Сопротивление керамзитофиброжелезобетонных колонн немногократно повторным нагружениям
Аннотация
Рассмотрено влияние немногократно повторных воздействий на сопротивление сжатию железобетонных элементов из керамзитофибробетона. Приведены результаты экспериментальных исследований железобетонных колонн после повторных однозначных и знакопеременных нагружений. Отмечено влияние режимов повторного нагружения на несущую способность, деформативность и трещиностойкость колонн. Предложена зависимость изменения несущей способности колонн от уровня повторных нагружений.
Ключевые слова: Керамзитофибробетон, несущая способность, трещиностойкость, деформативность, железобетонная колонна, смешанное армирование.Ключевые слова:
Исследования, проведенные в нашей стране и за рубежом [1,2] показали, что немногократно повторные воздействия внешними нагрузками, приводят к изменению диаграмм деформирования бетона и арматуры, несущей способности, трещиностойкости и деформативности железобетонных колонн. В отличие от ранее выполненных исследований, нами основное внимание было уделено сжатым элементам из керамзитофибробетона с предварительно растянутой арматурой и со смешанным армированием.
Была проведена специальная серия опытов в которой керамзитофибробетонные колонны (гибкие и короткие) испытывались при четырех режимах нагружения. Колонны этой серии подвергались повторному сжатию до уровня Nrep/Nu=0,6 с полной разгрузкой (r=0) при постоянном относительном эксцентриситете e0/h=±0,2. Колонны KK-1 и ГК-1 (контрольные) испытывались однократным ступенчатым монотонно возрастающим усилием до разрушения. Колонны КК-2 и ГК-2 после 25 циклов нагружений испытывались монотонно возрастающим усилием, приложенным в том же месте, до разрушения. Колонны КК-3 и ГК-З после повторных нагружений с эксцентриситетом e0/h=0,2, испытывались до разрушения усилием, приложенным с таким же эксцентриситетом, но другого знака. Таким образом разрушающее усилие в отличие от предыдущего случая оказалось приложенным в зоне менее нагруженной при повторном воздействии усилия. Колонны КК-4 и ГК-4 подвергались повторному нагружению сначала с эксцентриситетом одного знака, а затем - противоположного, после чего испытывались до разрушения.
Проведенные опыты показали следующее. При повторных сжимающих нагружениях и последующем сжатии до разрушения при неизменном эксцентриситете (колонны КК-2 и ГК-2) и эксплуатационных уровнях повторных нагружений (Nrep/Nu=0,5...0,6) наблюдается повышение несущей способности колонн - Nu возрастает в коротких колоннах на 17 %, а в гибких - на 8 %; разрушающий момент Мu - соответственно на 17 % и 17,5 %. Причиной этого является повышение прочности керамзитофибробетона сжатой зоны вследствие повторного сжатия невысокого уровня. Продольные деформации сжатия бетона на грани, ближайшей от линии действия усилия N, при повторных нагружениях увеличились в коротких колоннах на 27 %, а в гибких на 32 %, а на более удаленной (растянутой) грани - на 14 %. При разрушении колонн продольные деформации сжатия после повторных нагружений оказались больше, чем при однократном действии нагрузки на 6,5 % в коротких колоннах и на 9 % в гибких. Прогибы в гибких колоннах при усилии Nrep после повторных нагружений возросли на 23 %, а при усилии Nu они оказались больше, чем при однократном нагружении на 20 %.
При повторных нагружениях колонн с эксцентриситетом e0/h=0,2 и последнем нагружении до разрушения с эксцентриситетом e0/h=-0,2 сжатая при последнем нагружении грань вначале (т.е. при повторном воздействии усилия) находилась в растянутой зоне (колонны КК-3, ГК-3). При таком режиме нагружения произошло некоторое снижение прочности колонн (до 6%). Продольные деформации керамзитофибробетона растянутой при повторных нагружениях грани увеличились в коротких колоннах на 38 %, а в гибких на 34 %. На противоположной сжатой грани деформации увеличились на 18 %. При разрушении колонн продольные деформации бетона на грани, ближайшей к усилию Nu (которая подверглась ранее повторному растяжению) уменьшились в сравнении с однократным сжатием усилием Nu на 13 % в коротких колоннах и на 11,5 % в гибких. Это явилось следствием накопления остаточных деформаций при предварительном повторном растяжении этой зоны. При рассматриваемом режиме нагружения уменьшились также прогибы колонн. Так, суммарный прогиб после повторных нагружений уменьшился в сравнении с однократным за счет остаточного прогиба другого знака на 6 %.
Колонны КК-4 и ГК-4 были подвергнуты повторным нагружениям усилием Nrep, приложенным сначала с эксцентриситетом e0/h=-0,2 с таким же количеством нагружений. Таким образом при испытании колонн до разрушения усилием Nu как в сжатой, так и в растянутой зонах предварительно были сняты пластические деформации обоих знаков. Такой режим испытания незначительно сказался на несущей способности колонн - в короткой колонне КК-4 она возросла на 5 %, а в гибкой ГК-4- практически не изменилась. Продольные деформации бетона на грани, ближайшей к усилию Nrep , в короткой колонне увеличились на 25,5 %, а в гибкой на 19 %. При разрушении деформации на этой грани возросли на 10 %. Двузначное повторное нагружение незначительно повлияло на прогибы гибкой колонны - при повторных нагружениях усилием Nrep они увеличились на 9%, а при разрушающем усилии Nu - практически не изменились.
Повышение гибкости конструкций с lh=7 до lh=21 приводит к увеличению прогибов, степени перераспределения внутренних усилий, и, как следствие, величины ebu. Вместе с тем качественное влияние режимов повторного нагружения на приращение продольных относительных деформаций крайнего сжатого волокна керамзитофибробетона в гибких колоннах оказалось аналогичным происходящему в коротких стойках.
После предварительных малоцикловых повторных нагружений с разрушением без изменения знака эксцентриситета происходит возрастание усилий, вызывающих образование трещин. Причем с увеличением гибкости с lh=7 до lh=21 этот эффект несколько снижался.
Отмеченное явление вызвано ростом прочности на растяжение вoлoкoн керамзитофибробетона, испытывающих предварительные повторные растягивающие нагружения. С ростом гибкости уровень предварительных растягивающих напряжений возрастает и большая часть волокон работает при высоких уровнях, вызывающих, наоборот, снижение прочности.
В колоннах КК-3 и ГК-3, испытанных после повторных малоцикловых нагружений кратковременным усилием, с изменением знака эксцентриситета относительно центра тяжести сечения усилия трещинообразования, оказались ниже соответствующих значений контрольных колонн соответственно на 10 и 9,5 %. Это происходит из-за снижения прочности на растяжение волокон керамзитофибробетона, испытывающих предварительные сжимающие напряжения.
После предварительных знакопеременных нагружений усилия трещинообразования в опытных колоннах КК-4 и ГК-4 при кратковременном нагружений до разрушения также несколько (на 8 и 2 %) снизились. Причиной этого является снижение прочности на растяжение волокон керамзитофибробетона после предварительных знакопеременных воздействий.
После повторных воздействий без изменения знака эксцентриситета ширина раскрытия трещин acrc снизилась, и, наоборот, после знакопеременных повторных нагружений и при изменении знака эксцентриситета на последнем цикле величина acrc увеличивается. Отмеченное наблюдается как в гибких, так и в коротких железобетонных стойках. С повышением гибкости конструкций ширина раскрытия трещин увеличивается.
Исследование влияния режимов повторных нагружений на свойства керамзитофиброжелезобетонных колонн, показало, что наиболее существенные изменения происходят в тех случаях, когда повторные нагружения и последующее однократное нагружение до разрушения осуществляются усилием, приложенным с однозначным эксцентриситетом. В этих случаях сжатая зона сечения при последнем нагружений до разрушения предварительно также оказывается сжатой усилием Nrep.
Анализ результатов испытания показал, что повторные нагружения оказывают существенное влияние на несущую способность сжатых керамзитофиброжелезобетонных элементов. Это влияние обусловлено изменением свойств бетона и арматуры, взаимодействия между ними, отжатием неупругих деформаций, перераспределением внутренних усилий и др. факторами. В зависимости от верхнего уровня повторных нагружений 
(отношения повторного усилия к разрушающему после "n" циклов нагружения-разгрузки) указанное влияние может вызвать повышение или понижение несущей способности колонн.
Рис.1 Изменение несущей способности гибких железобетонных колонн (lh=20...30; e0/h=0...0,3) после 25-ти кратного загружения до уровня 
-сплошная линия - по опыту, пунктир по расчету с учетом рекомендуемого авторами коэффициента grip.
Степень и характер этого влияния зависят от гибкости элемента, относительного эксцентриситета продольного усилия, свойств бетона и арматуры, коэффициента армирования, режима нагружения, уровня и знака преднапряжения бетона и арматуры и др.
При рассматриваемом режиме нагружения-разгрузки, гибкости колонн lh=10...30 и относительном однозначном эксцентриситете продольной силы e0/h=0...0,3, зависимость степени изменения несущей способности колонн 
от уровня повторного нагружения для элементов с любой комбинацией армирования может быть представлена графиком, приведенным на рис.1. Из этого графика видно, что при повышении уровня нагружений примерно до 0,65 наблюдается повышение несущей способности колонн, подвергнутых повторным нагружениям, в сравнении с испытанными однократным нагружением до разрушения. При уровне повторных нагружений более 0,7 наблюдается снижение несущей способности колонн, которое при высоких уровнях повторных нагружений может достигать 20...25 %.
Таким образом, проведенные исследования показали, что повторные нагружения оказывают существенное влияние на работу колонн и их необходимо учитывать при проектировании конструкций.
Литература
1. Маилян Д.Р., Ахмед Аббуд. Проектирование рациональных керамзитофибробетонных элементов со смешанным армированием. Монография, Сирия, 2010.
2. Маилян Д.Р., Ахмед Аббуд, Шилов А.В. Гибкие фиброжелезобетонные колонны. Монография, Сирия, 2008.