Деформационная модель: расчёт, который не знает сжатой зоны

7 сентября 2026
← ко всем

Самый общий расчёт прочности нормального сечения в своде — и самый большой на сайте: деформационная модель, пп. 8.1.20–8.1.30.

Что здесь другое

Все прежние расчёты раздела 8 говорили о «сжатой зоне», «граничной относительной высоте» и разбирались по случаям: изгиб отдельно, сжатие отдельно, растяжение отдельно. Здесь ничего этого нет.

Есть три вещи: гипотеза плоских сечений, диаграммы состояния материалов и равновесие. Неизвестных тоже три — относительная деформация \(\varepsilon_0\) волокна в начале координат и две кривизны \(1/r_x\), \(1/r_y\). Уравнений столько же: (8.39)–(8.41).

Поэтому сечение может быть любым. Прямоугольник, тавр полкой вверх или вниз, двутавр, круг, кольцо — или свой контур, заданный вершинами. Арматура — координатами стержней, сколько угодно и где угодно.

Разбивка на малые участки

Пункт 8.1.21 требует «условно разделить нормальное сечение на малые участки»: при изгибе и сжатии в плоскости оси симметрии — только по высоте, при косом — по высоте и ширине. Напряжения в пределах участка принимаются равномерными.

Границы полос программа сажает на характерные уровни сечения — те высоты, где ширина меняется скачком: грани полок у тавра и двутавра. Тогда правило средней точки, которого свод и требует, даёт для таких сечений точную площадь, а не приближённую. Проверено: у прямоугольника, обоих тавров и двутавра сумма площадей участков совпадает с площадью контуров до последнего знака при любом числе полос.

У окружности характерных уровней нет, и полосы идут равномерно. Сама окружность приближается правильным многоугольником из 180 сторон: площадь занижена на 0,02 % — на два порядка меньше погрешности разбивки.

Система линейна только на вид

Коэффициенты \(D_{ij}\) собраны из коэффициентов упругости \(\nu\), а те по формулам (8.35) и (8.36) сами зависят от деформаций — то есть от решения. Способа решать такую систему свод не даёт. Здесь идут последовательные приближения: по деформациям считаются \(\nu\), по ним собираются \(D_{ij}\), из системы находятся новые деформации.

Сходимость проверяется по невязке самих уравнений равновесия (8.26)–(8.28), а не по тому, насколько мало изменились неизвестные. Так честнее, и на то есть основание: подстановка (8.29) в (8.47) обращает уравнение (8.41) ровно в (8.28). Неподвижная точка приближений — это и есть равновесие.

Тонкость с модулем

Пункт 8.1.23 велит получать \(\nu\) делением напряжения на деформацию и «на модуль упругости бетона \(E_b\) (при двухлинейной диаграмме состояния бетона — на приведённый модуль деформации сжатого бетона \(E_{b,red}\))».

Значит, и в произведении \(E_b\nu_{bi}\) формул (8.42)–(8.47) должен стоять тот же модуль. Иначе произведение перестанет быть секущим модулем \(\sigma/\varepsilon\), и уравнения (8.39)–(8.41) разойдутся с уравнениями равновесия (8.26)–(8.28). Расчёт при двухлинейной диаграмме везде берёт \(E_{b,red}\), при трёхлинейной — \(E_b\). Проверено прямо: \(E\nu\varepsilon = \sigma\) выполняется для каждого участка и каждого стержня с точностью до \(5\cdot10^{-14}\) МПа.

Две проверки, которые стоят всех остальных

Упругая стадия. При малых усилиях, трёхлинейной диаграмме и учёте растянутого бетона всё сечение работает по закону Гука с одним модулем. Тогда \(\varepsilon_0\) и \(1/r_x\) обязаны совпасть с решением задачи о приведённом сечении из сопротивления материалов — а его модель не знает вовсе. Совпали до шестого знака; остаток — погрешность разбивки.

Сверка с предельными усилиями. Свод даёт два способа считать прочность нормального сечения, и это два совершенно разных расчёта: метод предельных усилий идеализирует эпюру сжатого бетона прямоугольником с ординатой \(R_b\) и делит задачу на случаи; деформационная модель не знает ни случаев, ни сжатой зоны. Общего кода у них нет вовсе. Предельное усилие для обоих ищется одинаково — делением отрезка пополам, пока вывод о прочности не перевернётся.

Изгиб, п. 8.1.8. Предельный момент, кН·м:

сечение и арматурапредельные усилиядеформационная модельразница
300×600, A_s = 500114,7114,2−0,4 %
300×600, A_s = 1000217,3215,9−0,6 %
300×600, A_s = 1520311,1308,0−1,0 %
300×600, A_s = 2500448,2438,2−2,2 %
300×600, 1520 и A′_s = 760339,8339,0−0,2 %
тавр 200/600, полка 600×100339,0337,8−0,4 %
400×800, A_s = 3000822,1812,9−1,1 %

Внецентренное сжатие, п. 8.1.14. Предельная сила, кН:

сечение, арматура, e₀предельные усилиядеформационная модельразница
300×400, 760+760, e₀ = 30 мм1885,81835,2−2,7 %
300×400, 760+760, e₀ = 50 мм1687,81632,7−3,3 %
300×400, 760+760, e₀ = 100 мм1305,01256,8−3,7 %
300×400, 760+760, e₀ = 200 мм857,9831,6−3,1 %
300×400, 760+760, e₀ = 400 мм417,6413,6−1,0 %
300×400, 1520+402, e₀ = 200 мм764,5729,8−4,5 %
400×600, 1520+1520, e₀ = 150 мм2673,92575,5−3,7 %

Сравнение честное: элемент взят коротким, гибкость меньше 14, и коэффициент влияния прогиба обращается в единицу — в сечении продольного изгиба нет. Случайный эксцентриситет тоже выключен.

Внецентренное растяжение, п. 8.1.19. Предельная сила, кН, сечение 300×400:

арматура и e₀случайпредельные усилиядеформационная модельразница
760+760, e₀ = 0а661,2661,20,0 %
760+760, e₀ = 50 мма503,8503,80,0 %
760+760, e₀ = 100 мма406,9406,6−0,1 %
760+760, e₀ = 200 ммбнет правила299,4—
760+760, e₀ = 400 ммбнет правила193,4—
1520+402, e₀ = 50 мма508,7508,70,0 %
1520+402, e₀ = 200 ммб486,3 *593,7—
1520+402, e₀ = 400 ммб382,8383,1+0,1 %
1520+402, e₀ = 800 ммб222,1221,6−0,2 %

\* здесь предел свода — не исчерпание прочности, а граница применимости формулы.

Итог по двадцати сопоставимым задачам: среднее расхождение 1,4 %, наибольшее 4,5 %, и деформационная модель выше свода лишь в четырёх случаях из двадцати. Она почти всегда строже — настоящая диаграмма бетона не так щедра, как прямоугольник \(R_b\), а предельная деформация при однозначной эпюре падает по формуле (8.53).

Сверено с Методическим пособием

Числового примера расчёта по деформационной модели пособие не даёт — зато даёт свой алгоритм (п. 3.2.64), и устроен он совершенно иначе, чем система свода.

Свод идёт от усилий: собирает жёсткости \(D_{ij}\), решает систему (8.39)–(8.41) относительно \(\varepsilon_0\) и кривизн и сравнивает деформации с предельными. Пособие идёт от деформаций: сразу назначает предельную эпюру — в крайней сжатой точке \(\varepsilon_{b2}\), а если раньше исчерпается арматура, то 0,025 в самом растянутом стержне, — из равновесия продольных сил подбирает нейтральную ось и уже потом считает предельный момент.

Алгоритм пособия написан заново, отдельно от расчёта: общего у них только разбивка сечения и сами диаграммы состояния. Предельный момент, кН·м (сжатие — минус, п. 8.1.22):

сечение, арматура, Nпособие, п. 3.2.64программа, (8.39)–(8.41)эпюра
300×600, A_s = 1000, N = 0215,9215,9двузначная
300×600, A_s = 1520, N = 0308,0308,0двузначная
300×600, A_s = 2500, N = 0438,2438,2двузначная
300×600, 1520+760, N = 0339,0339,0двузначная
тавр 200/600 + 600×100, N = 0337,8337,8двузначная
300×400, 760+760, N = −300153,6153,6двузначная
300×400, 760+760, N = −800169,2169,2двузначная
300×400, 760+760, N = −150098,698,6двузначная
300×400, 760+760, N = −190046,446,4однозначная
300×400, 760+760, N = +20076,376,3двузначная
300×400, 1520+402, N = +400150,5150,5двузначная
400×800, A_s = 3000, N = −1000766,5766,5двузначная

Расхождение — 0,0000 % во всех двенадцати задачах. Два разных пути к одному предельному состоянию приводят в одну точку.

Совпал и характер эпюры. Пособие определяет его признаком, которого в своде нет вовсе: сравнивают продольную силу с внутренним усилием \(N_c\) при деформациях в крайних точках \(\varepsilon_{b2}\) и нуль. Этот признак дал ровно то же, что решение системы (8.39)–(8.41), — в том числе и единственный случай однозначной эпюры при N = −1900 кН.

Три указания пособия, которых нет в своде

Все три программа и так выполняла — теперь это проверено:

Расхождение в знаках

Пособие пишет растяжение со знаком «минус» (п. 3.2.61), свод в п. 8.1.22 — ровно наоборот, «минус» у сжатия. Числа от этого не меняются, но при чтении двух документов подряд легко запутаться. Программа следует своду и говорит об этом в отчёте прямым текстом.

Чего алгоритм пособия не находит

Пособие ищет верхний предел момента и молча считает, что всё, что меньше, сечение несёт. Это не всегда так. При большой продольной силе и резко несимметричной арматуре малый момент недостижим не меньше большого: слабому ряду стержней пришлось бы взять больше \(R_s\).

Для сечения 300×400 с арматурой 1520 и 402 мм² при растяжении 400 кН область несомого момента — от 8,0 до 150,5 кН·м. Верхнюю границу пособие даёт точно, о нижней не говорит. Деформационная модель находит обе: ниже восьми она честно сообщает, что равновесия нет. У симметричной арматуры нижней границы не возникает.

Заодно уточнилась граница применимости п. 8.1.19

Сверка растянутых элементов показала то, что раньше было видно только для симметричной арматуры. Числитель формулы (8.25) обращается в нуль при \(N = R_s A_s - R_{sc}A'_s\), и дальше этого порога высота сжатой зоны выходит отрицательной при любом эксцентриситете и любом сечении. При симметричном армировании порог равен нулю — случай «б» не считается вовсе; при несимметричном расчёт обрывается на середине: для 1520 и 402 мм² это 486,3 кН, а прочности сечения хватает на 593,7.

Расчёт растянутых элементов теперь называет этот порог числом, а не просто сообщает, что высота вышла отрицательной.

Сверено с «Пособием по расчёту на ЭВМ»

Есть ещё одно пособие — «Пособие по расчёту бетонных и железобетонных конструкций на ЭВМ» НИИЖБ им. А. А. Гвоздева и НПКТБ «Оптимизация», Москва, 2013. Оно писалось именно для проверки программ и целиком состоит из тестовых примеров с напечатанными ответами: исходные данные, найденные кривизны и ε₀, наибольшие деформации бетона и арматуры, вывод о прочности.

Сверены все четырнадцать его примеров расчёта нормальных сечений по деформационной модели с ненапрягаемой арматурой — пять разделов: изгиб, косой изгиб, внецентренное сжатие круглого сечения, внецентренное и косое внецентренное растяжение.

примерчто1/r_x1/r_yε₀
IY.В.2.1косой изгиб 340×1195, лёгкий бетон+4,2 %+3,2 %+3,5 %
IY.Г.2.1круглое Ø400, сжатие−0,02 %—−0,00 %
IY.Е.2.1растяжение 500×300, 4Ø25−0,41 %—−0,30 %
IY.Е.2.2то же, несимметрично−0,52 %—+0,38 %
IY.Е.2.3то же, малый эксцентриситет−0,22 %—+0,12 %
IY.Ж.2.1косое растяжение 1000×200−0,24 %+1,35 %+0,65 %
IY.Ж.2.2то же, несимметрично−0,16 %−0,19 %+1,09 %

Среднее расхождение — 1,0 %, наибольшее 4,2 %. Вывод о прочности совпал во всех четырнадцати примерах, включая шесть, где пособие пишет «требования не выполнены».

Пособие написано к редакции СП 63.13330.2012, поэтому в сверке закреплены его исходные величины: арматура А400 тогда имела \(R_s = 350\) МПа (теперь 340), а деформационные параметры диаграмм пособие берёт кратковременные даже при \(\gamma_{b1} = 0{,}9\). Иначе сверялись бы не расчёты, а редакции свода.

Наибольшая деформация бетона у них — не в крайнем волокне

Главная находка. В примере IY.Б.2.1 напечатано, что наибольшая относительная деформация бетона равна 0,0026. По их же ε₀ и кривизне крайнее волокно имеет 0,00296, а центр крайней из десяти полос — ровно 0,00261.

То есть пособие печатает деформацию в центре крайнего участка, а не в крайнем волокне. Условие (8.37) свода записано для «наиболее сжатого волокна бетона». На грубой разбивке разница доходит до 15 %, и она идёт не в запас: сечение может пройти проверку, хотя крайнее волокно уже за пределом. Расчёт берёт волокно.

Напечатанные неизвестные — приближённый корень

Состояние примера IY.Б.2.1 на их же разбивке из десяти полос даёт N = −1,0 кН вместо нуля и M = 199,5 вместо 200 кН·м; в примере IY.В.2.1 — N = 0,5 кН и моменты 93,9 и 39,7 вместо 95 и 40. Пособие и само пишет «≈ 200 кНм», «≈ 0 кН». Наше решение уравновешено точно: N = 0,000 кН, M = 200,00 кН·м.

Где кривизну сверять бессмысленно

В примере IY.Б.2.1 сжатая зона почти целиком лежит на полке диаграммы, и равновесие очень отзывчиво к площади арматуры: изменение \(A_s\) с 1236 до 1250 мм² — на 1,1 % — меняет кривизну на 33 %. А сама площадь «12,36 см²» в пособии округлена. Поэтому там сверялись деформации крайних точек: 0,00300 против их 0,00296, расхождение 1,3 %.

Заодно это проверило и наш решатель: на четырёх площадях арматуры он совпал с решением, выписанным для двухлинейной диаграммы в замкнутом виде, до шестого знака.

Один пример не воспроизводится

В IY.Г.2.1 (круглое Ø400, внецентренное сжатие) напечатанные кривизна и ε₀ — точное состояние равновесия: наша модель при N = 475 кН и M = 151 кН·м даёт ровно их числа (расхождение 0,02 %). Но в условии примера стоит N = 600 кН. Момент 151 против 140 объясняется влиянием прогиба (η ≈ 1,08), продольная сила — нет.

Вывод о прочности при этом совпадает: с моментом, увеличенным на η, 6Ø25 проходят, а 6Ø22 — нет, как и у пособия.

Когда равновесия нет

Если заданные усилия сечение не выдерживает, равновесие недостижимо ни при каких деформациях. Условия (8.37) и (8.38) записаны для деформаций «от действия внешней нагрузки» — а их в этом случае попросту не существует.

Расчёт так и говорит: прочность не обеспечена, деформаций нет, показывать вместо них последнее приближение было бы обманом. Признака недостижимости равновесия свод не устанавливает — об этом сказано прямо.

Чего свод не устанавливает

Три вещи, и все три названы в отчёте: число участков разбивки (п. 8.1.21 требует только «малых участков»); способ решения системы (8.39)–(8.41); признак, по которому судить о недостижимости равновесия. Всё это вычислительная сторона, и выдавать её за требования свода расчёт не станет.

Про расчёт Нормальное сечение по деформационной модели.