Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса. Задачи исследования 9
1.1. Бетон, работающий в условиях объемного сжатия 9
1.1.1. Краткий обзор исследований, посвященных изучению бетона , 9
1.1.2. Основные сведения о трубобетонных конструкциях 14
1.2. Бетон в условиях объемного напряженного состояния при длительном нагружении 19
1.3. Работа сжатых трубобетонных элементов при длительном действии нагрузки 27
1.4. Обзор исследований реологических свойств бетона, твердеющего под давлением 36
1.5. Выводы по главе 1 41
1.6. Цель и задачи работы 42
Глава II. Методика экспериментальных исследований. 43
2.1. Исходные материалы 43
2.2. Конструкции опытных образцов 45
2.3. Методика изготовления опытных образцов 55
2.4. Приборы и оборудование. Методика измерения деформаций 60
2.5. Методика проведения испытаний 68
2.6. Выводы по главе ii 76
Глава III. Результаты экспериментального исследования усадки и ползучести трубобетонных элементов 77
3.1. Результаты определения усадочных деформаций 77
3.2. Результаты определения деформаций ползучести 82
3.3. Выводы по главе iii 101
Глава IV. Напряженно-деформированное состояние трубобетонных элементов при действии длительной сжимающей нагрузки 103
4.1. Основные предпосылки и допущения 103
4.2. Связь между деформациями и напряжениями трубобетонных элементов в условиях длительного приложения нагрузки 107
4.3. Критерии наступления предельного состояния 111
4.4. Учет деформаций ползучести бетона
При огоеделениидлительной прочности сжатого
Трубобетонного элемента 114
4.5. Определение величины характеристики ползучести... 123
4.6. Оценка эффективности и достоверности предложенной методики расчета 126
4.7. Выводы по главе IV 128
V. Основные результаты работы 130
Библиографический список 132
Приложение i. Акты и справки о внедрении результатов работы 145
Приложение ii. Описание алгоритма и программы для расчета длительной прочности трубобетонных элементов
- Краткий обзор исследований, посвященных изучению бетона
- Конструкции опытных образцов
- Результаты определения деформаций ползучести
- Связь между деформациями и напряжениями трубобетонных элементов в условиях длительного приложения нагрузки
Введение к работе
Актуальность темы: Конструкции из бетона, заключенного в стальную обойму, по достоинству оценены и широко используются, в основном, в качестве сильно нагруженных колонн высотных многоэтажных зданий во многих странах мира.
Причиной эффективности трубобетона является целый ряд положительных качеств, которыми обладают данные конструкции. Их внешняя стальная оболочка, одновременно выступая в роли продольного и поперечного армирования, воспринимает возникающие в ней усилия по всем направлениям и под любым углом. Кроме того, при продольном сжатии трубобетонного элемента реактивное боковое давление, действующее со стороны стальной оболочки на бетонное ядро, создает для него благоприятные условия работы - объемное сжатие. В результате, прочность бетона при сжатии возрастает примерно на 50-7-80 %. Стальная обойма в свою очередь, благодаря совместной работе с бетоном, предохранена от потери местной устойчивости.
К существенным преимуществам трубобетонных конструкций можно отнести простоту их изготовления, высокую эксплуатационную надежность и сравнительно небольшую площадь поперечного сечения, с вытекающей отсюда возможностью сокращения расхода материалов и денежных средств.
Однако, проведенные экспериментально-теоретические исследования по
зволили выявить и некоторые существенные недостатки трубобетона. Одним из
главных конструктивных недостатков трубобетонных конструкций является
отрыв внешней стальной оболочки от бетонного сердечника на определенной
стадии работы по причине разности начальных коэффициентов поперечных
деформаций бетона и стали (vs» 0,3, vb « 0,2). Кроме того, существует мнение,
что зазор между ядром и оболочкой может образоваться вследствие усадочных
деформаций бетонного ядра. Это приводит к тому, что на начальных этапах на-
> гружения бетонное ядро работает в условиях одноосного напряженного состоя-
5 ния, что негативно сказывается на несущей способности всего элемента в целом.
Известны различные способы устранения отмеченных недостатков. Одним из наиболее эффективных является приложение длительного механического давления на бетонную смесь в процессе твердения. В результате длительного прессования улучшаются прочностные и реологические свойства бетона, а стальная оболочка получает предварительное напряжение в поперечном направлении.
Трубобетонные элементы используются в сооружениях и конструкциях, предназначенных для длительных сроков эксплуатации. С этих позиций их практическое применение невозможно без комплексного исследования, неотъемлемой частью которого является изучение работы трубобетона под длительно действующей нагрузкой. Именно длительная прочность, которая напрямую влияет на долговечность, должна стать основной расчетной характеристикой как самой конструкции, так и всего сооружения в целом.
Однако, количество длительных исследований сталетрубобетонных необ-жатых элементов классической конструкции (СТБ) весьма немногочисленно. Для предварительно обжатых трубобетонных конструкций (СТБО) такие исследования вообще не проводились.
С этих позиций представляется актуальным проведение экспериментально-теоретических исследований длительной прочности, ползучести и усадки трубобетонных элементов из бетона, твердеющего под давлением.
Цель работы - разработка методики расчета длительной прочности трубобетонных элементов с предварительно обжатым ядром и внутренним стальным сердечником, работающих на сжатие в области случайных эксцентриситетов. Научную новизну работы составляют:
усовершенствованная конструкция трубобетонного элемента с предварительно обжатым бетонным ядром и внутренним стальным трубчатым сердечником;
результаты анализа экспериментальных данных по определению усадки и ползучести сжатых трубобетонных элементов с предварительно обжатым
ядром и внутренним стальным сердечником при длительном приложении осевой нагрузки;
аналитические зависимости, связывающие характеристики ползучести исходного бетона, бетона твердеющего под давлением и предварительно обжатого ядра трубобетонных элементов;
методика расчета длительной прочности трубобетонных элементов с предварительно обжатым ядром и внутренним стальным сердечником, работающих на сжатие в области случайных эксцентриситетов.
Практическую ценность работы представляют усовершенствованная конструкция и способ изготовления сталетрубобетонных элементов из предварительно обжатого бетона с внутренним стальным трубчатым сердечником, а также алгоритм и программа для ЭВМ по расчету длительной прочности этих конструкций при работе на сжатие в области случайных эксцентриситетов. Предложенная методика расчета длительной прочности используется при подготовке материалов «Рекомендаций по расчету и проектированию сталетрубобетонных колонн», которые разрабатываются ГОУ ВПО «МГТУ» совместно с ФГУП «НИЦ «Строительство».
Внедрение результатов. Усовершенствованные трубобетонные элементы с внутренним стальным сердечником и методика их расчета нашли практическое применение в качестве колонн связевого каркаса на объекте «Российский объект уничтожения химического оружия» в г. Щучье Курганской обл., а также при усилении несущего каркаса «Производственного здания вспомогательного назначения (бомбоубежища)» в г. Пласт Челябинской обл. Материалы диссертации используются при подготовке «Рекомендаций по расчету и проектированию сталетрубобетонных колонн», а также в учебном процессе на архитектурно-строительном факультете ГОУ ВПО «МГТУ».
Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов по работе, библиографического списка и приложений.
В первой главе проведен обзор работ, посвященных изучению бетона в объемном напряженном состоянии в условиях кратковременного и длительного
нагружения. Кроме того, в данной главе приведены общие сведения о трубобе-тоне, а также обзор исследований, посвященных кратковременным и длительным испытаниям трубобетонных конструкций. Проанализированы результаты экспериментов по определению реологических свойств бетона, твердеющего под давлением.
На основании сделанных выводов сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе описаны усовершенствованная конструкция трубобетон-ного элемента со стальным сердечником из бетона, твердеющего под давлением, и способ его изготовления. Также изложена методика экспериментального определения усадки и ползучести с учетом особенностей измерения деформаций трубобетонных элементов.
В третьей главе содержится анализ результатов экспериментального исследования усадки и ползучести СТБ и СТБО элементов. Кроме того, приведены опытные данные по определению реологических свойств изолированных бетонных призм исходного состава, неопрессованных и опрессованных при различных давлениях.
В четвертой главе предложена методика расчета длительной прочности СТБ и СТБО элементов с учетом ползучести. Предлагаемый подход базируется на рассмотрении трансверсально-изотропных моделей бетона и стали для случая длительного деформирования и является продолжением разработанного ранее метода расчета напряженно-деформированного состояния СТБ и СТБО элементов при кратковременном сжатии в области случайных эксцентриситетов. Длительность загружения учитывается с помощью разработанной Н.И. Карпенко методики диаграмм-изохрон. Она позволяет аналитически описать напряженно-деформированное состояние (НДС) бетона с учетом его физической нелинейности при различных характерах загружения.
На основании анализа полученных данных, результатов экспериментально-теоретических исследований других авторов предложены зависимости, связы-
вающие ползучесть обычного тяжелого бетона с ползучестью бетонного ядра СТБ и СТБО элементов.
Предложен критерий длительного сопротивления трубобетонных конструкций, учитывающий НДС стальной оболочки и увеличение прочности бетона (старение) одновременно с развитием деструктивных процессов во времени, связанных с проявлением нелинейной ползучести.
Произведена оценка эффективности и достоверности предложенной методики расчета, которая реализована в виде программы для ЭВМ
Работа выполнена в 2003-2006 годах на кафедре строительных конструкций ГОУ ВПО «Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова».
Краткий обзор исследований, посвященных изучению бетона
Железобетонные конструкции являются базой современной строительной индустрии. Вследствие многих своих положительных свойств железобетон получил широкое распространение в промышленном, гражданском и сельскохозяйственном строительстве для зданий и сооружений различного назначения. Это обусловливает то многообразие условий эксплуатации и разновидностей напряженного состояния, в которых работают железобетонные конструкции. Например, в железобетонных корпусах ядерных реакторов, в массивных фундаментах, в элементах гидротехнических и других сооружений бетон подвергается воздействию многоосных напряженных состояний. Для подобных конструкций вид напряженного состояния является важным фактором, так как бетон, работая в таких условиях, заметно меняет свои деформативные и прочностные свойства.
Помимо большого класса плоскостных и объемных сооружений, воздействию сложного напряженного состояния подвергается целый ряд стержневых железобетонных конструкций со спиральным, сетчатым, трубчатым армированием, частым расположением хомутов при внешнем уголковом армировании, а также их отдельные части, например, опорные узлы, усиленные арматурными сетками. В таких элементах, благодаря косвенному армированию, возникает трехосное сжатие, что позволяет достигнуть более высоких значений напряжений и деформаций в сравнении с одноосным сжатием.
Поэтому, несмогря на сложность, проблема изучения бетона, работающего в объемном напряженном состоянии, является актуальной для более полного понимания происходящих процессов и повышения достоверности расчетов железобетонных конструкций.
Изучению свойств бетона при объемном сжатии посвящено достаточно много исследовательских работ. В свое время этим вопросом занимались Ах-вердов И.Н., Берг О.Я., Гвоздев А.А., Гениев Г.А., Гончаров Г.И., Карапетян К.С., Карпенко Н.И., Касимов Р.Г., Котикян Р.А., Кудрявцева А.А., Малашкин Ю.Н., Сабиров Б., Соломенцев Г.Г., Яшин А.В., а также Г. Беккер, Р. Браун, Вайс, Кенен, Т. Карман, Ф. Кик, X. Купфер, Л. Миллс, X. Рюш, Ф. Рихарт, Д. Хоббс и др.
Начало экспериментальным исследованиям трехосного сжатия было положено в 90-х годах XIX века. В 1900 г. французский исследователь М. Консидер [18, 51] одним из первых предложил использовать непрерывную спиральную арматуру для увеличения несущей способности бетона в сжатых элементах конструкций.
Кененом, Вайсом и Ф. Киком были проведены испытания образцов из мрамора, заключенных в спиральную обойму. Подобные экспериментальные исследования на образцах из мрамора и песчаника были проведены Т. Карманом и Г. Бекером. Результаты испытаний выявили упрочняющее влияние среднего главного напряжения. Рост несущей способности мрамора составил 15 %. М. Рош и А. Эйхингер выполнили аналогичные исследования на мраморных образцах и подтвердили повышение несущей способности. В 1905 г. Бах исследовал бетонные призмы восьмиугольного сечения высотой 1 м со спиральным армированием. Особо стоит отметить работу Ф. Рихарда, А. Брандцаега и Р. Брауна, в которой при проведении экспериментов было испытано 564 образца в виде цилиндрических колонн со спиральной обоймой. Вышеупомянутые исследования описаны в [17].
Большой вклад в изучение конструкций со спиральным армированием внесли Г.А. Гамбаров [13, 14], А.С. Курылло [59], В.В. Михайлов [80] и др. Однако, несмотря на очевидную эффективность армирования спиральной обоймой, такие конструкции не получили широкого распространения. Помимо спирального были предложены и другие варианты косвенного армирования. В 1904 г. Н.М. Абрамов [1] предложил зигзагообразную арматуру. В 1907 г. В.П. Некрасов [18, 84] рекомендовал применять проволочные сетки. И хотя исследованиями А.П. Васильева [10], О.Ф. Виноградовой [12], В.И. Гне-довского [18], В.И. Довгалюка [31], Л.К. Лукши [62] и ряда зарубежных ученых впоследствии было доказано, что эффективность сетчатого армирования не ниже спирального, этот способ также не нашел широкого применения.
В этой связи большой интерес представляют работы, посвященные изучению трубобетонных элементов, так как в них в значительной мере проявляется благоприятный эффект объемного сжатия. Обзору исследований, посвященных этой проблеме, посвящен п.п. 1.1.2 данной главы.
Большая часть экспериментов была проведена в условиях равномерного двух- и трехосного сжатия бетона, т.е. когда два главных напряжения равны между собой. К таким экспериментам можно отнести работы Ф. Рихарда, А. Брантцаега и Р. Брауна, А.А. Гвоздева, А.Ф. Липатова, О.Я. Берга и Г.Г. Соло-менцева, Ю.Н. Малашкина и др. Для случаев неравномерного двух- и трехосного сжатия, а также сложных напряженных состояний типа «сжатие-растяжение» экспериментальные исследования весьма немногочисленны. Это объясняется значительными техническими трудностями при постановке подобных экспериментов, например, при измерении деформаций бетона в условиях объемного сжатия. Даннной проблеме посвящены работы А.А. Гвоздева, Р.Г. Касимова, Ю.Н. Малашкина, А.В. Яшина и др.
Конструкции опытных образцов
Для устранения основного конструктивного недостатка «классического трубобетона» (без предварительного обжатия бетонного ядра) была разработана усовершенствованная конструкция трубобетонного элемента с внутренним стальным сердечником в виде трубки, расположенной коаксиально внешней стальной оболочке [92]. Прессование бетонной смеси и предварительное напряжение внешней оболочки достигалось посредством вдавливания в отформованную бетонную смесь металлических трубок как показано на рис. 2.2-1. Наружный диаметр последней трубки выбирался с таким расчетом, чтобы получить определенное уменьшение объема бетонной смеси, которое бы соответствовало боковому обжатию порядка 2,5-3,5 МПа [15]. Как установлено ранее, наибольший эффект упрочнения бетона наблюдается при давлениях в интервале 0,7 - 6 МПа, а наиболее экономически выгодным считается давление в 3 МПа [54, 81]. Следует отметить, что в предложенном варианте отсутствует ряд недостатков уже предложенных способов прессования бетонной смеси в стальной трубе: - возможность изготавливать только короткие образцы с опрессованным бетонным ядром при торцевом способе прессования [79]; - расслоение бетонной смеси и недостаточная величина преднапряжения внешней оболочки при центрифугировании [15]; - проявление эффекта расспрессовки в бетоне и, следовательно, большие потери предварительных напряжений в оболочке при использовании резиновых пустотообразователей [15, 103].
Промежуточные трубки необходимы для последовательного и более равномерного прессования бетонной смеси. Кроме того, промежуточные трубки выполнены перфорированными. Сквозь отверстия в их стенках удаляется отжимаемая из бетонной смеси вода, что приводит к снижению водоцементного отношения, уменьшению пористости, устранению возможных дефектов укладки бетонной смеси. Все это положительно отражается на прочностных и де-формативных свойствах затвердевшего бетонного ядра.
Тот факт, что регулируя диаметр внутреннего стального сердечника, можно для бетонной смеси определенного состава стабильно получать необходимое усилие обжатия, делает этот способ изготовления довольно привлекательным и надежным. Полость внутренней трубки может быть использована для технологических нужд, как это делается в трубобетонных стойках кольцевого сечения морских стационарных платформ [5].
Благодаря преднапряжению внешней стальной оболочки бетонное ядро находится в объемном сжатии на всех этапах работы под нагрузкой, что благоприятно сказывается на несущей способности и деформативных характеристиках трубобетонного элемента в целом. Последовательность технологических операций при изготовлении трубобетонных элементов новой конструкции подробно изложена в п.п. 2.3 данной главы.
С целью решения поставленных в диссертационной работе задач было изготовлено несколько серий опытных образцов трубобетонных элементов. Для экспериментов по определению усадки было изготовлено две серии образцов СТБ - сталетрубобетонные элементы «классической конструкции» с необжа-тым ядром сплошного сечения - и СТБО - сталетрубобетонные элементы предложенной конструкции с обжатым ядром и внутренним стальным сердечником в виде трубки (серии УН и УО). Наружный диаметр внешней оболочки образцов этих серий составлял 159 мм, толщина стенки оболочки - 5 мм. Высота об і разцов равнялась 600 мм. Для серии У О наружный диаметр внутренней трубки был равен 32 мм. Конструкция и внешний вид образцов этих серий приведены на рис. 2.2-2.
Для экспериментов по определению линейной ползучести также было изготовлено две серии образцов СТБ и СТБО (серии ПЛН и ПЛО). Наружный диаметр внешней оболочки этих образцов составлял 115 мм; толщина стенки оболочки - 4 мм. Высота образцов была равна 500 мм. Для серии ПЛО наружный диаметр внутренней трубки принимался равным 21,5 мм. Конструкция и внешний вид образцов представлен на рис. 2.2-3.
Для исследования работы образцов в области нелинейной ползучести были изготовлены одна серия образцов СТБ (серия ПНН) и три серии образцов СТБО (серии ПНО.1, ГШО.2, ПНО.З). Наружный диаметр внешней оболочки образцов составлял 115 мм; толщина стенки оболочки - 4 мм. Высота опытных образцов составляла 500 мм. Для серий ПНО.1, ПНО.2, ПНО.З наружный диаметр внутренней трубки был равен 21,5 мм. Конструкция и внешний вид образцов представлен на рис. 2.2-3.
Кроме того, были изготовлены образцы обоих типов для кратковременных испытаний по определению несущей способности и ряда других характеристик трубобетонных элементов. Размеры этих образцов были аналогичны размерам образцов, предназначенных для определения ползучести.
Торцы всех опытных образцов после изготовления закрывались, с обеспечением герметичности, металлическими пластинами толщиной 10 мм и размерами 120x120 мм и 170x170 мм соответственно наружному диаметру образца.
Результаты определения деформаций ползучести
С целью оценки влияния прессования и исключения свободного влагообмена с внешней средой на реологические свойства бетона были проведены испытания по определению ползучести изолированных бетонных призм. Уровень длительного загружения согласно ГОСТ [29] был принят 0,3 от разрушающей нагрузки. Полученные результаты приведены на рис. 3.2-1 и 3.2-2.
Из анализа графиков видно, что деформации опрессованных призм существенно меньше, чем неопрессованных. Причем, наибольший эффект достигается при давлении 3 МПа.
Согласно СНиП [105] для бетонов класса В254-50 предельная величина линейной характеристики ползучести находится в диапазоне 2,54-1,6 соответственно. Прокопович И.Е. для обычного тяжелого бетона на крупном заполнителе предельную величину линейной ползучести рекомендовал принимать равной 1,8 [95]. Как видно из графика на рис. 3.2-2 характеристика ползучести изолированных опрессованных бетонных призм меньше в 2,5 - 3 раза.
Проведенными экспериментами подтверждено, что исключение свободного влагообмена с внешней средой значительно уменьшает деформации ползучести бетона. Предельная характеристика линейной ползучести изолированных неопрессованных бетонных призм на 40 % меньше величины, регламентируемой СНиП и рекомендованной И.Е. Прокоповичем для обычного тяжелого бетона. Полученные результаты имеют хорошую сходимость с данными экспериментов, проведенных СВ. Александровским [95] над изолированными и неизолированными призмами.
Полученные экспериментальным путем графики развития деформаций ползучести СТБ и СТБО элементов во времени при различных уровнях загру-жения приведены на рис. 3.2-3 - 3.2-10.
Как видно из графиков, совместность деформаций бетонного ядра и стальной оболочки сохраняется и при развитии процессов ползучести. Некоторое несовпадение значений этих деформаций объясняется возможными погрешностями в измерениях и усреднением величин деформаций по всей серии образцов.
Общий характер развития деформаций ползучести трубобетонных элементов соответствует описанному ранее в работах других исследователей [46, 108, 109]. Деформации быстро нарастают сразу после момента загружения, дальше следует участок деформирования с постоянной скоростью. После этого в зависимости от относительного уровня длительного загружения rj N/Nu происходит либо затухание, либо резкое нарастание деформаций ползучести. Этап интенсивного развития деформаций после загружения продолжается от 15 до 60 суток для различных уровней Г}. Это согласуется с выводами, сделанными на основании ранее проведенных экспериментов [109], где отмечалось, что рост деформаций ползучести происходил в первые 50 суток, после чего начиналось постепенное затухание рассматриваемых процессов.
Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что при низких
уровнях загружения (Г = 0,4..0,6) ползучесть трубобетонных элементов относительно невелика. Экспериментальные данные для СТБ элементов при относительных уровнях загружения Г = 0,41 и 0,6 хорошо согласуются с опытами Л.И. Стороженко [108, 109]. Резкое увеличение деформаций ползучести происходит при более высоких уровнях загружения (Г 0,8), вследствие того, что стальная оболочка переходит в пластическое состояние, а продольные напряжения в бетонном ядре близки к верхней границе трещинообразования.
Как видно из графиков, представленных на рис. 3.2.-7 - 3.2-10, при относительном уровне загружения Г) = 0,81 рост деформаций ползучести СТБО элементов к возрасту 120 суток практически прекратился и разрушения конструкций не произошло. При Г = 0,90 началось интенсивное развитие ползучести, приведшее на пятые сутки к разрушению опытных образцов. Следует уточнить, что видимого полного разрушения образцов достигнуть не удалось. Вывод о том, что опытные образцы исчерпали свою несущую способность, был сделан на основании интенсивного развития продольных деформаций ползучести. Кроме того, у части опытных образцов визуально наблюдался общий изгиб, что тоже свидетельствует об исчерпании трубобетонными элементами несущей способности. Внешний вид одного из опытных образцов, исчерпавших свою несущую способность, приведен нарис. 3.2.-13.
Проведенные испытания с сериями ПНО.2 и ПНО.З позволили сравнить экспериментальные данные с результатами, полученными А.И. Кикиным и Р.С. Санжаровским [46, 47] В своей работе они установили, что при относительном уровне длительного загружения Ц = 0,83 ползучесть СТБ элементов посте пенно затухает. При Г = 0,855 рост деформаций ползучести не прекратился и через некоторое время произошло разрушение образца. Для данного случая время до разрушения составило семь суток. Результаты [46, 47] хорошо согласуются с полученными в представляемой работе.
Из графиков на рис. 3.2-3 - 3.2-6 видно, что ползучесть СТБО элементов существенно ниже, чем у СТБ. Это подтверждает целесообразность опрессовки бетонной смеси и создание предварительного обжатия на стадии изготовления. Меньшие по величине деформации ползучести объясняются тем, что вследствие прессования бетонное ядро СТБО элементов имеет более плотную структуру и меньшее водоцементное отношение.
В целом проведенные эксперименты подтвердили тот факт, что ползучесть трубобетонных элементов в 2-3 раза меньше, чем у бетонных и железобетонных конструкций. К этому выводу пришли все специалисты, ранее занимавшиеся изучением ползучести трубобетона [46, 109, 113]. Кроме того, на основании полученных в этой и других работах данных можно сделать вывод, что разрушение трубобетонных образцов происходит при относительном уровне длительного загружения порядка Г 0,84-И),86.
Учитывая совместность деформаций ползучести бетонного ядра и стальной оболочки, используем понятие связанной характеристики ползучести тру-бобетонного элемента в целом. Этот термин уже упоминался в первой главе и введен Л.И.Стороженко [109] в виду сложностей, возникающих при учете всех особенностей работы бетона в трубе и теоретическом описании явлений, происходящих при длительном загружении. Величина связанной характеристики ползучести является отношением деформаций ползучести трубобетонного элемента к его упругим деформациям.
Связь между деформациями и напряжениями трубобетонных элементов в условиях длительного приложения нагрузки
Работу трубобетонного элемента под нагрузкой условно можно разделить на три этапа [15]:
1 этап - от начала загружения до достижения напряжениями в бетоне в продольном направлении уровня условной нижней границы микротрещино-образования R сгс. Для СТБ элементов, вследствие разницы в начальных коэффициентах Пуассона для стали и бетона, боковое давление ядра на обойму уменьшается. Бетонное ядро начинает работать практически в условиях одноосного сжатия. В СТБО элементах бетонный сердечник благодаря предварительному обжатию с самого начала загружения работает в условиях объемного сжатия. В результате нижняя граница микротрещинообразования значительно повышается.
2 этап - сопровождается интенсивным микротрещинообразованием. Деформации бетона в поперечном направлении начинают расти быстрее, создавая все большее боковое давление на стальную обойму, которая препятствует развитию этих деформаций. Бетонное ядро находится в условиях объемного сжатия, сталь испытывает сжатие в продольном и растяжение в поперечном направлениях.
3 этап - напряжения в бетоне достигают верхней условной границы тре-щинообразования Rvcrc (начинают развиваться макротрещины), а материал обоймы переходит в пластичное состояние. Последовательность наступления этих событий может быть разной в зависимости от характеристик конкретного образца (относительной толщины стенки, класса бетона и др.). На этом этапе происходит интенсивный процесс перераспределения усилий между бетоном и сталью. Для СТБО элементов характер работы конструкции остается примерно таким же, как и для СТБ. Однако, достижение верхней границы трещинообра-зования происходит значительно позже.
Исследователи трубобетонных конструкций, предлагая различные критерии наступления предельного состояния, разделились на три группы. Первая группа за этот критерий принимала достижение максимальной продольной силы, т.е. полную потерю трубобетонными элементами несущей способности без учета возникающих при этом чрезмерных деформаций. Стоит оговориться, что этот критерий применялся в случае кратковременного сжатия. Однако, даже при кратковременном нагружении величина продольных деформаций достигала значений, недопустимых при реальной эксплуатации.
Вторая группа исследователей придерживалась мнения, что предельное состояние наступает при достижении продольными деформациями стальной обоймы заранее заданной величины предельных деформаций, соответствующей началу текучести стальной оболочки (є 0,0022). Недостатком этого подхода заключается в том, что при применении высокопрочных материалов, прочность ядра или оболочки может быть неоправданно недоиспользована.
Также предлагалось за критерий наступления предельного состояния принимать достижение напряжениями в стальной оболочке предела текучести. Однако, сопоставления опытных величин относительных деформаций для тру-бобетонных элементов с результатами экспериментально-теоретических исследований закономерностей продольного деформирования бетона в условиях трехосного сжатия, полученных многими учеными и подтвержденными нашими данными, позволяют утверждать, что в начальной стадии текучести оболочки бетонное ядро может иметь значительные резервы с точки зрения его прочности.
В работе [15] за критерий предельного состояния принималось условие наступления двух моментов, а именно: достижение напряжениями в бетоне верхней границы трещинообразования Rvcrc и наступлению текучести в оболочке. Этот подход является более обоснованным, так как позволяет в большей степени воспользоваться резервами несущей способности бетона ядра и стали, учитывая перераспределение усилий между бетонным ядром и стальной оболочкой.
Ряд проведенных исследований подтверждает тот факт, что при напряже » ниях в бетоне, не превышающих верхнюю границу трещинообразования, дест I руктивные процессы, которые связаны с проявлением нелинейной ползучести, стабилизируются и со временем затухают. Это относится как к случаю одноосного сжатия, так и объемного напряженного состояния. Поэтому, этот подход с прицелом на определение величины эксплуатационной нагрузки является наиболее обоснованным, так как Rvcrc часто связывают с пределом длительной прочности.
Однако, уровень верхней границы микротрещинообразования величина условная и достаточно размытая. По крайней мере, при осуществлении лабораторного контроля качества бетона определять его достаточно сложно. В предлагаемой методике за критерий длительной прочности трубобетонных конструкций предлагается принимать момент достижения напряжениями в бетонном ядре минимального уровня длительной прочности, при условии, что металл оболочки уже перешел из упругого в пластическое состояние. Известно, что после интенсивного развития процесс нарастания деформаций ползучести во времени стабилизируется, в то время как старение бетона все еще продолжается. Учет реальных процессов, протекающих в бетонном ядре при его длительном загружении, позволит точнее определять длительную прочность сжатых трубобетонных элементов.
Этот подход является более обоснованным, чем описанный выше, так как позволяет учитывать реальные процессы, происходящие в бетоне при длительном приложении нагрузки, такие как: увеличение прочности бетона во времени - старение, и, во-вторых, развитие деструктивных процессов, связанных с проявлением нелинейной ползучести.
