Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса по исследованию прочности стыков железобетонных колонн, усиленных металлическими элементами, при статическом и кратковременном динамическом нагружениях 12
1.1 Конструктивные решения стыков сборных железобетонных колонн 12
1.2 Дефекты стыков сборных железобетонных колонн 26
1.3 Исследование прочности железобетонных колонн и их стыков с учетом пространственной работы зданий 32
1.4 Выводы по первой главе 39
ГЛАВА 2 Теоретические исследования стыков железобетонных колонн без усиления и усиленных металлическими элементами при статическом и кратковременном динамическом нагружениях 41
2.1 Предпосылки расчета 41
2.1.1 Предельные состояния и способы их нормирования для железобетонных колонн и их стыков 41
2.1.2 Прочностные и деформативные характеристики бетона при статическом и кратковременном динамическом нагружениях
2.1.3 Прочностные и деформативные характеристики арматуры при статическом и кратковременном динамическом нагружениях 59
2.2 Численные расчеты стыков железобетонных колонн 65
2.2.1 Численные расчеты стыков железобетонных колонн с использованием программы «Dynamic 3D» 65
2.2.2 Численные расчеты стыков железобетонных колонн с использованием вычислительных комплексов
«SCAD» и «ЛИРА» 81
2.3 Выводы по второй главе 90
ГЛАВА 3 Экспериментальные исследования стыков железобетонных колонн при статическом и кратковременном динамическом нагружениях 92
3.1 Программа экспериментальных исследований. Выбор и конструкция опытных образцов 92
3.2 Методика проведения испытаний 100
3.3 Результаты экспериментальных исследований 108
3.4 Выводы по третьей главе 128
ГЛАВА 4 Предложения по расчету стыков сборных железобетонных колонн. сравнения экспериментальных данных с теоретическими расчетами 129
4.1 Расчет прочности стыков железобетонных колонн по предельным усилиям с учетом пространственной модели профессора Соколова Б.С 129
4.2 Динамический расчет стыков железобетонных колонн с использованием деформационной модели 136
4.3 Расчет стыков сборных железобетонных колонн, усиленных металлическими обоймами в виде П-образных стержней 155
4.4 Выводы по четвертой главе 161
Основные выводы 163
Список литературы 55
- Дефекты стыков сборных железобетонных колонн
- Предельные состояния и способы их нормирования для железобетонных колонн и их стыков
- Результаты экспериментальных исследований
- Динамический расчет стыков железобетонных колонн с использованием деформационной модели
Дефекты стыков сборных железобетонных колонн
Колонна - вертикальный стержневой элемент каркаса, служащий в основном для восприятия вертикальной нагрузки от прикрепленных к нему или опирающихся на него других элементов - ригелей, балок, плит покрытия и перекрытия и др.
Колонны предусматриваются бесстыковыми и стыковыми. Бесстыковые колонны имеют предельную высоту и применяются в зданиях малой и средней этажности. Применение стыков сборных железобетонных колонн по высоте позволяет увеличить этажность зданий и сооружений. Однако, при стыковании железобетонных колонн количество стыков должно быть минимальным в связи со значительными трудозатратами при их устройстве. С этой целью колонны могут изготавливаться на два или на три этажа, а стыки располагаются в наименее напряженных сечениях (вблизи нулевых точек изгибающих моментов), так как сечение по стыку обычно менее прочно и жестко по сравнению с основным сечением колонны. Обычно для удобства производства работ стык располагают на высоте 0,7-0,9 м от уровня пола перекрытия [39, 97,111, 147, 170].
Стыки сборных железобетонных колонн обычно проектируются с некоторым запасом прочности по сравнению с сопрягаемыми элементами. В месте стыка возможно возникновение дополнительных усилий, вызванных эксцентриситетами из-за дефектов изготовления и монтажа конструкций, различными свойствами материалов, неравномерными напряжениями от сварки закладных деталей, выпусков продольной арматуры [147].
В отечественной практике строительства конструкции стыков колонн прошли эволюцию от бессварных шарнирных стыков и стыков, соединяемых сваркой тяжелых оголовников в серии ИИ-04, до стыков, выполняемых с ванной сваркой выпусков продольной арматуры, винтовых и пр. [176].
Исследованию стыков сборных железобетонных колонн при статическом нагружении посвящены работы Васильева А.П. [28, 32, 30, 26, 27, 33, 29, 31, 177], Горшковой В.М. [44], ГусаковаВ.Н. [53], Иванова В.В. [32, 30, 64], КвашиВ.Г. [70], Коровина Н.Н. [73], КрицманаЮ.Л. [56], Крылова СМ. [73], Кудрявцева А.А. [74], ЛатыповаР.Р. [162, 159, 164, 165], ЛевчичаВ.В. [70], Литвинова Л.Н. [78], Малышева В.П. [84], Маткова Н.Г. [28, 32, 30, 26, 27, 33, 29, 74, 87, 90, 88, 89, 91, 176], Никитина Г.П. [161, 101, 102], Родичкина Е.Г. [64], Соколова Б.С. [160, 163, 162, 159,164, 165, 161], Эпп А. [186] и мн. др.
Исследования зарубежных ученых в основном направлены на расчет и конструирование железобетонных конструкций при действие на них сейсмических нагрузок [198, 194, 193, 190]. В работе [198] рассматриваются железобетонные конструкции, подверженные локальному загружению.
В отечественном строительстве первое полносборное жилое здание, имеющее семь этажей, было возведено в 1927 году в Москве и предназначалось для общежития. Конструкции данного каркаса были разработаны в Государственном институте сооружений (ГИС) под руководством Гвоздева А.А. и по предложению Лолейта А.Ф., Красина Г.Б. и Костырко Е.В., стыки колонн были выполнены в уровне перекрытия с контактом плоских торцов колонн и опорной части продольной балки. При данном конструктивном решении колонны и их стыки работали на сжатие, близкое к осевому [176].
Позже сотрудниками ГИС был предложен стык колонн в виде шарнирного опирання (рисунок 1.1.1, а). Каркас здания при данном варианте стыков собирался из П-образных рам с односторонними консолями и подвесных ригелей. Шарнирное опирание рамам обеспечивали сферические торцы стоек. Для изучения работы шарнирного стыка Васильевым А.П. было испытано восемь экспериментальных образцов колонн со стыками. Проведенные испытания позволили выявить большую деформативность данных стыков вследствие обжатия сферических торцов, развития трещин и скалывания углов. Разрушение происходило не в уровне стыка, а по телу колонны. Конструктивное решение в виде П-образных рам было применено на некоторых многоэтажных промышленных зданиях. Исследования шарнирных стыков были продолжены Крыловым СМ. и Коровиным Н.Н. [176, 73]. Предложено сферический стык располагать в уровне перекрытия, а расчетную схему при этом рассматривать как одно-или двухэтажную раму с шарнирными опорами и жестким сопряжением ригелей с колоннами. При этом высота каркаса ограничивалась 16 этажами. Однако с увеличением этажности зданий, которое приводит к увеличению нагрузок, потребовалось включить в работу оборванные в зоне стыка стержни посредством соединения их при помощи сварки (рисунок 1.1.1, б). При таком конструктивном решении была нарушена идея шарнира, а в уровне стыка наблюдалось образование трещин и даже разрушение бетона, что потребовало отказаться от сухого опирання по всей сфере колонны. Было предложено выполнять плоскую краевую срезку части вогнутой сферы с инъецированием зазора между торцами колонн (рисунок 1.1.1, в). Экспериментально было доказано снижение дефор-мативности сферических стыков, которая зависела от кривизны стыкуемых элементов и прочности раствора в шве. При возведении ряда каркасных зданий в сейсмических районах были разработаны и предложены сферические стыки колонн с центрирующим стержнем в нижней колонне и гнездом в верхней.
Предельные состояния и способы их нормирования для железобетонных колонн и их стыков
Геометрически критерий разрушения можно представить в виде некоторой предельной поверхности прочности в пространстве напряжений, при пересечении которой заданным вектором напряжений выполняется условие разрушения. Достаточно общий критерий разрушения анизотропных материалов предложенный Цаем и By [34], записан через скалярные функции от компонент тензора напряжений: где ХЦ, Х й - пределы прочности при растяжении и при сжатии в направлении і; Хц, X[j - пределы прочности при сдвиге в двух противоположных направлениях при і ф ). Коэффициенты F1122, F22335 33ц определяются при проведении экспериментов на двухосное растяжение в плоскостях 1-2, 2-3, 1-3 соответственно. Оставшиеся коэффициенты определяются аналогично при комбинированном нагружении в соответствующих плоскостях.
Существует множество критериев разрушения анизотропных сред. Однако некоторые критерии в действительности являются частными и ограниченными случаями тензорно-полиномиальной формулировки (2.2.9). Ниже представлены некоторые критерии разрушения анизотропных сред, используемые автором в программе «Dynamic 3D».
Одним из критериев разрушения анизотропных сред является критерий, предложенный Хоффманом, который имеет вид:
Критерий Хоффмана является наиболее применимым из-за наличия линейных слагаемых. Однако данный критерий по сравнению с тензорно-полиномиальной формулировкой имеет некоторые недостатки: - принято предположение о равенстве нулю коэффициентов, определяющих взаимодействие касательных напряжений, что обуславливает применимость лишь к ортотропным материалам;
- ограничение области применения данного критерия из-за наличия коэффициентов F1122, F2233 Рззи, характеризующих взаимное влияние нормальных напряжений, которые не являются независимыми постоянными.
Другим критерием разрушения анизотропных сред, который при сложных напряженных состояниях содержит напряжения во второй и в четвертой степени, является критерий, предложенный Ашкенази [7]. Преимущество данного критерия заключается в следующем: полином четвертой степени позволяет лучше аппроксимировать экспериментальные данные, чем полином второй степени; полином четвертой степени отвечает природе явления для сильно анизотропных тел (поверхность прочности для сильно анизотропных материалов может содержать как выпуклые, так и вогнутые участки в связи с разным характером опасного состояния на этих участках).
Полиномиальный критерий четвертой степени в сокращенной тензорной записи имеет следующий вид: где первое слагаемое {ccikim0ik0im) представляет собой совместный инвариант тензора напряжений и тензора прочности, а второе слагаемое выражает зависимость прочности анизотропных тел от двух инвариантов - Ji и J2 тензора напряжений. Уравнение (2.2.13) называется полиномиальным критерием четвертой степени, так как в полностью развернутом виде представляет собой полином четвертой степени относительно шести компонент действующих напряжений. Константы aiklm являются в формуле (2.2.13) компонентами симметричного тензора четвертого ранга - тензора прочности. Величины гік и oim -компонентами тензора напряжений (полевого тензора второго ранга). В этом критерии принята симметрия коэффициентов, отвечающая ортогональной симметрии материала и подробно рассмотренная в работе [8].
Для раскрытия значения коэффициента аік1т в формуле (2.2.13) необходимо задаваться значениями всех напряжений тхх, туу, ozz, тху, oxz, oyz, соответствующие частным случаям напряженных состояний. Например, при одноосном растяжении или сжатии эти значения будут такими: ozz — obz - предел прочности при растяжении или сжатии вдоль оси z, а все остальные составляющие напряжений будут равны нулю, т.е. тхх = туу = тху = oxz = oyz = 0.
Здесь тхх, ryy, rzz и тху, ryz, TXZ - нормальные и сдвиговые компоненты тензора напряжений. При этом приняты следующие обозначения: буквой «сг» с нижним индексом «Ь» обозначена величина предела прочности при растяжении или сжатии в направлении оси, соответствующей второму нижнему индексу; буквой «т» - то же, при чистом сдвиге, при котором изменяется прямой угол между осями, обозначенными в индексе. Верхний индекс «(45)» у символа «сг» означает предел прочности в диагональном направлении (под углом 45 к осям симметрии), лежащем в плоскости, соответствующей нижним индексам. кь - коэффициент запаса, который полагался одинаковым для всех направлений, в данном случае кь=\. Данная модель позволяет учитывать материалы, имеющие различные пределы прочности на сжатие и растяжение.
При выполнении расчетов считается, что среда повреждена, т. е. изменились ее прочностные свойства, если хотя бы один из критериев разрушения выполнился. В областях, где критерий выполняется при сжатии (ekk O), считается, что материал теряет свойства анизотропии, и для описания такой среды используется модель жидкости, которая сопротивляется объемному сжатию и не сопротивляется сдвигу и растяжению. В областях, где критерий выполняется при растяжении (Єкк 0), материал считается полностью разрушенным, и компоненты тензора напряжений полагаются равными нулю [140].
Для расчета экспериментальных образцов железобетонных колонн и их стыков по программе «Dynamic 3D» первоначально строилась в трехмерной системе координат численная сетка узлов в теле образца с использованием симплексных элементов - тетраэдров. При этом масса элемента равномерно распределялась между четырьмя узлами. В том случае, если узел принадлежал нескольким элементам, полная масса Мь сосредоточенная в і-м узле, равнялась одной четвертой массы всех элементов, содержащих этот узел. При построении сетки по представленной схеме масса равномерно распределялась по узлам сетки тела.
Результаты экспериментальных исследований
Тензодатчик на арматурном стержне обоймы устанавливался следующим образом: первоначально на арматурном стержне подготавливалась площадка для наклейки тензодатчика. Затем, чтобы избежать замыкания выводов тензодатчика, состоящего из чувствительного элемента и диэлектрической основы, на арматурный стержень обоймы в месте выводов приклеивается диэлектрическая подложка в виде двух слоев липкой ленты. В завершении к арматурному стержню обоймы приклеивается рабочий тензодатчик, концы которого соединяются с выводами компенсационного датчика [105].
На бетон датчики наклеивались при помощи клея типа «супер клей» на предварительно зачищенную и обезжиренную поверхность.
Для получения данных о напряженно-деформированном состоянии бетона и арматурных стержней обоймы экспериментальных образцов во время испытания система тензодатчиков (рабочий и компенсационный) через многожильный кабель подключается к 64-канальной тензометрической системе МІС-400D для измерения динамических и статических деформаций.
Схема расстановки измерительных приборов при испытании опытных образцов стыков колонн на статическую нагрузку представлена на рисунке 3.2.2.
Испытания экспериментальных образцов железобетонных колонн при кратковременном динамическом нагружении производились на специально разработанном стенде (копровой установке), расположенном в лицензированном испытательном центре «СТРОМТЕСТ» Томского государственного архитектурно-строительного университета (рисунок 3.2.3). Стенд представляет собой копровою установку, состоящую из направляющих, жестко прикрепленных к силовому полу [107].
По направляющим свободно перемещается нагружающий элемент массой 510 кг, прикрепленный с помощью лебедки и фиксируемый на необходимой высоте при помощи страховочных хомутов. Испытываемый образец фиксируется в вертикальном положении с помощью нижнего и верхнего оголовков. Внизу шарнирные условия закрепления дает опорный шар, фиксирующийся на датчике опорных реакций, плотно соединенным с опорной пластиной, которая крепится к силовому полу. Вверху - верхний оголовок, соединенный с направляющими через систему штоков и цилиндрических насадок. Цилиндрические насадки крепятся к направляющим при помощи крепежных муфт. Нагружающий элемент заранее фиксировался на заданной высоте - 1,1 метра. Затем, при помощи бомбосбрасывателя и подвешенного к нему груза, происходило отцеп-ление груза, который ударял по экспериментальному образцу через систему демпфирующих резиновых прокладок - демпфер повышенной живучести [106]. Величина нагрузки измерялась датчиком силоизмерителя тензорезисторного типа ДСТ 412. Опорная реакция измерялась датчиком опорных реакций тензо-метрического типа.
Для измерения деформаций бетона и арматуры при испытании на кратковременное динамическое нагружение использованы тензорезисторы на клееночной основе с базой 5 мм и сопротивлением -200 Ом на арматуре и базой 20 мм и сопротивлением -100 Ом на бетоне. Работа тензорезисторов и последовательность их установки изложена выше при описании измерительных приборов, используемых для испытания при статическом нагружении. На бетоне тензорезисторы устанавливались на двух взаимно перпендикулярных сторонах в уровне стыка с шагом 125 мм по высоте. На арматуре тензорезисторы устанавливались на четырех стержнях в месте примыкания одной колонны к другой, а также на других арматурных стержнях выше и ниже уровня стыка.
Кроме того тензорезисторы базой 5 мм устанавливались на обойме усиления железобетонных колонн для фиксации момента времени, в который обойма включалась в работу, и величины деформаций поперечных планок усиления. ских деформаций. При помощи данной системы регистрировались показания силоизмерителя и датчиков перемещения с тензорезистивной мостовой схемой измерения. Для фиксирования ускорения были установлены акселерометры типа 4382 с усилителем заряда 2634 с предельной шкалой 980 g. Их показания записывались при помощи 16-канального цифрового регистратора MIC-300M. Схема расположения измерительных приборов, используемых при испытании на кратковременное динамическое нагружение, представлена на рисунках 3.2.4...3.2.5, их общий вид - на рисунке 3.2.6. Измерительно-вычислительные системы MIC-300M и MIC-400D показаны на рисунке 3.2.6 (ж, з).
Перед экспериментальными исследованиями железобетонных колонн и их стыков при действии кратковременных динамических нагрузок были определены прочностные и деформативные характеристики материалов (бетона, арматуры и элементов усиления), используемых для их изготовления. Для этого были проведены стандартные испытания в лабораторных условиях на гидравлическом прессе (бетонные кубы и призмы) и на растягивающей машине Instron 3382 (стержни продольной рабочей и косвенной арматуры, металлические планки усиления) [46]
Динамический расчет стыков железобетонных колонн с использованием деформационной модели
Используя приведенные выше зависимости можно построить в пространстве координат ап, сстх, ату выпуклую замкнутую поверхность прочности нормального сечения железобетонных колонн и их стыков, которая позволяет оценить их прочность при любом сочетании продольных сил и изгибающих моментов (см рисунок 4.2.2).
Границы пересечения поверхности с плоскостями действия продольной силы N и моментов Мх, Му - (ат,х - а„) и (ат у - а„) соответственно - образуют области относительной прочности, которые описываются выпуклыми кривыми второго порядка. У этих границ имеются общие точки поверхности сопротивления, соответствующие относительной прочности рассматриваемого элемента при осевом растяжении и сжатии. Зависимость между изгибающими моментами двух плоскостей Мх и Му описывается уравнением эллипса.
При этом прочность железобетонных колонн и их стыков считается обеспеченной, если вектор внешнего воздействия, отложенный от начала координат оказывается внутри поверхности сопротивления. Если данный вектор выходит за пределы поверхности сопротивления, то прочность элемента считается не обеспеченной [119,19,21,22, 13,154].
Для элементов прямоугольного бетонного сечения (без учета армирования) зависимость между воспринимаемой продольной силой и воспринимаемым изгибающим моментом каждой из плоскостей amb = f{ccnb) принята в виде выражения:
При добавлении армирования в сечение бетонного элемента область прочности сдвигается в обе стороны от оси а„, на величину относительных моментов, воспринимаемых арматурой ams (рисунок 4.2.3), а величина относительного продольного усилия, воспринимаемого сечением, увеличивается на величину as tot, которые определяются из выражений:
Границы области относительной прочности нормальных сечений: а) бетонного элемента; б) железобетонного элемента с симметричным армированием
Расчет нормальных сечений железобетонных колонн и их стыков на основе нелинейной деформационной модели связан с большим объемом вычислений, и его реализация возможна при помощи специализированных компьютерных программ. В связи с этим был составлен алгоритм и разработана программа «JBK-DM-Styb расчета железобетонных колонн и их стыков при статическом и кратковременном динамическом нагружении на основе нелинейной деформационной модели. Общий алгоритм расчета и программы «JBK-DM-Styb приведен на рисунке 4.2.4.
Программа создана в интегрированной среде разработки програмного обеспечения « Turbo Delphi», основанной на структурированном языке объектно-ориентированного программирования высокого уровня «Object Pascab [6, 50, 69]. В приложении 1 приведены отдельные фрагменты кода разработанной программы. Ниже, на рисунках 4.2.5...4.2.12 приведены скриншоты некоторых окон программы, показывающих различные режимы работы программы «JBK-DM-Styk».
«JBK-DM-Styb позволяет производить оценку несущей способности существующих железобетонных колонн и их стыков, а также проектировать новые конструкции, при действии на них продольных сил и изгибающих моментов в двух плоскостях во всем диапазоне действия внутренних усилий.
По своей функциональности и внешнему виду интерфейс программы напоминает большинство наиболее распространенных подобных программ. Основное управление программой происходит через систему меню, расположенной в верхней части окна программы.
Работа программы «JBK-DM-Styb построена следующим образом. Через пункт главного меню «Данные», через систему последовательных окон производится ввод исходных данных, включающих в себя ввод геометрических характеристик сечения, типа статической определимости, расчетного пролета (длины) железобетонного элемента, характеристик бетона и арматуры, параметров армирования, параметров стыка колонн. Далее выбирается тип решаемой задачи (подбор арматуры или проверочный расчет при заданном армировании) и тип расчета (при статическом или динамическом нагружении).
При вводе программа автоматически проводит корректность исходных данных по ряду параметров. При неправильном вводе какого-либо параметра выдается сообщение о неправильном значении. Такой подход позволяет сократить количество случайных ошибок. Введенные исходные данные можно вывести для просмотра на экран компьютера.
После подготовки исходных данных производится расчет железобетонных элементов при помощи выбора пункта главного меню «Расчет», в котором предусмотрены несколько режимов: расчет на статические воздействия, расчет на динамические воздействия и подбор арматуры. Расчет выполняется для нормальных сечений колонн в диапазоне действия внутренних усилий N, и Мх и Му по зависимостям деформационной модели, описанным в данной главе выше.
После выполненных расчетов становится доступным пункт меню «Результаты», которые можно просмотреть в текстовом или графическом виде.
«JBK-DM-Styb позволяет наглядно, в графическом виде представить результаты выполненных расчетов и оценить действительные запасы прочности. Если точки, характеризующие внешние воздействия, на графике областей относи 150 тельной прочности находятся внутри области прочности, то несущая способность железобетонных элементов обеспечивается (см. рисунок 4.2.11). Чем ближе такие точки располагаются к границам областей относительной прочности, тем меньше коэффициенты запаса прочности. Если точки находятся за пределами границ, то прочность железобетонного элемента не обеспечена (см. рисунок 4.2.12). На рисунках 4.2.11 и 4.2.12 прямыми линями выделена область действия продольных сил со случайными эксцентриситетами.
Полученные графики областей относительной прочности с оценкой несущей способности железобетонных элементов можно сохранять в файлы наиболее распространенных графических форматов, а также распечатывать на принтере. Результаты расчетов также можно сохранять в текстовом виде и импортировать в приложения «MS OFFICE», « WORD» и «ECXEL».
В программе «JBK-DM-Styb используется простой, понятный оконный интерфейс, позволяющий пользователю с обычной подготовкой для работы за компьютером и имеющему знания о работе железобетонных конструкций сразу начать работу с программой.
Расчеты, выполняемые по разработанным методу и программе, позволяют с точностью, достаточной для решения практических задач, определять несущую способность железобетонных колонн и их стыков при статическом и кратковременном динамическом действии продольных сил и изгибающих моментов.
Анализ теоретических результатов расчетов, выполненных по разработанной программе «JBK-DM-Styb , показал хорошую сходимость с результатами экспериментальных исследования. Отклонения теоретических результатов расчета от экспериментальных данных составляют 7-15 % в сторону запаса прочности.
