Введение к работе
т
Актуальность проблемы. Сжатые железобетонные элементы относятся к есьма распространенным и ответственным конструкциям. Тем не менее кон-трукторских и исследовательских работ по развитию и совершенствованию катых элементов существенно меньше, чем изгибаемых. Этот пробел тем олее недопустим, если учесть, что сжатые железобетонные элементы,как оказали специальные исследования, менее надежны, чем изгибаемые.
В диссертации поставлена и решена актуальная проблема разработки эвых эффективных видов армирования и преднапряжения сжатых элементов, ключающих предварительно растянутую,предварительно сжатую и ненапряга-мую арматуру,принципов выбора рационального армирования и преднапряже-ля в зависимости от гибкости элемента и относительного эксцентрисите-а усилия, а также методов их расчета с максимальным использованием ре-эрвов бетона и высокопрочной арматуры при различных режимах загруже-
«
ля и предыстории деформирования.
Под последним понимается в данном случае учет влияния на степень зменения механических характеристик бетона и арматуры предварительных апряжений,повторных нагрукении и других доэксплуатационных воздействий.
В диссертации рассмотрены также вопросы совершенствования констру-ций сжатых трехслойных железобетонных элементов и методов их расчета предложены новые эффективные способы усиления.сжатых железобетонных инструкций преднапряжекными элементами.
Актуальность рассматриваемой проблемы подтверждается решениями вда конференций и совещаний самого высокого уровня (УШ-ой Всесоюзной знференции "Повышение эффективности и качества бетона и железобето-а", сессии НК ШИП 1987 г. о перспективах развития преднапряженного злезобетона до 2000 г., XX сессии Пленума научно-координационного Со-эта по бетону и железобетону б. Госстроя СССР в 1989 г. и др.).
Исследования по дайной проблеме выполнялись автором в 1978-1994 дах в соответствии с Координационными планами важнейших КИР по бе-
тону и железобетону Совета по координации НИР б. Госстроя СССР на 1976-80 гг. (темы 1.2 и УП.5), на 1981-85 гг. (тема п.4), на I986-9C гг. (тема УП.З) и Отраслевой программой Госстроя СССР 0.55.16.031 в области бетона и железобетона на 1981-85 гг. (тема 02.01, этапы С Пв СПвЗ, СПв4).
Задачи .исследования:
разработать принципы эффективного армирования и преднапряжен сжатых железобетонных элементов различной гибкости с комплексным уче том всех основных факторов (пределов изменения относительного эксцен триситета равнодействующей продольных усилий, режимов нагружения ид]
дать экспериментально-теоретическое обоснование рекомендаций по выбору оптимального соотношения в сечениях сжатых элементов ненап рягаемой, предварительно растянутой и предварительно сжатой арматуры а также по назначению уровней предварительного напряжения арматуры и предварительного обжатия или растяжения бетона;
установить условия рационального применения сжатых железобето ных элементов с начальными выгибами, вызванными неравномерным предва рительным обжатием или растяжением сечений элемента;
разработать, исследовать и дать рекомендации по расчету и про' ектированию несущих преднапряженных трехслойных стеновых панелей раз1 личной гибкости и определить область их рационального применения;
провести экспериментальные исследования влияния на механическ: свойства бетона к арматуры, в частности на полные диаграммы их дефор мирования, предыстории деформирования (предварительного сжатия или растяжения различного уровня и продолжительности, повторных нагруже-ний и др. факторов), режимов и характера эксплуатационных нагрузок (статических, динамических) и климатических условий;
предложить систему коэффициентов условий работы бетона и арма туры и их численные значения для учета влияния указанных факторов на
механические характеристики бетона и арматуры при проектировании кон-;трукций;
разработать методы расчета сжатых железобетонных элементов с /четом полных трансформированных диаграмм бетона, предыстории деформирования и режимов.нагружения; составить универсальные алгоритмы и ірограммьі комплексного расчета сжатых элементов на ЭВМ; разработать іриближеннне методы расчета, выполняемые "вручную";
выполнить экспериментальные исследования особенностей работы тод нагрузкой сжатых железобетонных элементов с различным сочетанием генапрягаемой, предварительно растянутой и предварительно
сжатой арматуры с варьированием в широких пределах ибкости элементов, относительного эксцентриситета продольного усилия, эидов и классов бетона и арматуры, а также режимов нагружения;
разработать рекомендации по проектированию рациональных сжатых іредварительно напряженных элементов;
разработать новые способы усиления сжатых железобетонных элемен-'ов при реконструкции;
определить технико-экономические преимущества предложенных спо-юбов армирования и преднапряжения сжатых железобетонных элементов,
і также методов их расчета. Автор защищает:
новые способы эффективного армирования и преднапряжения сжатых ;елезобетонных элементов различной гибкости;
рекомендации по выбору оптимального соотношения в сжатых эле-гентах ненапрягаемой,предварительно растянутой и предварительно сжа-:ой арматуры, а также уровней их преднапряжения;
условия рационального применения колонн с начальными выгибами;
предложения по учету при проектировании сжатых железобетонных лементов влияния на механические свойства бетона и стали, включая
4 диаграммы деформирования, режимов и уровней предварительных силовых воздействий (предистории нагружения);
методы расчета сжатых железобетонных элементов со смешанным армированием и комбинированным преднапряжением по обеим группам предельных состояний;
новые способы усиления сжатых железобетонных элементов при реконструкции;
результаты анализа экспериментальных исследований,и "численні опытов, а также сформулированных на их основе выводов и рекомендациі
Научная новизна работы: '
предложены новые виды эффективного смешанного армирования и комбинированного преднапряжения сжатых железобетонных элементов, а также способы их изготовления (а.с. СССР Г964087, № 863047, » 1231] Ш І6І7ІІ9);
разработаны рекомендации по выбору оптимального соотношения і сечениях сжатых железобетонных элементов неналрягаемой, предварителЕ но растянутой и предварительно сжатой арматуры, а также по назначен* рационального уровня предварительного напряжения арматуры и бетона і зависимости от гибкости элемента, пределов изменения относительного эксцентриситета продольного усилия, классов арматуры и бетона и др. факторов;
исследованы и определены преимущества колонн с начальными выгибами, образованными при запроектированном неравномерном по сечении предварительном обжатии или растяжении, установлены области их рационального применения;
установлено влияние на механические свойства бетона и арматуры, в том числе на полные диаграммы напряжений-деформаций, предварительного сжатия или растяжения различного уровня и продолжительности повторных нагружений и др. факторов при различных видах последующегг
5 эксплуатационного нагружения (статического сжатия или растяжения, динамических воздействий) и разных климатических условий (нормального или сухого жаркого); раскрыта физическая сущность явления и получены математические модели, на основе которых разработаны практические рекомендации по учету изменений свойств материалов при расчете конструк--ций;
- разработаны методы расчета сжатых железобетонных элементов со
смешанным армированием и комбинированным преднапряжением го обоим
группам предельных состояний на основе использования полных трансфор
мированных диаграмм деформирования бетона и с учетом влияния на свой-
зтва материалов предистории деформирования и режимов нагружения; сос
тавлены универсальный алгоритм и программа комплексного расчета на
ЭВМ сжатых железобетонных элементов с любым смешанным армированием
и комбинированным преднапряжением;
усовершенствованы приближенные методы расчета сжатых элементов по несущей способности ("устойчивый прочности"), деформациям и тре-щиностойкости;
на основе обширных экспериментальных данных, полученных при участии автора, и привлечения данных других исследователей, а также по результатам большого массива численных экспериментов выполнен анализ особенностей работы сжатых элементов со смешанным армированием и комбинированным преднапряжением при различных режимах нагружения; анализ, в частности, позволил установить:
рациональное армирование и преднапряжение сжатых элементов в зависимости от соотношения их размеров, условий и режимов нагружения и др. факторов;
эффективность коротких колонн с предварительно сжатой арматурой,
«
колонн средней гибкости со смешанным армированием и комбинированным преднапряжением и колонн большой гибкости с предварительно растянутой
арматурой;
условия целесообразности неравномерного предварительного напряжения сечений;
значения эмпирических коэффициентов, используемых в расчетах ( Ю - учитывающий влияние преднапряжения при определении критической силы, $ , Ф , Ш , v - используемые при определении кривизн и др. характеристик) ;
соответствие расчетных предпосылок действительным условиям рабо
ты сжатых элементов и количественную статистическую оценку точности
предложенных зависимостей и методов расчета. .
Достоверность предложенных рекомендаций по выбору рационального смешанного армирования' и комби'ниро ванно го преднапряжения. сжатых железобетонных элементов, а также методов их расчета и проектирования обеспечена научной обоснованностью и высокими уровнями статистическо: надежности, полученными при обработке большого количества эксперимен тальных данных и результатов численного эксперимента при изменении в рьируемых факторов в весьма широком диапазоне.
Практическое значение и внедрение результатов работы. Разработа ные рекомендации позволяют в каждой конкретной инженерной задаче в з висимости от гибкости сжатых элементов, условий и режимов нагрукений и др. факторов установить оптимальное армирование, характер и уровен преднапряжения, т.е. запроектировать наиболее рациональный сжатый элемент. Предложенные методы расчета обеспечивают максимальный учет действительных условий работы сжатых элементов, предиетории их дефор мирования и режимов нагружения, что позволяет запроектировать конструкцию наиболее экономичной при заданной надежности. С этой целью составлена универсальная программа комплексного расчета сжатых элементов на ЭВМ, а для ручного расчета разработаны приближенные методь которые также обеспечивают достаточно высокую точность результатов.
Предложения автора использованы го многих нормативных документах негосударственного значения, к числу основных из них относятся:
СНиП 2.03.01-84 . Бетонные и железобетонные конструкции. Нормы эектирования. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989;
Пособие по проектированию преднапряженных железобетонных конег-. <ций из тяжелых и. легких бетонов (к СНиП 2.03.01-84). - М.: ЦИТП їстроя СССР, часть І, 1986;
Пособие по расчету статически неопределимых железобетонных кон-эукций. - М.: Стройиздат, 1993;
Рекомендации по проектированию бетонных и железобетонных конст-сций для жаркого климата. - М.<: НИМБ, 1988;
Рекомендации по учету изменения механических свойств бетона от ід варите льно го обжатия. - г. Ташкент: Госстрой Узб. ССР, 1985.
Кроме того результаты исследований автора использованы при сос-шении 8 региональных нормативных документов.
Разработаны "Технические решения. 2047-АС. Сборные железобетон-; предварительно напряженные панели перегородок для применения в іниях с каркасом по сериям ШС 20 и ИИС 04 и узлы их крепления", щряемые в системе территориального управления "Севосетинпромстрой". Расчетные предложения автора использованы'трестом "Оргтехстрой" Главсевкавстроя при разработке типовой серии стеновых панелей типа (шифр Г-6-8І-І0).
Разработано новое решение производственного здания с несущими :хслойными предварительно напряженными стеновыми панелями (к типо-іу проекту № 816-184).
Перепроектированы многие виды типовых колонн, что привело к су-твенной экономии арматуры.
Результаты исследований внедрены в учебный процесс в Ростовской ударственной академии строительства и архитектурном институте, в
8 Ташкентском строительном и др. институтах.
Апробация работы и 'публикации. Основные положения диссертации бликованы в 125 работах, в том числе в 14 книгах.
Материалы диссертации доложены и обсуждены на: Международной ' Конференции по строительству (Брно, 1989); IX Всесоюзной конференц по'бетону и железобетону:"Повышение эффективности и качества бетон железобетона"(Ташкент, 1983); X Всесоюзной конференции по бетону и лезобетону:"Бетон и железобетон - ресурсо- и энергосберегающие кон рукции и технологии (Казань, 1988); Всесоюзном координационном сов щании:"Преднапряженные конструкции со смешанным армированием" (Мое 1987); Всесоюзном координационном совещании:"Влияние климатических условий и режимов йагружения'.на деформации и прочность конструктив бетонов и элементов железобетонных конструкций" (Тбилиси, 1985); Е союзном координационном совещании:"Учет физической и геометрическо нелинейности в расчетах железобетонных стержневых статически неопр делимых конструкций" (Ростов н/Д, 1985); Всесоюзном координационно совещании:"Прочность сжатых железобетонных элементов с высокопрочн арматурой" (г. Свердловск, 1986); Всесоюзном координационном совет нии:Эффективные виды арматурных сталей и технология их применения железобетонных конструкциях" (г. Волгоград,1982); Республиканской учно-технической конференции:"Совершенствование железобетонных кок рукций, работающих на сложные виды деформаций, и их внедрение в сї ительную практику" (г.Полтава,1989); Научно-технических конференції Ростовского инженерно-строительного и архитектурного институтов, 1 кентского и Новополоцкого политехнических институтов, Кабардино-Бг карского госуниверситета, Ростовского ПромстройНИИпроекта, hhcthtj СевкавНЙПИагропром, Ростовского областного НТО Стройиндустрии.
Диссертационная работа выполнялась в период с 1980 по 1994 п е Ростовском государственном архитектурном и Ростовском инженерно-
«
:троительном институтах, а также в Ростовском ПромстройНИИпрсекте. В экспериментальных исследованиях по рассматриваемой проблеме при научном руководстве и непосредственном участии автора принимали также участие 16 российских и иностранных аспирантов - В.Л. Меди-гский, А.Г. Азизов, В.К. Осипов, Н.Ж. Сухайль, В.Н. Бойцов, В.Е. Іубаров, С.С. Хасанов, Ахмед Аббуд, А.А. Ходжаев, М. Хеццие, А.П. Соробкин.-Аман Маамун, Халиль Абдель Хаким, Кетуко Акбей, А.Д. Гел іерман, В.В. Бродский.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из 554 страниц машинописного текста, таблиц 116 стр., рисунков 231 шт. , списка гатературы (424 названий) 47 стр., приложения 71 стр.
Диссертация состоит из введения, девяти глав, основных выво-ірвдов, списка литературы и приложений (буквенных обозначений, алгоритмов расчетов, данных математического планирования эксперимен-?ов и статистических показателей, актов о внедрении результатов юследований).