Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 8
1.1. Преимущества и недостатки трубобетоняых конструкций 8
1.2. Эффективность работы обоймы 10
1.3. Физические представления исследователей о работе трубобетонного элемента под нагрузкой 12
1.4. Методы повышения несущей способности трубобетон-ных элементов 19
1.5. Отечественный и зарубежный опыт строительства с применением трубобетона 26
Выводы 35
2. Экспериментальные исследования стальных круглых труб, заполненных шсокопрочным бетоном при кратко временном осевом сжатии 37
2.1. Задачи исследований 37
2.2. Методика экспериментальных исследований 38
2.2.1. Конструкция образцов и объем исследований 38
2.2.2. Испытание образцов 43
2.2.3. Система измерений напряжений и деформаций образцов 43
2.3. Результаты экспериментальных исследований 50
2.3.1. Прочностные и деформативные характеристики материалов 50
2.3.2. Напряженно-деформированное состояние бетонного ядра до приложения нагрузки 54
2.3.3. Напряженное-деформированное состояние трубобетонных образцов при осевом сжатии 55
2.3.4. Прочность и характер разрушения трубобетонных элементов 74
Выводы 84
3. Прочность и напряженно-деформированное состояние трубобетонных элементов 86
3.1. Критерии прочности бетона при трехосном напряженном состоянии 86
3.2. Физическая модель бетона , 95
3.3. Общая методика расчета трубобетонных конструкций 97
3.3.1. Основные гипотезы 97
3.3.2. Статические уравнения , 100
3.3.3. Связь между ОІ и6<г , 101
3.3.4. Связь между &к и С2 , 102
3.3.5. Физические уравнения 103
3.3.6. Бетон 104
3.4. Алгоритм расчета 106
3.5. Программа расчета трубобетонных конструкций на ЭВМ 107
Выводы И6
4. Практический метод оценки прочности при осевом сжатии стальных готлых труб, заполненных бетоном классов в 60...в 100 с повышенными деформативными характе ристиками 117
4.1. Анализ существующих методов расчета трубобетонных элементов по прочности при осевом сжатии 117
4.2. Задачи исследований 122
4.3. Методика расчета трубобетонных элементов с ядром из высокопрочного бетона по прочности 122
4.4. Конструктивные требования 129
Выводы 130
Основные выводы 131
Приложение
- Эффективность работы обоймы
- Методы повышения несущей способности трубобетон-ных элементов
- Система измерений напряжений и деформаций образцов
- Общая методика расчета трубобетонных конструкций
Введение к работе
Современные здания и сооружения характеризуются увеличением высоты сооружений, пролетов перекрытий, ростом крановых нагрузок, увеличением технологического оборудования. При этом в ряде случаев возникает необходимость применения несущих конструкций работающих на сжатие при нагрузке 9000 кН и выше.
Повышение несущей способности сжатых железобетонных элементов (колонн, опор и др. конструкций) может осуществляться различными способами, в том числе за счет косвенного армирования, разновидностью которого является стальная труба. При одинаковом расходе стали и бетона несущая способность трубобетонного элемента может быть в 1,3...1,9 раз выше, чем обычного железобетонного, за счет работы бетонного ядра в условиях объемного напряженного состояния. Расход стали для трубобетонных конструкций, по сравнению с металлическими, при равной несущей способности, может снизиться на 30...60 %,
При применении высокопрочных бетонов становится возможным существенно уменьшить размеры поперечного сечения колонн и, соответственно, уменьшить материалоемкость конструкций.
Технико-экономические исследования выявили эффективность применения высокопрочного бетона, в частности, в трубобетонных конструкциях многоэтажных зданий, где стоимость колонн из бетона прочностью 55 МПа на 26 % меньше, чем стоимость аналогичных конструкций из бетона прочностью 28 МПа, а стоимость колонн из бетона прочностью 83 МПа - на 42 % /63/. Однако вопрос об эффективности работы обоймы в таких конструкциях остался не изученным.
Целью диссертационной работы является исследование прочности и деформативности при осевом сжатии трубобетонных элементов.
выполненных из высокопрочного бетона повышенной деформативности, разработка методики расчета прочности и оценки напряженно-деформированного состояния этих конструкций.
- результаты экспериментальных исследований прочности и напряженно-деформированного состояния на каждой стадии нагружения трубобетонных элементов из высокопрочного бетона повышенной деформативности;
- методику оценки напряженно-деформированного состояния сжатых трубобетонных элементов;
- методику расчета трубобетонных элементов по прочности с учетом влияния прочности и деформативности бетона, масштабного фактора и коэффициента армирования.
Научную новизну работы составляют:
- результаты экспериментальных исследований стальных труб, заполненных высокопрочным бетоном повышенной деформативности;
- методика расчета трубобетонных элементов по прочности и оценки их напряженно-деформированного состояния на любой стадии нагружения в зависимости от вида бетона, масштабного фактора и коэффициента армирования.
Практическое значение работы. Результаты исследований и предлагаемая методика расчета учтены при проектировании и строительстве колонн первого этажа танцевальяо-ковщертного зала на 1000 мест комплекса культурно-просветительных учреждений КГРИ (г. Кривой Рог) и будут использованы при разработке "Рекомендаций по расчету и проектированию трубобетонных: конструкций".
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Республиканской научно-технической конференции (г. Полтава, 1989 г.), ХХШ и ХХІУ международных конференциях в области бетона и железобетона "Волго-Балт -91" и "Кавказ - 92".
Основное содержание диссертации опубликовано в четырех печатных работах.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Работа содержит 97 машинописных страниц, 48 рисунков, II таблиц.
Диссертационная работа выполнена в лаборатории железобетонных конструкций для машиностроения НИИЖБ Минстроя России. Научный руководитель - доктор технических наук, профессор И.Г.Люд-ковский. Научный консультант - кандидат технических наук, старини научный сотрудник В.М.Фонов.
Эффективность работы обоймы
Способность бетона, заключенного в обойму, претерпевать, не разрушаясь, значительные (порядка 3 % и более) деформации впервые установлена Коноидером в 1902 году /103/. Для определения прочности бетонных элементов в спиральной обмотке им была предложена следующая зависимость: ;= +-К6г, (i.i) где: Єь - предельное сопротивление бетона, заключенного в спиральную обойму; Rb - временное сопротивление бетонной призмы; 5"г - радиальной сжимающее напряжение в бетоне; К - опытный коэффициент, показывающий, что увеличение прочности бетона по сравнению с призменной прочностью пропорционально величине радиального сжимающего напряжения в бетоне. Формула (I.I) была преобразована /82/ к виду: Оь =Rb+ yMcieRS/ci2, (1.2) где: оС - коэффициент эффективности спиральной обоймы, равный 0,5К; Rscis - расчетное сопротивление арматуры спирали; /Исіа - коэффициент армирования, равный лл .в 4 /4s,cig C 2=defS здесь: /4s,cis - площадь поперечного сечения спиральной арматуры; def - диаметр сечения бетонного ядра внутри спирали; S - шаг спирали. Зависимость (1.2) положена в основу выражения для определения приведенной призменной прочности бетона R aed при армировании спиральной или кольцевой арматурой, которое представлено в СНиП 2.03.01-84 /82/: Rb ed = Rb+ 2/Mc»BR ci8-(l- -) , (1.3) где: Rb - расчетное сопротивление бетона; 0О - эксцентриситет приложения продольной силы (без учета влияния прогиба); Rs,ci,уИсіг- то же, что и в уравнении (1.2).
В формуле (1.3) коэффициент оС принят равным 2, по данным исследований, проведенных в Иллинойском и Легайском университетах американского института бетона /ИЗ/. Коэффициент Й- 2 о) введен с использованием международных рекомендаций и учитывает / 29 /, что эффективность кольцевой арматуры с ростом эксцентриситета существенно снижается.
Например, если величина эксцентриситета составит одну пятнадцатую часть от диаметра, то коэффициент оС снизится от 2 (при Go = 0) до I, то есть эффективность обоймы пропадает.
В I93Q-I934 годах были опубликованы работы профессора А.А.Гвоздева /16/ и М.Меллера /III/, которые положили начало широким теоретическим и экспериментальным исследованиям трубобето-на. Профессор А.А.Гвоздев /16/ на основе условий текучести (I.I) Консидера ДОЗ/ (для бетона) и пластичности Генки-Мизеса /31/ (для металла трубы) получил формулу для расчета прочности трубо-бетонных элементов при осевом сжатии: PU/d =Rb-Ab+ %s-As, (1.4) где: As и Аь площадь поперечного сечения, соответственно стали и бетона; S s - предел текучести стали. При этом коэффициент аС связан с коэффициентом эффективности обжатия бетона обоймой К следующим выражением:
Физический смысл коэффициента эффективности обоймы о можно представить в виде отношения между дополнительной несущей способностью трубобетонного элемента за счет работы обоймы в продольном и поперечном направлении и несущей способностью такого же по площади поперечного сечения количества металла в качестве продольной арматуры.
В формуле (1.4) коэфрщиент оС был принят равным 2 (К = 4), как и в случае косвенного армирования железобетонных элементов в виде спиралей, колец.
Дальнейшие исследования показали, что коэффициенты К и оС являются величинами переменными. И.ГДЕДКОВСКИЙ и Ю.С.Волков /48/, на основе проведенного анализа, пришли к выводу о том, что такие факторы, как мощность обоймы, масштаб, прочность бетона существенно влияют на работу трубобетонных элементов в целом. Профессор И.Г.Людковский рекомендовал при расчете по несущей способности применять дифференцированный коэффициент оС , в зависимости от процента армирования: приу 4 % и менее сС = 2, при /и » 10 %, оС = I, а промежуточные значения определять по интерполяции.
Методы повышения несущей способности трубобетон-ных элементов
Повысить несущую способность сжатого трубобетонного элемента можно различными способами. Наиболее распространенными являются методы связанные с конструктивными изменениями элементов и технологическими факторами.
В работах /58, 98/, выполненных под руководством профессора И.Г.Людковского предлагается повышение эффективности и несущей способности трубобетонных элементов за счет продольного армирования бетонного ядра высокопрочной стержневой арматурой класса А-УІ, и поперечной разрезки обоймы. Так, например, при разрезке обоймы диаметром более 500 мм в поперечном направлении коэффициент ее эффективности ( о «= 1,68) на 16 % выше, чем у обычного трубобетона. При продольном армировании (JW = 0,6 %) коэффициент эффективности обоймы ( об = 1,8) по сравнению с неармиро-ванным трубобетоном ( сС s 1,47) на 20 % выше. Кроме того, отмечается, что эффективность работы обоймы зависит во многом от масштабного фактора и коэффициента армирования, которые влияют на несущую способность трубобетона независимо друг от друга. С уменьшением коэффициента армирования с уИ & 0,14 до М = 0,01 (при Ю-const ) и диаметра элемента (при /И-const ) с t) = 1020 мм до tD » 100 мм коэффициент оС увеличивается соответственно на 37 % и 34 %.
И.Г.Людковским (НИМБ) по А.С. 580292 СССР проведены /49/ исследования прочности трубобетонных элементов, армированных высокопрочной арматурой класса Ат-У1, Ат-УП. Несущая способность армированных элементов по сравнению с неармированными повышается в 3...5 раз, при /И = 20...30 %.
В /96/ проводились экспериментально-теоретические исследования несущей способности и деформаций трубобетонных элементов с упрочненными ядрами, в том числе с многослойными. Автор экспериментально установил, что упрочнение бетонного ядра увеличивает несущую способность трубобетонных элементов и уменьшает их дефор-мативность. В результате заполнения полости в центрифугированном трубобетоне бетоном, в том числе армированным, увеличивается эф фективность работы элемента в целом. Наиболее эффективным является упрочнение бетонного ядра прессованием, особенно осуществляемым методом центрифугирования.
В /54/ предлагается при изготовлении трубобетонных элементов проводить компрессионное уплотнение бетонной смеси, в отличие от обычного вибрирования, позволяющее получить более плотную структуру бетона. Б работе /54/ за счет компрессионного уплотнения бетона в трубобетоне вертикальным давлением 13...39 МПа была повышена прочность бетонного заполнения по сравнению с призменяой на 84...112 %9 а прочность самих элементов на 25...31 %,
В ЛИСИ В.П.Ефимов /30/ исследовал прочность и устойчивость комбинированных сквозных элементов из стальных труб, заполненных высокопрочным бетоном. Составляющими высокопрочного бетона были цемент М 700, песчано-гравийная смесь, добавка пластификатора сульфитно-спиртовой барды 0,2 % от веса цемента; водоцементное отношение 0,30...0,33. При этом кубиковая прочность R = 68,7 Ша, призменная прочность бетона Rt =48,0 МПа. Установлено, что благоприятные условия тверцения бетона в трубе улучшают основные показатели работы трубобетона. В частности, среднее значение разрушающей повышается на 15,6 %% уменьшается коэффициент вариации более чем в два раза. Получена зависимость меаду прочностью бетона в трубе и кубиковой прочностью для бетонов высоких марок.
Использование высокопрочных бетонов в качестве ядра трубобетонных элементов является наиболее простым способом повысить несущую способность элемента, не требующим дополнительного расхода металла и электроэнергии при изготовлении.
Система измерений напряжений и деформаций образцов
Трубобетонные образцы испытывали на гидравлических прессах. Нагружение осуществлялось ступенями, величина которых составляла 5...10 % от значения теоретической разрушающей нагрузки. На каждой ступени делалась выдержка в течении 5...10 минут, необходимая для снятия показаний с приборов и стабилизации деформаций.
Для равномерной передачи нагрузки от штампа пресса на образец по его торцам укладывался выравнивающий слой раствора. Центрирование производили по осям нижней опорной плиты с дополнительным контролем после поднятия опорного стола. Положение образца в прессе перед испытанием показано на рис. 2.2.
Бетонные кубы и призмы испытывались на гидравлических прессах ПММ-І25 и ШМ-250. Центрирование кубов осуществляли по геометрическому центру, а призм по физическому пробными статическими загрузившими при напряжениях в бетоне, не превышавшими 10,.. 20 % ожидаемой призменной прочности Ri, .
Продольные и поперечные деформации образцов в целом определились в среднем сечении по двум взаимно перпендикулярным осям с помощью индикаторов часового типа с ценой деления 0,01 мм на базе 300 мм и электротензорезисторов с базой 20 мм.
Деформации бетонного ядра измеряли с помощью электротензо-резисторов с базой 20 мм наклееных на поверхность продольного стержня и на поверхность диаметрально расположенных стержней монтажной сетки (рис, 2.5), вырезанных из высокопрочной проволоки Вр-1 диаметром 3,5 мм (собственным сопротивлением проволоки "сжатию-растяжению" ввиду малости ее поперечного сечения пренебрегали, считая, что ее деформирование обусловлено исключительно силами сцепления с бетоном). Схема расположения электротензоре-зисторов на стержнях показана на рис. 2.3; 2 4.
Осевые и радиальные напряжения в бетонном ядре в среднем поперечном сечении измерялись с помощью магнитоупругих датчиков напряжения (тип Ц-24-500) и усадки (тип К-20) конструкции ЦНИИСК, которые крепили к монтажной сетке с помощью прогибомерной струны (рис. 2.4; 2.5).
Радиальные напряжения между обоймой и ядром по двум взаимно перпендикулярным осям измерялись с помощью магнитоупругих датчиков напряжения (тип Ц-24-500), установленных на внутренней поверхности трубы на слой цементяо-песчаного раствора с помощью прогибомерной струны, протянутой сквозь два отверстия диаметром 1,5 мм в обойме.
Тарировку магнитоупругих датчиков проводили на призмах. По результатам испытаний определяли поправочный коэффициент отклонения опытных напряжений в бетоне от фактических.
Деформации бетонных призм измерялись с помощью индикаторов часового типа с ценой деления 0,01 и 0,001 мм на базе 300 мм и электротензорезисторов с базой 50 мм.
Для снятия показаний использовали следующие измерительные системы и приборы (рис. 2.6): электротензорезисторы - АВД-3; магнитоупругие датчики - вторичная измерительная аппаратура конструкции ЦНИИСК.
Перед бетонированием образцов со всех датчиков, находившихся в теле бетона, снимали нулевой отсчет. Сразу после заполнения труб бетоном их торцы закрывали фланцами и заварвали. На следующий день в целью выявления физических процессов, происходящих в бетоне в начальный период твердения, съем показания повторяли. Впоследствии отсчеты снимали с интервалом 3...5 суток в течении месяца после бетонирования.
Определение кубиковой и призменной прочностей, модуля упругости, коэффициента поперечных деформаций, предельной сжимаемости бетона производилось в соответствии с ГОСТ 24452-80 /23/, ГОСТ 10180-90 /20/ и методическими рекомендациями по определению основных механических характеристик бетонов /53/. Результаты испытаний приведены в табл. 2.5.
Известно, что добавка С-3, как и все суперпластифицирующие добавки, оказывает влияние на формирование макро- и микроструктуры бетонов /15, 97/. Поэтому определенный интерес представляло изменение физико-механических характеристик, учитывающих этот фактор.
Из табл. 2.5 видно, что коэффициент призменной прочности высокопрочных бетонов изменялся от 0,8 до 0,9. Наблюдается тенденция к увеличению значения Кдд с повышением содержания добавки С-3 в бетоне. Увеличение Kjm по-видимому объясняется тем, что СП С-3 повышает однородность и плотность бетона, улучшает его структуру, преобразуя в мелкопористую.
Общая методика расчета трубобетонных конструкций
Первоначальные попытки установления критерия прочности бетона носили характер простейших физических гипотез, вытекающих из анализа опытов на сжатие и растяжение. Что касается изотропных материалов, то установленные для них критерии прочности достаточно хорошо моделируют их реальную работу. Для материалов, обладающих различными сопротивлениями при растяжении и сжатии, подобно камню, бетону, установление критериев прочности имеет определенные трудности. Бетон, с физической точки зрения, представляет собой капилярно-пориетое тело, в котором сплошность массы нарушена присутствием трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. При этом цементный камень, скрепляющий бетон, также обладает неоднородной структурой и состоит из упругого кристаллического сростка и наполняющей его вязкой массы-геля.
Суждения о прочности материалов, а также установление критериев прочности и разработка различных теорий прочности развивались по мере овладевания физическими свойствами материалов и совершенствования производимых вкепериментов. Первоначально разрабатываемые теории прочности ориентировались на универсальный критерий прочности, к таким можно отнести две первые классические теории прочности - теория наибольших нормальных напряжений Гали-лея-Ренкина и теория наибольшего удлинения Мариотта-Сен-Венана.
Особое место среди классических теорий занимает теория прочности О.Мора /56/, так как только она способна отразить свойства хрупкопластических материалов, обладающих различным сопротивлением растяжению-сжатию. Эта теория описывает вид разрушения от скалывания по опасным плоскостям и оперирует зависимостью на площадке скольжения между нормальным и касательным напряжением. Предельная кривая по этой теории представляет собой огибающую главных кругов напряжения /56/. В пространстве прочность представляется конусообразной поверхностью.
Для теории О.мора характерны две особенности: 1. В предельном состоянии предполагается скольжение по некоторым плоскостям, веледствии чего объем материала остается неизменным. 2. Условие прочности не отражает влияние среднего главного напряжения на прочность материала.
Как указал Гвоздев А.А. /17/ из-за указанных особенностей, теория О.мора в предлагаемом виде к бетонам неприемлема.
Разновидностью теории О.Мора является теория Кулона, отображаемая поверхностью неравногранной шестигранной пирамиды.
Другая группа классических теорий прочностей базируется на энергетических критериях нарушения прочности (теория наибольшей полной удельной потенциальной энергии деформации Бельтрами, теория Губера-Мизеса-Генки). Эти теории неприемлемы к материалам с различным сопротивлением растяжению-сжатию.
В 1937 году П.П.Баландин /8/ обобщил теорию Мизеса-Генки на хрупкие материалы м предложил свой вариант гипотезы прочности в виде 6? + 622+6г/и( о,62н-е2бз+ 636 (RC-RP)(6 6 63 RcRp- 0 (з.і) В системе координат G4 Ьг &ъ выражение (3.1) описывается поверхностью параболоида вращения.
С несколько других позиций к критерию прочности пришел Н.Н.Миролюбов /55/. Он считает, что по ясности физического содержания следует принять за критерий прочности величину сопротивления материала сдвигу в октаэдрической плоскости. Предложенное ус ловие описывается поверхностью кругового конуса, вершина которого смещена в область растягивающих напряжений.
Обобщая выше рассмотренные критерии прочности Филоненко-Бородич М.М. /94/ отметил, что гипотезы прочности представляют собой функциональные соотношения между первым инвариантом тензора напряжений Дз,, и вторым инвариантом девиатора напряжений Зог: F(tJeb7D2) = 0 (3.2)
Условие прочности (3,2) в развернутом вице записывается в форме: 3 е - А3ъ2+ BRc3er - CR?= О (з.з)
Уравнение (3.3) описывается поверхностью вращения, и в зависимости от значений коэффициеятов А, В, С получаются всевозможные поверхности вращения. геометрической интерпретацией надежных критериев прочности является поверхность в системе координат А , Зг » оз » отвечающая следующим требованиям: - поверхность должна быть непрерывной; - поверхность должна располагаться симметрично относительно оси, равнонаклонной к координатным осям главных напряжений, определяемой уравнением = (ог = б а ї - предельная поверхность согласно ДДрувжеру и РДиллу, должна быть невогнутой. В самом общем виде уравнение поверхности можно представить в виде: F (бЧ)б2/(оз)= О (3.4)При составлении критериев прочности многие исследователи пришли к выводу, что
Наибольших успехов в разработке теорий прочности достигли исследователи текущего столетия. После того, как А.А.Гвоздев /17/ сделал вывод о том, что предельная поверхность прочности в пространстве, применительно к бетону, имеет форму более общего вида, нежели поверхность вращения, исследования стали развиваться преимущественно на экспериментальной основе. К предельным поверхностям предъявляли требования: независимость от выбора системы координат, т.е. физическая инвариантность, гладкость, выпуклость, ограниченность в октанте, соответствующей всестороннему растяжению и неограниченность в октанте, соответствующей всестороннему сжатию. Последнее требование возникло вследствие недостаточной изученности высокого гидростатического сжатия бетона.
