Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований 15
1.1. Сталежелезобетонные изгибаемые конструкции, применяемые в гражданском строительстве. 15
1.2. Анализ существующих экспериментальных исследований ста-лежелезобетонных конструкций при различных режимах нагру-жения . 27
1.2.1. Экспериментальные исследования сталежелезобетонных изгибаемых элементов на кратковременные нагружения. 27
1.2.2. Анализ экспериментальных исследований анкерных устройств сталежелезобетонных изгибаемых элементов. 34
1.2.3. Анализ экспериментальных исследований выносливости бетона и стали, металлических и железобетонных конструкций. 46
1.2.3.1. Изучение выносливости и деформативности бетона при малоцикловых нагружениях. 46
1.2.3.2. Исследования малоцикловой выносливости стали и металлических конструкций. 49
1.2.3.3. Исследования железобетонных элементов на малоцикловые на-гружения и расчет железобетонных изгибаемых элементов на выносливость. 53
1.3. Анализ существующих методов расчета сталежелезобетонных конструкций. 57
1.3.1. Методы расчета сталежелезобетонных конструкций при статических кратковременных, длительных и циклических нагружениях; нормативная база по их проектированию: 58
а) СТО 0047-2005 «Перекрытия сталежелезобетонные с моно литной плитой по стальному профилированному настилу. Расчет и проектирование»;
б) СП 35.13330.2011. «Мосты и трубы»;
в) РСН 64-88. «Проектирование сталежелезобетонных перекры- тий промышленных зданий»;
г) EN 1992- Еврокод 2 «Проектирование сталежелезобетонных конструкций».
1.3.2. Методы расчета анкерных устройств объединения сталежелезо-бетонных изгибаемых конструкций. 69
1.3.3. Методы расчета сборно-монолитных железобетонных конструкций на длительные нагружения. 74
1.4. Выводы по I главе. 78
1.5. Цели и задачи исследований. 80
Глава 2. Анализ напряженно-деформированного состоя ния, разработка методов расчета прочности и малоцик ловой выносливости сталежелезобетонных изгибаемых элементов при однократном и длительном статическом и малоцикловом нагружениях. учет пространственной работы, доэксплуатационных напряжений 82
2.1. Анализ напряженно-деформированного состояния нормальных сечений сталежелезобетонных изгибаемых элементов. 82
2.2. Анализ напряженно-деформированного состояния контактного шва сталежелезобетонного изгибаемого элемента . 88
2.2.1. Исследование деформативности и сопротивляемости сдвигу контактного шва «сталь-бетон» 88
2.2.1.1. Работа анкерного стержня в бетонном массиве. 91
2.2.1.2. Коэффициент постели бетонного основания. 92
2.2.1.3. Зона активного деформирования бетона под анкером. 94
2.2.2. Оценка несущей способности и доли участия анкерного стерж ня и бетона в восприятии сдвигающих усилий. 95
2.2.2.1. Усилие воспринимаемое бетонным основанием. 96
2.2.2.2. Усилие воспринимаемое анкерным стержнем. 96
2.2.2.3. Несущая способность контактного шва при разных видах разрушения. 98
2.2.2.4. Определение сдвигающих усилий по контакту «сталь-бетон» сталежелезобетонных изгибаемых элементов. 99
2.2.2.5. Условия прочности контактного шва. 104
2.2.3. Дополнительные напряжения и усилия возникающие при режимном нагружении. 105
2.3. Метод расчёта прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений на основе аналитических диаграмм деформи рования бетона и стали 111
2.3.1. Общие физические соотношения для расчёта прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений без учёта податливости соединения. 111
2.3.2. Общие физические соотношения для расчёта прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений с учётом податливости соединения. 117
2.3.3. Аналитические зависимости для описания диаграмм деформирования бетона. 123
2.3.4. Аналитические зависимости для описания диаграмм деформирования стали. 127
2.3.5. Напряженно-деформированное состояние сталежелезобетонно-го элемента от длительного действия нагрузок. 129
2.4. Расчет прочности сталежелезобетонных конструкций с учетом пространственной работы плиты. 133
2.4.1 Принятые предпосылки и постановки задачи. 133
2.4.2. Уравнение изгиба сталежелезобетонной плиты, подкрепленной стальными балками. 135
2.4.3. Решение дифференциальных уравнений методом конечных разностей. 143
2.5. Численные исследования сталежелезобетонных конструкций. 146
2.5.1. Численные исследования сталежелезобетонных балок на кратковременные нагружения. 147
2.5.2. Численные исследования пространственной работы сталежеле-зобетонных перекрытий. 151
2.6. Учет начальных деформаций и напряжений, возникающих на этапе возведения, в расчетах изгибаемых сталежелезобетонных конструкций. 158
2.6.1. Учет усадки бетона. 158
2.6.2. Напряженно-деформированное состояние составного сечения до приложение внешних нагрузок. 162
2.6.3. Расчетные выражения для определения прочности сталежеле-зобетонных элементов на эксплуатационные нагрузки, при учете доэксплуатационных напряжений. 164
Глава 3. Инженерные методы оценки прочности и мало цикловой выносливости сталежелезобетонных балок, прочности с учетом пространственной работы в составе перекрытия. выбор рациональных параметров несущих элементов сталежелезобетонного перекрытия 166
3.1. Расчеты прочности и малоцикловой выносливости по нормаль
ным сечениям сталежелезобетонных изгибаемых элементов. 166
3.1.1. Основные предпосылки расчета. 166
3.1.2. Расчеты прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений без учета податливости контакта . 169
3.1.3. Расчеты прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений с учетом податливости контакта. 172
3.2. Выбор рациональных параметров несущих элементов сталеже-лезобетонного перекрытия. 175
3.2.1. Исследование изменения напряженно-деформированного состояния сталежелезобетонных балок при вариации прочностных параметров нормального сечения. 175
3.2.2. Выявление рационального шага стальных балок – ребер стале-железобетонного перекрытия. 182
Глава 4. Экспериментальные исследования сталежелезо-бетонных конструкций 185
4.1. Технология изготовления, характеристики опытных образцов балок, призм, фрагментов перекрытий. 185
4.2. Методика испытания сталежелезобетонных элементов на действие кратковременной статической нагрузки. 201
4.2.1. Испытания сталежелезобетонных балок на изгиб. 201
4.2.2. Испытание сталежелезобетонных призм. 206
4.3. Методика испытания сталежелезобетонных элементов на действие малоцикловой нагрузки. 209
4.4. Методика испытания сталежелезобетонных элементов на действие длительных нагрузок . 214
4.5. Методика экспериментальных исследований пространственной работы сталежелезобетонных конструкций. 216
4.6. Методика экспериментальных исследований определения начальных деформаций и напряжений (доэксплуатационного напряженно-деформированного состояния) на стадии возведения сталежелезобетонного перекрытия. 221
4.7. Результаты экспериментальных исследований прочности ста-лежелезобетонных балок при однократном статическом нагружении. 224
4.8. Результаты экспериментальных исследований малоцикловой выносливости сталежелезобетонных балок. 242
4.8.1. Статические кратковременные испытания. 242
4.9. Результаты экспериментальных исследований сталежелезобе-тонных балок при длительном статическом нагружении. 247
4.10. Результаты экспериментальных исследований модели и фрагмента сталежелезобетонных перекрытий. Пространственная работа плиты. 251
4.10.1. Результаты испытаний модели сталежелезобетонного перекры-
4.10.2. Результаты испытаний фрагмента сталежелезобетонного перекрытия в натуральную величину. 255
4.10.3. Экспериментальные исследования пространственной работы плиты. 258
4.11. Результаты исследований податливости контакта слоев. 267
4.11.1. Изучение деформативности и прочности призм на действие статической нагрузки. 267
4.11.2. Результаты исследований сдвига слоев на моделях балок при кратковременных нагрузках. 278
4.11.3. Результаты исследований сталежелезобетонных элементов при малоцикловых нагружениях. 281
4.12. Результаты исследований доэксплуатационного напряженно-деформированного состояния сталежелезобетонной конструкции. 288
Глава 5. Сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований. оценка достоверности предлагаемых методов расчета 292
5.1. Сопоставления теоретических результатов с данными испыта ний натурных образцов. 292
5.1.1. Сравнения с данными испытаний сталежелезобетонных балок на кратковременные нагружения. 293
5.1.2. Сравнения с данными испытаний сталежелезобетонных балок на циклические нагружения. 298
5.1.3. Сравнения с данными испытаний сталежелезобетонных балок на длительные нагружения. 301
5.1.4. Сравнения с данными испытаний фрагмента сталежелезобетон-ного перекрытия в натуральную величину. 302
5.2. Сопоставления теоретических результатов с данными численных экспериментов. 305
5.2.1. Сравнения с данными численных экспериментов сталежелезо-бетонных балок. 306
5.2.2. Сравнения с данными численных экспериментов модели фраг
мента сталежелезобетонного перекрытия. 307
Общие выводы 308
Список использованной литературы
- Анализ существующих экспериментальных исследований ста-лежелезобетонных конструкций при различных режимах нагру-жения
- Анализ напряженно-деформированного состояния контактного шва сталежелезобетонного изгибаемого элемента
- Расчеты прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений без учета податливости контакта
- Методика испытания сталежелезобетонных элементов на действие длительных нагрузок
Введение к работе
Актуальность темы: Рыночные отношения, интенсивно развивающиеся в нашей стране, диктуют необходимость повышения долговечности зданий, применения экономичных решений, которые в большей степени определяются совершенствованием проектных и конструктивных решений при максимальном снижении материалоемкости строительства. Решение этих задач должно быть в первую очередь обеспечено в ведущих отраслях строительства, в том числе при строительстве и реконструкции гражданских зданий. Важнейшим видом несущих конструкций гражданских зданий являются перекрытия. Анализ проектных решений показывает, что в гражданских зданиях, особенно в высотных зданиях, которые в последнее время все больше применяются в нашей стране, в период интенсивного развития рыночных отношений, более 30-40% материалов расходуется на перекрытие. Перекрытия испытывают в реальных условиях длительные, а иногда - повторные нагружения. В высотных зданиях на технических этажах устанавливаются разного рода неуравновешенные машины (вентиляторы, компрессоры, центрифуги и т.п.), являющиеся источниками многократно повторных нагрузок. В зальных помещениях памятников архитектуры, предназначенных для проведения массовых мероприятий, на перекрытиях также возможно возникновение многократно повторных нагружений. Методы расчета, применяемые при проектировании перекрытий зданий, должны обеспечить рациональное расходование материалов в них, расчеты необходимо вести с учетом условий эксплуатации на длительные и повторные нагружения.
При реконструкции гражданских зданий очень часто приходится сталкиваться с тем, что деревянные балки перекрытий, применявшиеся вплоть до 50-х годов ХХ века, в большинстве случаев потеряли несущую способность из-за нахождения в неблагоприятных влажностных и температурных условиях эксплуатации. Кроме того, при реконструкции зданий и сооружений, особенно архитектурных памятников, к перекрытиям и покрытиям предъявляют жесткие требования как реставраторы, так и надзорные органы. При проектировании и самого процесса реконструкции отслужившие нормативный срок эксплуатации деревянные перекрытия меняют частично или полностью на новые перекрытия. Требования по реставрации и реконструкции памятников архитектуры диктуют сохранение внешних и внутренних архитектурных решений, что возможно только при сохранении статической связности здания, первоначальных отметок пола и потолка перекрытий, а также при поэлементной замене деревянных балок. Здесь на помощь приходят железобетонные перекрытия по стальным балкам. При обеспечении совместной работы плиты с балкой создается сталежелезобетонное перекрытие, используемое в последние годы в перекрытиях гражданских зданий во многих странах мира, в том числе и в России.
С 1992 по 2010 годы с участием автора реконструировано множество архитектурных памятников в г. Казани с восстановлением работоспособности междуэтажных перекрытий: здание городского общественного центра по ул. К.Маркса, 38/5; жилой дом по ул. Лобачевского, 9/30; здание театра юного зрителя, дом купца Александрова - Шувалова; здание Казанского государственного академического большого драматического театра им. В.И.Качалова, здание хореографического училища, музей Б.Урманче; здание Алафузовского театра; Александровский пассаж; национальный общественный центр; здание ДУМ РТ; исторический комплекс мечети Марджани; главное здание железнодорожного вокзала; главное здание выставочного центра «Казанская ярмарка»; здание бывшей Мариинской гимназии; городское концертно-филармоническое объединение; дом студентов КГМУ; здание филиала МГАХИ им. В.И. Сурикова в г. Казани и др.
Работы по восстановлению междуэтажных перекрытий продемонстрировали технологичность выполнения, уменьшение веса перекрытий, сохранение статической связности зданий, исключение поддерживающих подмостей и лесов, исключение зыбкости, характерной для деревянных перекрытий.
При проектировании сталежелезобетонных конструкций использовались методы расчета железобетонных элементов с жесткой арматурой, а в ряде случаев - методы расчета мостовых сооружений (которые отличаются от несущих элементов гражданских зданий большей жесткостью составных частей в 100 - 500 раз). В основном асчеты сталежелезобетонных конструкций выполнялись в предположении упругой работы стальной балки и без учета податливости контакта слоев, пространственной работы перекрытия.
Проблемы прочности сталежелезобетонных элементов при циклических, длительных статических нагружениях, пространственная работа, доэксплуатационное напряженно-деформированное состояние экспериментально не изучены. Детальный их анализ позволил обосновать направления наших исследований.
Нерешенность проблемы, значительное количество зданий, подлежащих реставрации и реконструкции и охраняемых по перечням ЮНЕСКО, России и Республики Татарстан и муниципального уровня, стали предпосылкой для экспериментальных и теоретических исследований, разработки новых методов расчета прочности и деформативности сталежелезобетонных изгибаемых элементов при реальных условиях нагружений и деформирования материалов в составе единой конструкции с учетом податливости соединения слоев «сталь-бетон».
Цель и задачи исследований.
Цель работы - создание и развитие эффективных методов расчета прочности, выносливости и проведение экспериментальных исследований, наиболее полно учитывающих прочностные свойства материалов и податливость контакта слоев сталежелезобетонных конструкций, используемых в восстанавливаемых и реконструируемых зданиях. При этом учтены физическая нелинейность бетона и стали, податливость соединения железобетонной полки со стальной балкой при различных видах нагружения (кратковременное и длительное статические и малоцикловое нагружения), а также пространственная работа сталежелезобетонных конструкций.
Основными задачами исследований являются:
- изучение особенностей изменения прочности и малоцикловой выносливости, напряженно - деформированного состояния сталежелезобетонных изгибаемых конструкций под действием статических и малоцикловых нагрузок при учете физической нелинейности бетона и стали, а также податливости контакта слоев;
- проведение экспериментальных исследований по выявлению прочности и малоцикловой выносливости сталежелезобетонных изгибаемых элементов, находящихся под воздействием кратковременной, длительной и циклической нагрузок;
- разработка методик расчета прочности при действии кратковременного, длительного статического нагружений и выносливости при действии циклического нагружения сталежелезобетонных изгибаемых элементов, с учетом физической нелинейности бетона и стали, податливости контакта слоев, пространственной работы сталежелезобетонных конструкций;
- сравнительный анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований, оценка точности предлагаемых методик расчета.
Научную новизну диссертации составляют:
- аналитические зависимости для вычисления усилий сдвига по контакту сопряжения железобетонной полки и стальной балки с учетом податливости контакта при различных видах нагружения (кратковременное и длительное статические и малоцикловое нагружения);
- зависимости для вычисления предельной сдвигающей силы, воспринимаемой анкерными связями по контакту между железобетонной полкой и стальной балкой при различных видах нагружения (кратковременное и длительное статические и малоцикловое нагружения);
- деформационные методы расчета прочности на статические нагружения и выносливости на циклические нагружения сталежелезобетонных изгибаемых конструкций с учетом аналитических диаграмм деформирования бетона и стали при неподатливом и податливом соединении железобетонной полки и стальной балки;
- упрощенные (инженерные) методы расчета прочности и малоцикловой выносливости сталежелезобетонных изгибаемых конструкций при неподатливом соединении и с учетом податливости контакта железобетонной полки и стальной балки;
- методы оценки прочности сталежелезобетонных перекрытий, отдельных сталежелезобетонных балок с учетом их пространственной работы в составе перекрытия;
- экспериментальные результаты об особенностях работы сталежелезобетонных балок, о характере разрушения и о развитии в них прогибов, деформаций материалов при однократном кратковременном, длительном и малоцикловом нагружениях, о пространственной работе, о напряженно - деформированном состоянии сталежелезобетонных конструкций в доэксплуатационной стадии.
Автор выносит на защиту:
- результаты экспериментальных исследований прочности сталежелезобетонных изгибаемых элементов при различных видах нагружения (кратковременное и длительное нагружения);
- результаты экспериментальных исследований малоцикловой выносливости сталежелезобетонных изгибаемых конструктивных элементов;
- результаты экспериментальных исследований доэксплуатационного напряженно-деформированного состояния сталежелезобетонных конструкций;
- результаты экспериментальных исследований пространственной работы сталежелезобетонных фрагментов перекрытий при однократном кратковременном статическом нагружении;
- деформационные методы расчета прочности на статические нагружения и выносливости на циклические нагружения сталежелезобетонных изгибаемых конструкций с учетом аналитических диаграмм деформирования бетона и стали при неподатливом и податливом соединении железобетонной полки и стальной балки;
- инженерный метод расчета прочности на статические нагружения, малоцикловой выносливости сталежелезобетонных изгибаемых элементов при неподатливом соединении и с учетом податливости контакта;
- метод расчета прочности сталежелезобетонных плит со стальными ребрами с учетом их пространственной работы.
Практическая значимость работы определяется созданием и развитием в рамках диссертации эффективных методов расчета и экспериментальных исследований, наиболее полно учитывающих специфику работы сталежелезобетонных конструкций, используемых в восстанавливаемых и реконструируемых зданиях.
Разработаны методы расчета прочности и выносливости нормальных сечений сталежелезобетонных изгибаемых элементов при различных видах нагружения (кратковременное, длительное статические и малоцикловое нагружения), без учета податливости контакта и с учетом податливости контакта, методы оценки прочности сталежелезобетонных изгибаемых элементов с учетом их пространственной работы, а также с учетом первоначального доэксплуатационного напряженно - деформированного состояния.
Разработанные методы оценки прочности и выносливости сталежелезобетонных изгибаемых элементов на действие различных видов нагружений, при неподатливом и податливом контакте железобетонной полки и стальной балки позволяют значительно повысить надежность составных конструкций, их расчетную несущую способность, получить наиболее экономичные, научно обоснованные конструктивные решения.
Апробация работы. Представленная работа опирается на результаты научной и проектной деятельности автора по развитию известных и разработке новых методов расчета, в том числе используемых при реконструкции архитектурных памятников. Научно-техническая деятельность отражена в отчетах по НИР, выполненных по госбюджетной и хоздоговорной тематике КазГАСУ в период с 2002 по 2013 годы автором, перечень которых представлен в приложении к диссертации. Отчеты по НИР утверждены и зарегистрированы в установленном порядке, все исследования проводились в соответствии с рабочими программами. Основные результаты диссертационной работы докладывались и опубликованы в сборниках научных трудов международных и Всероссийских научно-практических конференций, посвященных совершенствованию методов проектирования, реконструкции зданий и сооружений, возрождению исторических городов, теории архитектурной и строительной наук. Результаты обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях Казанского ГАСУ в период с 1992 по 2013 г.г., на международном симпозиуме «Реконструкция Санкт-Петербурга – 2005» (Санкт-Петербург, 1992 г.), на Российской научно - практической конференции «Актуальные проблемы транспорта России» (Саратов, 27-30 сентября 1999 г.), на Российском научно-практическом семинаре «Проблемы реконструкции и возрождения исторических городов» (Казань, 22-24 марта 1999 г), на академических чтениях РААСН в октябре 2000 г. в г. Казани, на II межрегиональном научно -практическом семинаре «Эксплуатация и реконструкция зданий и сооружений (Чебоксары, 2001 г.), на международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (Пенза, 28-30 мая 2002 г.), на всероссийской заочной конференции Тверского ГТУ (Тверь, 2002 г.), на международной научно - технической конференции «Современные проблемы совершенствия и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте» (Самара, 23-26 сентября 2002 г.), на II международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции; теория и практика» (Пенза, 26-28 ноября 2003 г.), на III международной научно-практической конференции «Развитие современных городов и реформа ЖКХ» (Москва, 6-7 апреля 2005 г.), на международной научно - практической конференции «Город и экологическая реконструкция жилищно - коммунального комплекса XXI века» (Москва, 2006 г.), на секциях научно-технического совета ФГОУ ВПО «Казанский государственный университет» (Казань, май 2010г., июнь 2013г.), на секции научно-технического совета ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова (Москва, 13 марта 2013г.), на международной научно - практической конференции «Актуальные проблемы строительного и дорожного комплекса» (Йошкар-Ола, 4-6 июня 2013 г.) и др.
Выполнены практические работы по восстановлению работоспособности междуэтажных перекрытий исторических зданий - памятников архитектуры XIX, XX вв. в г. Казани. Справки о внедрении приложены в конце диссертации.
Результаты научных исследований используются в учебном процессе студентами при выполнении дипломных проектов, а также при чтении лекций по курсу «Современные архитектурные конструкции».
Степень достоверности результатов.
Обозначенные задачи решались на основе натурных экспериментов, выполненных в лабораторных и заводских условиях, а также на основе теоретических исследований с использованием разработанных методов расчета на основе предложенных расчетных моделей работы составных сталежелезобетонных конструкций при различных видах нагружения. Достоверность экспериментальных исследований обеспечивается использованием современной измерительной аппаратуры исследовательской лаборатории и действующего оборудования технического контроля домостроительного комбината, обеспечивающих требуемую точность измерений при испытаниях. Достоверность результатов исследований, методов расчета на основе предложенных, расчетных моделей подтверждается сравнительным анализом результатов, полученных опытным и расчетным путем.
Личный вклад заключается в выборе темы, столь актуальной для гражданских зданий на сегодняшний день, в самостоятельной формулировке цели и основных задач исследований, а также в подготовке и проведении обширного объема экспериментальных исследований: начиная с призм и балок до фрагмента перекрытия в натуральную величину; в получении результатов с помощью программных комплексов; в совершенствовании и разработке методик расчета на прочность и выносливость сталежелезобетонных элементов с учетом податливости контакта на различные виды нагружения; в выявлении деформаций и напряжений сталежелезобетонной конструкции в период ее возведения.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 46 печатных работ, в том числе 17 статей в изданиях, включенных в Перечень ВАК. Получены документы, подтверждающие внедрение предложенных автором методов расчета и конструирования, выполнения работ по восстановлению работоспособности междуэтажных перекрытий исторических зданий от различных организаций Республики Татарстан.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений: противопожарные мероприятия по защите стальных балок и бетона от прямого воздействия огня, справки о внедрении предложенных методов расчета и конструирования.
Анализ существующих экспериментальных исследований ста-лежелезобетонных конструкций при различных режимах нагру-жения
Изучение прочностных свойств бетона при малоцикловом нагружении проводится сравнительно недавно, примерно с начала 60-х годов нашего столетия. По этой причине закономерности поведения бетона в отличие от арматурной стали, где можно пользоваться сведениями исследований в сфере машиностроения, были изучены мало.
Первые исследования образцов бетона на сжатие при малоцикловом на-гружении провел Ван Орнум [14]. Он испытал 18 кубов размером 17,8 х 17,8 х 17,8 см и 179 бетонных призм размером 12,7 х 12,7 х 30 см. Прочность бетона 84 и 110 кГс/см Образцы нагружались с частотой 4 цикла в минуту, коэффициент асимметрии цикла напряжений =0. Результаты исследований показали, что тысяча циклов нагружении приводит к снижению прочности на 40 %, а 5500 нагру-жении — на 50 %.
Е. Пробет и его ученики А. Мемель, Ф. Трайбер, Е. Хейм испытывали цилиндры и призмы в возрасте бетона от двух месяцев до трех лет. Отмечено, что у более старого бетона упругие свойства выражены более явно, а остаточные деформации проявляются меньше.
О. Граф и Е. Бреннер, испытав 100 призм размером 13 х 13 х 40 см, установили, что с уменьшением призменной прочности относительный предел выносливости увеличивается, с уменьшение предел выносливости снижается, бетон на щебне менее вынослив, чем бетон на гравии.
С.П. Шах и Л. Винтер испытали призмы размером 8,9 х 8,9 х 25,2 см с прочностью бетона 406 кГс/см База испытаний была принята 20 циклов нагружении. Образцы загружались до нагрузки Рmax, составлявшей 0,83-0,98 от разрушающей нагрузки, полученной при однократном загружении эталонных призм. Испытания показали, что три образца выдержали 20 циклов нагружений, остальные разруша 47 лись при количестве циклов меньше 10. Авторы указывают, что проведенные с помощью микроскопа наблюдения за образованием микротрещин при циклических нагружениях показали сильное увеличение интенсивности их развития при
В нашей стране первые исследования выносливости бетона проведены Б.Г. Скрамтаевым и Л.И. Панфиловой. Было испытано 96 кубиков размером 7 х 7 х 7 см при максимальных напряжениях от 0,5 R до 0,9 R и минимальных напряжениях от нуля до 0,3 R. Установлено, что 100-500 циклов нагружений приводят к снижению прочности на 10-50 %.
И.Л. Корчинский [163] на основании проведенных исследований предложил зависимость для определения усталостной прочности при заданном количестве циклов нагружений в зависимости от предела усталости.
Ю.М. Котов [167] исследовал влияние малоцикловых нагружений на прочность при сжатии различных видов бетонов. Предложена эмпирическая зависимость между прочностью и количеством циклов нагружений.
Испытания бетона на малоцикловые нагрузки типа сейсмических представлены в работе В.С. Полякова. Количество циклов повторного нагружения бетона с уровнем =0,83-0,98 от призменной прочности составило от 5 до 20 для разных групп образцов. При 0,80 в процессе малоциклового нагружения до 1000 циклов ни один образец не разрушился. При 0,84 наблюдалось затухание приращений деформаций бетона после каждого цикла и после 4-6 нагружений оно полностью стабилизировалось. При более высоких уровнях нагружения 0,90 происходило разрушение образцов в процессе повторного нагружения в пределах 10-15 циклов, в этом случае затухание приращений деформаций тах и ЩІП или не отмечалось, или было заметно меньше, чем при более низком уровне нагружений. Снижение прочности бетона при немногократно повторном нагружении авторы данной работы связывают с началом интенсивного макротрещинообразова-ния в бетоне образцов. В работе А.В. Яшина [305-307] установлено, что при максимальном уровне повторно - статического нагружения бетона призм при =0,8 через 15 циклов, при 0,7 через 35, а при 0,55 разрушение не наблюдалось. Отмечено влияние сложного напряженного состояния бетона на его предел выносливости и прочности. При двухосном нагружении выносливость увеличилась в 1,6 раза, а число циклов до разрушения в 1,3 раза. При трехосном напряженном состоянии увеличение составило соответственно 1,7 и 1,35 раза. Однако полученные результаты дали существенное расхождение с данными других исследований.
Е.М. Бабич, А.П. Погорельчик, А.С. Залесов [25], исследовали малоцикловую выносливость бетонных призм из тяжелого бетона марки М200-500 при количестве циклов нагружения 5-200. Уровни повторных нагружений =max/RB составили 0,265; 0,475; 0,75; 0,85; 0,92; 0,95.
Установлено, что при высоких уровнях нагружений =0,85 и выше раз рушение призм происходило при числе циклов 7-32, модуль деформации бетона при этом значительно снижался. При уровнях 0,85 после 200 циклов нагруже-ния, образцы не разрушаются. При последующем испытании на статическую нагрузку до разрушения, прочность бетона, повышается в среднем на 7 % по сравнению с RB
Авторы считают, что увеличение призм прочности бетона, после испытания малоцикловой нагрузкой при 0,85, происходит в результате упрочнения бетона при повторных нагружениях (5%) и благодаря выравниванию напряжений и перераспределения усилий в сечении призм (2%).
При повторных кратковременных загружениях с верхним уровнем max 0,85 RB наблюдается накопление остаточных деформаций, приводящих к разрушению бетона.
Анализ напряженно-деформированного состояния контактного шва сталежелезобетонного изгибаемого элемента
Одной из важных задач проектирования и эксплуатации составных (объединённых) изгибаемых элементов является обеспечение совместной работы двух или более разнородных материалов по контактному шву вплоть до полного исчерпания несущей способности конструкции. В нашем случае совместная работа достигается устройством анкерных связей в плоскости контакта «сталь-бетон» сталежелезобетонных изгибаемых элементов.
Анализ вышеизложенных в главе 1 отечественных и зарубежных исследований и опыта проектирования показывает, что применение на практике гражданского строительства, особенно в условиях реконструкции, жёстких упоров (в частности из уголков, пластин), а также в виде хомутов (вертикальных, наклонных) мало эффективно, т.к., во-первых, ввиду малой высоты бетонной или железобетонной плиты, из-за ограниченности строительной высоты перекрытия; во-вторых, жёсткие упоры играют роль концентратора напряжений; в-третьих, в изгибаемых образцах сталежелезобетонных балок применение жестких упоров даёт практически аналогичные, а иногда и худшие результаты по сравнению с вертикальными анкерными стержнями, что показали собственные и других авторов экспериментальные исследования; в-четвёртых, увеличенная материалоемкость и трудозатраты на их изготовление.
Для дальнейшего анализа напряжённо-деформированного состояния контактного шва, а также сталежелезобетонных изгибаемых элементов в целом, приняты гибкие анкера, выполненные из двух вертикальных арматурных стержней.
Контактный шов представляет собой ослабленное сечение из-за наличия в нём частиц пыли, отсутствия склеивания между бетоном и стальной полкой балки. Вследствие такого нарушения сплошности контакта, последующее разрушение происходит непосредственно по плоскости контакта «сталь-бетон». Разрушение контактных швов начинается с образований трещин вдоль зоны контакта, однако, даже после появления трещины по контактному шву полное (физическое) разрушение контакта ещё не происходит, т.к., во-первых, всё ещё действуют силы механического зацепления, во-вторых, вследствие образования контактной трещины, за счёт уменьшения жёсткости контакта начинается более активное включение в работу анкерного стержня и бетона, а именно, происходит изгиб анкерного стержня и смятие бетона под ней.
В результате достижения деформациями в бетоне под анкерным стержнем предельных значений от смятия или в самом анкерном стержне напряжений предела текучести от изгиба, деформации сдвига по контактному шву начинают расти ещё с большей интенсивностью. Физическое разрушение контакта сопровождается развитием деформаций сдвига большой величины (sh=13мм), а иногда и обрывом арматуры. Такие же данные получены при исследовании контактной задачи сборно-монолитных образцов [368].
За критерии разрушения контакта «сталь-бетон» можно принять следующие случаи предельного состояния: 1. Разрушение от достижения напряжениями на изгиб в анкерном стержне предельных значений; 2. Разрушение от достижения напряжениями в бетоне под анкерным стержнем предельных значений от смятия; 3. Одновременное достижение предельных состояний по несущей способности бетона и анкера. В общем виде сопротивление контактного шва сдвигу в предельном со стоянии можно представить в виде следующей функции [279]: Rsh=f (Rcц, Rзац, Rsa, Rb) (2.2.1.1.),
где Rсц- сопротивление контакта сдвигу за счёт сил сцепления; Rзац- сопротивление контакта за счёт сил зацепления; Rа- сопротивление анкерного стержня изгибу; Rb- сопротивление бетона под анкером смятию. Ввиду того, что поверхность металла стальных балок имеет практически гладкую поверхность, силами «сцепление-засцепление» в данном случае можно пренебречь в запас прочности контактного шва, т.е. считать сопротивлении контактного шва сдвигу обеспечивается анкерным стержнем и бетоном.
Задача определения прочности контактного шва «сталь-бетон» решалась в несколько этапов: рассматривалось влияние упругой и упругопластической работы материалов на величину предельных нагрузок, которые воспринимались анкерным стержнем и бетоном; исследовалась зона активного деформирования бетона под анкерным стержнем. Таким образом, можно производить оценку доли участия анкерного стержня и бетонного основания в восприятии сдвигающих усилий.
Изучение напряжённо-деформированного состояния и несущей способности контактного шва велось на моделях контакта, принятых в виде образцов, состоящих из бетонной полки и стальной части, имеющих единый шов сопряжения, который пересекает анкерный арматурный стержень (рис.4.1.10). В результате действия сдвигающей силы на сталежелезобетонной элемент происходит смещение одной части элемента относительно другой, что вызывает изгиб анкерного стержня.
Расчеты прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений без учета податливости контакта
Для выявления напряженно-деформированного состояния сталежелезобетон-ных конструкций используется различные математические модели и экспериментальные исследования на крупномасштабных натурных моделей. Но проведение экспериментальных исследований на натурных моделях требует значительных временных, людских и физических затрат. Поэтому выбирают математические модели, которые дешевле и приводят к более быстрым результатам. Многие исследователи в поисках эффективных математических моделей используют численный эксперимент, основанный на прикладных программных комплексах. Однако, достоверность полученных данных во многом зависит от правильного выбора модели численного эксперимента, которая по всем параметрам соответствовала бы физической сути работы натурной конструкции. Существует множество программных комплексов ПК (SCAD, Microfe, ЛИРА, ANSYS и т.п.) используемые исследователями для моделирования работы элементов строительных конструкций. При выборе ПК встает вопрос насколько они приближены к действительной работе конструкций и насколько точно могут оценивать поведение конструктивного элемента от нулевого его нагружения вплоть до разрушения и учитывать напряженно-деформированное состояние при различных режимах нагружения.
Расчетные комплексы используют конечные элементы и исследуемая конструкция заменяется множеством дискретных элементов связанных между собой в узлах. При создании математической модели, исследуемый элемент превращается в идеализированную расчетную схему, на базе которой методами строительной механики составляется система линейных алгебраических уравнений. Переходя от реального конструктивного элемента к расчетной схеме конструктивный элемент «разбивается» на сетки со множеством узлов, узлы сетки элементов располагаются исходя из требований условий задачи, чаще или реже формулируются граничные условия.
Численные исследования сталежелезобетонных балок на кратковременные нагружения. Для проведения численных исследований сталежелезобетонная балка моделировалась в программном комплексе ANSYS. Элементы моделировались с учетом прочностных свойств бетона, арматуры, стального проката, с заданием геометрических параметров всей балки, стального проката, железобетонной плиты и анкерных стержней (рис. 2.5.1.1.)
Моделирование физической нелинейности бетона и стали производилось с помощью конечных элементов, оперирующих библиотекой законов деформиро 148 вания материалов. В результате нелинейный расчет позволяет произвести оценку развития упругих и пластических деформаций в стальном профиле, анкерных связях и в железобетонной плите сталежелезобетонного элемента на каждом этапе нагружения и получить разрушающую нагрузку, при которой расчетная схема становится геометрически изменяемой.
Путем последовательного приближения, корректировки модели по результатам анализа численного эксперимента с данными натурных испытаний, на первоначальном этапе выбрана модель расчета по программному комплексу.
Исследованиями по ПК ANSYS получены картины развития деформаций в железобетонной полке и стальном профиле сталежелезобетонной балки при кратковременном нагружении (рис. 2.5.1.2). Картина деформаций наглядно показывает последовательность развития деформаций в стальном профиле и железобетонной плите, как деформации развиваются от более напряженной зоны к менее напряженной; от середины к концам балок и от крайних волокон вглубь сечения. В стальной балке развитие деформаций по мере увеличения нагрузки идет интенсивнее, чем в железобетонной плите, что можно объяснить меньшим сечением растянутого пояса, чем сжатая железобетонная полка. Компьютерная картина деформаций подтверждает динамику распределения экспериментальных фибровых деформаций в сечениях, как по высоте, так и по длине балки. Полученная картина также наглядно показывает развитие деформаций в анкерных стержнях: деформации и напряжения в них увеличиваются по мере отдаления от середины балки, напряжения увеличиваются по высоте стержней по мере приближения к контактной зоне «сталь-бетон», на поверхности верхнего пояса стального профиля отчетливо видны зоны напряжений, по которым можно судить о величине зон смятия бетона полки составной балки (рис. 2.5.1.3-2.5.1.4). Построены графики распределения напряжений по высоте балки (рис. 2.5.1.5) и диаграммы изменения прогибов при разных режимах нагружения. Анализ распределения напряжений по высоте нормального сечения балки по результатам расчета на ANSYS и сопоставление с данными испытаний показывает, что при малых нагрузках в зоне упругих деформаций результаты схожи. Однако, в численном эксперименте изменение положения границы сжатой зоны по мере увеличения нагрузки не соответствует экспериментальным данным. Большие расхождения получаются и при развитии пластических деформаций, в численном эксперименте пластические деформации развиваются интенсивнее, чем в натурном эксперименте. При больших нагрузках напряжения по ANSYS в зоне контакта «сталь-бетон» сильно отличаются от данных испытаний, как по величине, так и по характеру
Методика испытания сталежелезобетонных элементов на действие длительных нагрузок
Призмы испытывались до разрушения в условиях, достаточно близких к чистому сдвигу в плоскости контакта. Величина нагрузки задавалась и контролировалась по измерительной шкале испытательной машин. В процессе испытания измерялись деформации сдвига на контакте слоев. Определялись: предел сопротивления контакта между сталью и бетоном призм на сдвиг; деформативность контакта на различных циклах нагружения и характер работы различных типов анкерной связи, выносливости их на действие малоцикловых нагрузок.
Сталежелезобетонные балки испытывались по схеме свободно опертой балки двумя сосредоточенными силами в средней части пролета, приложенными на расстоянии 250мм от вертикальной оси балки. Расчетный пролет балки – 1900мм. Нагрузка передавалась от гидравлического пресса до значения Pmax, затем нагрузка уменьшалась до Pmin. На опытных балках устанавливались прогибомеры Бур-ковского на опора и под двумя сосредоточенными силами (рис. 4.3.1.), сдвиг плиты по отношению к стальной балке измерялся индикатором часового типа, деформации на стальной балке и в железобетонной плите измерялись с помощью элетротензодатчиков с базой 20мм и с базой 50мм соответственно.
Испытания сталежелезобетонных балок на изгиб на действие длительных на-гружений проводились на базе лабораторий КазГАСУ. Была изготовлена специальная испытательная установка установленная на полу лаборатории, позволяющая испытывать балки на действие длительных нагружений. Испытательная установка представляла силовую установку рычажного типа к которому подвешивалась люлька с грузовой платформой на которую устанавливали стальные грузы-пластины с определенным заранее взвешенным весом (рис. 4.4.1.)
Сталежелезобетонные балки испытывались по схеме свободно-опертой балки двумя сосредоточенными силами в середине пролета, приложенными на расстоянии 250мм от вертикальной оси балки. Расчетный пролет балки – 1900мм. Нагрузка передавалась от грузовой люльки через рычажную систему.
В процессе испытания измерялись деформации бетона и стали сталежелезобе-тонной балки, деформации абсолютного сдвига бетонной плиты относительно стальной балки вдоль зоны контакта, а также прогибы и ширина раскрытия трещин в бетонной плите. Деформации бетона и стали фиксировались тензодатчиками сопротивления с базой 50мм и 20мм, соотносительно через электронную аппаратуру АИД4. Крое того, продольные деформации стали нижнего пояса и верхней плиты фиксировались специально изготовленной мензуркой с базой 400мм, снабженной индикатором часового типа. Измерение прогибов на каждой ступени производилось прогибомерами Бурковского. Абсолютные деформации сдвига вдоль контакта измерялись с помощью индикаторов часового типа с ценой деления 0,01мм.
Общий вид и схема испытаний сталежелезобетонных балок представлены на рис. 4.4.2. Схема размещения тензодатчиков сопротивления и измерительных приборов аналогичны образцам при испытаниях на кратковременные статические нагружения.
Методика экспериментальных исследований пространственной работы сталежелезобетонных конструкций.
Экспериментальные исследования дают наиболее обширные и фактические данные по напряженно-деформированному состоянию конструкций. Для исследования пространственной работы сталежелезобетонных конструкций изготовлены и испытаны: одна крупномасштабная модель перекрытия в масштабе 1:3, а другой фрагмент перекрытия в натуральную величину. Крупномасштабная модель ста-лежелезобетонного перекрытия имела следующие состав и геометрические параметры: железобетонная плита высотой 50мм, шириной 1664мм и длиной 2000мм подкрепленная тремя стальными балками из прокатного двутавра №12 ГОСТ 8239-89 длиной 2000мм, которые расположены на равных расстояниях. Совместность работы железобетонной плиты и стальной частей достигалась за счет двух рядов вертикальных анкерных стержней (26А300) высотой 40мм, приваренных по всей длине к верхнему поясу стальных балок с шагом 150мм по концам на четверти пролета и 100мм – в середине на половине пролета.
Для испытания модели фрагмента сталежелезобетонного перекрытия была изготовлена испытательная рама, вмонтированная в силовой пол лаборатории.
Общий вид и схема расстановки измерительных приборов, приспособлений и оборудования приводится на рис.4.5.1.-4.5.4.
Модель фрагмента сталежелезобетонного перекрытия испытывали нагрузкой, распределенной в двадцати точках по её площади, т.е. в условиях близких к равномерно распределенной нагрузке. Ввиду различной несущей способности крайних и средней балок, а также железобетонной плиты фрагмента сталежелезобе-тонного перекрытия производилось соответствующее распределение нагрузок по площади фрагмента согласно схемам нагружения, представленным на рис.4.5.5, через пятиуровневую систему траверс, работающих по разрезной схеме.
