Сцепление арматуры с бетоном

 

Под сцеплением понимают непрерывную связь между бетоном и арматурой по поверхности контакта этих материалов. В нагружен­ных железобетонных конструкциях благодаря сцеплению не происходит скольже­ния арматуры в бетоне.

Сцепление арматуры с бетоном является одним из наиболее важ­ных фундаментальных свойств железобетона, которое обеспечивает его востребованность как строительного материала.

Прочность сцепления арматуры с бетоном оценивают сопротив­лением выдергиванию или вдавливанию арматурных стержней, за­деланных в бетоне (рис. 26).

 

Рис. 26. Схемы испытаний на нарушение сцепления арматуры с бетоном:

а – на выдёргивание; б – на вдавливание

 

При выдергивании стержня из бетона усилия с арматуры на бетон передаются через касательные напряжения сцепления, кото­рые, как показали исследования, распределяются по длине стержня неравномерно. Наибольшие их значения τ _max действуют на некото­ром расстоянии от торца и не зависят от длины заделки стержня в бетоне (рис. 27).

Надёжность сцепления по опытным данным зависит от трёх сле­дующих факторов:

1) сопротивления бетона усилиям смятия и среза, обусловленным выступами и другими неровностями на поверхности арматуры, т.е. механическим зацеплением арматуры за бетон (рис. 27, г); даже сравнительно гладкая арматура имеет неровности, заполняемые бе­тоном;

2) от сил трения арматуры о бетон, которые вследствие усадки бето­на развиваются на поверхности арматуры при попытке выдернуть стержень;

3) от склеивания поверхности арматуры с бетоном, возникающего благодаря клеящей способности геля бетона.

Выявление точного влияния каждого из перечисленных факто­ров в процентном отношении затруднительно, да и не имеет большо­го практического значения, так как они проявляются одновременно. Однако наибольшее влияние на прочность сцепления стержней пе­риодического профиля оказывает первый фактор – он обеспечивает около 75% от общей величины сцепления.

Среднее напряжение сцепления (если испытание доведено до сдвига арматуры) определяют как частное от деления усилия в стержне N на площадь поверхности заделки (рис. 27, б, в):

откуда необходимая длина заделки:

 

 

Рис. 27. Сцепление арматуры с бетоном:

а – арматурный стер­жень в бетоне; б – эпюра касательных напряжений сцепления; в – эпюра нормальных напряжений; г – при арматуре периодического профиля

 

(1.24)

Если принять , то .

Сцепление стержней периодического профиля с бетоном в 2...3 раза выше по сравнению со сцеплением гладкой горячекатаной ар­матуры и достигает для бетонов средних классов при статической на­грузке 7 МПа. У стержней с полированной поверхностью сцепление примерно в пять раз ниже, чем у гладких горячекатаных в состоя­нии поставки.

Сцепление арматуры с бетоном улучшается с повышением клас­са бетона по прочности на сжатие, с увеличением содержания це­мента в единице объёма бетона, с уменьшением W/C. Оно зависит также от способа укладки и условий твердения бетона (например, вибрирование и влажный режим твердения улучшают сцепление). С увеличением возраста бетона τ растет, что объясняется повышением прочности цементного камня и его усадкой.

Сцепление несколько повышает растяжимость бетона, обеспечи­вает равномерное распределение трещин по длине элемента в случае их появления и ограничивает ширину раскрытия каждой трещины в отдельности, что повышает жесткость железобетонного элемента.

 

Анкеровка арматуры в бетоне

 

В железобетонных конструкциях закрепление концов арматуры в бетоне – анкеровка – осуществляется выпуском арматуры за рас­сматриваемое сечение на длину зоны передачи усилий с арматуры на бетон (обусловленную сцеплением арматуры с бетоном).

Арматура из гладких стержней класса A240 должна иметь по кон­цам анкера в виде полукруглых крюков диаметром 2, 5 d (рис. 28, а). Анкерами гладких стержней в сварных сетках и каркасах служат стержни поперечного направления, поэтому их применяют без крю­ков на концах. Также не имеют крюков на концах арматурные стержни периодического профиля, обладающие значительно луч­шим сцеплением с бетоном.

Анкеровку арматуры осуществляют одним из следующих способов или их сочетанием:

- прямое окончание стержня (прямая анкеровка);

- загиб на конце стержня в виде крюка, отгиба (лапки) или петли;

- приварка или установка поперечных стержней;

- применение специальных анкерных устройств на конце стержня.

Прямую анкеровку и анкеровку с лапками допускается применять только для арматуры периодического профиля. Для растянутых гладких стержней следует предусматривать крюки, петли, приваренные поперечные стержни или специальные анкерные устройства.

Лапки, крюки и петли не рекомендуется применять для анкеровки сжатой арматуры, за исключением гладкой арматуры, которая может подвергаться растяжению при некоторых возможных сочетаниях нагрузки.

 

Рис. 28. Анкеровка арматуры: а – круглых гладких стержней; б – стержней периодического профиля на свободной опоре балки

При расчете длины анкеровки арматуры следует учитывать способ анкеровки, класс арматуры и ее профиль, диаметр арматуры, прочность бетона и его напряженное состояние в зоне анкеровки, конструктивное решение элемента в зоне анкеровки (наличие поперечной арматуры, положение стержней в сечении элемента и др.).

Базовую (основную) длину анкеровки, необходимую для передачи усилия в арматуре с полным расчетным значением сопротивления R_s на бетон, определяют по формуле:

где A_s и u_s – соответственно площадь и периметр поперечного сечения анкеруемого стержня арматуры, определяемые по номинальному диаметру стержня;

R_bond – расчетное сопротивление сцепления арматуры с бетоном, принимаемое равномерно распределенным по длине анкеровки и определяемое по формуле:

,

здесь R_bt – расчетное сопротивление бетона осевому растяжению;

h ₁ – коэффициент, учитывающий влияние вида поверхности арматуры, принимаемый равным:

1,5 – для гладкой арматуры,

2,5 – для арматуры периодического профиля;

h ₂ – коэффициент, учитывающий влияние размера диаметра арматуры, принимаемый равным:

1,0 – при диаметре арматуры d_s £ 32 мм,

0,9 – при диаметре арматуры 36 и 40 мм.

Требуемую расчетную длину анкеровки арматуры с учетом конструктивного решения элемента в зоне анкеровки определяют по формуле:

(1.25)

где l_o,an – базовая длина анкеровки;

A_s,cal, A_s,ef – площади поперечного сечения арматуры соответственно, требуемая по расчету и фактически установленная;

a – коэффициент, учитывающий влияние на длину анкеровки напряженного состояния бетона и арматуры и конструктивного решения элемента в зоне анкеровки.

При анкеровке стержней периодического профиля с прямыми концами (прямая анкеровка) или гладкой арматуры с крюками или петлями без дополнительных анкерующих устройств для растянутых стержней принимают a = 1,0; для сжатых a = 0,75.

Допускается уменьшать длину анкеровки в зависимости от количества и диаметра поперечной арматуры, вида анкерующих устройств и величины поперечного обжатия бетона в зоне анкеровки (например, от опорной реакции), но не более чем на 30%.

В любом случае фактическую длину анкеровки принимают не менее 0,3 × l_o,аn, а также не менее 15 d_s и 200 мм.

 

 

Усилие, воспринимаемое анкеруемым стержнем арматуры N_s определяют по формуле:

,

где R_bond, u_s, A_s, α – см. выше;

l_s – расстояние от конца анкеруемого стержня до рассматриваемого поперечного сечения элемента.

На крайних свободных опорах элементов длина запуска растянутых стержней за внутреннюю грань свободной опоры при выполнении условия Q £ Q_b1 должна составлять не менее 5 d_s.

При устройстве на концах стержней специальных анкеров в виде пластин, шайб, гаек, уголков, высаженных головок и т.п. площадь контакта анкера с бетоном должна удовлетворять условию прочности бетона на смятие. Кроме того, при проектировании привариваемых анкерных деталей следует учитывать характеристики металла по свариваемости, а также способы и условия сварки.