Попов - Железобетонные и каменные конструкции
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящее пособие написано в соответствии с программой курса «Железобетонные и каменные конструкции» для вьющих учебных заведений по специальности 2903 «Промышленное и гражданское строительство». Особое внимание уделено обоснованию быстро развивающихся фундаментальных положений, принятых в современной теории и практике проектирования железобетонных конструкций.
В пособии изложены физико-механические и деформативные свойства бетона, стальной арматуры и железобетона. Подробно рассмотрены предпосылки и методы расчета железобетонных конструкций по первой и второй группам предельных состояний. Приведены сведения по конструированию и расчету монолитных и сборных плоских перекрытий, а также фундаментов. Наряду с традиционными материалами в книгу включен новый раздел, в котором изложены методы расчета и проектирования каменных и армокаменных конструкций, приведены ранее отсутствующие в учебной литературе рекомендации по усилению железобетонных конструкций, особенности проектирования железобетонных конструкций в условиях сухого жаркого климата, расчет сборно-монолитных конструкций и др. В конце глав для самопроверки знаний приведены контрольные вопросы.
При составлении настоящего пособия широко использовалась нормативная и учебная литература, причем в большей степени авторы опирались на изданный в
Изучение курса железобетонных конструкций сопровождается курсовым проектированием, при работе над которым используются дополнительные пособия.
Предисловие, главы 1 — 9 написаны д-ром техн. наук, проф. Н. Н. Поповым и канд. техн. наук М. Чарыевым совместно, главы 10 — 12 и приложения 1 — 11 — канд. техн. наук М. Чарыевым, приложение 12 — д-ром техн. наук, проф. Н. Н. Поповым.
Авторы
Часть первая
ТЕОРИЯ РАСЧЕТА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
1.1. Краткий исторический обзор развития железобетонных конструкций
Железобетон представляет собой конструктивное соединение бетона и расположенной в нем стальной арматуры, рационально объединенных для совместной работы в конструкциях, изделиях и элементах при действии нагрузки, как единое целое. Бетон, будучи искусственным камнем, как и естественные камни, хорошо сопротивляется сжатию и намного хуже растяжению, что ограничивает область его применения, и он в основном используется в сжатых элементах. Сталь хорошо сопротивляется сжатию и растяжению. Это сопротивление характеризуется пределом текучести для мягкой стержневой арматуры 250...400 МПа и пределом прочности для высокопрочной арматуры 1000...2000 МПа. Задача проектировщика состоит в том, чтобы создать конструкцию, в которой наиболее полно использовались положительные свойства бетона и стальной арматуры.
Чтобы понять работу железобетонного элемента, рассмотрим работу бетонной и железобетонной балки. При приложении нагрузки к бетонной балке (рис. 1.1, а) в верхней части ее сечения возникает сжатие, в нижней — растяжение. Когда напряжения в растянутой зоне достигнут предельного сопротивления растяжению, образуется трещина и происходит хрупкое разрушение элемента задолго до того, как будет использована прочность бетона на сжатие. Несущая способность такой балки ограничивается низким сопротивлением бетона растяжению. Высокая прочность бетона на сжатие не используется. Рассмотрим работу железобетонной балки (рис. 1.1, б), в растянутую зону которой уложена мягкая стальная арматура. В процессе загружения рассматриваемая балка будет вначале работать как бетонная. После образования трещин в бетоне растянутой зоны балка не разрушится, так как растягивающие усилия будут восприняты арматурой. Разрушение в этом случае наступит вследствие развития текучести стали и последующего раздавливания бетона сжатой зоны. При этом несущая способность армированной балки будет намного выше, чем бетонной. Опыты показывают, что при эксплуатационных нагрузках, составляющих обычно 0,5...0,7 от разрушающих, напряжения в растянутой арматуре не превышают 250...300 МПа, а прогибы конструкции и ширина раскрытия трещин не превышают допустимых значений. В такой конструкции бетон может быть полностью использован в работе на сжатие, а арматура — на растяжение.
В последние годы в строительной практике все шире применяются арматурные стали, обладающие высокой прочностью и дающие существенную экономию металла. Рассмотрим работу железобетонной балки, армированной высокопрочной арматурой (рис. 1.1, в). Работа такой балки не будет отличаться от работы балки, изображенной на рис. 1.1, б (при том же количестве арматуры), однако несущая способность ее будет значительно выше. Вместе с тем в такой балке еще до исчерпания несущей способности вследствие больших деформаций арматуры прогибы и ширина раскрытия трещин возрастут настолько, что станут недопустимыми по условиям эксплуатации. Это обстоятельство ограничивает применение высокопрочной арматуры в обычных железобетонных конструкциях. Около 100 лет назад было предложено предварительно вытягивать арматуру и закреплять ее в этом положении, а после укладки и твердения бетона отпускать. При этом в зависимости от расположения арматуры происходит обжатие всего сечения или только нижней его части. Конструкции такого типа называют предварительно напряженными (рис. 1.1, г). При приложении нагрузки растягивающие напряжения в нижней зоне сечения балки суммируются с сжимающими напряжениями от предварительного напряжения и только тогда, когда последние погасятся, в растянутой зоне будут возникать растягивающие напряжения (рис. 1.1, д). Таким образом, предварительное напряжение отдаляет момент образования трещин, ограничивает ширину их раскрытия, уменьшает прогибы. В предварительно напряженных конструкциях удается эффективно использовать стали высокой прочности, при этом трещиностойкость и жесткость элементов будут обеспечены.
Длительное время предварительно напряженный железобетон рассматривался как особый строительный материал, существенно отличающийся по своим свойствам от обычного ненапряженного железобетона. Однако исследования показали, что в любых железобетонных конструкциях возникают начальные напряжения. В обычном железобетоне они всегда имеют место вследствие проявления усадки, ползучести, действия температуры и т. п., а в предварительно напряженном, кроме того, они создаются искусственно путем обжатия бетона арматурой. Такой подход, характерный для отечественной научной школы, позволил рассматривать железобетон с ненапрягаемой арматурой как разновидность предварительно напряженного бетона.
Совместная работа таких различных по своим механическим и физическим свойствам материалов, как сталь и бетон, обеспечивается следующими условиями:
1. При затвердении бетон прочно сцепляется с арматурой, в результате чего образуется монолитный железобетонный элемент. Как правило, для повышения сцепления применяют арматуру периодического профиля или по концам стержней устраивают анкеры (шайбы или крюки).
2. Бетон и сталь обладают почти одинаковыми коэффициентами температурного удлинения.
3. Бетон при соблюдении определенных требований (содержание цемента не менее 250 кг/м2), обеспечении защитного слоя является надежной защитой арматуры от коррозии, высоких температур, механических повреждений.
Достоинства и недостатки железобетона. К основным преимуществам железобетона, обеспечивающим ему широкое распространение в строительстве, относятся: огнестойкость, долговечность, высокая механическая прочность, хорошая сопротивляемость сейсмическим и другим динамическим воздействиям, возможность возводить конструкции рациональной формы, малые эксплуатационные расходы (по сравнению с деревом и металлом), хорошая сопротивляемость атмосферным воздействиям, возможность использования местных материалов. Затраты энергии на производство железобетонных конструкций значительно ниже, чем металлических и каменных. Недостатки железобетона: большая плотность, высокая тепло- и звукопроводность, трудоемкость переделок и усилений; необходимость выдержки до приобретения прочности, появление трещин вследствие усадки и силовых воздействий.
Железобетонные конструкции по сравнению с конструкциями из других материалов (камня, стали, дерева) являются новыми. Их возникновение и развитие связано с развитием производительных сил общества. Появление железобетона совпадает с периодом бурного роста промышленности, торговли и транспорта во второй половине XIX в., в связи с чем потребовалось строительство большого количества фабрик, заводов, мостов и других инженерных сооружений. Техническая возможность появления железобетона к тому времени уже имелась — цементная промышленность и черная металлургия были достаточно развиты.
...