Содержание к диссертации
Введение
1. Общие сведения о трубобетонных конструкциях и состоянии их исследования 7
1.1. Преимущества и недостатки трубобетона. Область применения 7
1.2. Исследования в области трубобетона 9
1.3. Особенности расчета трубобетонных конструкций 15
1.4. Изгибаемые трубобетонные элементы 24
1.5. Выводы и задачи исследования 28
2. Физико-механические свойства исходных материалов. методика экспериментальных исследований 30
2.1. Конструкции и технология изготовления опытных образцов 30
2.2. Физико-механические свойства исходных материалов 32
2.3. Методика проведения экспериментальных исследований 36
2.4. Физико-механические свойства бетона и стали 40
2.5. Выводы 45
3. Результаты экспериментальных исследований изгибаемых трубобетонных элементов 47
3.1. Несущая способность 47
3.2. Деформации и перемещения 51
3.3. Выводы 89
4. Напряженно-деформированное состояние и несущая способность изгибаемых трубобегонных элементов 91
4.1. Напряженно-деформированное состояние в упругой и пластической стадии . 91
4.2. Несущая способность 121
4.3. Сопоставление теоретических и экспериментальных значений деформаций, перемещений и несущей способности 133
4.4. Выводы 137
5. Опытное проектирование и технико-экономическая эффективность конструкций из трубобетона 140
5.1. Задачи исследования 140
5.2. Конструкции из стальных труб, работающих на изгиб 140
5.3. Технико-экономическая эффективность изгибаемых трубобетонных конструкций 147
5.4. Выводы 151
Общие выводы 152
Литература
- Преимущества и недостатки трубобетона. Область применения
- Конструкции и технология изготовления опытных образцов
- Деформации и перемещения
- Напряженно-деформированное состояние в упругой и пластической стадии
Введение к работе
Современное строительство характерно поиском новых сочетаний бетона и стали для их рациональной совместной работы в строительных конструкциях. Это направление в полной мере отвечает решениям ХХУП съезда КПСС, поставившим вопрос об экономии стали, цемента и древесины в строительстве. Требованиям рациональной работы и технико-экономической эффективности в полной мере отвечают трубобетонные конструкции.
Трубобетонными называют конструкции, состоящие из стальных труб, заполненных бетоном. В трубобетонных конструкциях бетон работает в условиях объемного сжатия, поэтому эффективно используются специфические свойства применяемых материалов, что дает значительную экономию стали и цемента, приводит к уменьшению размеров поперечного сечения элементов конструкций, а следовательно, их массы и транспортных затрат.
Трубобетонные конструкции обладают преимуществами рациональных трубчатых конструций, все шире применяющихся в практике строительства. Трубчатый цилиндрический профиль в настоящее время рассматривается как наиболее прогрессивный и целесообразный, требующий минимального количества сварочных работ и дополнительных элементов. Большим преимуществом трубобетонных конструкций является их хорошая обтекаемость, на них меньше задерживается влага и грязь, поэтому они более стойки против коррозии и долговечны. Трубобетонные конструкции легче очищать и окрашивать, что также повышает их долговечность. Внутренняя поверхность трубы в этих конструкциях надежно защищена от коррозии находящимся там бетоном.
По сравнению с железобетонными трубобетонные конструкции более индустриальны при изготовлении и монтаже. Они
сравнительно легки и транспортабельны, хорошо противостоят механическим повреждениям, имеют красивый внешний вид. При их изготовлении не требуются арматурные каркасы, опалубка и закладные детали.
Для изготовления трубобетонных конструкций можно использовать существующие заводы железобетонных конструкций или бетонировать их на месте. Заполнение труб бетоном не вызывает затруднений технологического порядка. Помимо других способов оно возможно с использованием пневматических установок или методом центрифугирования. Хорошее уплотнение и структура бетона обеспечивается из-за отсутствия арматурного каркаса. Соединение отдельных трубобетонных элементов между собой производится с помощью болтов или электросварки. Из трубобетонных стержней легко создаются пространственные решетчатые системы различной конфигурации. В узловых сопряжениях можно избежать фасонок.
Требования технологического порядка практически не ограничивают области применения трубобетона, который может хорошо работать при^сложном температурно-влажностном режиме в условиях агрессивной среды, при любых пролетах зданий и сооружений, при любом характере оборудования значительного числа производств, где применение обычного железобетона затруднительно. Особенно ярко преимущества трубобетона проявляются в сжатых элементах с малыми эксцентрисистемами при больших нагрузках .
Несмотря на то, что работа трубобетонных конструкций при сжатии изучена с достаточной полнотой, изгибаемые конструкции остаются не исследованными. Отсутствие каких-либо рекомендаций по расчету и проектированию изгибаемых трубобетон-
ных элементов в значительной степени препятствует массовому внедрению трубобетона в строительстве. Цель работы:
- экспериментально исследовать прочность и деформации
изгибаемых трубобетонных элементов сплошного и кольцевого
сечений;
-разработать методы расчета прочности и оценки напряженно-деформированного сечения изгибаемых трубобетонных элементов;
- на основе опытного проектирования и внедрения рассмот
реть технико-экономическую эффективность изгибаемых трубобе
тонных элементов.
Автор защищает:
результаты экспериментальных исследований несущей способности и деформаций изгибаемых трубобетонных элементов сплошного и кольцевого сечений;
методы расчета прочности изгибаемых трубобетонных элементов;
методику оценки напряженно-деформированного состояния элементов из трубобетона.
Научная новизна работы состоит в следующем:
установлены количественные параметры, влияющие на несущую способность и деформации изгибаемых трубобетонных элементов сплошного и кольцевого поперечного сечения;
разработан метод расчета прочности и оценки напряженно-деформированного состояния изгибаемых конструктивных элементов;
впервые исследованы изгибаемые элементы с полостью
( в том числе и с внутренней трубой и с полостью, заполнен-
ной бетоном).
Практическое значение работы:
- доказана возможность эффективного применения в строи
тельстве изгибаемых трубобетонных конструкций. Разработаны ме
тоды расчета изгибаемых трубобетонных конструкций;
-произведено опытное проектирование трубобетонных конструкций, работающих на изгиб;
- на основе полученных зависимостей составлены алгоритм
и программа для оценки напряженно-деформированного состояния
изгибаемых трубобетонных конструкций на ЭВМ EOI022.
Работа выполнена на кафедре конструкций из металла, дерева и пластмасс Полтавского инженерно-строительного института под руководством доктора техн.наук, профессора Стороженко Л.И.
Преимущества и недостатки трубобетона. Область применения
В трубобетонных конструкциях стальная труба- оболочка выполняет одновременно функции как продольного, так и поперечного армирования. Она воспринимает усилия по всем направлениям и под любым углом. Боковое давление трубы препятствует интенсивному развитию микротрещин разрыва в бетонном сердечнике, который в условиях всестороннего сжатия выдерживает напряжения, значительно превосходящие призменную прочность. Одновременно труба, заполненная бетоном, оказывается в значительной степени предохраненной от потери как местной, так и общей устойчивости.
Трубобетонные конструкции очень надежны в эксплуатации, об этом свидетельствует то, что в предельном состоянии они не теряют несущую способность мгновенно, как железобетонные, а еще длительное время способны выдерживать нагрузку. Многочисленными опытами, проведенными В.А.Рооновским [91], А.А.Дол-женко [28-Зз], Л.И.Стороженко и другими исследователями [2, 73, 94, 99, ЮО-Пб] , установлено, что получая большие деформации, трубобетонный стержень и далее может нести значительную нагрузку.
Для изготовления трубобетонных конструкций можно с успехом использовать существующие заводы железобетонных конструкций или устраивать их на месте возведения сооружения. Заполнение труб бетоном не вызывает затруднений технологического порядка [56, 138] . Хорошее уплотнение и структура бетона обеспечивается из-за отсутствия арматурного каркаса, при этом прочность бетона может повышаться на 14 % [іЗв] . Как у нас, так и за рубежом для заполнения труб бетоном разработаны малогабаритные насосы. Дяя наполнения труб бетоном возможно использование метода центрифугирования [4,86,87].
Из трубобетонных стержней можно легко образовывать пространственные решетчатые системы различной конфигурации. Узловые сопряжения возможны без фасонок [40].
Требования технологического процесса производства практически не ограничивает области применения трубобетона, который может хорошо работать при сложном температурно-влажност-ном режиме, в условиях агрессивной среды [37] при любых пролетах зданий и сооружений, при любом характере оборудования значительного числа производств, где применение обычного железобетона затруднительно [42,116],
Стальные трубы, заполненные бетоном, применяются во Франции [129], США [ІЗО], Канаде [132], Китае [l40] , Японии [139] и других странах. К настоящему времени из трубобетона запроектировано и построено ряд оригинальных сооружений. Уникальный арочный мост им.Володарского через Неву в Ленинграде выполнен с применением трубчатой арматуры, предложенной Г.П.Пе-редерием [84]. В 1938-1939 годах по проекту и под руководством В .А Росновского построен железнодорожный мост через реку Исеть на Урале с основным 140 -метровым пролетным строением в виде сквозной серповидной арки из трубобетонных элементов диаметром 820 мм [9l] . Под руководством А.А.Долженко на Се-милукском заводе огнеупоров построено производственное здание с несущими колоннами из трубобетонных элементов [31]. Во Франции и Италии трубобетон широко применяется при строительстве колонн общественных зданий, сжатых поясов решетчатых ферм \bl\. Во Франции и Германии с большим экономическим эффектом в I95I-I953 годах из трубобетонных элементов построены опоры линий высоковольтных электропередач [137] . В последние годы интерес к трубобетону значительно повысился, и в нашей стране известны случаи применения трубобетона в качестве колонн нижних этажей жилых зданий (Ульяновск, Орджоникидзе), в качестве колонн общественных зданий (театр в городе Бердянске), в подкрановых эстакадах, мостовых конструкциях, гражданском строительстве (Кривой Рог, Днепропетровск) [106, 108] .
Анализ областей возможного рационального применения трубобетона в строительстве приведен в [51 ] , где справедливо указывается, что трубобетонный элемент, как первичный элемент конструкции, аналогичен железобетонному и хорошо работает только на сжатие. Однако в ряде случаев может быть оправдано и применение растянутых и изгибаемых стержней: защита внутренней поверхности трубы от коррозии, увеличение изгибной жесткости стержня, увеличение массы конструкции, унификация сортамента при заказе конструкции и т.п.
Идея поперечного армирования сжатых элементов появилась еще в конце прошлого столетия. Первые опыты над конструкциями со спиральной арматурой провел Консидер [32] в 1902 году. Было установлено, что бетон в обойме приобретает новые выгодные для него свойства. Интересные опыты Консидера над бетонными цилиндрами, сжатыми боковым гидростатическим давлением, показавшие, что образец в этом случае обладает более высокой несущей способностью. Опыты Мерша и Кинга показали, что хомуты, поставленные достаточно часто, значительно увеличивают несущую способность колонн.
В области поперечного армирования проведены работы Н.М. Абрамова, который в 1906 году предложил для колонн прямоугольного сечения проволочные переплеты, зигзагообразно связывающие продольные стержни. В.Л.Некрасов в 1907 году предложил способ армирования колонн поперечными сетками, а несколько позже -армирование колонн "железным волосом". Опытная проверка этих предложений показала их рациональность.
Исследования бетона при всестороннем сжатии, проведенные в 1927-1935 годах в Иллинойском университете (США), показали, что наибольшие напряжения, выдерживаемые образцом, в 4,1 раза превышают боковое давление.
Обширные исследования конструкций со спиральным армированием проведены в нашей стране. Опыты, проведенные А.С.Курыло [бО], В.И.Карпинским [44], А .А .Гамбаровым [18,75] дали возможность установить особенности работы этих элементов под нагрузкой, характер их разрушения. Интересны опыты с преднапряжен-ными спиралями. Ценными являются результаты испытания спирально армированных элементов, полученные в работах зарубежных исследователей Г.Манье, Ф.Рихарда, Р.Брауна, С.Дьюка, И.Гриф-фитса, В.Лоора и других.
Конструкции и технология изготовления опытных образцов
При составлении программы экспериментальных исследований было учтено, что несущая способность изгибаемых трубобетонных элементов зависит от геометрических размеров конструкции (диаметр и толщина стенки трубы, пролет) и физико—механических свойств материалов - стали и бетона. Следовало предвидеть, что эффективно будут работать изгибаемые трубобетонные элементы с внутренней полостью, особенно смещенной в сторону растянутой зоны, так как бетон в растянутой зоне работает не эффективно, а смещение полости в сторону растянутой зоны позволяет развить сжатую зону.
Таким образом задача о планировании эксперимента, охватывающего такой большой, разнообразный класс конструкций достаточно сложная. Для того чтобы получить опытные сведения, позволяющие с достаточной достоверностью судить об особенностях работы изгибаемых элементов, нами было запланировано испытать следующие конструкции (табл.2.1). 1. Изгибаемые элементы из труб с внутренним диаметром d = 97,7 мм при толщине стенки трубы t = 2,3 мм со сплошным бетонным ядром (серия ИВ-І-І). 2. Изгибаемые элементы из труб с внутренним диаметром
О/ = 154 мм при толщине стенки трубы t= 6»2 мм, заполненных вибрированным бетоном со сплошным ядром (серии И-В-2); с ядром, содержащим внутри полую стальную трубу с внутренним диаметром d.% = 81,2 при толщине стенки Ъь = 2,8 мм, расположенную в центре тяжести сечения (серия ИВ-2-2Т) и такие же образцы со смещенной внутренней трубой в сторону растянутой зоны (серии ИВ-2-2ЇВ); с ядром, имеющим внутреннюю полость dn= 100,6 мм по центру тяжести трубы (серии ИВ-2-2П) и полость смещенную к растянутой зоне (серия ИВ-2-2ПВ). Поперечное сечение образцов этой серии приведено на рис.2.1.
3. Изгибаемые элементы из труб с внутренним диаметром d- 314 мм при толщине стенки трубы t= 8 мм, заполненных вибрированным бетоном со сплошным ядром (серия ИВ-3-3) и центрфугированным бетоном с толщиной бетонного слоя 60 мм (серия Щ-3-4); 72 мм (серия ИЦ-3-6); 33 мм (серия ИЦ-3-7); 30 мм (серия ИЦ-3-8). Образцы серии ИЦ-3-5С состояли из стальных труб и = 314 мм при t = 8 мм, заполненных центрфуги-рованным бетоном с толщиной слоя 60 мм. После бетонирования на эти образцы была навита спираль из стальной проволоки Of= 5 мм с шагом 50 мм.
В каждой серии содержалось по 3 образца-близнеца.
Помимо трубобетонных образцов на изгиб были испытаны элементы из пустых труб с внутренним диаметром (л= 97,7; 154; 314 мм (серии И-І; И-2; И-3), а также для сопоставления, сжатые трубобетонные элементы (серии CB-I-I, СВ-2-2; СВ-3-3; СЦ-3-4; СЦ-3-5;СЦ-3-6) и для получения данных о физико-механических свойствах бетона и стали - бетонные кубы и призмы (табл.2.1) и стандартные стальные полоски.
Как видно из таол.2.1 для приготовления образцов были приняты бетоны,соответствующие классу по прочности на сжатие В35; В20; BI5. Бетоны класса В35 приготовлялись в лаборатории строительных конструкций КГРИ, бетон класса В20 - на заводе ария UB-2-2
Сечения изгибаемых образцов ЖЕИ в г.Полтава, бетон BI5 - на Апостоловском заводе ЖБК. Составы бетонов приведены в таол.2.2. Бетоны всех составов приготовлялись на гранитном щебне и речном песке. В качестве вяжущего применялся портланд-цемент Каменец-Подольского завода активностью 500 для бетона класса В35 и активностью 400 для бетона В20 и BI5. Для приготовления образцов применялись электросварные трубы из стали С38/20. Механические характеристики металла получены испытанием на сжатие пустых труб и на растяжение вырезанных из труб полосок.
Кубы и призмы изготовлялись в стальных формах. Бетонирование трубобетонных образцов производилось непосредственно в трубах, снабженных съемными днищами из металлических пластин, предотвращающих вытекание бетона (образцы серии содержащих первую букву "В"). Укладка бетона в образцы осуществлялась с помощью вибрирования на виброплощадке.
Деформации и перемещения
К сожалению, эти коэффициенты трудно применить для определения эффективности изгибаемого элемента. При изгибе затруднительно вычисление (Ji в (3.1) в связи с тем, что эпюра напряжений в сжатой зоне бетона может быть не прямоугольной, а бетонное ядро в (3.2) без армирования при испытании на изгиб вообще может не иметь никакой несущей способности.
Мы предлагаем оценивать эффективность изгибаемых трубо-бетонных элементов по формуле где Мтв - несущая способность трубобетонного элемента; Мт - несущая способность пустой трубы - арматуры трубобетонного элемента.
Нам представляется, что этот коэффициент удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям - надежно описывать эффективность изгибаемых трубобетонных конструкций. Он позволяет судить о тщув сколько повышается несущая способность пустой трубы при заполнении ее бетоном. При этом могут быть учтены различные специфические способы сочетания бетона и трубы: бетонное ядро с наличием полости, усиление бетонного ядра дополнительной стальной трубой (тогда значение у приоб В табл. 3.1 приведены значения коэффициента W вычис-леные по несущей способности Мг (максимальный изгибающий момент, выдерживаемый изгибаемым элементом). Из табл.3.1 следует, что коэффициент 1 колеблется в значительных пределах: от 1,13 до 1,48. Наиболее эффективно работают трубобетонные элементы, заполненные центрифугированным бетоном.
Изгибаемые элементы из пустых труб разрушались от потери местной устойчивости в сжатой зоне. В отличие от пустых труб изгибаемые элементы из трубобетона практически не удавалось разрушить. Получая большие поперечные перемещения они продолжали нести возрастающую нагрузку. Это говорит о большой надежности изгибаемых трубобетонных элементов.
Как уже отмечалось, при испытании изгибаемых трубобе-тонных элементов с ростом нагрузки измерялись в характерных сечениях продольные и поперечные деформации и перемещения. Рассмотрим результаты этих исследований по группам испытанных образцов в зависимости от диаметров принятых при изготовлении труб.
Из анализа результатов измерения продольных деформаций в наиболее растянутом и наиболее сжатом волокнах элементов серии ИВ-І-І следует, что деформации растяжения значительно превышали деформации сжатия (рис.3.1). Так при нагрузке М = 8400 кНм деформации растяжения составляли Ь± = 420x10 , а деформации сжатия Чг = 300x1О"5. Это объясняется работой бетона в сжатой зоне, воспринимающего на себя значительные сжимающие напряжения. Влияние бетона в растянутой зоне было повидимому незначительным. Этот вывод подтверждается и результатами измерений, приведенных на рис.3.2. Эпюры деформаций по высоте сечения построены по результатам измерений с помощью электротензорезисторов. Вследствие активной работы бетона в сжатой зоне нейтральная ось располагалась значительно выше центра тяжести элемента. Эпюры деформаций были практически прямолинейными вплоть до достижения образцами предельных состояний по прочности. Нейтральная ось с ростом нагрузки практически не перемещалась.
Ранее высказанный вывод о неизменении высоты сжатой зоны в трубобетонных элементах [і] подтверждается анализом особенностей распределения продольных и поперечных деформаций по сечению элемента в зависимости от величины изгибающего момента (рис.3.3).
По величине продольные деформации значительно превышали поперечные как в сжатой, так и в растянутой зоне. При этом, если в сжатой зоне коэффициент поперечной деформации достигал величины 0,5...0,6 , то в растянутой он не превышал 0,3.
Из анализа результатов измерения продольных деформаций в наиболее сжатом и наиболее растянутом волокнах вдоль оси балок (рис.3.4, 3.5) следует, что при нагрузках, не превышающих 0,5Npa». деформации развивались примерно равномерно по длине балок. При больших нагрузках в сжатой зоне образовывались гофры из-за местной потери устойчивости трубы, в этих местах продольные деформации значительно возрастали.
Напряженно-деформированное состояние в упругой и пластической стадии
Мы рассматриваем трубобетон как разновидность железобетона, так как в нем объединены для совместной рациональной работы два материала, обладающие различными физико-механическими свойствами: бетон и сталь.
К настоящему времени имеются глубокие исследования в области расчета железобетонных конструкций с учетом реальных свойств принятых для их изготовления материалов [б, 19, 38, 43, 83J Намечены пути дальнейшего развития теории железобетона [8, 10, 20] Однако, как установлено экспериментами, бетон и сталь в трубобетонных элементах работают в условиях объемного напряженного состояния, что требует специальных теоретических разработок для учета этой особенности.
В [П2] , где подробно рассмотрено напряженно-деформированное состояние сжатых трубобетонных элементов, показано, что величина изменяющихся с ростом нагрузки напряжений, деформаций и перемещений при статическом загружении зависит от физико-механических свойств применяемых материалов ( Ее » Es » Vе » \Ь )» вада напряженного состояния и характера развития пластических деформаций. На основе четко сформулированных предпосылок в [П2] построена математическая модель трубобетонного элемента, позволяющая оценивать его напряженно-деформированное состояние с использованием ЭВМ. Мы воспользуемся этими же предпосылками, поэтому остановимся на них более подробно.
Проанализируем, как изменяются прочностные и деформа-тивные характеристики материалов в зависимости от условий работы конструкции.
Установлено, что модули и коэффициенты поперечних деформаций для одного и того же класса бетона или стали не являются постоянными величинами, а изменяются в значительных пределах. С ростом напряжений уменьшается модуль деформаций бетона, увеличивается коэффициент поперечной деформации. Уменьшается модуль деформаций и растет коэффициент деформаций стали при ее работе в пластической стадии. Математические выражения для определения изменяющихся в зависимости от напряжений модулей деформаций и коэффициентов поперечных деформаций приведены в [П2] .
Известно, что для бетона характерна нелинейность связи между напряжениями и деформациями на всех уровнях напряженного состояния. Из-за нелинейности зависимости & - модуль деформаций бетона изменяется с ростом нагрузки вследствие развития пластических деформаций.
Анализ характера изменения модуля $ в зависимости от напряжений по многочисленным опытам над бетонами различных составов показал [П2] , что для бетонов на портландцементе уменьшение Ее с ростом нагрузки не превышает 25-30 %, причем величина Ее в зависимости от бе изменяется линейно. Учитывая это на основе статистической обработки опытных данных теоретическое значение Eg предлагается определять из следующей эмпирической формулы в зависимости от напряжений:
Если учесть, что секущий модуль деформаций Eg равен тангенсу угла наклона секущей об , проведенной через начало координат и рассматриваемую точку на диаграмме Sjf -« » то уравнению (4.і)отвечает такая кривая ( - $ в которой t/jc (модуль деформаций Ъ& ) изменяется пропорционально с ростом нагрузки. Этому условию отвечает зависимость между напряжениями и деформациями бетона: (4.2)
Нелинейную зависимость ( - 6-е можно описать интерполяционной формулой Лангранжа, считая, что кривая проходит через наперед заданные точки. Число точек определяется конкретным видом диаграммы, полученной из эксперимента.
Диаграмму ( - 5g » полученную экспериментально, можно также описать вписаной ломаной, что особенно удобно при обработке опытных данных
Экспериментально установлено [9], что в бетоне коэффициент Пуассона значительно изменяется с ростом напряжений. При этом возможно значение ye 0 5» что соответствует увеличению объема тела при сжатии и связано с образо ванием и развитием продольных микротрещин. В зависимости от вида бетона коэффициент уе может достичь величины 0,7-0,8 (до I).
Похожие диссертации на Прочность и деформации изгибаемых трубобетонных элементов.
