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.

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 5ds и 10ds (ds – 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 5ds и 10ds соответственно. Петлевые стыки арматуры располагались в средней части опытных образцов.

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

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 5ds (серия К.6) и 10 % – с длиной 10ds (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.

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 5ds либо установку поперечной арматуры в зоне петлевого стыка диаметром не менее 0,5ds 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].