Введение к работе
Актуальность темы.
Железобетонные балки входят в разряд наиболее ответственных несущих конструкций. Им уделяется особое внимание при обследовании зданий и сооружений. В последние годы инженерная служба сталкивается с серьёзной проблемой при формулировании заключений о безопасной эксплуатации железобетонных стропильных балок. Это связано с увеличенной по действующему СНиП 2.01.07-85* расчетной снеговой нагрузкой, на которую они не были рассчитаны. Кроме того, из-за перепрофилирования многих производственных зданий на выпуск продукции, где вместо мостовых кранов требуются подвесные краны, расчетные нагрузки на стропильные балки ещё более увеличиваются. Следует отметить, что стропильные балки, как правило, имеют большой коэффициент армирования, что делает неэффективным традиционное усиление, например предварительно-напряжёнными затяжками, из-за вероятности переармирования.
Существуют различные конструктивные решения по усилению железобетонных балок. Наиболее распространёнными являются упругая опора, или подводимая снизу стальная балка, предварительно напряжённая затяжка и шпренгельная система. Но наряду с достоинствами эти конструкции не лишены недостатков, что ограничивает область их применения. Недостатками подводимой стальной балки являются чрезмерный расход металла на балку и устройство элементов, воспринимающих её опорные реакции, а также увеличение суммарной толщины перекрытия. К недостаткам предварительно напряжённой затяжки относятся снижение эффекта усиления при увеличении коэффициента армирования и незначительное повышение жёсткости балки. Это же относится к шпренгельной системе. Кроме того, шпренгель существенно нагружает сжатую зону, вызывая, при невысоком классе бетона, необходимость вовлечения в работу дополнительных стальных элементов.
Таким образом, возникает потребность в усилении стропильных балок и разработке надёжной, технологичной и экономически целесообразной конструкции усиления.
Целью диссертационной работы является разработка эффективной конструкции усиления железобетонных балок на базе существующих технических решений, не требующей устройства вспомогательных опорных элементов и позволяющей значительно повысить прочность и жёсткость балки в широком диапазоне значений коэффициента армирования.
Для достижения поставленной цели ставились следующие задачи:
выполнить анализ существующих конструктивных решений по усилению железобетонных балок, выявить их положительные и отрицательные стороны;
провести физический эксперимент на железобетонных балках с целью выявления характера их напряжённо-деформированного состояния, схем разрушений и величин разрушающих нагрузок до и после усиления;
разработать алгоритм расчёта усиленных балок, учитывающий параметрические особенности конструкции усиления и физическое состояние балок;
провести численные исследования влияния параметров конструкции усиления на напряжённо-деформированное состояние, прочность и жёсткость усиленных балок;
выполнить сравнительный анализ нового конструктивного решения по усилению балок с существующими. В случае положительного результата сравнения и целесообразности применения новой конструкции разработать рекомендации по её наиболее эффективному и рациональному использованию.
Научную новизну работы составляют:
новая конструкция для усиления железобетонных балок (комбинированная система). Система состоит из горизонтальной затяжки, выполненной из стальных профилей с приваренными по концам стержнями с нарезкой, и закреплённых к стальным профилям вертикальных стержней с нарезкой, на которые устанавливаются поперечные траверсы, являющиеся упругими (податливыми) опорами для усиливаемой балки. Устройство подвешивается на балку с помощью двух П-образных хомутов – подвесок, положение которых определяется расчётом. Комбинированная система включается в работу за счёт действия предварительного напряжения в горизонтальной затяжке и упругих (податливых) опорах. В зависимости от степени нагружения балки создаётся отрицательный или уменьшается положительный изгибающий момент, тем самым значительно повышаются прочность и жёсткость балки;
полученные экспериментальные данные о совместной работе усиленной балки и комбинированной системы при изменяющихся конструктивных параметрах – положении подвесок и количестве промежуточных упругих опор;
выявленные зависимости напряжённо-деформированного состояния, прочности и жёсткости усиленных балок от положения подвесок и количества промежуточных упругих опор;
разработанный алгоритм расчёта усиленных комбинированной системой балок, основанный на решении задачи методом сил классической строительной механики с итерационным уточнением искомых параметров с учётом физической нелинейности задачи;
установленный диапазон коэффициентов армирования балок, при котором использование комбинированной системы наиболее целесообразно.
Автор защищает:
результаты аналитических исследований существующих конструктивных решений по усилению железобетонных балок;
новую, подтверждённую патентом РФ конструкцию усиления железобетонных балок (комбинированная система), состоящую из горизонтальной затяжки, выполненной из стальных профилей с приваренными по концам стержнями с нарезкой, поперечных траверс, устанавливаемых на приваренных к стальным профилям вертикальных стержнях с нарезкой и являющихся для усиливаемой балки упругими (податливыми) опорами, и двух П-образных хомутов (подвесок);
методику испытаний и результаты экспериментальных исследований напряжённо-деформированного состояния, прочности и жёсткости железобетонных балок, усиленных комбинированной системой с различными конструктивными параметрами;
итерационный алгоритм расчёта усиленных железобетонных балок, учитывающий физическую нелинейность задачи;
результаты численного исследования балок, усиленных комбинированной системой с различными конструктивными параметрами;
методические и практические рекомендации по усилению железобетонных стропильных балок комбинированной системой в зависимости от коэффициента армирования и требуемого коэффициента усиления - отношения разрушающих нагрузок, воспринимаемых балкой после и до усиления.
Практическая значимость работы:
разработана новая конструкция для усиления железобетонных балок (комбинированная система), позволяющая существенно повысить прочность и жёсткость балки при полной и частичной разгрузке, рассчитанная на использование при реконструкции производственных зданий и сооружений;
разработаны итерационный алгоритм и программа расчёта для ПЭВМ усиленных балок на разных стадиях нагружения с учётом образования и развития трещин;
даны методические и практические рекомендации по усилению стропильных балок комбинированной системой, выявлен диапазон её эффективного применения с учётом коэффициента армирования и требуемого коэффициента усиления;
результаты исследований используются при проектировании усиления железобетонных балок, эксплуатируемых в производственных зданиях г. Пензы и Пензенской области.
Апробация работы и публикации.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры “Строительные конструкции” ПГУАС, международных научно-технических конференциях “Эффективные строительные конструкции: теория и практика” (г. Пенза, ПГУАС, 2004, 2006, 2007 гг.); международной научно-практической конференции “Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах” (г. Пенза, ПГУАС, 2007 г.); международной научно-практической конференции “Города России: система взаимодействия человек – здания и сооружения” (г. Пенза, ПГУАС, 2009 г.);
По теме диссертации опубликовано 11 статей, в том числе 2 статьи – в журналах, входящих в перечень ВАК. Получен патент на изобретение №2359094 от 24.09.2007 г.
Автор искренне благодарен Заслуженному деятелю науки РФ, д-ру техн. наук, профессору Т.И. Барановой; канд. техн. наук, профессору В.В.Черячукину за помощь, ценные советы, замечания и полезные консультации.
Структура и объём работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и указателя использованной литературы. Текст изложен на 150 страницах, проиллюстрирован 105 рисунками и 10 таблицами. В указателе литературы содержится 130 отечественных и переведённых источников.
Похожие диссертации на Прочность и деформативность железобетонных балок, усиленных комбинированной системой с различными конструктивными параметрами
