Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1 Особенности учета ползучести бетона 10
1.2 Несущая способность сжатых стержней с высокопрочной арматурой 16
1.3 Методы определения эксплуатационного напряженно-деформированного состояния 27
Глава 2 Напряженно-деформированное состояние составных сжатых стержней с высокопрочной арматурой 31
2.1 Зависимость между деформациями и напряжениями в бетоне 31
2.2 Напряженно-деформированное состояние сечений стержня, составленного из двух бетонов из плоскости эксцентриситета 38
2.3 Напряженно-деформированное состояние стержня, составленного из двух бетонов в плоскости, перпендикулярной изгибу 45
2.4 Варианты компоновки поперечных сечений 54
2.4.1 Соединение ветви 1 (ранее изготовленной) с ветвями 2 и 3 (изготовленными позже) в направлении эксцентриситета е0 54
2.4.2 Соединение ветви 1 (ранее изготовленной) с ветвями 2 и 3 в направлении перпендикулярном направлению эксцентриситета е0 (рисунок2.6) 55
2.4.3 Компоновка сечения при расположении 3-х ветвей (изготовленных позже) с трёх сторон ветви 1 (рисунок 2.7) с эксцентриситетом е0 направленным вдоль оси X 56
2.4.4 Компоновка сечения при расположении 3-х ветвей (изготовленных позже) с трёх сторон ветви 1 (рисунок 2.8) с эксцентриситетом вдоль оси у 58
2.4.5 Компоновка сечения при расположении 4-х ветвей (изготовленных позже) с четырёх сторон ветви 1 (изготовленной ранее) ...59
Глава 3 Экспериментальные исследования 62
3.1 Цель и задачи эксперимента 62
3.2 Объем испытаний и характеристика материалов опытных образцов . 63
3.3 Методика испытаний 69
3.4 Результаты испытаний 74
3.5 Несущая способность колонн 83
3.6 Параметры кривой деформирования бетона 86
Глава 4 Сравнение результатов опытного и теоретического исследований .89
4.1 Расчетные и опытные значения эксплуатационных напряжений 90
4.2 Опытные и расчетные значения перемещений при различных уровнях напряженно-деформированного состояния 97
Глава 5 Несущая способность опытных образцов 102
5.1 Диаграммы деформирования бетонов опытных образцов 102
5.2. Расчетные и опытные значения разрушающих усилий 107
Заключение 114
Список литературы 116
Приложения
- Несущая способность сжатых стержней с высокопрочной арматурой
- Напряженно-деформированное состояние сечений стержня, составленного из двух бетонов из плоскости эксцентриситета
- Объем испытаний и характеристика материалов опытных образцов
- Опытные и расчетные значения перемещений при различных уровнях напряженно-деформированного состояния
Введение к работе
Актуальность работы. В современном строительстве все шире используются сборно-монолитные конструкции, которые можно рассматривать как составные железобетонные элементы, состоящие из бетонов с различными деформативными и прочностными характеристиками. При реконструкции зданий и сооружений, а именно в случае усиления железобетонных конструкций, например колонн, подколонников, стен, также необходимо учитывать совместную работу составных элементов из старого и нового бетонов.
СНиП 52-01-2003 ограничивает величину предельного сопротивления сжатию значениями 400 МПа при кратковременном нагружении и 500 МПа – при длительном. Эти ограничения делают нерациональным использование высокопрочной стали в сжатых стержнях. Практически все имеющиеся на сегодняшний день исследования работы элементов с высокопрочной арматурой проводились для стержней малой гибкости с косвенным или спиральным армированием. В связи с этим задача разработки методов расчета напряженно-деформированного состояния и несущей способности составных железобетонных стержней с высокопрочной арматурой и обычным поперечным армированием в виде хомутов является актуальной, имеющей практическое значение при реконструкции и строительстве зданий и сооружений.
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является разработка, экспериментальная проверка и реализация метода расчета железобетонных составных стержней с высокопрочной стальной арматурой при кратковременном нагружении, сопровождающемся развитием в бетоне быстронатекающей ползучести.
Для реализации данной цели поставлены и решены следующие задачи:
- на основе обзора, систематизации и анализа современных теоретических и экспериментальных данных определены способы и предпосылки расчета напряженно-деформированного состояния и несущей способности составных железобетонных стержней с продольной высокопрочной арматурой;
- разработаны методы, алгоритмы и программы расчета напряженно-деформированного состояния, а также несущей способности составных стержней при различной компоновке ветвей, содержащих бетоны с различными деформативными характеристиками и высокопрочную продольную арматуру класса не ниже Ат – V (А 800);
- выполнены экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния и несущей способности составных стержней при кратковременном действии внешних нагрузок;
- выполнено сравнение результатов расчетов по разработанным методикам с полученными экспериментальными данными;
- дана рекомендация по возможному использованию высокопрочных сталей в качестве продольной арматуры в составных сжатых стержнях.
Научная новизна работы:
- разработаны методика, алгоритм и программа расчета параметров напряженно-деформированного состояния составных сечений сжатых стержней с высокопрочной арматурой при различных вариантах компоновки ветвей, содержащих бетоны с различными деформативными характеристиками;
- получены экспериментальные данные о влиянии кратковременной ползучести на параметры напряженно-деформированного состояния сжатых составных стержней с высокопрочной арматурой;
- получены данные о параметрах диаграммы деформирования бетонов, составляющих сжатый стержень.
Автор защищает:
- полученную систему расчетных зависимостей, позволяющих определять напряженно-деформированное состояние при различной компоновке ветвей составных стержней, содержащих бетоны с различными деформативными характеристиками и высокопрочную продольную арматуру с нормативным сопротивлением не ниже 800 МПа;
- расчетные зависимости и критерии для определения предельных усилий сжатых составных железобетонных стержней с высокопрочной продольной арматурой;
- результаты экспериментальных и теоретических исследований напряженно-деформированного состояния и прочности составных стержней с высокопрочной арматурой при кратковременном действии сжимающих усилий с учетом неупругой работы бетона, деформирующегося в условиях быстронатекающей в нем ползучести.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается корректным использованием основных положений теории железобетона, расчетными предпосылками, основанными на анализе обширных экспериментальных данных о поведении материалов и конструкций при кратковременном нагружении, методологически обоснованным комплексом экспериментальных исследований, необходимая точность метода расчета подтверждена удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных данных.
Практическое значение и реализация результатов работы.
Разработанные методики определения параметров напряженно-деформированного состояния составных стержней с высокопрочной арматурой и обычным поперечным армированием в виде хомутов при кратковременном нагружении, учитывающие быстронатекающую ползучесть бетонов, дают возможность расчетным путем выявить резервы несущей способности и надежности указанных выше железобетонных элементов.
Данные методики, программы и алгоритмы используются на учебных занятиях в курсе специальных конструкций, а также при расчетах сборно-монолитных железобетонных конструкций в проектных организациях.
Апробация работы и публикации.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании – 2004» (Калининград, 2004 г.), на III Международной научно-практической конференции «Современные проекты, технологии и материалы для строительного и дорожного комплексов» (Брянск, 2004г.), на IV Международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции» (Пенза, 2005г.), на Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании – 2007» (Калининград, 2007г.), на научном межкафедральном семинаре Томского государственного архитектурно-строительного университета (Томск, 2009г.), на семинаре кафедры «Строительные конструкции» Брестского государственного технического университета (Брест, 2009г.). В полном объеме работа доложена и одобрена на заседании кафедры «Промышленное и гражданское строительство» ФГОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет».
По теме диссертации опубликовано 13 статей, в том числе 2 в изданиях, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, основной части, представленной 5 главами, заключения, списка литературы из 139 наименований, включая собственные публикации, 3 приложений, 38 рисунков, 18 таблиц. Полный объем диссертационной работы составляет 144 страницы.
Несущая способность сжатых стержней с высокопрочной арматурой
Впервые опытные данные о сопротивлении сжатых железобетонных элементов в зависимости от их гибкости, величины эксцентриситета продольной силы, прочностных и деформативных свойств материалов (бетона и арматуры), содержания продольной арматуры и особенностей поперечного армирования нашли отражение в СНиП II - В.1 - 62. В этом документе впервые были введены рекомендации по учету длительного действия внешней нагрузки.
В последующие годы были выполнены многочисленные теоретические и экспериментальные исследования, связанные с оценкой прочности и деформативности сжатых железобетонных элементов при кратковременном и длительном действии нагрузки. К ним можно отнести исследования А. Г. Азизова [65], В.М. Бондаренко [17, 18], Е. И.. Гамаюнова [23], А.А. Гвоздева [25], А.Б. Голышева [26], А.С. Залесова [40], В.Ф. Захарова [26,41,42,43,44,45, 46,47,48], В.И. Колчунова [59], Д. Р. Маиляна [64], Н. Г. Маткова [69], Б.Я.Рискинда [85, 86], К. Э. Таля [97, 98], Е. А. Чистякова [122, 123], В. В. Тура [102], И.И. Улицкого [116] и др. Результаты этих исследований нашли отражение в последующих редакциях норм [76, 80, 92, 93, 94, 95, 96].
Начавшееся во второй половине 20-го века широкое применение в строительстве высокопрочной арматуры потребовало более тщательного учета не только прочностных и деформационных свойств бетона и арматуры, но и особенностей их совместной работы [60, 62, 65, 68,126].
Решающим фактором, определяющим эффективность использования высокопрочных сталей в сжатых элементах, является вопрос о назначении расчетного значения сопротивления арматуры сжатию. До введения в 1975 году СНиП II - 21- 75 наибольшее значение этой величины не превышало 400 МПа. Для такого предела имелись достаточно серьезные основания.
Предельную величину напряжений сжатия в арматуре назначали, исходя из представлений о наибольшей сжимаемости бетона и связанной с ним арматуры. Несмотря на достаточно большой разброс имевшихся данных о предельной сжимаемости бетона авторы нормативных документов исходили при решении этого вопроса, по-видимому, из условия максимально необходимой обеспеченности этого параметра. По данным различных исследователей предельная сжимаемость бетона в зависимости от условий испытаний и составов бетонных смесей колеблется в весьма широких пределах от 1.5 %о до 6 % и более [13, 20, 23, 102, 131]. Как видно, эти данные были очень противоречивы. Ряд исследователей связывали увеличение сжимаемости бетона с уменьшением его прочности [11, 16, 127]. Эта точка зрения нашла отражение в рекомендациях ЕКБ - ФИП, где предельные значения относительных деформаций тем больше, чем ниже прочность бетона и колеблются от 2.9 %о для бетона прочностью 60 МПа до 3.7 %о для бетона прочностью 20 МПа.
В любом случае, рекомендуемая ныне действующим СНиП [95] методика расчета сжатых стержней на прочность не позволяет определить параметры напряженно-деформированного состояния сечений стержней, находящихся под воздействием сжатия при неупругом деформировании бетона, где даже при кратковременном действии нагрузки, существенно меньшей разрушающей, развиваются деформации ползучести. Недостаточно и экспериментальных данных о влиянии классов арматурной стали на параметры напряженно-деформированного состояния [136]. Конечно, любой подход, если он допускает возможность учета всех факторов, влияющих на сопротивление сжатых элементов, содержащих высокопрочную продольную арматуру, может быть использован при создании расчетной методики по определению напряженно-деформированного состояния. Проблема использования высокопрочной стали в качестве продольной арматуры сжатых элементов приобретает еще большее значение и при оценке их прочности [2, 5,15,16,18, 19,119].
В настоящее время при оценке деформативных свойств бетона допускается исходить из диаграммы ь єь содержащей, так называемую, нисходящую ветвь [20, 81, 128, 129]. Установлено, что при испытаниях на сжатие с постоянной скоростью деформирования нарастание деформаций бетона происходит и после достижения напряжения в нем, равных пределу прочности, если при этом возможно снижение величины этих напряжений [70, 99,126].
На рисунке 1.1 представлены диаграммы &ь єь рекомендуемые ЕКБ - ФИП в зависимости от прочности бетона. До начала семидесятых годов не было надежных опытных данных о величинах этих параметров, за исключением единичных результатов испытаний железобетонных образцов на сжатие при наличии в них высокопрочной арматуры. Результаты испытаний с железобетонными призмами, армированными арматурой класса А - III и ниже показывали, что при приближении деформаций сжатия к величинам 2 %о - 2, 5 %о происходило разрушение образцов.
Только в 50-х годах прошлого века К. Э. Талем, а также в конце 60-х и начале 70-х годов Б. Я. Рискиндом и некоторыми другими исследователями [106, 109], были получены прямые опытные данные, указывающие на возможность развития в высокопрочной продольной арматуре, даже при кратковременных испытаниях, значений деформаций в пределах от 3%о до 5%о и выше.
Напряженно-деформированное состояние сечений стержня, составленного из двух бетонов из плоскости эксцентриситета
Одной из основных предпосылок приведенного ниже анализа напряженно-деформированного состояния является допущение об отсутствии трещин по длине стержня в стадии эксплуатации. Это по-существу, предполагает наличие по высоте сечений однозначной эпюры начальных сжимающих напряжений. Фактические значения напряжений в поперечных сечениях в бетоне &ъ и арматуре при кратковременном действии нагрузки и неупругом деформировании бетона можно представить как сумму некоторых начальных напряжений &ъ и & s, определенных в предположении упругой работы стальной арматуры, а также упругопластического состояния бетона и дополнительных &ы и sd, развившихся в этих материалах напряжений вследствие проявления быстронатекающих деформаций ползучести бетона к моменту окончания нагружения 1. (рисунок 2.3.). Начальные напряжения соответствуют усилиям, возникающим в элементах сечения в момент передачи на него всей внешней нагрузки. Величины начальных напряжений могут быть определены по формулам сложного сопротивления, а дополнительные из решения уравнений равновесия дополнительных продольных усилий в бетоне - Nu и в арматуре Nsd. В дальнейшем с целью упрощения записей, указание о зависимости дополнительных напряжений от временного параметра Т опускается, т.е. принимается (г) = сгы и стsd(r) = asd . Предполагается, что совместная работа бетона 1 и 2 ветви обеспечивается вплоть до разрушения без взаимного их смещения по плоскости контакта. При определении дополнительных напряжений будем исходить из условия, что эти напряжения, соответствующие разгрузке бетона и развивающиеся в процессе перераспределения внутренних усилий между бетоном и арматурой, распределяются линейно по высоте сечения. Это предположение вполне согласуется с общеизвестным фактом линейного деформирования материалов при разгрузке. Исходя из принятого линейного характера эпюр дополнительных напряжений в бетонах, значения дополнительных усилий могут быть определены по формулам: Для определения четырех неизвестных значений дополнительных напряжений в бетоне существующего элемента «1» и присоединенного к нему элемента «2» (забетонированного позже), и двух значений дополнительных напряжений в продольной арматуре Sx и S2 составим, пользуясь зависимостями (2.2.) и (2.3) в дополнение к уравнениям равновесия (2.6) и (2.7.) уравнение совместности дополнительных деформаций на уровнях указанных видов арматуры и контактов существующего бетона (элемент 1) и вновь уложенного (элемент 2), а также уравнение равенства дополнительных кривизн этих элементов, выраженные через дополнительные напряжения. Напряжения в бетонах на уровне контакта с арматурой crbs,i (Jbsd,i (Jbs,2 и 0"ш,г не являются независимыми переменными и выражаются через фибровые их величины по линейным зависимостям, вытекающим из линейного характера их распределения по высоте сечений (рисунок 2.3.) Неизвестное значение дополнительного поперечного перемещения УСІ произвольного сечения можно определить, выражая кривизну продольной оси составного стержня через дополнительные продольные деформации фибровых волокон существующего элемента «1» или элемента «2», забетонированного позже. В нашем случае сделаем это имея ввиду элемент «2». Рисунок 2.3 - Составной стержень, составленный из двух бетонов из плоскости эксцентриситета: а-схема деформирования стержня; б-поперечное сечение составного стержня (элемент 1 - ветвь, изготовленная ранее, элемент 2 - изготовленная позже ветвь, S1 и S2 - продольная высокопрочная арматура); в - эпюра начальных напряжений в бетоне; г - эпюра дополнительных напряжений в бетоне Дополнительное перемещение Усі произвольного по длине стержня сечения выразим, в свою очередь, через перемещение среднего сечения, т.е. через прогиб /л, приняв в качестве кривой дополнительного изгиба синусоиду:
Объем испытаний и характеристика материалов опытных образцов
На кафедре «Промышленного и гражданского строительства» в Калининградском государственном техническом университете при участии автора и под руководством профессора Захарова В. Ф. были проведены экспериментальные исследования и обработка их результатов по изучению кратковременного сопротивления сжатию составных железобетонных стержней из обычных тяжелых бетонов на плотных заполнителях с высокопрочной продольной арматурой класса Ат - V (А800). Изучалось влияние величины эксцентриситетов продольной силы и их направления на деформации и несущую способность колонн.
Влияние вышеизложенных факторов исследовалось при значениях гибкости, лежащих в пределах от Л = 52 до А = 44.
При выборе значения гибкости принималось во внимание, что к началу проведения данных исследований был уже накоплен значительный экспериментальный материал по изучению как кратковременного (в основном), так и длительного сопротивления сжатию коротких железобетонных стоек, и целесообразность применения в них высокопрочной арматуры для продольного армирования не вызывала сомнений. Имеются, прежде всего, в виду работы Е. А. Чистякова и его учеников [122, 124], Б.Я.Рискинда [85], Е. И. Гамаюнова [23] и других исследователей [34, 54, 61, 65, 118,139]
С практической точки зрения принятые значения гибкости А=52 и А=44 можно, очевидно, считать величиной, которая характеризует наиболее оптимальное соотношение геометрических размеров поперечного сечения и длины сжатых железобетонных элементов. При разработке программы экспериментального исследования учитывалось, что в литературе отсутствуют надежные опытные данные о работе стоек с высокопрочной арматурой с принятой в наших исследованиях или близкой к ней гибкостью. Как известно, при указанном значении гибкости становятся практически неэффективными попытки использования косвенного (усиленного поперечного) армирования [138]. Принципиальным является также соображение, что работа железобетонных стержней, составленных из различных бетонов, моделирует, по существу, работу железобетонных колонн, усиленных монолитными железобетонными обоймами. Такой способ усиления железобетонных колонн реконструируемых зданий и сооружений является одним из наиболее распространенных в строительной практике [73]. Дополнительную актуальность рассматриваемой проблеме придает возможность использования при возведении сборно-монолитных конструкций и реконструкции зданий материалов повышенной прочности, в частности, высокопрочной арматуры. Для изучения особенностей взаимодействия отдельных элементов составных железобетонных стержней, содержащих высокопрочную продольную арматуру класса Ат-V и бетоны с различными деформативными и прочностными характеристиками были изготовлены б образцов колонн. Каждая из колонн состояла из 2-х ветвей, соединенных по всей длине хомутами. Колонны имели суммарное поперечное сечение прямоугольной формы размером h х b = 100 х 120 (рисунки 3.1, 3.2, 3.3) Варьируемыми факторами являлись условия сопряжения ветвей, которые имели также прямоугольное сечение с размерами 100 х 60 мм и 120 х 50 мм. Ветви образцов серии К-1 соединялись вдоль стороны шириной 100мм. Оставшиеся образцы серии K-II соединялись вдоль стороны шириной 120мм (рисунки 3.1, 3.2, 3.3). Составы использованных бетонов указаны в таблице 3.1. Шаг стальных хомутов из проволоки диаметром 4мм класса Вр - 1 был постоянным и равным 100 мм. Продольная арматура каждой из ветвей содержала 2 арматурных стержня диаметром 12 мм класса Ат - V [51, 110, 111]. Прочностные и деформативные характеристики использованной продольной арматуры, определенные по испытаниям на растяжение образцов, отрезанных от основных стержней арматуры [28, 101], представлены в таблице 3.2. и на рисунке 3.1
Опытные и расчетные значения перемещений при различных уровнях напряженно-деформированного состояния
Необходимость учета деформаций ползучести при сравнении опытных значений перемещений сечений колонн с вычисленными по разработанной в главе 2 методике становится совершенно очевидной при анализе величин этих перемещений, приведенных в таблице 4.4. Перемещения, вычисленные без учета деформаций ползучести, оказываются почти на порядок меньшими перемещений, зафиксированных в опыте. Учет развития деформаций ползучести приводит к вполне удовлетворительному их соответствию. Поскольку сравниваются прогибы сжатых с небольшими или случайными эксцентриситетами опытных образцов колонн при кратковременном нагружении, то предлагаемые нормативными документами методы расчета перемещений с использованием традиционных в сопротивлении материалов и строительной механике предпосылок об упругом деформировании по отношению к железобетонным сжатым элементам с высокопрочной арматурой дают не соответствующие опыту результаты. Это несоответствие, на наш взгляд, объясняется тем, что даже при относительно невысоком уровне сжатия таких стержней, не превышающем 50% разрушающей нагрузки, напряжения в бетоне достигают очень высоких значений, близких к пределу прочности. В свою очередь столь высокий уровень напряженного состояния бетона вызывает интенсивное развитие в нем деформаций ползучести, что и вызывает столь значительные перемещения, отмеченные в данном эксперименте.
На рисунке 4.2 представлены опытные зависимости величин перемещений (прогибов) от уровня нагружения.
В заключение следует, однако отметить положительные последствия неупругого деформирования бетона, когда учет деформаций ползучести достаточно достоверно позволяет оценить влияние процесса перераспределения внутренних усилий с бетона на высокопрочную арматуру, вызывая ее значительное догружение. Таким образом вскрываются дополнительные резервы к сопротивлению внешним воздействиям составных стержней с высокопрочной арматурой, которые отсутствуют при использовании в качестве продольной арматуры стали класса не выше А - III (А 500).
В таблице 4.4 приведены опытные и вычисленные значения перемещений (прогибов) опытных образцов. 1. Сопоставление величин опытных деформаций испытанных образцов колонн составного сечения с вычисленными по предложенной в главе 2 методике, показало их вполне удовлетворительное соответствие. Расхождения не превышают 10 %. В тоже время вычисленные без учета развития быстронатекающих деформаций ползучести прогибы дают значения меньше опытных в 2...9 раз. 2. Вычисленные по предлагаемой методике значения напряжений в наиболее сжатой арматуре отличаются от опытных, т.е. определенных по опытной диаграмме деформирования стали не более чем на 11 %. 3. Вполне соизмеримыми с опытными показателями прочности бетона оказываются и вычисленные по предлагаемой методике напряжения в бетоне. 4. Значения напряжений в арматуре, вычисленные без учета быстронатекающих деформаций ползучести бетона отличаются от опытных на величину от 24% до 35%. Вычисленные также без учета деформаций ползучести на наиболее сжатых гранях напряжения в бетоне, как правило, превышают опытные показатели прочности бетона, полученные на малых образцах в виде кубов и призм в 1,5...1,8 раза. Вместе с тем, отношения действующей сжимающей силы к разрушающей при этом находились в пределах от 0,5 до 0,8.
