметить, что устройство в сжатых элементах петлевых стыков без прямой вставки или без дополнительной поперечной арматуры в зоне стыка приводит к снижению их прочности в сравнении с прочностью образцов без петлевых стыков.

Вывод

По результатам исследования установлено, что конструкция петлевого стыка продольной арматуры оказывает влияние на прочность нормальных сечений внецентренно сжатого элемента по сравнению с аналогичными конструкциями без такого стыка. Для исследованных образцов с петлевыми стыками арматуры опытные значения разрушающих нагрузок ниже, чем для образцов без стыков. Петлевые стыки без прямой вставки показали наименьшую несущую способность. Введение прямой вставки приводит к некоторому увеличению несущей способности, однако по сравнению с базовыми образцами (без петлевых стыков) она все равно ниже.

Установка поперечной арматуры в ряде случаев может привести к увеличению несущей способности, но незначительно. При этом значения опытных разрушающих нагрузок все равно ниже значений для базовых образцов. В отдельных случаях установка поперечной арматуры меняет схему разрушения, что приводит, наоборот, к незначительному, но все-таки снижению разрушающей нагрузки по сравнению с образцами без нее.

Введение прямой вставки в петлевой стык и увеличение ее длины приводит к увеличению несущей способности нормального сечения внецентренно сжатого элемента. Однако, несмотря на это, а также на установку дополнительной поперечной арматуры, для всех образцов с петлевыми стыками несущая способность ниже, чем без них.

На основании полученных результатов можно рекомендовать при проектировании внецентренно сжатых железобетонных конструкций с петлевыми стыками продольной рабочей арматуры предусматривать устройство прямой вставки длиной не менее 5d_s либо установку поперечной арматуры в зоне петлевого стыка диаметром не менее 0,5d_s и в количестве не менее двух хомутов. При соблюдении этих условий расчет прочности нормальных сечений может выполняться в соответствии с требованиями действующих норм. С целью апробации данного решения его рекомендуется учесть в СП 430.1325800.2018 [9].