Влияние предварительного напряжения высокопрочной арматурной стали класса Ат1200 (Ат-YII) на напряженно-деформированное состояние изгибаемых железобетонных элементов Кауров Анатолий Иванович

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Дальнейшее расширение масштабов современного строительства требует непрерывного развития производства сборного и монолитного железобетона, который является и по мировым прогнозам в обозримой перспективе останется доминирующим конструкционным материалом и крупным потребителем металла.

Однако объем производства железобетонных конструкций по темпам роста значительно опережает выпуск арматурной стали. В этих условиях экономия металла для армирования железобетонных конструкций приобретает для строительной индустрии особо актуальное значение.

Эффективным направлением снижения расхода дефицитной арматурной стали является расширение в общей структуре ее потребления удельного веса сталей с повышенными и высокими показателями прочности и эксплуатационной надежности, а также совершенствование проектных решений несущих железобетонных конструкций на их основе.

Наибольшая экономическая эффективность достигается при использовании высокопрочных арматурных сталей в конструкциях из предварительно напряженного железобетона. Применение высокопрочной арматуры в качестве напрягаемой позволяет наиболее рационально использовать ее механические свойства, оказывая тем самым положительное влияние на несущую способность железобетонных конструкций и обеспечивая действительное снижение их металлоемкости с сохранением заданных параметров надежности и долговечности.

Термомеханически упрочненная арматурная сталь класса Ат1200, первые
опытно-промышленные партии которой в полном сортаменте были прокатаны
при непосредственном участии автора на Западно-Сибирском и Криворожском
металлургических комбинатах, и до настоящего времени остается наиболее вы
сокопрочным видом отечественной стержневой арматуры с условным пределом
текучести 1200 Н/мм² и временным сопротивлением 1450 Н/мм².

Разработка и внедрение в практику проектирования предварительно напряженных железобетонных элементов арматурной стали Ат-1200 представляются весьма актуальной задачей и важнейшим условием достижения уровня лучших мировых стандартов в области преднапряженного железобетона.

Для освоения ее промышленного производства на металлургических предприятиях и эффективного внедрения в строительстве необходимы соответствующие технологические регламенты прокатки и нормативно-техническая документация строительных норм, разработка предложений для которых требует, в первую очередь, комплексного изучения физико-механических и служебных (эксплуатационных) свойств исследуемой арматуры в полном сортаменте.

К тому же высокие прочностные характеристики стали Ат1200, особенно больших диаметров, определяют особые условия ее применения в предварительно напряженных элементах. Данное обстоятельство диктует необходимость

всестороннего изучения особенностей работы преднапряженных конструкций на основе стали исследуемого класса.

С позиции решения вышеуказанных проблем и снятия всех других вопросов, препятствующих широкому применению стали Ат1200 в железобетонных конструкциях, определены цели и задачи диссертационного исследования.

Цель диссертационной работы состоит в комплексном исследовании физико-механических и служебных свойств термомеханически упрочненной арматуры класса Ат1200 в полном сортаменте (для класса в целом) и особенностей ее применения в предварительно напряженных изгибаемых элементах с целью разработки предложений в нормативные документы по расчету и проектированию железобетонных конструкций.

Достижение указанной цели обусловило постановку и решение следующих конкретных исследовательских задач:

1. Осуществить опытно-промышленные прокатки на ряде металлургических комбинатов с применением передовой технологии термомеханического упрочнения стали в потоке прокатного стана и получить высокопрочную стержневую арматурную сталь Ат1200 с заданными физико-механическими и служебными свойствами по всему сортаменту (диаметром 10…32 мм).

2. Дать обобщенную оценку вышеуказанных свойств для класса Ат1200 в целом на базе обширного экспериментального материала по испытанию натурных образцов данной стали и статистической обработки результатов.

3. Выполнить анализ влияния преднапряжения на изменение прочностных и деформативных свойств стали Ат1200 по результатам испытания опытных образцов как в состоянии поставки, так и после предварительного напряжения и разработать предложения для аппроксимации среднестатистической исходной и "упрочненной" диаграмм растяжения.

4. Провести физические эксперименты по испытанию опытных, "крупноразмерных", изгибаемых преднапряженных элементов с арматурой Ат1200 как в доэксплуатационной стадии отпуска натяжения арматуры и выдержки под нагрузкой, так и в стадии, моделирующей эксплуатационное нагружение.

5. По результатам испытания опытных балочных элементов на основе стали Ат1200 исследовать влияние предварительного напряжения на:

продольную трещиностойкость концевых участков при отпуске натяжения арматуры, предложить методику расчетной оценки анкеровки напрягаемой арматуры;

прочность нормальных и наклонных сечений, разработать методику расчета с использованием реальных диаграмм растяжения исследуемой стали;

деформативность и трещиностойкость, подготовить предложения по их расчетной оценке.

Объектом исследования являются высокопрочная термомеханически упрочненная арматурная сталь класса Ат1200 и предварительно напряженные изгибаемые железобетонные элементы на ее основе.

Предмет исследования составляют свойства арматурной стали класса Ат1200 и особенности напряженно-деформированного состояния изгибаемых железобетонных элементов на ее основе.

Методология и методы исследований. В основу диссертационного исследования, в первую очередь, положен системный подход как общенаучная методология. Изучение объекта и предмета исследований, решение поставленных задач предприняты на теоретическом и эмпирическом уровнях.

Теоретическо-методологической основой послужили классические труды отечественных и зарубежных ученых в области теории сопротивления железобетона, а также основные положения технической теории упрочнения арматурных сталей, предложенной проф. С.А. Мадатяном, получившей дальнейшее развитие в разработанном проф. В.М. Митасовым диаграммно-энергетическом подходе к расчету железобетонных конструкций.

Эмпирическую базу исследований составили физические эксперименты с использованием современных измерительных приборов, стендов, автоматизированных средств регистрации измерений; различные методы анализа полученных эмпирических данных (графические, математические, статистической обработки экспериментальных данных и др.)

Научная новизна диссертационной работы. Основные результаты исследования, определяющие научную новизну заключаются в следующем:

1. В области исследования высокопрочной арматурной стали Ат1200 как
эффективного вида арматуры для железобетонных конструкций:

дана комплексная оценка физико-механических и служебных свойств стали Ат1200 для класса в целом, базирующаяся на результатах испытаний впервые прокатанных по всему сортаменту опытно-промышленных партий;

получены новые экспериментальные результаты влияния предварительного напряжения стали Ат1200 на изменение ее прочностных и деформативных свойств, на основании которых предложены аппроксимирующие функции для аналитического описания исходной и "упрочненной" диаграмм растяжения.

2. В области исследования напряженно-деформированного состояния
предварительно напряженных изгибаемых элементов со сталью Ат1200 в доэкс-
плуатационной стадии отпуска натяжения арматуры:

- разработана методика расчетной оценки продольной трещиностойкости
приопорных участков;

- выявлены основные факторы, определяющие длину зоны передачи напря
жений, предложена их аналитическая аппроксимация.

3. В области исследования прочности нормальных сечений предваритель
но напряженных изгибаемых элементов со сталью Ат1200:

экспериментально доказано повышение прочности нормальных сечений за счет выявленного эффекта упрочнения напрягаемой арматуры;

предложена методика расчета прочности нормальных сечений преднапря-женных изгибаемых элементов с использованием реальных диаграмм деформирования.

4. В области исследования прочности и трещиностойкости наклонных сечений предварительно напряженных изгибаемых элементов со сталью Ат1200:

разработаны рекомендации по уточнению методики расчета прочности наклонных сечений по растянутой зоне с учетом влияния продольных трещин раскалывания приопорных участков;

предложен дифференцированный подход к назначению величины предварительного напряжения и передаточной прочности бетона при различных вариантах анкеровки напрягаемой арматуры в сочетании с другими факторами, влияющими на прочность наклонных сечений;

уточнена общая методика норм по расчетной оценке образования и раскрытия наклонных трещин, более корректно учитывающая погашение усилия обжатия на длине зоны передачи преднапряжения.

Основные положения, выносимые на защиту:

результаты экспериментальных исследований механических свойств стали Ат1200 в состоянии поставки и влияния предварительного напряжения на повышение характеристик сопротивления стали малым пластическим деформациям и диаграмму условно-мгновенного растяжения;

данные экспериментальных исследований по реологическим и служебным свойствам исследуемой стали, таким как релаксация напряжений и деформации ползучести, усталостная прочность, коррозионная стойкость, низкотемпературная прочность, влияние контактного электронагрева и длительного нагрева на механические свойства, свариваемость и др.;

предложения по аналитическому описанию диаграммы растяжения стали Ат1200, основанные на применении методов сплайн-интерполяции;

- предложения в СНиП по нормативному и расчетному сопротивлениям
растяжению для класса Ат1200 в целом;

- результаты экспериментально-теоретических исследований напряженно-
деформированного состояния преднапряженных изгибаемых элементов в стадии
отпуска натяжения арматуры и при длительной выдержке под нагрузкой;

предложения по конструированию приопорных участков предварительно напряженных изгибаемых элементов, обеспечивающие снижение распорного воздействия напрягаемой арматуры на бетон и усиление ее анкеровки;

методика расчетной оценки влияния предварительного напряжения на образование и раскрытие продольных трещин раскалывания концевых участков изгибаемых элементов;

предложения по расчетной оценке влияния продольных трещин раскалывания на длину зоны передачи напряжений с арматуры на бетон при различных вариантах усиления анкеровки напрягаемой арматуры исследуемого класса;

- результаты исследований влияния предварительного напряжения стали
Ат1200 на прочность, трещиностойкость нормальных и наклонных сечений,
жесткость изгибаемых элементов, в том числе имеющих доэксплуатационные
продольные трещины раскалывания;

- методика расчета прочности нормальных сечений преднапряженных изги-

баемых элементов со сталью Ат1200 с использованием реальных диаграмм деформирования;

рекомендации по уточнению методики расчета прочности наклонных сечений по растянутой зоне преднапряженных изгибаемых элементов со сталью Ат1200 с учетом влияния продольных трещин раскалывания;

уточненная методика по расчетной оценке образования и раскрытия наклонных трещин в преднапряженных изгибаемых элементах со сталью Ат1200.

Достоверность и надежность полученных результатов обеспечивается:

корректным использованием классических и современных научных положений в области теории прочности железобетона;

методологически обоснованным комплексом экспериментальных исследований, проведенных на испытательных площадках НИИЖБ с применением высокоточных измерительных приборов, стендов, автоматизированных средств регистрации исследуемых параметров;

использованием обширных экспериментальных данных по испытанию натурных образцов исследуемой арматурной стали и опытных изгибаемых элементов на ее основе, как базы для предлагаемых теоретических положений;

- достаточной по объему выборкой результатов измерений, позволившей
провести достоверную статистическую обработку полученных результатов.

Личный вклад автора. Постановка и реализация вышеуказанных задач осуществлены лично автором или при его непосредственном участии. Так, автору принадлежат:

участие в организации опытных прокаток и отладке технологии термомеханического упрочнения стали на класс Ат1200 в полном сортаменте на прокатных станах металлургических комбинатов «ЗапСиб» и «Криворожсталь»;

испытание натурных образцов исследуемой арматурной стали и опытных изгибаемых элементов на ее основе, анализ результатов экспериментальных исследований;

разработка предложений по расчетной оценке особенностей напряженно-деформированного состояния изгибаемых элементов с напрягаемой арматурой Ат1200.

Практическая значимость работы заключается в том, что обоснована возможность рационального использования высокопрочной стали Ат1200 в качестве напрягаемой арматуры изгибаемых элементов, при применении которой обеспечивается существенный экономический эффект.

Внедрение результатов работы осуществлялось по направлениям:

а) внедрение в практику производства исследуемой арматурной стали:
Результаты комплексного изучения свойств арматуры исследуемого класса

использованы Западно-Сибирским и Криворожским металлургическими комбинатами при совершенствовании технологии прокатки и разработке технических условий для освоения промышленного производства термомеханически упрочненной арматурной стали Ат1200 марок 30ХС2 и 30ХГС2;

б) внедрение в практику проектирования железобетонных конструкций:

результаты исследований включены в рекомендательные документы для строительных норм: «Рекомендации по применению в железобетонных конструкциях эффективных видов стержневой арматуры» (М.: НИИЖБ, 1987) и «Предложения по расчету и проектированию изгибаемых железобетонных элементов с арматурной сталью класса Ат-VII диаметром 10…25 мм» (М.: НИИЖБ, 1989). Данные документы были составлены в развитие соответствующих разделов СНиП;

отдельные результаты исследований вошли в Межгосударственный стандарт ГОСТ 10884-94 «Сталь арматурная термомеханически упрочненная для железобетонных конструкций. Технические условия».

Апробация результатов работы осуществлялась в форме участия в научно-дискуссионной практике. Основные положения докладывались автором на: ежегодных научно-практических конференциях молодых ученых и специалистов НИИЖБ (г. Москва, 1987, 1988); сессии Национального комитета Международной федерации по предварительно напряженному железобетону (НК ФИП), посвященная новым видам арматуры для преднапряженных конструкций (г. Харьков, 10-12 октября 1989 г.); Всероссийской научной конференции «Байкальские чтения по математическому моделированию процессов в синергетиче-ских системах» (г. Улан-Удэ, 20-23 июля 1999 г.); ежегодных научно-практических конференциях преподавателей, научных работников и аспирантов ВСГУТУ, секция «Строительство и архитектура» (г. Улан-Удэ, 2015, 2016, 2017); IV Международной научно-практической конференции «Социально-экономическое развитие России и Монголии: Проблемы и перспективы» (г.Улан-Батор, 12-15 мая 2015 г.); Международной научной конференции «Инновационные пути развития железобетона», посвященной 75-летию д-ра техн. наук, проф. В.М. Митасова (Новосибирский архитектурно-строительный университет (Сибстрин), г. Новосибирск, 17-18 марта 2016 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ общим объемом 3,4 п. л., включая 5 статей в рецензируемых научных изданиях из перечня ВАК РФ. Большинство работ опубликовано без соавторства.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из: введения; 5 глав, включающих 25 параграфов; заключения, содержащего общие выводы; списка литературы из 185 наименований и отдельного тома приложений. Работа изложена на 324 страницах (247 страниц основного текста), содержит 60 иллюстраций, 48 таблиц и 8 приложений.