Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 9
1.1. Железобетонные конструкции с косвенным армированием 9
1.2. Методы повышения эффективности трубобетонных элементов 22
1.3. Элементы с предварительно напряжённой спиральной обоймой 25
1.4. Предварительное напряжение обоймы за счёт химической энергии расширения вяжущего 29
1.5. Трубы из стеклопластика в качестве косвенного армирования бетона 37
1.6. Способы повышения предельной деформативности бетонного защитного слоя 39
1.7 Отечественный и зарубежный опыт применения
трубобетона в строительстве 42
1.8. Задачи исследования и пути их решения 44
2. Материалы и методика экспериментальных исследований 47
2.1. Конструирование и изготовление образцов 47
2.1.1. Характеристики стальных и стеклопластиковых труб 47
2.1.2. Изготовление спиральных каркасов 49
2.1.3. Напрягающие цементы, выбранные для проведения исследований 56
2.1.3.1. Характеристики напрягающего цемента Пашийского завода 56
2.1.3.2. Изготовление напрягающего цемента повышенной активности 56
2.1.4. Подбор состава бетонной смеси 63
2.1.5. Бетонирование образцов и уход за бетоном 67
2.1.6. Самонапряжение и физико-механические характеристики бетона образцов 71
2.2. Приборы и оборудование 73
2.3. Методика проведения испытаний 80
3. Влияние вида бетона и материала оболочки на напряжённо- деформированное состояние трубобетонного элемента 84
3.1. Прочность и деформативность сталетрубобетонных образцов 84
3.1.1. Напряжённо-деформированное состояние сталетрубобетонных образцов 84
3.1.2. Прочность и характер разрушения сталетрубобетонных образцов 93
3.2. Прочность и деформативность стеклопластиковых трубобетонных образцов 100
3.2.1. Напряжённо-деформированное состояние стеклопластиковых трубобетонных образцов 100
3.2.2. Прочность и характер разрушения стеклопластиковых трубобетонных образцов 108
3.3. Прочность и деформативность стеклопластиковых трубобетонных образцов, армированных спиральным каркасом 111
3.3.1. Напряжённо-деформированное состояние стеклопластиковых трубобетонных образцов, армированных спиральным каркасом 111
3.3.2. Прочность и характер разрушения стеклопластиковых трубобетонных образцов, армированных спиральным каркасом 118
Выводы 123
4. Предложения по расчёту и конструированию трубобетонных элементов 126
4.1. Сравнительная оценка результатов испытания с данными других авторов 126
4.2. Критерии предельного состояния трубобетонных элементов 127
4.3. Механизм обеспечения совместной работы бетонного ядра и стальной оболочки за счёт химического предварительного напряжения 130
4.4. Предложение по проектированию стеклопластиковых трубобетонных элементов, армированных спиральным каркасом 137
Выводы 138
Общие выводы 139
Список литературы
- Методы повышения эффективности трубобетонных элементов
- Характеристики стальных и стеклопластиковых труб
- Прочность и характер разрушения сталетрубобетонных образцов
- Механизм обеспечения совместной работы бетонного ядра и стальной оболочки за счёт химического предварительного напряжения
Введение к работе
Актуальность проблемы. Появление предварительно напряжённых железобетонных конструкций существенно расширило возможности конструктивных решений зданий и сооружений. Предварительное напряжение позволяет экономить бетон и арматуру, возводить большепролётные конструкции.
Предварительное напряжение спиральной арматуры, обвивающей железобетонный сердечник колонны, может повысить несущую способность сердечника в 2-2,5 раза. Технология изготовления таких колонн достаточно сложна и трудоёмка (изготовление сердечника, напряжение обмотки, устройство защитного слоя). Механическое предварительное напряжение здесь можно с успехом заменить химическим - за счёт энергии расширения бетона на напрягающем цементе (НЦ). В этом случае представляется возможность заменить трёхступенчатую технологию изготовления элемента на одноступенчатую и автоматически достигнуть трёхосного предварительного напряжения.
Напрягающий цемент был разработан в 1953 году в НИИЖБе В.В. Михайловым, С.Л. Литвером и А.Н. Поповым. НЦ применяется при возведении конструкций, к которым предъявляются высокие требования по трещиностойкости, водонепроницаемости, долговечности (подземные конструкции; ёмкости различного назначения, в т.ч. плавательные бассейны, насосные станции и очистные сооружения; полы производственных и гражданских зданий, гидроизолирующие покрытия, в т.ч. эксплуатируемые кровли; трубы, конструкции с предварительно напряжённой арматурой и др.). Использование напрягающего цемента желательно во всех сооружениях, в которых недопустимы трещины от усадки и нагрузки, а также необходима водонепроницаемость.
B 1969-1971 годах в НИИЖБ В.Д. Будюком под руководством В.В. Михайлова проводилось исследование спирально армированных колонн, выполненных из бетона на напрягающем цементе. Результаты испытания показали сходство в работе спирально армированных железобетонных колонн, предварительное напряжение спирали в которых достигалось механическим и химическим путём. Напрягающий цемент, применявшийся в исследованиях, требовал обязательного применения тепловлажностной обработки. Подобные колонны можно изготавливать только в условиях завода ЖБИ.
В настоящее время существует чётко выраженная тенденция к увеличению объёмов строительства с применением монолитного железобетона. В свою очередь, снизились объёмы строительства из сборного железобетона. В связи с этим необходима экспериментальная проверка эффективности самонапряжённых спирально армированных колонн на НЦ нормального твердения (без ТВО), изготавливаемых в условиях строительной площадки.
В результате обследования ряда конструкций, выполненных из трубобетона, было отмечено отставание стальной оболочки от бетонного сердечника. Применение НЦ нормального твердения позволит повысить эксплуатационные качества (предел упругой работы, несущую способность, долговечность) трубобетонных элементов, обеспечить благоприятное объёмное напряжённо-деформированное состояние на всех этапах их работы.
Одновременно с появлением железобетонных конструкций, армированных спиралью, возникла проблема повышения деформативности бетона защитного слоя, поскольку при испытании на сжатие защитный слой разрушался задолго до общего разрушения элемента. Эффективность конструкций, в которых спиральная арматура оголяется при нагрузке, составляющей 50-80% от разрушающей, существенно снижается.
Предлагались разные конструктивные решения: нанесение слоя торкретбетона, армирование защитного слоя сеткой типа "рабиц", заключение элемента в асбоцементную трубу или в тонкостенную стальную оболочку. Наиболее удачным решением является заключение спирально армированного элемента в тонкостенную стальную оболочку. Однако долговечность тонкостенной стальной трубы, особенно в коррозионно-активных средах, невысокая. Замена стальной трубы на тонкостенную стеклопластиковую из поперечно ориентированного стеклопластика выглядит очень привлекательно.
Цель работы - экспериментальная проверка эффективности нескольких видов самонапряжённых трубобетонных элементов, выполненных из бетона на НЦ нормального твердения.
Научную новизну составляют:
результаты экспериментальных исследований стальных и
стеклопластиковых труб, заполненных бетоном на напрягающем цементе;
результаты экспериментальных исследований спирально армированных элементов в стеклопластиковой защитной оболочке, выполненных из портландцементного бетона и бетона на НЦ;
- предложение по расчёту трубобетонных элементов по двум группам предельных состояний;
методика расчёта минимально необходимого самонапряжения трубобетонного элемента.
Практическая ценность. Результаты исследований и предложение по расчёту самонапряжённого трубобетонного элемента были использованы при проектировании и возведении колонн монолитного железобетонного плавательного бассейна в районе "Северное Бутово" г. Москва, а также будут использованы при составлении "Рекомендаций по проектированию и изготовлению трубобетонных и спирально армированных сжатых элементов конструкций из бетона на напрягающем цементе".
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции молодых учёных "Строительные конструкции - 2000" (г. Москва, МГСУ, 2000 г.). Совместно с Г.М. Мартиросовым подана заявка на изобретение №99-125906/03 от 09.12.99. "Строительный элемент, работающий на сжатие".
Диссертационная работа выполнялась в лаборатории непрерывно армированных, самонапряжённых конструкций и труб.
Автор выражает глубокую признательность за научное и методическое руководство выполненной работы заведующему лабораторией кандидату технических наук Геннадию Михайловичу Мартиросову и другим сотрудникам лаборатории за помощь в проведении исследований.
Методы повышения эффективности трубобетонных элементов
Можно выделить два пути обеспечения совместной работы стали и бетона в трубобетонных конструкциях.
Первый путь заключается в устройстве на внутренней поверхности стальной трубы анкеров, которые воспринимают растягивающие напряжения на поверхности контакта материалов. Так, в работе, которую опубликовали в 1995 году американские учёные Филипп Бойд, Вильям Кофер и Дэвид Макклин [115], один трубобетонный образец (диаметром 200 мм и толщиной стальной оболочки 2,5 мм) был снабжён внутренними анкерами (рис. 1.2),
Стальная оболочка предварительно разрезалась вдоль продольной оси и стерженьки приваривались к ней путём сварки по их периметру. Затем обе половины сваривались между собой сплошным швом. Параллельно были изготовлены аналогичные трубобетонные образцы без поперечных анкеров. Все образцы подвергались циклическому поперечному нагружению при постоянной осевой нагрузке. Образец, снабжённый поперечными анкерами, показал большую несущую способность, меньшее снижение прочности и большее энергопоглощение при действии циклической поперечной силы (рис. 1.3).
Устройство анкеров на внутренней поверхности трубы несколько улучшает характеристики трубобетонного элемента, но является трудоёмким и дорогостоящим мероприятием, которое может быть оправдано при изготовлении трубобетонных колонн большого сечения в высотных зданиях.
Второй путь решения проблемы обеспечения совместной работы стали и бетона в трубобетонных конструкциях связан с созданием разными способами предварительного обжатия бетонного ядра.
Исследования конструкций из трубобетона привели к различным способам модернизации системы "бетон в трубе". Так, В.А. Росновский [90] рассматривал способ, состоящий в поддержании трубы в нагретом состоянии во время бетонирования и начала твердения бетона. В экспериментах с образцами диаметром 30 см оболочка поддерживалась в нагретом до 80С состоянии. Оказалось, что уже через 7 часов после заполнения трубы бетоном температура центра бетонного ядра практически была равна температуре оболочки. Прочность таких образцов оказалась несколько ниже обычной. По всей видимости, в этом случае бетонное ядро не обладало достаточной прочностью, чтобы быть обжатым остывающей стальной оболочкой. Более удачным способом В. А. Росновский считал предварительное поперечное напряжение путём прессования бетона с помощью давления на бетон стенок резиновой камеры, в полость которой нагнеталась вода.
В работе [110], выполненной под руководством И.Г. Людковского, предлагается повышение эффективности и несущей способности трубобетонных элементов за счёт поперечной разрезки обоймы. Поперечная разрезка обоймы в трубобетонных образцах привела к увеличению несущей способности на 12%, а при сжатии с эксцентриситетом ео = 0,126/) - к снижению в 4 раза. В этом случае обязательно армирование элемента продольной арматурой.
В работе, выполненной С.А. Харченко [107] проводились экспериментально-теоретические исследования несущей способности и деформаций трубобетонных элементов с упрочнёнными ядрами, в том числе и с многослойными. Было экспериментально установлено, что упрочнение бетонного ядра увеличивает несущую способность трубобетонных элементов и уменьшает их деформативность. Наиболее эффективным является упрочнение бетонного ядра прессованием, особенно осуществляемым методом центрифугирования.
Н.В. Микулой [60] предлагается при изготовлении трубобетонных элементов проводить компрессионное уплотнение бетонной смеси, в отличие от обычного вибрирования, позволяющее получить более плотную структуру бетона. За счёт компрессионного уплотнения бетона в трубе вертикальным давлением 13-4-39 МПа была повышена прочность бетонного заполнения по сравнению с призменной на 84-112%, а прочность самих элементов на 25-31%.
Характеристики стальных и стеклопластиковых труб
Исследование прочности и деформативности сталетрубобетонных элементов для прямого сопоставления результатов было решено проводить на образцах, представляющих собой стальные трубы диаметром 159 мм и длиной 600 мм, заполненные бетоном, так как трубобетонные элементы подобных размеров неоднократно испытывались авторами предыдущих исследований [38, 41, 74, 90, 100, ПО]. Кроме того, параметры бетонного ядра образцов (диаметр 150 мм, длина 600 мм) сопоставимы с размерами стандартных призм 150x150x600 мм и цилиндров, что позволяет, зная кубиковую прочность бетона и используя известные зависимости между кубиковой и призменной прочностью, с достаточной точностью определять прочность бетонного ядра, не усиленного косвенным армированием в виде стальной трубы.
Толщина стенки трубы в 5 мм была выбрана исходя из следующих соображений. В настоящее время конъюнктура рынка диктует производителям труб целесообразность изготавливать трубы с большой толщиной стенки, цена назначается преимущественно исходя из веса металлопроката. Например, 1 тонна труб 0159x3 мм по стоимости сопоставима с 1 тонной труб 0159x6 мм, хотя места при транспортировке и складировании для первой требуется в 2 раза больше. Этим можно объяснить тот факт, что в продаже имеются в стальные трубы диаметром 159 мм с толщиной стенки в основном от 5 до б мм, хотя по ГОСТ возможны трубы с толщиной стенки 3 и 3,5 мм. Кроме того, целью настоящей работы, в частности, было исследование возможности применения трубобетонных элементов на напрягающем цементе в качестве конструкций, воспринимающих большие сжимающие нагрузки. Этим требованиям отвечают сталетрубобетонные конструкции с высоким процентом армирования. Исследования подобных элементов проводились в 70-ых годах в НИИЖБ И.Г. Людковским [48, 49, 50, 83]. На данный момент практически отсутствуют экспериментальные данные по поведению напрягающего бетона в условиях трёхосного ограничения деформаций его расширения большим количеством арматуры (д. 3%) или жёсткой опорой (в стыке и т.п.). Представляет несомненный интерес информация о степени увеличения самонапряжения, а также о соответствии существующих эмпирических зависимостей "самонапряжение - процент армирования" полученным экспериментальным данным.
Было бы желательно исследовать другой вариант самонапряжённого трубобетонного элемента, в котором тонкостенная стальная труба в основном выполняет роль несъёмной опалубки и обоймы защитного слоя спирального каркаса, однако этот вариант отпал в силу упомянутой выше причины.
Для изготовления сталетрубобетонных образцов использовались прямошовные стальные трубы 0159x5 мм производства предприятия "Уралтрубпром" г. Первоуральск Свердловской обл. Марка стали труб Зпс5, ГОСТ 10704-91, предел текучести ст5;У = 375 МПа, временное сопротивление tfs,u= 480 МПа. Отрезки труб длиной 650 мм нарезали автогеном из двух труб одной партии длиной 6,0 м. После этого образцы оторцовывались на токарном станке до длины 600 мм.
Стеклопластиковые трубы были изготовлены в ЗАО "Тубус-Пласт-Композит" г. Королёв Московской обл. Ориентация стекловолокон -спирально-кольцевая. Временное сопротивление стеклопластика труб растяжению вдоль волокон RKp = 450 МПа, временное сопротивление растяжению поперёк волокон R ,p = 220 МПа, временное сопротивление сжатию поперёк волокон R = 200 МПа. Модуль упругости при растяжении вдоль волокон Ек = 34000 МПа, модуль упругости при сжатии и растяжении поперёк волокон Е0 = 16000 МПа. Гарантируемый срок эксплуатации - до 50 лет.
Все образцы 0154x2 мм (рис. 2.1) отрезались от одной трубы длиной 620 мм, после чего торцевались до длины 600 мм на токарном станке. Образцы 0154x3,5 мм (рис. 2.2) обрабатывали аналогичным образом.
Прочность и характер разрушения сталетрубобетонных образцов
Нагружение образцов осуществлялось этапами (с шагом 10% от предполагаемой разрушающей нагрузки) до потери несущей способности. Характер разрушения всех образцов был одинаковым. В пластической стадии работы образцов процесс их деформирования не прекращался даже после выдержки под нагрузкой в течение 5-10 минут. Постепенно, после достижения максимальной нагрузки, с одной или двух противоположных (но разных по высоте образца) сторон образовывались мягкие складки (рис. 3.6). Образцы выдерживались под нагрузкой до момента возникновения опасности перекоса верхней шарнирно опёртой плиты пресса. Деформации к этому моменту достигали 5-10%), нагрузка составляла 85-90%) от максимальной.
Несущая способность образцов из напрягающего бетона оказалась на 5-10%) выше, чем у образцов из портландцементного бетона. Диапазон упругой работы образцов на НЦ выше на 30%.
Коэффициент эффективности обоймы а составил для трубобетонных элементов из обычного бетона 1,68, а для образцов из НЦ 1,79...1,87 (табл. 3.2).
Для получения показателей прочности бетонного ядра и стальной трубы, работающих по отдельности, были испытаны стальные трубы, аналогичные тем, из которых были выполнены образцы, и бетонные цилиндры. Бетонные цилиндры были выполнены из бетона того же замеса, что и образцы, в опалубке, представляющей собой стальную трубу, разрезанную по образующим. Размеры бетонных цилиндров и бетонных сердечников образцов совпадали.
Разрушение стальных труб сопровождалось появлением равномерных складок (гофров) по всему периметру в приопорной зоне (рис. 3.7). Бетонные цилиндры разрушались хрупко с образованием продольных магистральных трещин (рис. 3.8).
Разрушающие нагрузки для трубобетонных образцов в сопоставлении с суммарной несущей способностью стальных труб и соответствующих бетонных цилиндров приведены в табл. 3.3.
Как видно из таблицы 3.3, благодаря заключению бетона в стальную трубчатую обойму несущая способность элементов увеличивалась на 29...40 процентов. Наибольший прирост прочности показали образцы третьей серии (выполненные из бетона на активизированном напрягающем цементе), наименьший - образцы второй серии (из бетона на портландцементе).
На рис. 3.9 приведены кривые деформаций для стальных труб, бетонных цилиндров, трубобетонных образцов и суммирующая кривая для труб и цилиндров. Деформации по суммирующей кривой начинают превышать деформации трубобетонных элементов примерно на уровне 35 % от разрушающей нагрузки.
Нагружение образцов осуществлялось ступенями по 20 т (около 10 % от предполагаемой разрушающей нагрузки). Все образцы испытывались на гидравлическом прессе П-250 т (рис. 3.11). Зависимости продольных и поперечных деформаций от уровня нагрузки приведены для всех образцов на рис. 3.10.
Упругая стадия работы стеклопластиковых трубобетонных элементов характеризовалась увеличением относительного объёмного сжатия (рис. 3.13). При окончании упругой стадии работы образцов относительные продольные деформации находились в районе 190-Ю"5...280-Ю"5. Нагрузки при этом составляли 0,37...0,45 от разрушающей (табл. 3.4.).
Различие в величине упругой стадии стеклопластиковых трубобетонных образцов из портландцементного и напрягающего бетона относительно невелико (10... 18%), что связано с низким модулем упругости стеклопластика (Epi = 34-10").
В работе стеклопластиковых трубобетонных образцов видна аналогия с работой сталетрубобетонных образцов: коэффициент Пуассона стеклопластика, как и у стали, выше коэффициента Пуассона бетона; до определённого момента бетон находится в состоянии одноосного сжатия, эффект обоймы начинает проявляться лишь после начала процесса микротрещинообразования в бетоне.
Положительное влияние небольшого предварительного напряжения за счёт энергии расширения бетона компенсировалось значительной податливостью обоймы.
Механизм обеспечения совместной работы бетонного ядра и стальной оболочки за счёт химического предварительного напряжения
Расчёт по второй группе предельных состояний осуществляется по методике, предложенной А.И. Кикиным и др. [38]. За предельное состояние принимается момент достижения стальной оболочкой предела текучести в продольном направлении. Принятый способ расчёта позволяет с достаточной точностью определять нагрузку, предшествующую появлению больших необратимых деформаций в трубобетонном элементе. Разница между опытным и теоретическим значением нагрузки для образцов второй серии составила 6%.
1) По табл. 4.2 определяются нормативные сопротивления бетонного ядра Rbn ,cas Примечание. R- прочность бетонных кубов 150x150x150 мм; Rbn.cas - нормативное сопротивление бетонного ядра.
2) Нагрузка, свидетельствующая о наступлении предельного состояния, определяется по формуле:
Как уже отмечалось ранее (гл. 1), небольшое самонапряжение трубобетонного элемента (растяжение оболочки и сжатие бетона) позволит исключить отставание бетонного сердечника от стальной оболочки и обеспечить благоприятное объёмное напряжённо-деформированное состояние элемента на всех этапах его работы.
Для определения минимально необходимого самонапряжения бетонного ядра требуется знать величину зазора, который может появиться между бетонным ядром и стальной оболочкой вследствие разницы коэффициентов Пуассона стали (vs « 0,3) и бетона (vb « 0,2). В трубобетонной конструкции (арке, колонне и т.п.) прогнозировать с достоверностью, произойдёт отрыв оболочки от ядра или нет весьма затруднительно, поскольку в этом случае оказывает влияние целый ряд факторов: прочность сцепления ядра с оболочкой, влажностные условия эксплуатации конструкции, вид бетона, уровень эксплуатационной нагрузки, относительная толщина стальной трубы и др. В любом случае, окажется прочность сцепления между ядром и оболочкой достаточной для предотвращения отрыва или нет, появление растягивающих напряжений на поверхности контакта двух материалов ухудшает условия работы конструкции.
Для достижения поставленной цели необходимо за счёт химической энергии расширения НЦ осуществить предварительное напряжение стальной трубы на величину деформации, превышающую величину максимально возможного (для бетона на портландцементе) зазора.
Определение предварительных напряжений в стальной оболочке.
Посредством предварительного напряжения стальной оболочки за счёт химической энергии расширения напрягающего бетона в трубобетонном элементе создаётся благоприятное напряжённое состояние. В стальной оболочке возникают продольные и кольцевые растягивающие напряжения (радиальными напряжениями в тонкостенной трубе вследствие их малости можно пренебречь).
Напряжения обжатия бетона сердечника стьр в процессе самонапряжения трубобетонного элемента определяются в зависимости от марки бетона по самонапряжению, коэффициента и характера армирования согласно "Пособию по проектированию самонапряжённых железобетонных конструкций (к СНиП 2.03.01-84)" [80]: bp=RbskA, (4.9) где ks - коэффициент, принимаемый равным при трёхосном армировании 1,5; ки - коэффициент, определяемый в зависимости от суммарного коэффициента армирования для рассматриваемого направления по формуле: k= _L5ZIL_ , (4.Ю)
Rbs - величина самонапряжения напрягающего бетона. Определяется как среднее арифметическое на трёх контрольных образцах-призмах размером 5x5x20 см, отформованных и твердеющих при нормальных влажных условиях в динамометрическом кондукторе, создающем в процессе расширения бетона образца упругое ограничение деформаций, эквивалентное продольному армированию, равному 1 %. Величина Rbs находится по формуле: А Rta=y E, (4.11) где Л, I - соответственно полная деформация образца в процессе самонапряжения бетона и его длина; /4 - приведённый коэффициент армирования образца, равный 0,01; Es - модуль упругости стали кондуктора, принимаемый равным 2-Ю5 МПа.
