Введение

Железобетонные балки и плиты в составе мостов, перекрытий, подкрановых конструкций и транспортных сооружений воспринимают не только однократные, но и многократно повторяющиеся воздействия. При этом выполнение условия прочности при статическом расчёте ещё не гарантирует сохранения эксплуатационной пригодности. Повторное раскрытие трещин, постепенное нарушение сцепления арматуры с бетоном и накопление остаточных деформаций приводят к росту прогибов и снижению жёсткости элемента. В СП 63.13330.2018 эксплуатационная надёжность железобетонных конструкций связывается с расчётами по прочности, образованию и раскрытию трещин, а также по деформациям [1]. Поэтому оценка изменения напряжённо-деформированного состояния при повторных нагрузках должна учитывать не один предельный параметр, а их совместную динамику.

Цель и методы исследования. Цель работы состоит в выявлении основных закономерностей изменения жёсткости и трещиностойкости железобетонных изгибаемых элементов при повторном нагружении. Использован аналитический метод: сопоставлены положения российских нормативных документов и результаты отечественных исследований железобетонных балок [1–6]. В качестве диагностических признаков рассмотрены прогиб, ширина раскрытия трещин, остаточная деформация после разгрузки и изменение условной цикловой жёсткости.

До образования трещин растянутый бетон и арматура работают совместно, а кривизна элемента сравнительно мала. После достижения предельной растяжимости бетона в нормальном сечении формируется трещина, растягивающее усилие в её зоне преимущественно воспринимается арматурой, а эффективная жёсткость сечения уменьшается. При разгрузке трещина закрывается не полностью вследствие необратимых деформаций бетона и локальных нарушений сцепления. На последующих циклах ранее сформировавшиеся трещины раскрываются быстрее, чем при первом нагружении, и одновременно могут возникать новые трещины между существующими [5; 6].

Для сопоставления отдельных циклов удобно использовать условную жёсткость, определяемую по наклону ветви «нагрузка–прогиб»:

Kᵢ = (Pmax − Pmin) / (fmax,i − fmin,i),

где Pmax и Pmin — верхний и нижний уровни нагрузки; fmax,i и fmin,i — соответствующие прогибы на i-м цикле. Относительное изменение жёсткости характеризуется коэффициентом ηᵢ = Kᵢ/K ₁ , где Kᵢ — жёсткость в i-м состоянии (или после какого-то воздействия), а K₁ — исходная жёсткость (в начальном состоянии). При использовании этого коэффициента стоит учитывать, что он показывает относительное, а не абсолютное изменение. Для полной картины часто полезно также знать, на сколько именно изменилась жёсткость (ΔK = Kᵢ — K₁). При ηᵢ < 1 фиксируется снижение способности элемента сопротивляться деформированию по сравнению с первым циклом. Такой показатель не заменяет нормативный расчёт, но позволяет сопоставлять элементы с различной начальной жёсткостью и отслеживать накопление повреждений.

Результаты и обсуждение. Экспериментальные исследования И. Т. Мирсаяпова показывают стадийный характер деформирования железобетонных балок при многократно повторяющихся нагрузках. На начальной стадии происходит интенсивное развитие деформаций и повреждений, затем возможен период их более медленного накопления, а перед исчерпанием выносливости процесс вновь ускоряется [3]. Следовательно, одинаковое приращение прогиба на разных этапах ресурса имеет различное диагностическое значение.

Ширина раскрытия трещин зависит не только от максимального момента, но и от истории нагружения. В. А. Ерышев и Е. В. Горшенина предложили методику расчёта раскрытия трещин с учётом повторных воздействий [4]. Расчётная модель В. А. Ерышева, Д. С. Тошина и Д. И. Латышева показывает, что после разгрузки в изгибаемом элементе сохраняются остаточные деформации, связанные с нелинейной работой бетона и арматуры [5]. Поэтому при испытаниях и обследованиях необходимо фиксировать не только максимальное раскрытие отдельной трещины, но и остаточный прогиб, расположение трещин и изменение жёсткости элемента.

Для практического обследования целесообразно совместно регистрировать: максимальный прогиб под нагрузкой; остаточный прогиб после разгрузки; максимальную ширину раскрытия трещин; количество и расположение трещин; коэффициент ηᵢ. Рост остаточного прогиба при одновременном уменьшении ηᵢ указывает на накопление необратимых изменений даже в тех случаях, когда максимальная нагрузка каждого цикла остаётся постоянной. Контроль только ширины трещин может быть недостаточным, поскольку заметная потеря жёсткости возможна при сравнительно медленном изменении отдельной трещины.

Заключение. Повторное нагружение изменяет работу железобетонного изгибаемого элемента прежде всего через трещинообразование, нарушение сцепления арматуры с бетоном и накопление остаточных деформаций. Наиболее интенсивная перестройка напряжённо-деформированного состояния происходит после появления первых трещин, а дальнейшая эксплуатация сопровождается постепенным снижением жёсткости. Для оценки технического состояния рекомендуется использовать комплекс признаков: прогиб, остаточную деформацию, параметры трещин и относительную цикловую жёсткость. Такой подход позволяет раньше выявлять неблагоприятную тенденцию, чем проверка только по несущей способности.

Литература:

1. СП 63.13330.2018. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52–01–2003. М.: Минстрой России, 2018.
2. ГОСТ 8829–2018. Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний нагружением. Правила оценки прочности, жесткости и трещиностойкости. М.: Стандартинформ, 2019.
3. Мирсаяпов И. Т. Экспериментальные исследования выносливости железобетонных балок // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2021. № 3 (57). С. 12–22. DOI: 10.52409/20731523_2021_3_12.
4. Ерышев В. А., Горшенина Е. В. Методика расчета ширины раскрытия трещин при повторных нагрузках // Бетон и железобетон. 2007. № 1. С. 15–18.
5. Ерышев В. А., Тошин Д. С., Латышев Д. И. Расчетная модель определения остаточных деформаций изгибаемых железобетонных элементов при разгрузке // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2009. № 1 (11). С. 85–91.
6. Карпенко Н. И. Общие модели механики железобетона. М.: Стройиздат, 1996. 416 с.