2. Сцепление арматуры с бетоном

В железобетонных конструкциях благодаря сцепле­нию материалов скольжения арматуры в бетоне под на­грузкой не происходит. Прочность сцепления арматуры с бетоном оценивается сопротивлением выдергиванию или вдавливанию арматурных стержней, заанкерованных в бетоне (рис. 1.28, а). Согласно опытным данным, прочность сцепления зависит от:

1) зацепления в бето­не выступов на поверхности арматуры периодического профиля (рис. 1,28, б);

2) сил трения, развивающихся при контакте арматуры с бетоном под влиянием его усадки;

3) склеивания арматуры с бетоном, возникаю­щего благодаря клеящей способности цементного геля.

Наибольшее влияние на прочность сцепления оказывает первый фактор - он обеспечивает около 3/4 общего соп­ротивления скольжению арматуры в бетоне. Если арма­тура гладкая и круглая, сопротивление скольжению уменьшается в 2-3 раза. Исследования показали, что распределение напряжений сцепления арматуры с бето­ном по длине заделки стержня неравномерно, и наиболь­шее напряжение сцепления τ_c,max не зависит от длины анкеровки стержня l_an. Среднее напряжение сцепления определяется как частное от деления усилия в стержне N на поверхность заделки

τ_c=N/(l_an u)

где u — периметр сечения стержня; для гладкой арматуры при сред­них классах бетона оно примерно равно 2,5-4 МПа.

Прочность сцепления возрастает с повышением клас­са бетона, уменьшением водоцементного отношения, а также с увеличением возраста бетона. При недостаточ­ной заделке к концам стержней приваривают коротыши или шайбы (по концам стержней из гладкой стали класса A-I устраивают крюки).

При вдавливании арматурно­го стержня в бетон прочность сцепления больше, чем при его выдергивании, вследствие сопротивления окру­жающего слоя бетона поперечному расширению сжима­емого стержня.

Рис. 9.Сцепление арматуры с бетоном

С увеличением диаметра стержня и на­пряжения в нем σ_s прочность сцепления при сжатии воз­растает, а при растяжении уменьшается. Отсюда следует, что для лучшего сцепления арматуры с бетоном при конструировании железобетонных элемен­тов диаметр растянутых стержней следует ограничи­вать.

АНКЕРОВКА АРМАТУРЫ

Анкеровку арматуры осуществляют одним из следующих способов или их сочетанием: в виде прямого окончания стержня (прямая анкеровка); с загибом на конце стержня в виде крюка, отгиба (лапки) или петли; с приваркой или установкой поперечных стержней; с применением специальных анкерных устройств на конце стержня.

Базовую (основную) длину анкеровки, необходимую для передачи усилия в арматуре с полным расчетным значением сопротивления на бетон, определяют по формуле, (5.1)

где и- соответственно площадь поперечного сечения анкеруемого стержня арматуры и периметр его сечения, определяемые по номинальному диаметру стержня;

- расчетное сопротивление сцепления арматуры с бетоном, принимаемое равномерно распределенным по длине анкеровки и определяемое по формуле , (5.2)

- коэффициент, учитывающий влияние вида поверхности арматуры, принимаемый равным: 1,5 - для гладкой арматуры (класса А240); 2,5 - для горячекатаной и термомеханически упрочненной арматуры периодического профиля (классов А300, А400 и А500);

- коэффициент, учитывающий влияние размера диаметра арматуры, принимаемый равным: 1,0 - при диаметре арматуры 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 , (5.3) где- базовая длина анкеровки,

, - площади поперечного сечения арматуры соответственно, требуемая по расчету с полным расчетным сопротивлением и фактически установленная;

- коэффициент, учитывающий влияние на длину анкеровки напряженного состояния бетона Значения относительной длины анкеровки для стержней, работающих с полным расчетным сопротивлением диаметром менее 36 мм, приведены в табл.3.3 п.3.45.

В любом случае фактическую длину анкеровки принимают не менее 0,3·, а также не менее 15и 200 мм.

б. Усадка железобетона

В железобетонных конструкциях стальная арматура вследствие ее сцепления с бетоном становится внутрен­ней связью, препятствующей свободной усадке бетона. Согласно опытным данным, усадка и набухание железо­бетона в ряде случаев вдвое меньше, чем усадка и на­бухание бетона. Стесненная деформация усадки бетона приводит к появлению в железобетонном элементе начальных, внутренне уравновешенных напря­жений - растягивающих в бетоне и сжимающих в арматуре.

Рис. 10. Усадка и набухание. 1 - бетона; 2 - железобетона

Рис. 11. Деформации усадки образцов а - бетонного; б – железобетонного

Под влиянием разности деформаций свободной усадки бетонного элемента ε_slи стесненной усадки ар­мированного элемента ε_sl,_{s э} ε_bt = ε_sl – ε_sl,s, возникают средние растягивающие напряжения в бетоне σ_bt = ε_bt E_bt

Наибольшие значения этих напряжений находятся в зо­не контакта с арматурой. Деформации ε_sl,sявляются для арматуры упругими, и в ней возникают сжимающие напряженияσ_s = ε_sl,s E_s (1.24)

Уравнение равновесия внутренних усилий элемента, армированного двусторонней симметричной арматурой, имеет вид σ_s A_s= σ_bt A (1.25)

где As— площадь сечения арматуры; А - площадь сечения элемента. Отсюда найдем

σ_s = σ_bt (A/A_s) = σ_bt/μ₁ (1.26)

где μ₁=As/A— коэффициент армирования.

Подставляя в (1.22) деформации, выраженные через напряжения по (1.23), (1.24), (1.26)

σ_bt /E`_bt= ε_sl - σ_bt/μ E_s найдем значение растягивающих напряжении в бетоне

σ_bt = ε_sl E_s / (1/μ₁ + ν/λ_bt) (1.27)

ν=E_s/E_b—отношение модулей упругости арматуры и бетона.

При усадке железобетона растягивающие напряжения в бетоне зависят от свободной усадки бетона ε_sl, коэффициента армирования μ, класса бетона. С увеличением содержания арматуры в бетоне растягивающие напряжения σ_btувеличиваются, и, если они достигают временного сопротивления при растяженииR_bt, возни­кают усадочные трещины.