Состав поперечной рамы. Три стадии напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов при изгибе.

В состав конструкции поперечной рамы входят верхний и нижний ригели, стойки - ребра жесткости и угловые элементы. Верхний ригель представляет собой усиленную поперечную балку. Нижний ригель состоит из верхнего пояса (из листа 400x20 мм), стенки из широкого (2,0 м) листа толщиной 10 мм и нижнего пояса Н-образного сечения, образованного из горизонтального листа 922x10 мм и вертикалов 300x20 мм.
Угловые элементы, сопрягающие нижний ригель и стойки, из листа толщиной 16 мм; кроме того, в сечениях, находящихся вблизи четвертей основного пролета, где огибающая наибольших изгибающих моментов переходит из области положительных в область отрицательных моментов, также предусмотрены замкнутые поперечные рамы с тем, чтобы создать возможно более жесткую связь между ортотропной плитой и нижними продольными связями.
Над концевыми опорами имеются сквозные поперечные связи, через которые горизонтальные реакции ортотропной плиты, работающей как верхние продольные связи, передаются на специальную ветровую опору, расположенную по оси пролетного строения.

Последовательное нагружение элемента позволило выявить ряд стадий напряженно-деформированного состояния в нормальном сечении.

Стадия 1 напряженно-деформированного состояния нормального сечения характеризует сопротивление железобетонного элемента, работающего без трещин. Стадия 1 считается завершенной, когда при достижении наиболее растянутой гранью сечения предельных деформаций ectu образуются нормальные трещины и происходит перераспределение внутренних усилий между арматурой и бетоном.

Характерные черты стадии 1:

- отсутствие нормальных трещин в растянутой зоне сечения;

- линейное распределение относительных деформаций по высоте сечения, т.е. практически строгое выполнение гипотезы плоских сечений до момента появления трещин;

- совместная работа арматуры и окружающего ее бетона без нарушения сцепления.

Стадия 2 характеризует сопротивление нормального сечения железобетонной конструкции, имеющей нормальные трещины. После образования нормальных трещин в сечении с трещиной нейтральная ось смещается по направлению к наиболее сжатой грани, уменьшая высоту сжатой зоны (х). В то же время на участках между трещинами, где арматура продолжает сопротивляться совместно с бетоном и сцепление не нарушено, положение нейтральной оси в меньшей степени отклоняется от начального, соответствующего упругой работе материала. Таким образом нейтральная ось по длине зоны чистого изгиба занимает некоторое волнообразное положение. При этом деформации и напряжения в растянутой арматуре и сжатом бетоне по длине элемента распределяются неравномерно. Так, для растянутой арматуры напряжения в сечении с трещиной достигают максимальных значений ss,max убывая по мере приближения к середине участка между трещинами. Для бетона растянутой зоны наблюдается обратная картина.

Характерные признаки стадии 2:

- В растянутой зоне сечения развиваются нормальные трещины, имеющие ширину раскрытия, зависящую от уровня нагружения конструкции, т.е. средних деформаций растянутой арматуры.

- Относительные продольные деформации и напряжения в бетоне и арматуре по длине элемента распределены неравномерно. В сечении с трещиной растягивающие усилия в основном воспринимает арматура, а на участке между трещинами – совместно бетон и арматура. В середине участка между трещинами обеспечена совместная работа бетона и арматуры, а по мере приближения к берегам трещины может наблюдаться проскальзывание арматуры относительно бетона.

- Гипотеза плоских сечений остается справедливой для некоторого среднего сечения по длине зоны чистого изгиба. В отдельном сечении, проходящем через трещину в виду депланации ее краев, гипотеза плоских сечений может нарушаться.

Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к переходу испытываемой балки в стадию 3, характеризующую наступление в нормальном сечении предельного состояния по прочности – разрушения. При этом возможны два случая разрушения железобетонного элемента по нормальному сечению.

В первом случае относительные деформации растянутой арматуры достигают предельных значений esy, соответствующих напряжениям, равным физическому или условному пределу текучести. При этом относительные деформации наиболее сжатой грани бетона к этому моменту не достигают предельной сжимаемости ecu. В этом случае прогибы элемента развиваются без прироста нагрузки, трещины раскрываются и развиваются в глубь по высоте сечения, сокращая высоту сжатой зоны (рис. 6.6).

Разрушение, начинающееся по растянутой арматуре с увеличением деформаций арматуры es > esy может завершаться по сжатому бетоне, когда его относительные деформации достигают предельных значений ecu.

Во втором случае относительные деформации сжатого бетона достигают предельных значений ecu прежде, чем растянутая арматура. Разрушение по сжатому бетону происходит хрупко с раздроблением бетона сжатой зоны. Арматура, применяемая для армирования растянутой зоны сечения, полностью не используется. Этот случай является опасным, т.к. разрушение может произойти даже без чрезмерного раскрытия нормальных трещин в растянутой зоне сечения. При проектировании конструкция должна быть гарантирована от наступления разрушения по сжатой зоне сечения.

В стадии 3 следует отдельно остановиться на работе арматуры, располагаемой в сжатой зоне сечения. На этом этапе арматура Asс играет важную роль, воспринимая часть усилия, действующего в сжатой зоне сечения. Наличие арматуры в сжатой зоне позволяет изменить случай, по которому происходит разрушение нормального сечения, что обусловлено дополнительным усилением, воспринимаемым сжатой зоной сечения. Необходимое минимальное количество арматуры Asс, располагаемой в сжатой зоне сечения, назначают расчетом.

Характеристики стадии 3:

1.Данная стадия определяет предельное состояние сечения по прочности. При этом в зависимости от характера распределения по сечению продольных деформаций возможно два характерных случая разрушения нормального сечения. Если относительные деформации растянутой арматуры достигают предельных значений, соответствующих напряжениям, равным условному или физическому пределу текучести раньше, чем бетон наиболее сжатой грани достигает предельной сжимаемости ecu, разрушение начинается по растянутой зоне. В противном случае разрушение происходит по бетону сжатой зоны сечения при достижении предельных деформаций бетона при сжатии ecu. Оптимальным является случай, когда в стадии разрушения одновременно наступает текучесть арматуры (esu) и бетон сжатой зоны достигает предельных значений относительных деформаций сжатия (ece).

2.Для среднего сечения по длине элемента с определенным допущением выполняется гипотеза плоских сечений.

По длине пролета рассмотренной железобетонной балки одновременно при одном уровне нагружения имеют место все рассмотренные стадии напряженно-деформированного состояния для нормального сечения в зависимости от изменения величины изгибающего момента (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Изменение по длине балки характерных стадий напряженно-деформированного состояния

Если пренебречь влиянием поперечной силы VSd в приопорной зоне, где изгибающий момент М1 незначителен, сечение работает в стадии 1. По мере приближения к линии, по которой действует сила F, приложенная в пролете, наблюдается переход из стадии 1 в стадию 2, а далее и в стадию 3.