Содержание к диссертации
Введение
1. Конструктивные решения и методы расчета реконструируемых железобетонных конструкций 16
1.1. Конструктивные решения усиления железобетонных конструкций 16
1.2. Методы расчета, теоретические и экспериментальные исследования усиленных железобетонных конструкций 28
1.3. Оценка предыстории нагружения железобетонных конструкций при реконструкции объектов 56
1.3.1. Силовое сопротивление материалов 56
1.3.2. Влияние режима и длительности нагружения на прочность материалов 62
1.4. Выводы. Цели и задачи исследований 69
2. Экспериментальные основы оценки безопасности реконструированных железобетонных конструкций и конструктивных систем 72
2.1. Концепция и методология экспериментальных исследований 72
2.2. Цели и задачи экспериментальных исследований 76
2.3. Прочность и деформативность внецентренно сжатых усиленных железобетонных элементов при кратковременном нагружении 81
2.3.1. Объем эксперимента. Конструкция опытных образцов 81
2.3.2. Прочностные и деформативные характеристики бетона и арматуры ... 92
2.3.3. Результаты исследования прочности и деформативности внецентренно сжатых элементов при кратковременном нагружении 104
2.4. Напряженно-деформированное состояние внецентренно сжатых усиленных элементов при длительном нагружении 143
2.5. Напряженно-деформированное состояние конструктивных систем при
реконструкции 151
2.6. Анализ результатов экспериментальных исследований. Выводы 169
3. Факторы повреждений и режимного нагружения железобетонных конструкций 170
3.1. Оценка повреждений железобетонных конструкций 170
3.1.1 .Силовые повреждения 170
3.1.2. Коррозионные повреждения бетона 178
3.1.3. Коррозионные повреждения арматуры 191
3.1.4. Напряженно-деформированное состояние бетона околоарматурной зоны при коррозионном повреждении 198
3.2.Оценка технического состояния строительных конструкций на основе малого объема экспериментальных данных 210
3.2.1.Использование метода приведенных распределений для построения и идентификации вероятностных моделей 210
3.2.2.Оценка технического состояния строительных конструкций по ограниченному объему экспериментальных данных 218
3.3. Выводы 226
4. Конструктивная безопасность реконструированного железобетона 228
4.1. Силовое сопротивление поврежденного железобетона 228
4.1.1. Общие предпосылки 228
4.1.2. Прочность и жесткость сечений железобетонных элементов пораженных коррозией 236
4.2.Оценка конструктивной безопасности реконструированного железобетона 246
4.3. Выводы 259
5. Реконструкция железобетона 263
5.1 .Исходные предпосылки и допущения 263
5.1.1 .Диаграмма напряжения-деформации для бетона и арматуры 266
5.1.2.Уравнение механического состояния бетона 286
5.2.Усиление железобетонных конструкций 292
5.2.1.Метод расчета напряженно-деформированного состояния железобетонного стержня при коррозионных повреждениях стержня 292
5.2.2. Прочность и деформативность усиленного железобетонного стержня 300
5.3.Алгоритмы и анализ напряженно-деформированного состояния усиленных железобетонных элементов 310
5.3.1. Напряженно-деформированное состояние элемента до усиления 310
5.3.2. Напряженно-деформированное состояние усиленного элемента 322
5.3.3.Анализ прочности и деформативности усиленных железобетонных элементов 333
5.4.Выводы 355
6. Инженерный метод расчета железобетонных конструкций реконструированных зданий и сооружений 357
6.1. Общие положения 357
6.2 Расчет усиливаемых железобетонных конструкций 363
6.3. Практические рекомендации по проектированию реконструированных железобетонных элементов 388
6.4. Выводы 393
Основные результаты и общие выводы 394
Список литературы 398
- Влияние режима и длительности нагружения на прочность материалов
- Прочностные и деформативные характеристики бетона и арматуры
- Напряженно-деформированное состояние бетона околоарматурной зоны при коррозионном повреждении
- Прочность и деформативность усиленного железобетонного стержня
Введение к работе
Актуальность работы. Значительную часть конструктивных систем зданий и сооружений составляют железобетонные конструкции с длительными сроками эксплуатации. Современная тенденция в инвестиционной политике на техническое перевооружение и переориентацию существующих производств обусловила опережающие темпы роста объемов реконструкции объектов промышленности, жилищного и коммунального хозяйства в сравнении с новым строительством. Такого рода перепрофилирования объектов, как правило, сопровождается изменением величины и характера воздействия полезной нагрузки на строительные конструкции.
Эксплуатация железобетонных конструкций в условиях агрессивных сред, температурных воздействий и так далее, так же приводят к увеличению объемов работ по их восстановлению и усилению.
В последние годы обозначена проблема восстановления эксплуатационных параметров железобетонных конструкций поврежденных в результате природных или техногенных аварий и катастроф, а так же железобетонных конструкций незавершенных объектов со значительным сроком климатических воздействий.
В результате усиления конструкций и конструктивных систем образуется самостоятельный класс железобетонных конструкций - реконструируемый железобетон. Реконструируемый железобетон отличают следующие особенности:
- работа в составе конструкций бетонов с различными прочностными и деформативными свойствами, при наличии в одном из бетонов повреждений силового и не силового (температурного, влажностного, коррозионно-агрессивного) характера;
наличие в усиливаемом элементе напряженно-деформируемого состояния, обусловленного предысторией нагружения;
влияние технологических воздействий при проведении работ по усилению на напряженное состояние усиливаемого элемента, а так же в целом усиленной конструкции;
многообразие конструктивных решений усиления железобетонных конструкций;
изменение граничных условий и трансформация внутренних и внешних связей до и после осуществления усиления;
- адаптация конструкций и конструктивных систем к внешним воздейст
виям;
- трансформация конструктивных систем зданий и сооружений в про
цессе эксплуатации и в результате усиления.
В настоящее время особенности реконструированного железобетона при проектировании усиления железобетонных конструкций учитываются весьма условно. Так в СНиП 2.03.01-84* даны самые общие указания по расчету и конструированию железобетонных конструкций при реконструкции зданий и сооружений, фактически не учитывающие ни одной из указанных особенностей реконструированного железобетона.
Правильная оценка и учет особенностей реконструированного железобетона возможны при решении узловых вопросов:
выявление механизмов механических, физических и химических силовых и не силовых повреждений материалов и конструктивных систем, совершенствования теории износа и накопления повреждений железобетона;
создание систем мониторинга за длительным поведением и долговечностью усиленных железобетонных конструкций;
оценка конструктивной безопасности конструкций и конструктивных систем с учетом предыстории нагружения объекта и эволюции статики рас-
сматриваемых конструкций и их адаптации к внешним факторам, эволюции граничных условий, возможности частичного или полного выключения связей;
оценка технологических воздействий при выполнении усиления конструкций на напряженное состояние объекта;
выбор критериев при оптимизации технических решений при усилении конструкций и реконструкции зданий;
разработка теории безопасности реконструированного железобетона.
Решению отдельных вопросов оценки ресурса и проектирования усиления железобетонных конструкций посвящены работы Д.О. Астафьева, В.М. Бондаренко, СВ. Бондаренко, А.В. Боровских, Г.А. Гениева, А.С. Залесова, В.А. Клевцова, В.И. Колчунова, B.C. Плевкова, Т.М. Пецольда, А.И. Попеско, В.И. Римшина, Р.С. Санжировского, А.Л. Шагина и других.
Между тем, разработка единой теории реконструированного железобетона только начата.
Для комплексного учета всех особенностей реконструированного железобетона предлагается следующая иерархия объектов исследования:
материалы,
элементы конструкций,
конструкция,
конструктивная система.
При исследовании материалов с точки зрения теории реконструированного железобетона необходимо разработать единую методику оценки сопротивления железобетона силовым и не силовым воздействиям, оценить прочность и деформативность поврежденных материалов.
Усиленную железобетонную конструкцию составляют: усиливаемая конструкция, элемент усиления и система связей, объединяющая их в единую конструкцию. Для данного объекта исследования оценивается влияние предыстории нагружения на напряженно-деформированного состояния усиливае-
мого элемента, влияние технологических воздействий при усилении конструкции, влияние степени податливости связей на перераспределение внутренних усилий между частями конструкций.
Для конструкций исследуется прочность и жесткость, механизм включения в работу составного сечения элемента усиления, внутренняя статическая неопределимость, параметры конструктивной безопасности.
Оценка безопасности конструктивных систем включает все факторы, выявленные для первых трех уровней объектов исследования, а так же конструктивную нелинейность систем, степень статической неопределимости и наличие выключающихся и односторонних связей, возможность силовой при-спосабливаемости систем, выбор критериев оптимизации технических решений усиления конструкций, вероятностная оценка безопасности реконструированных систем.
Особую значимость в теории реконструированного железобетона приобретает проблема учета предыстории нагружения конструкций с позиции оценки временных процессов их деформирования, возрастного износа материалов, повреждений и накопления повреждений за время эксплуатации, режима нагружения и режимного изменения напряженно-деформированного состояния. Особая значимость данной проблемы обусловлена тем, что предыстория нагружения усиливаемого железобетонного элемента определяет начальные граничные условия для проектирования усиления. Установлено, что прочность бетона к моменту оценки силового сопротивления конструкций зависит от знака, уровня, режима и продолжительности предшествующего нагружения, статическое обжатие образцов в пределах сохранения сплошности структуры бетона повышает прочность бетона, а за этими пределами снижает ее, одновременное вибрационное пригружение может сместить, усилить или ослабить указанный эффект в зависимости от возраста бетона, частоты и амплитуды ди-
намических нагружении, динамические нагружения снижают жесткость и повышают деформативность конструкций и в целом сооружений. Научную новизну работы составляют:
1. Обобщающая теория реконструированного железобетона, учитываю
щая предысторию нагружения, совместность действия силовых и средовых
факторов, физическую, геометрическую и конструктивную нелинейности при
кратковременном и длительном действии нагрузки, включающая новые поло
жения:
метод оценки нелинейных свойств бетона с применением обобщенного модуля деформаций, зависящего от уровня напряженного состояния и модуля деструктивных изменений, отражающего реологические уравнения бетона;
экспериментально обоснованные критерии прочности и деформатив-ности реконструированного железобетона с использованием полной диаграммы бетона и решение задачи определения напряженно-деформированного состояния рассматриваемого класса конструкций для различных вариантов нагружения;
модель и метод оценки напряженно-деформированного состояния бетона околоарматурной зоны при коррозионных повреждениях железобетонных конструкций;
2. Экспериментальные данные о прочности, деформативности и трещи-
ностойкости реконструированных железобетонных конструкций, полученные
комплексными испытаниями статически определимых и неопределимых эле
ментов при кратковременном и длительном нагружении, при различных видах
конструктивного исполнения, в зависимости от технологических и эксплуата
ционных факторов, а так же с учетом эволюции статических схем в процессе
эксплуатации.
3. Метод определения конструктивной безопасности железобетонных
конструкций по первой и второй группам предельных состояний с учетом
влияния предыстории нагружения, накопления силовых и средовых повреждений, конструктивной нелинейности. Рекомендации по повышению ресурса конструктивной безопасности при проектировании усиления железобетонных конструкций.
Предложения и метод оценки технического состояния строительных конструкций зданий и сооружений на основе малого объема экспериментальных данных.
Предложения и алгоритмы расчета реконструированных железобетонных конструкций с учетом силовых и средовых повреждений, факторов нелинейности и наследственности, режимности нагружения, технологических воздействий при выполнении усиления.
Результаты многовариантных численных исследований прочности и деформативности реконструированных железобетонных конструкций при кратковременном и длительном действии нагрузок.
Долговечность, продление и восстановление эксплуатационных параметров конструкций подверженных силовым, температурно-влажностным, агрессивным, возрастным воздействиям - многомерная проблема.
Развитие теории реконструированного железобетона, учитывающей предысторию нагружения конструкций, физическую и конструктивную нелинейности, влияние технологических воздействий, как на стадии проектирования реконструкции объектов, так и при эксплуатации реконструированных объектов является самостоятельным научным направлением, имеющим важное теоретическое и практическое значение.
Настоящая работа посвящена исследованию, разработке методов технического состояния строительных объектов, расчета реконструированных железобетонных конструкций в условиях силового и коррозионного повреждений направлена на повышение надежности, долговечности, восстановление и усиление сопротивления железобетонных конструкций.
Цель работы - развитие теоретических основ конструктивной безопасности реконструируемого железобетона, практических методов рационального проектирования усиления железобетонных конструкций и конструктивных систем на основе экспериментально-теоретических исследований с учетом свойств материалов, трансформации конструктивных систем, технологических воздействий, износа и повреждений, режимности нагружения.
Реализация результатов работы позволит решить научную и практическую проблему безопасности и экономически эффективного проектирования реконструкции зданий и сооружений, а также достоверной оценки уровня конструктивной безопасности реконструированного железобетона.
Автор защищает:
теоретические предпосылки и метод расчета реконструируемых железобетонных конструкций с использованием деформационной физической модели при кратковременном и длительном действии нагрузки;
результаты комплексных экспериментальных исследований статически определимых и неопределимых железобетонных конструкций, моделирующих реконструируемый железобетон при длительном и кратковременном нагружении с учетом влияния технологических факторов, конструктивной нелинейности, предыстории нагружения;
выявленные закономерности и результаты обработки и обобщения статистических данных по оценке влияния различных факторов и их сочетаний на напряженно-деформированное состояние реконструируемых железобетонных конструкций и конструктивных систем;
практические методы оценки силового сопротивления железобетонных конструкций, подверженных коррозионным воздействиям и обобщенные параметры деструктивных процессов силового повреждения бетона при коррозионных повреждениях;
экспериментально обоснованный метод оценки и учета влияния технологических воздействий при выполнении усиления на напряженно-деформированное состояние усиленной конструкции;
модель силового сопротивления околоарматурной зоны бетона железобетонной конструкции при коррозионном повреждении;
метод оценки конструктивной безопасности реконструированных железобетонных конструкций;
модель мониторинга технического состояния конструкций строительных объектов на основе ограниченного объема экспериментальных данных;
результаты численных исследований и сопоставительного анализа напряженно-деформированного состояния реконструированных железобетонных конструкций;
инженерный метод и эффективные алгоритмы расчета прочности и деформативности железобетонных конструкций при усилении и восстановлении и практические рекомендации по проектированию реконструированных железобетонных конструкций.
Достоверность и обоснованность положений и выводов подтверждается данными многофакторных экспериментальных исследований, согласованностью с основными законами и положениями теории железобетона, результатами численных исследований, эксплуатационной пригодностью запроектированных усиленных железобетонных конструкций в соответствии с предложениями и рекомендациями данной работы.
Практическое значение работы заключается в решении научной проблемы разработки теоретических основ и положений теории безопасности реконструируемых железобетонных конструкций, в разработке практических способов проектирования усиления и восстановления железобетонных конструкций.
Реализация работы. Использование результатов работы при проектировании усиления и восстановления железобетонных конструкций, при оценке ресурса безопасности эксплуатируемых конструкций адекватно оценивает влияние предыстории нагружения, конструктивную нелинейность, что снижает материалоемкость проектных решений.
Результаты настоящих исследований применены при разработке проектов реконструкции, усиления и восстановления зданий и сооружений, в том числе: усиление междуэтажного перекрытия административно-бытового корпуса типографии "Курск"; реконструкция корпусов Курского государственного медицинского университета; усиление междуэтажных перекрытий корпуса №11 и восстановление железобетонного резерва ОАО "Прибор" (г. Курск); усиление аварийного монолитного железобетонного перекрытия холодильника №2 ОАО "Курскрыба"; усиление железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в агрессивных условиях производственных корпусов ОАО "Ай Си Эн Лексредства" (г. Курск), а также в работах по оценке технического состояния и по определению остаточного ресурса строительных конструкций объектов АОЗТ "Курский завод Аккумулятор", ФГУП "Курская биофабрика", ЗАО "Курскрезинотехника" и др., а также внедрены в учебный процесс Курского и Орловского государственных технических университетов, Брянского государственного технологического университета. Результаты исследований и предложенные в работе методы расчета включены в рабочие программы общего и специального курсов дисциплины "Железобетонные конструкции", дисциплины "Реконструкция зданий и сооружений".
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и опубликованы в трудах научных конференций: Всероссийская конференция "Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции" (г. Чебоксары, 2001г.); Международная научно-практическая конференция "Эффективные строительные конструкции: теория и практика" (г. Пенза, 2002г.); На-
учно-практическая конференция "Энерго- и ресурсосбережение при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений" (Орел, 1999г.); международная научно-техническая конференция "Эффективные строительные конструкции: теория и практика" (Пенза, 2002г.); Международные академические чтения "Новые энергосберегающие архитектурно-конструктивные решения жилых и гражданских зданий" (Орел, 2003г.); III Международные академические чтения "Проблемы обеспечения безопасности строительного фонда России" (Курск, 2004г.); Международная научно-практическая конференция "Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов" (Йошкар-Ола, 2004г.).
Работа выполнена в Курском государственном техническом университете и осуществлялась по ряду научно-исследовательских программ Министерства общего и профессионального образования РФ; по межвузовским научно-техническим программам "Архитектура и строительство" и "Строительство"; по региональной научно-технической программе "Строительство".
В исследованиях под руководством автора принимали участие аспиранты В.М. Дворников, А.В. Татаренков, М.В. Лысых, Е.Г. Пахомова, К.А. Половцев.
Работа выполнена при научных консультациях заслуженного деятеля науки и техники России, академика РААСН, доктора технических наук, профессора В.М. Бондаренко, которому автор выражает глубокую признательность.
Основные положения диссертации опубликованы в 33 научных работах.
Структура и объем работы.
Во введении обосновывается актуальность и направления исследований, определяется область применения полученных результатов.
В первой главе приведен краткий обзор конструктивных решений усиления железобетонных конструкций, существующих методов проектирования усиления железобетонных конструкций, экспериментальных исследований, а
так же анализ учета предыстории нагружения и оценки безопасности реконструированного железобетона. На основе этого обзора и анализа сформулированы цель и задачи исследований.
Во второй главе приведены постановка задач экспериментальных исследований, методология и методика их решения, результаты экспериментальных исследований усиленных под нагрузкой железобетонных элементов при различных режимах нагружения.
В третьей главе формируются основы теории реконструированного железобетона, оценка силового сопротивления железобетона с учетом наличия силового и коррозионного повреждения бетона и арматуры, предложена методика оценки технического состояния строительных конструкций на основании ограниченного объема экспериментальных данных.
В четвертой главе разработана обобщающая методика расчета реконструированного железобетона с учетом предыстории и режимности эксплуатации.
В пятой главе сформулированы основы конструктивной безопасности реконструированного железобетона, разработан метод оценки ресурса железобетонных конструкций с учетом силовых и средовых воздействий.
В шестой главе разработаны инженерный метод расчета и практические рекомендации по проектированию реконструированных железобетонных конструкций.
Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 372 наименований и приложений. Работа изложена на 436 страницах текста, 86 рисунков, 58 таблиц.
1. КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА РЕКОНСТРУИРУЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Влияние режима и длительности нагружения на прочность материалов
Особенностью усиленных конструкций является совместная работа бетонов с различными прочностными и деформативными характеристиками, при этом необходим учёт истории нагружения и нелинейности деформирования усиливаемой части. Этими факторами определяются ряд специфических вопросов расчёта этих конструкций, а именно: обеспечение прочности контакта бетонов; учёт различий деформации ползучести и усадки "старого" и "нового" бетонов; влияние истории нагружения предшествующей эксплуатации "старой" конструкции на деформативность и трещиностойкость всей конструкции; перераспределение внутренних усилий между "старым" и "новым" бетонами, между бетонами и арматурой; учёт нелинейности деформирования усиленной конструкции.
Практикой проектирования выдвигаются задачи расчёта деформаций железобетонных конструкций на стадиях проектной нагрузки и на стадиях, близких к разрушению. Это требует перехода к расчёту конструкций по деформируемой схеме. Вследствие проявления пластических деформаций бетона возможны значительные перемещения конструкций и их элементов, которые могут привести к изменению расчётных схем, увеличению эксцентриситета продольной силы, что в свою очередь может существенно повлиять на работу всего сооружения. Поэтому при расчёте железобетонных конструкций как по первой, так и по второй группам предельных состояний необходимо определять перемещения и деформации на всех стадиях работы вплоть до подхода к разрушению. Для усиленных конструкций эти расчёты осложняются тем, что различие в деформативных свойствах "старого" и "нового" бетонов существенно влияет на напряжённо-деформированное состояние данных конструкций.
Большинство усиливаемых конструкций работают на стадиях близких к разрушению, то есть бетон конструкции работает в пластической стадии. По-этому при расчёте необходимо учитывать неупругие свойства бетона, нелинейный характер мгновенных деформаций и деформаций ползучести.
Важным обстоятельством является проведение работ по усилению конструкций без остановки основного производства, т. е. выполнение работ проводят под существующими нагрузками. В источниках [206, 207, 278, 279, 280, 281] указывается на желательность проводить работы без разгрузки или с неполной разгрузкой усиливаемых конструкций. Однако выполнение этих рекомендаций натыкается на вопрос не разработанности достоверной единой методики расчёта конструкций. Существует множество различных предложений по расчёту усиливаемых конструкций [1, 11, 13, 14, 15, 16,36,52,54,79,91, 116, 131, 137, 138, 161,237, 241, 244, 245, 259, 267, 279, 283, 284, 288, 297, 301, 302, 303, 304, 307, 308, 338]. Опираясь на проведённый анализ этих источников все предложения по расчёту можно условно разделить на пять групп: 1. расчёт усиленной конструкции производится как единой, при этом вводятся коэффициенты, которые учитывают напряжения, имеющиеся в элементе до усиления; 2. расчёт усиленной конструкции производится как единой, при этом вводятся коэффициенты, которые учитывают способы передачи нагрузки на обойму; 3. расчёт производится по формулам, являющимися модифицированными формулами СНиП 2.03.01-84 «Бетонные и железобетонные конструкции» [304], в которых учёт усиления под нагрузкой или с частичным разгружением производится с помощью экспериментальных коэффициентов условий работы; 4. расчёт производится для отдельно взятого элемента с учётом нелинейности деформирования и истории нагружения; 5. расчёт выполняется для стержневой конструкции в целом. К первой группе можно отнести работу СТ. Захарова [115, 116]. Согласно этим предложениям несущая способность усиленной колонны должна определяться с помощью формул СНиПа 2-21-75. При этом начальные напряжения, имеющиеся в колонне до усиления, учитываются путём поправочных коэффициентов. Данные коэффициенты не зависят от того, как осуществлялось усиление: под нагрузкой или с частичным разгружением колонны. Ко второй группе расчётов можно отнести "Рекомендации по усилению монолитных железобетонных конструкций зданий и сооружений предприятий горнодобывающей промышленности" [282]. Согласно [282] расчёт железобетонных обойм производят из условия: N ni(p(RbAb + RSAS + mbRbAb + R"SA"S), (1.1) где N - предельная продольная сила; Ab, Rb - площадь и расчётное сопротивление бетона осевому сжатию усиливаемой железобетонной колонны; А ь, Rb - площадь и расчётное сопротивление бетона осевому сжатию усиливающей обоймы; As, Rs - площадь сечения и расчётное сопротивление осевому сжатию продольной арматуры; R s, A s - площадь сечения и расчётное сопротивление осевому сжатию дополнительной арматуры; ср - коэффициент продольного изгиба; m - коэффициент, равный 1 при h 20 см и 0,9 при h 20 см; mb - эмпирический коэффициент условия работы бетона. Он равен 1 - при передаче нагрузки на обойму и наличии опоры снизу; 0,7 - при отсутствии опоры снизу; 0,35 - без непосредственной передачи нагрузки на обойму. При расчёте внецентренно сжатых элементов с большими эксцентрисите-тами способом наращивания бетона определяют величину A s - площади необходимой дополнительной арматуры в растянутой зоне. Величина наращивания d - задаётся. Расчётная схема приведена на рис. 1.2.
Прочностные и деформативные характеристики бетона и арматуры
Результаты эксперимента показали, что предварительная нагрузка на усиливаемый железобетонный элемент, не превышающая 60% от разрушающей, не оказывает существенного влияния на общую несущую способность колонн, усиленных обоймами. Отсутствие насечки боковых поверхностей элементов не снижает их общую несущую способность и не оказывает существенного влияния на совместную работу усиливаемого элемента и обоймы.
В работе Бикбова Р.Х. [36] предложена методика, программа и основные результаты оценки прочности и деформативности усиленных железобетонных балочных конструкций при кратковременном и длительном действии нагрузки, выявлен характер влияния предшествующей нагрузки на прочность и деформа-тивность комбинированных балок, оценено их влияние на резерв несущей способности.
Для решения сформулированных задач разработаны и изготовлены две серии опытных образцов: первая серия - для исследования свойств сталеполи-мербетонных балок, вторая серия - для исследования железобетонных балок, усиленных армополимербетонными обоймами. В первом случае были изготовлены 5 сталеполимербетонных предварительно напряженных балок (Б-1-1н, Б-1-2, Б-1-3, Б-1-4, Б-1-5) с размерами 300x650x6280 мм.
Армирование балок осуществлялось двумя предварительно напряженными стержнями 018 А-Ш классов AT-V и A-IV и продольной ненапрягаемой арматурой 012 А-Ш. Ненапрягаемая арматура объединялась в пространственные каркасы, которые располагались в крайних третях сталеполимербетонных балок.
Одновременно с балками были изготовлены из полимербетона контрольные кубы размерами 7x7x7 см и 10x10x10 см, а также полимербетонные призмы размерами 7x7x28 см и 10x10x40 см. Преднапряжение стержней осуществлялось в два этапа: первый этап - напряжение арматуры до уровня 0,5asp, второй - натяжение её до расчётной величины стзр. Бетонирование балок выполнялось через двое суток после натяжения арматуры. Испытание сталеполимербе-тонных балок производилось в возрасте от трех до шести месяцев. Перед испытанием на поверхность полимербетона балок в зоне чистого изгиба были установлены тензодатчики сопротивления с базой 50 мм. В зоне чистого изгиба для измерения продольных деформаций устанавливались также индикаторы деформаций часового типа.
Для исследования прочности и деформативности железобетонных балочных конструкций, усиленных армополимерными обоймами под нагрузкой, изготовлены и испытаны 8 балок с опалубочными размерами 90x150x1200 мм, армированные одним сварным каркасом с продольной арматурой 012 АШ. В начале балки оборачивались в три слоя дисперсной проволочной сварной сеткой 14/14/0,7/0,7 мм, причем под первый слой дополнительно закладывались со стороны растянутой при нагружении балок грани пять арматурных стержней 03Вр-1.
Балки размещались в раме стенда и после подключения измерительной аппаратуры подвергались испытанию сосредоточенной поперечной нагрузкой.
Исследования образцов показали, что восстанавливать и увеличивать несущую способность железобетонных балок с помощью армополимербетонных обойм представляется возможным в весьма широких пределах в зависимости от назначаемой толщины обоймы и количества сопряженной с ней дополнительной арматуры. Количество этой арматуры лимитируется только предельным значением высоты сжатой зоны бетона.
Наличие начальных трещин в бетоне усиливаемых балок при устройстве армополимербетонных обойм почти не снижает их несущей способности, но существенно (в среднем на 20%) увеличивает их деформативность. Деформа-тивность композита, составляющего балку, определяется секущими модулями деформации отдельных материалов (бетона, стали, полимербетона) на данном уровне загружения. Эффект повышения несущей способности балок при устройстве армополимербетонных обойм не уменьшается при устройстве обойм на загруженных и эксплуатируемых балках, в том числе имеющих трещины.
При устройстве обойм под нагрузкой обнаруживаются быстро протекающие явления значительного (в приведенных опытах - более 50%) падения напряжений в бетоне и изначальной арматуре, которые, тем не менее, следует отнести к реологическим факторам, поскольку разгрузка бетона и старой арматуры продолжается (затухающим образом) с течением времени. Наличие поперечных в сечениях балки (при отсутствии зон чистого изгиба) почти не влияет на их несущую способность по изгибающему моменту и на деформационные свойства материала.
Значительный объем экспериментальных исследований железобетонных рам, усиленных под нагрузкой, выполнен в Санкт-Петербургском архитектурно-строительном университете под руководством Р.С. Санжаровского и Д.О. Астафьева [297].
В экспериментах ставилась задача усиления колонн без предварительного разгружения. Для усиления использованы заранее изготовленные железобетонные элементы прямоугольного сечения длиной равной высоте усиливаемой колонны. При моделировании в условиях эксперимента усиления железобетонных рам односторонним либо двусторонним наращиванием, готовые элементы усиления прикладывались к колоннам и закреплялись с помощью металлических хомутов устанавливаемых по высоте колонны. Шаг установки хомутов выбирался из условия равенства гибкости усиленной колонны и наименьшей гибкости участка элемента усиления между двумя соседними хомутами.
Было испытано 4 серии рам: 1. две серии - при сочетании вертикальной и горизонтальной нагрузок и усилении односторонним наращиванием в том числе: - серия 1У (2 рамы) - горизонтальная нагрузка равнялась 1% от величины одной из двух равных вертикальных сил (Т=0,01Р); - серия 2У (2 рамы) - горизонтальная нагрузка равнялась 2% от величины одной из двух равных вертикальных сил (Т=0,02Р); 2. две серии - при сочетании вертикальной и горизонтальной нагрузок, и усилении рам двусторонним наращиванием в том числе: - серия ЗУ (3 рамы) - горизонтальная нагрузка равнялась 1% от величины одной из двух равных вертикальных сил (Т=0,01Р); - серия 4У (3 рамы) - горизонтальная нагрузка равнялась 2% от величины одной из двух равных вертикальных сил (Т=0,02Р). Усиление всех рам производилось при нагрузке 80 кН (8 тс), что составляло для рам серий 1У и ЗУ 56% от экспериментально определенной критической нагрузки, для соответствующих неусиленных рам, для рам серий 2У и 4У -59%. Проведенные экспериментально-теоретические исследования позволяют судить о различии состояний наиболее напряженных сечений рамы в предкри-тической стадии. Так, неусиленные рамы загруженные только вертикальной нагрузкой теряют устойчивость при деформациях в наиболее напряженном волокне бетона, больших деформаций соответствующих точке максимума графика а-г, но меньших предельных значений ек. Напряжения в арматуре меньше предела текучести. Неусиленные рамы при горизонтальной нагрузке равной 0.0IP, теряют устойчивость при текучести наиболее сжатой арматуры и деформациях в наиболее сжатом волокне бетона, превышающих предельные значения.
Напряженно-деформированное состояние бетона околоарматурной зоны при коррозионном повреждении
Особый интерес представляет картина развития деформаций экспериментальных образцов после добетонирования (см. рис. 2.15). На 12 сутки после добетонирования деформации сборного элемента восстановились на величину 20% от деформации на момент добетонирования.
Изменения свойств бетона сборного элемента от увлажнения происходит в начальный период добетонирования при действии нагрузок на период строительства и до приобретения монолитным бетоном заданной прочности. В сборно-монолитных конструкциях с применением предварительно-напряженных сборных элементов и в усиливаемых под нагрузкой конструкциях деформации набухания могут изменить напряженное состояние и деформации конструкции в целом. Напряжения в бетоне сборного элемента и потери преднапряжения в арматуре в начальный период добетонирования изменяются (уменьшаются) вследствие набухания бетона, в последующем деформации набухания будут восстанавливаться, но усилие обжатия будет действовать уже в сечении сборно-монолитной конструкции, так как набор проектной прочности дополнительно уложенным бетоном (через 28 суток) произойдет намного раньше, чем усадка дополнительного бетона нивелирует деформации набухания бетона сборного элемента. Такая схема изменения конструкции в стадии изготовления осложняет оценку напряженно-деформированного состояния сборного элемента.
Экспериментальные исследования подтвердили предположение о значительном влиянии набухания бетона на напряженно-деформированное состояние сборного предварительно напряженного элемента и на потери преднапряжения арматуры. Величина первых потерь, определенная по деформации напрягаемой арматуры, составила 50...60 МПа, потери преднапряжения от усадки и ползучести бетона - 57...70 МПа. При добетонировании отмечены деформации набухания бетона (12...20)х10"5, что снижает потери преднапряжения на 25.. .40 МПа.
При сравнении прочностных и деформативных характеристик после усиления образцов серий СК-3, СД-3 и Н-3 с образцами серий СК-4 можно предположить, что величина изменения деформаций напряжённых бетонов зависит от площади поверхности соприкосновения двух бетонов (площадь контакта бетонов образцов серии К-3 в 2,5 раза больше площади контакта образцов серий СК-4), от напряжений, действующих в бетоне и от прочности бетона на сжатие.
После обжатия кривизна преднапряженных элементов увеличивается в зависимости от усилия преднапряжения и эксцентриситета приложения нагрузки от каната в сечении элемента. После укладки бетона усиления для всех серий образцов происходит уменьшение кривизны, что является следствием набухания "основного" бетона из-за его увлажнения от дополнительно уложенного бетона. Для опытных образцов серии СК-4-1...4 на второй день кривизна уменьшилась на 7,4 %, для образцов серий СК-4-5...10 - на 10 %, для образцов серии СК-3 на 12-ый день кривизна уменьшилась на 8 %, для СД-3 - на 7,5 % и для Н-3 - на 10 % по отношению к кривизне этих конструкций до добетонирования, то есть при отсутствии воздействия воды в сжатой зоне бетона. В предварительно напряженных конструкциях основную часть потерь предварительного напряжения составляют потери, вызванные усадкой и ползучестью бетона. Существует ряд методик для определения этих потерь [21, 98,248,304,331]. В [98] предложено определять величину потерь преднапряжения от усадки и ползучести (ап) для арматуры нижней зоны изгибаемых элементов с учётом замеренных в опыте деформаций арматуры (є5) от упругого обжатия бетона и его неупругих деформаций, а также с учётом остаточного напряжения в бетоне (сть) на уровне арматуры по формуле: В случае расположения напрягаемой арматуры в зоне сечения, сжатой внешней нагрузкой, не происходит снижения потерь от усадки и ползучести бетона на величину Пьхсть, так как деформации образца от внешней нагрузки развиваются теперь в том же направлении, что и при обжатии. Потери от усадки и ползучести для арматуры сжатой зоны определяем по формуле: В этой работе вследствие набухания "сборного" бетона от увлажнения при усилении будет иметь место снижение потерь преднапряжения. При определении потерь считали, что деформации усадки равны нулю (таблица 2.19). Для образцов серии СК-4-1...4 напряжения оь (таблица 2.19) составили 2,9 МПа, для образцов серий СК-4-5...10 - 3,85 МПа, для образцов серий СК-3, СД-3 и Н-3 в среднем составили 16,6 МПа. В таблице 2.20 представлены опытные потери предварительного напряжения от усадки и ползучести бетонов во времени средние по сериям. Кратковременные испытания начали проводить с момента, когда возраст "сборного" бетона составлял 56 суток, бетона усиления - 28 суток. В процессе кратковременных испытаний определяли несущую способность опытных образцов, прогибы, распределение продольных деформаций по высоте сечения и величину предельной сжимаемости бетона. Разрушающая нагрузка Np, предельные деформации сжатия сборного и монолитного бетонов Ebu, деформация растяжения арматуры ss и прогибы / испытываемых образцов представлены в таблице 2.21. Значительное влияние на деформативность усиленного элемента оказывает эксцентриситет приложения продольной нагрузки. На рис. 2.19 и 2.20 представлены графики изменения прогибов в зависимости от e0/h для серий СК-4 и СК-3. Для серии СК-4-1...4 при изменении относительного эксцентриситета с 0,17 до 0,25 прогибы увеличились в 1,05-1,13 раза, для СК-4-5...10 при изменении e0/h с 0,17 до 0,25 - в 1,07-1,19 раза, а при изменении e0/h с 0,25 до 0,31 - в 1,11-1,29 раза, для СК-3 при изменении величины e0/h с 0,06 до 0,17 прогибы увеличились в 1,77 - 2,29 раза.
Прочность и деформативность усиленного железобетонного стержня
В основу алгоритма положен разработанный в данной главе метод нелинейного расчета усиленных под нагрузкой железобетонных элементов с использованием физической модели нелинейно деформируемого тела и коррозионным повреждением бетона.
Рассмотрим особенности алгоритмизации поставленной задачи. За достижение предельного состояния элемента принимается достижение сжатой фиброй бетона предельного значения сжатия Єьи или достижение растянутой арматурой предела текучести. Для учёта нелинейности деформирования арматуры ИСПОЛЬЗуеТСЯ Коэффициент ИЗМенеНИЯ Секущего МОДУЛЯ V/.
Исходные данные представляются следующими тремя группами: Геометрические и жесткостные характеристики: /г и Ъ - соответственно высота и ширина рассматриваемой конструкции; As и A s - соответственно, площадь растянутых и сжатых стержней в бетоне элемента; as и a s - расстояние от центра тяжести растянутой (менее сжатой) и сжатой арматуры соответственно до ближайшей грани сечения элемента; 10 - расчетная длина элемента. Характеристики материалов и коэффициенты, используемые при расчёте: Еь, Es, Esc - соответственно, начальные модули деформаций бетона, растянутой (менее сжатой) и сжатой арматуры; Rb, Rs, Rsc - соответственно, прочность бетона, растянутой (менее сжатой) и сжатой арматуры; Rsuni - временное сопротивление разрыву арматуры; Rsni - предел текучести арматуры; ysi - коэффициент надежности по арматуре; j3eU - коэффициент, учитывающий предел упругой работы арматуры; ХТ,І - длина физической площадки текучести арматуры (если есть); ssunj - относительное удлинение арматуры после разрыва; Cf(oo; 28) - предельное значение меры ползучести. Нагрузки: е - эксцентриситет приложения внешней силы относительно центра тяжести приведенного сечения; Єь - деформация сжатой грани железобетонного элемента; также t0 - время начала нагружения; t - время в момент наблюдения. Общая схема алгоритма для анализа напряжённо-деформированного состояния элемента, работающего под нагрузкой может быть представлена в следующем виде: Блок 1. «Определение напряженно-деформированного состояния внецен-тренно сжатой конструкции для I случая распределения напряжений и деформаций в сечении железобетонного элемента» (рис. 5.10) реализует расчёт: 1. деформаций арматуры при заданных значениях деформаций бетона еь на наиболее сжатой грани и высоты сжатой зоны х по формулам (5.66), (5.67) и (5.68); 2. в случае длительного приложения нагрузки для бетона вычисляются следующие параметры, входящие в формулу (5.11). 3. коэффициента изменения секущего модуля Vj для арматуры с учётом принятой полной диаграммы деформирования материалов по формулам (5.35)-(5.37); 4. напряжений для бетона и арматуры элемента до усиления по формулам (5.11) и (5.34), учет коррозионных повреждений осуществляется по формулам (5.55М5.57); 5. внутренних усилий, возникающих в бетоне и арматуре, рассматриваемого элемента до усиления по формулам (5.64) и (5.65); 6. расстояние от места приложения всех внутренних усилий у до нейтральной оси; 7. расстояние от места приложения внешних сил у до нейтральной оси по формулам (5.67) или (5.68). Блок 2: «Определение напряженно-деформированного состояния внецен-тренно сжатой конструкции для II случая распределения напряжений и деформаций в сечении железобетонного элемента» (рис. 5.10) реализует расчёт: 1. деформаций арматуры при заданных значениях деформаций бетона єь на наиболее сжатой грани и высоты сжатой зоны х по формулам (5.66), (5.67) и (5.68); 2. в случае длительного приложения нагрузки для бетона вычисляются следующие параметры, входящие в формулу (5.11). 3. коэффициента изменения секущего модуля V( для арматуры с учётом принятой полной диаграммы деформирования материалов по формулам (5.35)-(5.37); 4. напряжений для бетона и арматуры элемента до усиления по формулам (5.11) и (5.34), учет коррозионных повреждений осуществляется по формулам (5.55)-(5.57); 5. внутренних усилий, возникающих в бетоне и арматуре, рассматриваемого элемента до усиления по формулам (5.70) и (5.71); 6. расстояние от места приложения всех внутренних усилий у до нейтральной оси; 7. расстояние от места приложения внешних сил у до нейтральной оси по формулам (5.67) или (5.68). Блок 3. «Определение напряженно-деформированного состояния внецен-тренно сжатой конструкции для III случая распределения напряжений и деформаций в сечении железобетонного элемента» (рис. 5.10) реализует расчёт: 1. деформаций арматуры при заданных значениях деформаций бетона єь на наиболее сжатой грани и высоты сжатой зоны х по формулам (5.66), (5.67) и (5.68); 2. в случае длительного приложения нагрузки для бетона вычисляются следующие параметры, входящие в формулу (5.11). 3. коэффициента изменения секущего модуля Vi для арматуры с учётом принятой полной диаграммы деформирования материалов по формулам (5.35)-(5.37); 4. напряжений для бетона и арматуры элемента до усиления по формулам (5.11) и (5.34), учет коррозионных повреждений осуществляется по формулам (5.55)-(5.57); 5. внутренних усилий, возникающих в бетоне и арматуре, рассматриваемого элемента до усиления по формулам (5.64) и (5.65); 6. расстояние от места приложения всех внутренних усилий у до нейтральной оси; 7. расстояние от места приложения внешних сил у до нейтральной оси по формулам (5.72) или (5.73). Блок 4. «Определение напряженно-деформированного состояния внецен-тренно сжатой конструкции для IV случая распределения напряжений и деформаций в сечении железобетонного элемента» (рис. 5.10) реализует расчёт:
