Невидимый конфликт

Оксанович Людмил

Рис.35. Идеализированная схема напряженного состояния при изгибе железобетона. Стадия III - миг перед разрушением

Проследим стадии напряженного состояния, через которые последовательно проходит, например, среднее (наиболее нагруженное) сечение балки, от момента нагрузки до разрушения. При очень малой величине внешней нагрузки изгибающий момент тоже очень мал (рис. 35). Бетон в состоянии воспринимать незначительные растягивающие напряжения, а в связи с их незначительной величиной

пластические деформации почти не проявляются. Можно сказать, что закон Гука в силе — диаграмма напряжений имеет линейный характер. Такое идиллическое положение сохраняется до того момента, пока растягивающие напряжения в бетоне не достигнут величины его прочности на растяжение (стадия I напряженного состояния).

Но изгибающий момент продолжает увеличиваться. В связи со склонностью к пластификации зона растяжения не разрывается; наиболее нагруженные нижние слои «поддаются» — начинают деформироваться при постоянном напряжении, равном прочности на растяжение, что позволяет расположенным выше и менее нагруженным слоям тоже растягиваться до того момента, пока в них не установится напряжение, равное прочности на растяжение. Этот процесс перераспределения напряжений охватывает всю зону растяжения, и их диаграмма принимает вид, близкий к прямоугольнику (стадия 1а).

Но это лишь прелюдия к локальной катастрофе. Незначительное увеличение момента неминуемо ее вызовет, и появится трещина. В этот момент все растягивающие напряжения концентрируются в арматуре. Однако напряжения в зоне сжатия все еще гораздо ниже возможностей бетона, поэтому пластификация там выражена слабо. С известными оговорками их диаграмма может считаться треугольной. С увеличением момента сжимающие напряжения постепенно достигают сравнительно большой величины, которая вполне обоснованно могла бы считаться максимально допустимой при проектировании железобетонных конструкций (стадия II напряженного состояния).

И действительно, стадия II десятки лет (а во многих странах и сейчас) была той базой, на которой проектировались железобетонные конструкции (конечно, если не принимать в расчет первых, архаичных образцов железобетона, основой расчета которых была стадия I).. Но посмотрим, что происходит потом.

С увеличением изгибающего момента начинает пластифицироваться и зона сжатия. Напряжения достигают прочности бетона на сжатие, «поддаются» и расположенные ниже слои. Постепенно диаграмма трансформируется в сильновыпуклую параболу, близкую к прямоугольнику (стадия III). Между тем арматура достигает предела текучести и тоже значительно «поддается», появляются значительные трещины, и, поскольку бетон не так пластичен, не так деформируем, как сталь, он не выдерживает этого «состояния в деформациях» и разрушается. Во всяком случае, разрушение начинается со сжимаемой зоны бетона.

Именно III стадия лежит в основе расчета железобетонных конструкций в СССР и других развитых странах, включая и НРБ. Многолетние исследования и богатый практический опыт дают достаточно оснований считать, что это не «балансирование на краю пропасти», а единственно целесообразный подход, отвечающий индивидуальности такого специфического материала, как железобетон.

Заслуживает внимания тот факт, что в различных сечениях одного и того же элемента одновременно наблюдаются все стадии напряженного состояния. Так, например, балка, показанная на рис. 34, в середине при максимальном моменте уже работает в стадии III, а с приближением к опорам и соответствующим уменьшением моментов последовательно переходит в стадии II, Iа и I.

Но у читателя не должно оставаться впечатление, что образование трещин в обычном железобетоне является чем-то полезным. Скорее, это неизбежное зло. При наличии трещин в зоне растяжения возникает опасность коррозии арматуры, а это и впрямь удар по одному из ценнейших качеств железобетона. Ширина трещин должна ограничиваться, и в некоторых случаях, например в гидротехнических сооружениях, ограничение это весьма существенное. С другой стороны, трещины

значительно уменьшают общую прочность железобетонных элементов и конструкций. Кроме того, исключается возможность использования высокопрочных сталей, так как большие напряжения, которые они могут воспринять, сопровождаются значительными деформациями, т. е. образованием недопустимых трещин. Это очень неприятное обстоятельство, поскольку прочность этих сталей растет гораздо быстрее, чем их стоимость, и их использование с экономической точки зрения является весьма целесообразным.

Но так или иначе трещины в обычных железобетонных конструкциях неизбежны, и мы вынуждены с этим мириться. Интересно, однако, что первое время специалисты совсем не хотели мириться с трещинами.

В течение первого десятилетия нынешнего века было выполнено множество железобетонных конструкций, и в результате наблюдений за ними в инженерном мире возникла паника. Было обнаружено трещинообразование. Для тогдашней строительной практики, имевшей дело со сталью, камнем и деревом, трещина была синонимом катастрофы, несомненным признаком цепной реакции грозной строительной аварии. Оказалось, что наличие арматуры в зоне растяжения не предотвращает растрескивания бетона. Мы об этом уже знаем, а тогдашние строители даже не подозревали.

Последовали самые крутые меры. В 1909 г. главный инженер немецких железных дорог от имени своего ведомства обязал инженеров-строителей повысить устойчивость бетона к образованию трещин с 30 до 150%. Этому примеру последовали и в других странах. Можно себе представить, каких мощных сечений и каких огромных количеств стали требовал подобный подход. Итак, на карту поставлено будущее железобетона…

Эти временные колебания, обусловленные низким уровнем тогдашних знаний, стимулировали поиски такого железобетона, который работал бы без трещин. Поэтому с самого начала развитие этого странного материала шло двумя различными, независимыми один от другого путями, вследствие чего до нас дошли принципиально различные его формы, настолько различные, что многие специалисты считают грубой ошибкой объединять их под общим названием «железобетон».

Пусть сопротивление бетона растяжению невелико, рассуждали тогдашние специалисты, пусть он легко трескается, но зато он обладает большой прочностью на сжатие. Нельзя ли предварительно создать в нем настолько сильные сжимающие напряжения, чтобы в эксплуатационном состоянии напряжения растяжения были полностью нейтрализованы? В таком случае бетон теоретически почти не нуждается в арматуре; он превращается в новый материал, совершенно отличный от исходного, с гораздо большими возможностями.

Время убедительно доказало рациональность этой простой, на первый взгляд, идеи.

Рис.36. Бесценная идея под названием "предварительно напряженный железобетон"

Рассмотрим пример на рис. 36, где представлена бетонная балка на двух опорах, которая воспринимает нагрузку, в десятки раз большую, чем та, что могла бы привести к образованию трещин и разрушению. В нижней ее части, т. е. там, где ожидаются эксплуатационные растягивающие напряжения, оставлен канал, через который протянут напрягающий элемент — высокопрочная сталь. С помощью мощных прессов канат растягивается — напрягается, а затем анкеруется в концах элемента. Получается внутренне уравновешенная система — растяжение в стали, которое вызывает сжатие в бетоне. Отдельные параметры напряжения могут быть рассчитаны таким образом, чтобы растягивающие напряжения от внешней нагрузки были полностью нейтрализованы. Это можно видеть по диаграмме нормальных напряжений на рис. 36: диаграмма предварительного напряжения суммируется с напряжением от эксплуатационной нагрузки, в результате чего получается лишь сжатие по высоте всего сечения.