автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Деформации и прочность легкого бетона и железобетонных конструкций с учетом микро- и макроструктурных трещин

11 9 %

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО. КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи АШРАБОВ Анвар Аббасович

УДК 624.012.4/5:667.973/

ДЕФОРМАЦИИ И ПРОЧНОСТЬ ЛЕГКОГО БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С УЧЕТОМ МИКРО-И МАКРОСТРУКТУРНЫХ ТРЕЩИН

Специальность 05.23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

МОСКВА — 1992

Работа выполнена в Московском государственном открытом университете (б. ВЗПИ) и Ташкентском автомобильно-дорожном институте (ТАДИ)

— доктор технических наук, профессор Барбакадзе В. Ш.

— доктор технических наук, профессор Маилян Р. Л.

— доктор технических наук, профессор Макачев Ю. Р.

Ведущее предприятие — Всероссийский научно-исследова-

тельскин институт гидротехники (ВНИИГ), им. Б. Е. Веденеева.

на заседании специализированного совета Д. 114.05.08 при Московском институте инженеров железнодорожного транспорта по адресу: 101475, ГСП, Москва, А-55, ул. Образцова,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского института инженеров железнодорожного транспорта.

Официальные оппоненты:

Защита состоится «

Автореферат разослан

1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

В. И. КЛЮКИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТН

Актуялнюсгь работы. Главными задачами ускорения научно-тох-яического прогресса в области капительного строительства является всемерное снижение материалоемкости, стоимости и трудоемкости зданий и сооружений при высоких характеристиках их прочности и долговечности, внедрение в строительную практику прогрессивных видов железобетонных конструкций.

Широкие возможности для создания таких конструкций открываются в связи с использованием легких бетонов на пористых заполнителях. В первую очередь это относится к керамзитобетону и бетонам, создаваемым по керамзитовой технологии, занимающим подавляющую долю в общем объеме легких бетонов. Строительной практикой в!1Явле!Ш существенные, специфические для легких бетонов свойства и особенности его повеления под нагрузкой, которые исследованы недостаточно как теоретически так и экспериментально. Это явилось причиной ряда ограничений, регламентируемых действующими нормативными документами и сдерживающих широкое комплексное применение железобетонных конструкций на основе легких бетонов.

Решение указанных проблем связано с дальнейшим совершенствованием теории сопротивления бетона и келезобетона на базе разработки новых концепций в методологии теоретических и экспериментальных исследований, применения современных эффективных методов оценки поведения железобетонных конструкций под нагрузкой. Эффективность этих мер связана в первую очередь с правильны:.! учетом реальных физических закономерностей, обусловленных структурно-технологическими факторами, нелинейностью и неупругостью дефорлитрования материалов, образованием и развитием тре-цин, видом и характером напряженного состояния, совместной работой бетона и арматуры и т.д.

Качественное изменение напряжеггио-деформированного состояния бетона и железобетонных элементов после образования трещин является следствием проявления значительной анизотропии свойств материала, а также влияния ряда малоизученных факторов, о преде-ляхжях недоиспользуемые резервы несущей способности и поведение элементов с трещинами по деформированной схеме. Наибольшую неопределенность эти факторы вносят при разработке методологии расчета крупномасштабных сооружений либо конструкций, имеющих слохчый физический механизм разрушения, как, например, это име-

ет место в оценке сопротивления железобетонных элементов с трещинами в зоне действия поперечных сил.

Недостаточность исследований в этом направлении является серьезным препятствием для повышения надежности и достоверности соответствующих расчетов и оценок, в том числе и ориентированных на использование современных вычислительных комплексов и ЭВМ.

Целью диссертационной работы является: разработка комплекса новых физических представлений о прочности и процессах деформирования и разрушения тяжелых и легких конструкционных бетонов плотной структуры и их компонентов в рамках дальнейшего развития прикладной теории их сопротивления как общей основы для совершенствования методов расчета бетонных и железобетонных конструкций; научная разработка и экспериментальное обоснование новых физичеоких соотношений, моделей и инженерных методов расчета для бетонных и железобетонных элементов с микро- и макротрещинами, обеспечивающих более правильную оценку их несущей способности и жесткости на всех этапах работы вплоть до разрушения.

Достижение поставленной цели является теоретическим обобщением и решением крупной научной проблемы в области расчета, проектирования и производства железобетонных конструкций, направленной на снижение материалоемкости строительства и имеющей важное народнохозяйственное значение, поскольку позволит решить следующие задачи:

- исследовать и обосновать теоретически и экспериментально механизм и закономерности поэтапного трещинообразования и разрушения материала для оценки и прогнозирования прочности и деформаций легкого бетона и его компонентов при одноосном кратковременном и длительном статическом нагружении с учетом структуры материала;

- разработать комплекс моделей, основанных на методах механики разрушения, структурно-имитационного и вероятностно-статистического анализа, описывающих свойства и поведение бетонных и железобетонных элементов, содержащих трещины в микро- и макроструктуре; сформулировать основные принципы и йлгоритмы их реализации в практических расчетах;

- создать необходимые предпосылки для расчета бетонных и железобетонных конструкций, исходя из реальных физических представлений о процессах их деформирования и разрушения, а также факти-

веского распределения напряжений и смещений в сечениях о трещинами;

- выявить и использовать существенные особенности сопротивления и резервы повышения прочности проектируемых бетонных и железобетонных элементов с макротрещинами' при поперечном изгибе; повысить достоверность расчетных оценок их напряженно-деформированного состояния с учетом нелинейных свойств и структуры материала за счет применения теоретически и экспериментально обоснованных физических моделей и расчетных зависимостей взамен используемых частных эмпирических коэффициентов и формул;

- внедрить результаты исследований в практику проектирования, расчета и изготовления конструкций;

Сравнительные экспериментальные исследования проводились на опытных образцах из тяжелых бетонов, конструкционных керамзито-бетонов плотной структуры, а также на образцах из растворной матрицы и цементного камня.

Автор защищает:

- результаты и методологию комплексных экспериментальных исследований прочности, деформативности и трещиноотойкости конструкционных керамзитобетонов и их компонентов при кратковременном одноосном и многоосном, а также длительном одноосном статическом нагружении с учетом влияния структуры материала;

- общий подход к прогнозированию прочностных и деформатив-ных свойств и моделированию процессов трещинообразования и разрушения легких бетонов плотной структуры, основанный на аналитических а феноменологических зависимостях и предпосылках теории

и технологии бетона в сочетании с применением методов линейной упругой механики разрушения неоднородных многокомпонентных композиционных материалов типа бетона, а также многофакторного статистического и структурно-имитационного моделирования;

- эффективное направление экспериментально-теоретической оценки параметров трещиноотойкости, а также особенностей процессов развития трещин в микро- и макроструктурэ материала, обуславливающих деформирование и разрушение легких конструкционных бетонов под нагрузкой;

- уточненные аналитические зависимости для оценки и прогно-

зированкя кратковременной и длительной прочности и ползучести при сжатии я растяжении керамзитобетона и его компонентов, учитывающие структуру материала, нарастание его прочности во времени и кинетику встречных деструктивных процессов;

- общие представления о роли и особенностях влияния механизма контактного взаимодействия берегов макротрещин на напряженно-деформированное состояние и сопротивление железобетонных элементов при срезе;

- результаты и методику сравнительных экспериментальных исследований прочности и жесткости при срезе бетонных и железобетонных дисков и бвлок с трещинами с учетом влияния структуры материала ;

- новую дилатационную модель контактного взаимодействия в трещинах железобетонных элементов, основанную на общих физических соотношениях и разрешающих уравнениях, отражающих реальные расчетные зависимости между напряжениями и смещениями в трещинах и базирующуюся на полученных и имеющихся экспериментальных данных о деформировании бетонных и железобетонных дисков с трещинами при сдвиге;

- инженерный способ определения компонентов сопротивления железобетонных изгибаемых элементов прямоугольного и таврового сечения действии поперечного изгиба;

- расчетные схемы и аналогии, отражающие выявленный характер работы и формы разрушения железобетонных балок с трещинами на основе использования деформационной модели взаимодействующих блоков и принципов распределения энергии в элементах рассматриваемой системы.

Научная новизна работы. Совокупность приведенных в диссертации научных результатов можно классифицировать как новое научное направление в развитии и совершенствовании бетонных и железобетонных конструкций. Среди них выделяются:

в области теории бетона и железобетона- развитие физических основ теории разрушения и деформирования легких бетонов плотной структуры и их компонентов, базирующейся на представлениях механики неоднородных многокомпонентных ere- и линейной механики разрушения, а также на результатах сT7VKTJ7KO-KVгтапиенного л г.яогофакторного статистического моде

лирования;

- математические модели и принципы их построения и использования для прогнозирования кратковременной я длительной прочности и деформаций легкого бетона, основанные на сочетании вероятностно-статистических подходов с апробированными физическими и феноменологическими представлениями и зависимостями;

- теоретически обоснованные определяющие соотношения и зависимости между напряжениями и смещениями берегов в трещинах бетонных и железобетонных элементов при сдвиге;

- разработанные методы оценки и модель контактного взаимодействия берегов трещин в бетоне и железобетоне, учитывающие структурные особенности и прочность бетона, характер армирования и ширму начального раскрытия трещин;

в области методов расчета бетонных и железобетонных конструкций:

- предложенные новые аналитические выражения и реальные диаграммы зависимости между деформациями и напряжениями для керам-зитобетона и его компонентов при кратковременном статическом за-грукении с учетом влияния макроструктуры материала;

- полученный комплекс новых экспериментальных данных о прочности, деформациях и структурно-механических характеристиках ке-рамзитобетонов различной макроструктуры при одноосном(и многоосном кратковременном нагружении и при длительном одноосном статическом скатии и растяжении;

- оформул)5ровашше новые подходы и полученные на их основании выражения для оценки и прогнозирования кратковременной и длительной прочности легкого конструкционного бетона плотной структуры и его компонентов при одноосном сжатии и растяжении;

- впервые разработанные функциональные зависимости между напряжениями и смещениями в трещинах бетонных и железобетонных элементов, предназначенные для использования в расчетах их напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов;

- предложенный новый ашгарат расчета прочности на поперечную силу железобетонных балок с различным армированием и формой сечения;

в области методов исследований бетонных и железобетонных конструкций:

- способы, средства изучения и экспериментальные данные, полученные в выполненных исследованиях о влиянии структурных особенностей, макро- и микротрещин на прочность и деформации бетонов при кратковременном и длительном одноосном и многоосном загружении;

- рекомендации по экспериментальной оценке характеристик трециностойкости бетонов с различной структурой, основанных на практической реализации методов механики разрушения материалов;

- общие принципы составления и использования разработанных расчетных и теоретических моделей, реализующих методы и алгоритмы структурного, многофакторного статистического и имитационного анализа поведения бетонов и железобетонных элементов при на-гружении;

- методология экспериментальной оценки сил контактного взаимодействия (зацепления) и перемещений в трещинах на различных уровнях нагружения бетонных и железобетонных элементов, в том числе и перед разрушением.

Практическая ценность и эффективность работы определяется запросами производства. На основе комплекса проведенных теоретических и экспериментальных исследований были' выявлены определенные закономерности трещинообразования, изменения прочности и деформации легких бетонов и их компонентов при длительном сжатии и растяжении. Установлены некоторые новые особенности работы бетонных и железобетонных элементов в стадии после образования трещин, позволяющие учесть в определенных расчетных соотношениях физическую нелинейность и анизотропию, обусловленные смещениями беретов и жесткостью арматуры и бетона в трещинах. Эти исследования создали основу для дальнейшего развития современной механики деформирования и разрушения бетона и железобетона, позволили выявить резервы несущей способности и повысить надежность оценки напряженно-деформированного состояния кслезобетокниых конструкций. На практике это обеспечивает возможность при одинаковых затратах проектировать более надежные конструкции, а при заданной надежности снижать затраты на создание конструкций.

Применение разработанных моделей, методов и программ расчета позес."ит также получить экономический эффект за счет снкхе-

трудоемкости проектирования,' замены натуршгх испытаний чис— ."он:!>.*\* у?дг."ггсзгн;'р!.' экспе-г;гмон?РВ и прогнозированием отдель-

ных свойств, а также вследствие снижения материалоемкости бетонных и железобетонных конструкций в результате качественного уточнения их расчетных схем.

Предложенные метода и рекомендации позволяют решить ряд практических важных задач, связанных с решением области комплексного применения легких бетонов в практике строительства, в особенности сейсмических районах. При соответствующем использовании результатов исследований предложенные метода позволяют повысить расчетную несущую способность некоторых видов, железобетонных элементов я получить экономию материальных ресурсов в целом по стране и снижение стоимости конструкций, исчисляемой миллионами рублей.

Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты исследований использованы при разработке ГОСТ "Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости" (вязкости разрушения) при статическом нагружении", стандарта МИ "Характеристики трещиностойкости бетонов при кратковременном статическом нагружении" Государственной системы обеспечения единства измерений Госстандарта СССР, в стандарте СЭВ "Бетоны. Методы определения механических характеристик при кратковременном нагружении", подготовленных представителями стран - членов СЭВ в рамках темы 5.7 "Физико-механические свойства бетона и арматуры" плана координации ПКС СЗВ, в "Рекомендациях по определению параметров диаграммы " (3^ - ¿^" легкого бетона при кратковременном сжатии", подготовленных НШ1СК Госстроя СССР, в "Стандартной методике определения прочности и границ мщротрещинообразования в бетоне методом структурно-имитационного йоделирования", подготовленных ВНИЩГРК Госстандарта СССР. Отдельные рекомендации по исследованиям переданы в НГОИБ Госстроя СССР и приняты для использования при разработке новой редакции норм проектирования бетонных и железобетонных конструкций. Результаты исследований нашли практическое применение при научном обосновании расчетов и проектировании ряда железобетонных.зданий и сооружений.

Результаты диссертационной райоты использованы также при написании учебников "Строительные конструкции" и "Железобетонные и каменные конструкции", учебного пособия "Элементы механики разрушения бетонов", а также при чтении лекций и подготовке методических указаний по спецкурсу "УИРС - Учебно-исследовательская работа студентов" и дисциплинам."Строительные конструкции"

и "Проектирование железобетонных мостов" для аспирантов, дипломантов и студентов строительных специальностей.

Достоверность и обоснованность научных положений, результатов и выводов диссертации обеспечивается достаточным экспериментальным обоснованием и аппроксимацией расчетных параметров прочности, деформативности и трещинообразования бетонных и железобетонных элементов; корректной постановкой и решением поставленных задач на основе традиционных допущений, предпосылок и гипотез; выбором апробированных (с позиций строительной механики, механики разрушения и теории железобетона) расчетных предпосылок, схем конструкций и моделей прочности и процессов разрушения; применением вероятностно-статистических методов моделирования и обработки результатов исследований.

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались и получили одобрение на: научно-технических конференциях ТАЦИ в 1975-1991 гг., ТашГШ в 1979, 1981, 1983, 1986, 1989 гг., ЛИСИ в 1384 г., МАЛИ в 1984, 1985, 1987 гг., ВЗПИ в 1984-1987 гг.; на совещании сгран - членов СЭВ по теме: "Физико-механические характеристики бетонов" (Ташкент, 1985 г.); на координационном совещании Госстроя СССР по прочности и трещиностойкости (Брест, 1984 г.); на Ш Всесоюзной конференции по легкому бетону и железобетону (Ереван, 1985 г.); на международном симпозиуме комитета "Евромех-204": "Структура и трещинообразование в композиционных материалах" (Яблонна, 1985 г.); на международной конференции "Механика разрушения бетонов" (Лозанна, 1985 г.); на IX Всесоюзной конференции по бетону и железобетону (Ташкент, 1983 г.); на Всесоюзной конференции "Теория, производство и при-мненение искусственных строительных конгломератов" (Ташкент, 1965 г.); на I и П Всесоюзных конференциях по механике разрушения бетона и железобетона (Севастополь, 1984 г., 1988 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "Моделирование и оптимизация технологических процессов и элементов конструкций сооружений инженерного назначения" (Хабаровск, 1989 г.).

Работа выполнена автором в период 1976-1989 гг. в Ташкентском азтсггобильно-дорожном институте при научной консультации доктзрэ технических наук, профессора Райцева Часть исследований пэ днезертацн.' выполнена эвтсро:.' во вреуя стажировки на •олжкггт;' стг":ого научного сотрудника во Всесоюзном ордена Тр)--

дового Красного Знамени заочном политехническом институте (ВЗПИ, г. Москва) и научной стажировки в Манчестерском университете (г. Манчестер, Великобритания). Автор выражает свою признательность докторам Д.Гуду и П.Монтегю (лаборатория Саймона -" ¿¡.тон ¿п^итил^." - Манчестерского университета), П.Ригану (Лондонский Политехнический колледж) и М.Котсовосу (Имперский колледж, г. Лондон) за плодотворное и стимулирующее участие в обсуждении путей и методов решения задач, поставленных в диссертации.

В проведении экспериментальных исследований по диссертации принимали участие работавшие под научным руководством и при научной консультации автора кандидаты технических наук Сума Абдул-лай, Раупов Ч.С. и инженеры Казанская И.Ю., Ниязов АЛ., Раджа-бов Т.Ю.

Работа выполнена в соответствии с тематическим планом на 1981-1985 гг. Постоянной комиссии по строительству СЭВ по теме 5.7 "Физико-механические характеристики бетонов";"с Координационным планом исследований ИКС Госстроя СССР на 1986-1990 гг. по проблемам ползучести и усадки бетона и прикладным задачам теории железобетона, связанным с длительными процессами; с координационным планом Научного совета АН СССР по строительной механике и теории конструктивных форм по проблеме "Развитие теории расчета бетонных и армированных элементов с использованием методов мохангаи разрушения применительно к прогнозированию показателей надежности и долговечности конструкций".

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений; изложена нз зсб страницах машинописного текста и содержит 156рисун-ков, 49 таблиц; перечень использованных литературных источников

содержит 474 наименований.

сотг/шт РАБОТЫ

Зп введен;';; обоснована актуальность исследуемых проблем, изложены целя и задачи диссертационной работы, охарактеризована научная новизна, практическая ценность и эффективность исследований, сформулированы основные положения, выносящиеся на защиту, показаны формы реализации и внедрения полученных позультатов.

3 первой главе рассмотрены вопросы связи структуры и свойств

легких бетонов и их компонентов с прочностными и деформативны-ми свойствами; бетон рассматривается как сложная иерархическая система. Современные представления о разрушении бетона говорят о том, что оно является не мгновенным актом, а процессом, развивающимся во времени и тесно связанным с образованием и развитием трещин на каждом структурном уровне системы. Этот процесс начинается задолго до исчерпания несущей способности конструкций и определяется многочисленными начальными дефектами структуры, нэличие которых резко снижает фактическую прочность бетона по сравнению с теоретической.

В проблеме изучения прочности бетонов выделяются три основных направления: механическое, статистическое и физическое.

Механические теории прочности, описывающие поведение твердых деформируемых тел на феноменологической основе получили фундаментальное развитие в трудах Т.А.Балана, А.А.Гвоздева, Г.А.Ге-ниева, Н.И.Карпенко, В.Н.Киссюка, А.Н.Козачевского, В.М.Кругло-ва, Л.К.Лукши, Ю.Н.Малашкина, А.В.Яшина, а также Д.Вайла, К.Гер-стла, С.Кобаяши, В.Коянаги, М.Котсовоса, Л.Мяллса, К.Ньюмена, Д.Ньюмена, Д.Хэннанга, Р.Циммермана и др.

В работах О.Я.Берга отмечалась отдаленность математических построений этих теорий от физических явлений, обусловливающих появление трещин и разрушение в бетоне. Поиск прогрессивных методов расчета конструкций с трещинами привели к созданию механики разрушения материалов и конструкций, берущей свое начало с теории трещин А.Гриффиса. Впервые методы механики разрушения были применены к бетону в работах М.Кэплана, Г.Глюклиха и А.Невил-ля и развиты в работах З.Бажанта, Ф.Виттмана, С.Медеера, Х.Михэ-пи, К.Ньвмана, П.Петерсона, Р.Строевана, А.Хкллерберга, С.Шаха, Ф.Какгарри и др., а также в работах советских ученых Л.А.Алимова, Ю.М.Баженова, Л.Г.Берелшицкого, П.И.Васильева, В.В.Воронина, Г.И.Горчакова, И.К.Грушко, Е.А.Гузеева, Ю.В.Зайцева, Р.О.Крас-ноаского, Г.П.Курасовой, Н.Т.Гуменгок, В.И.Кондраценко, Ю.Р.Мака-чева, Е.Н.Пересыпкина, А.П.Пака, Л.П.Трапезникова, В.К.Шевченко, А.А.-Храпкова, .В.М.Чубрикова, В. ¡1. Ягу ста и'др. Наиболее полное отражение вопросы кехянта: разрушения наели в работах Г.И.Барен-Слаттл, Л.Гроека, Л.М.Качакова, З.В.Панасюка, В.З.Партока, Г.Н.?лг^тнезл, Г.П.Черепанова.

Сгптистг-тоскне теорг:; прочности структурно-неоднородных ма-тегнялев т;'г:л бетенз базируется на работах А.Л.Александрова,

В.В.Болотина, С.Д.Волкова, Л.Т.Седракяна, В.ДДарлаба, М.М. Холмянского, М.Изуми, К.Кеслера и Д.Лотта, Д.Мазарса, Н.Миха-ши и др.

Наиболее эффективными являются физические теории прочности, базирующиеся на оценке свойств и взаимодействия основных элементов структуры бетона. Они ведут свое начало с работ Абрамса, О.Я.Берга, Н.Н.Беляева, М.Боломея, Б.Г.Скрамтаева, и получили фундаментальное развитие в работах И.Н.Ахвердова, Ю.М.Баженова, В.Г.Батракова, Г.А.Бужевича, Г.И.Горчакова, И.М.Грушко, И.Е.Пу-тляева, И.А.Рыбьева, М.З.Симонова, В.И.Соломагова, А.Брандцае-га, Р.Бакера, П.Дактю, Г.Хансена, В.Коунго, Р.Свами и др. В рамках этих теорий разработан ряд структурных моделей материала, описывающих его поведение под нагрузкой. Существенным шагом вперед в разработке структурных моделей явилось использование методов теории упругости и вычислительной механики для оценки напряженно-деформированного состояния материала с учетом образования и развития в нем трещин. Эти метода нашли свое отражение в работах Е.М.Бабича, В.В.Бабкова, О.Я.Берга, Б.В.Тусева, Е.Н.Щербакова, А.Е.Десова, Ю.В.Зайцева, Н.Г.Хубовой, О.Буюкозтюрка, П.Грюб-ла, Д.Слейта, П.Строевана, Т.Хсу, Шаха я Мак-Гарри и др., которые использовали известные решения Д.Гудьера, Колосова-Мусхелиш-вили, Нейбера, Саусвелла и т.п. '

Качественно новое научное направление в развитии физической структурной теории прочности, получило отражение в работах Ю.В.Зайцева, где сформулированы общие принципы математического описания процесса образования и развития трещин в бетоне методами механики разрушения.

Высокая степень физической неоднородности бетонов, особенно легких на пористых заполнителях, наличие сложных причинно-следственных связей в системе "состав-структура-свойство" заставляет использовать в исследованиях вероятностно-статистические методы и планирование эксперимента. В работах Ю.М.Баженова, В.А. Вознесенского, Г.И.Горчакова, В.Г.Довжика, М.М.Заставн, Е.Н.Львовского, Н.Е.Прокоповича, Е.Н.Щербакова и др. теоретически обооно-ваны и разработаны методы многофакторного статистического анализа таких характеристик бетона как прочность, деформативность, пористость, ползучесть, усадка, параметры трещинообразования и твердения. Существенным преимуществом этих методов перед стандартны!,и методами получения линейных регрессионных моделей явля-'

ется учет реальных физических представлений о поведении и свойствах бетона в формальном аппарате вероятностно-статистических вычислений. В диссертации отмечается, что расширение сферы применения таких методов выявило некоторые особенности, которые недостаточно принимаются во внимание. Во-первых, вмпиричес-кие данные, как правило, представляют собой значения множества параметров, которые лишь косвенно, в совокупности, отражают наиболее существенные свойства (факторы) бетона как сложной системы. Во-вторых, эти данные могут быть представлены в различном виде. В-третьих, центральной проблемой является "сжатие", выделение "существенной" информации, которая искажена различными данными, не относящимися к сути изучаемого свойства. С другой стороны, если большой массив данных удается представить в виде малого, то это говорит о возможности выявления некоторой закона-: мерности, определяющей сущность проявления изучаемого свойства в системе.

В рамках пассивного и активного экспериментов в диссертации проведено многофакторное статистическое моделирование прочности и параметров полной диаграммы керамзитобетонов с учетом

влияния технологических факторов. Для получения информативных регрессионных зависимостей было цроведено разбиение представительной выборки экспериментальных данных на области, внутри каждой из которых допустимо построение уравнения линейной регрессии. В этих целях использовалась фундаментальные преобразования факторного анализа в форме метода главных компонент (МГК), которые позволяют не только минимизировать пространство независимых переменных с максимальным сохранением информативности, но к построить регрессионные модели на главных компонентах как статистически независимых параметрах. Для получения статистически адекватных моделей использована исходная информация в виде обширного массива результатов цроведеннчх испытаний, а также данных различных авторов по прочности керамзитобетона и рассмотрено влияние на нее одмгнаддати структурно-технологических переменных: прочности, крупности, плотности и расхода керамзита, расхода и актнь ности цемента, расхода воды и песка, плотности песка, жесткости см?си к возраста бе гона.

Г-скоачыкн параметра.*.:!: диаграммы "<5, оцредвляввгквся

=Г«* ;*. с г.ыт? киях £h.-j: величины '\г - £,-, , tiu и €iR , для к^тгрых достроены регрессионные ::ят:'?ркто"ик-з мсдо.-.;- с

обеспеченностью 0,95. С целью "расширения" базн данных для нормирования расчетных параметров диаграммы " 6g-6gn керамзи-тобэтона был поставлен численный эксперимент в широком диапазоне изменения Б/Ц, &сет • Кет • ^с.ад. и ^/-од- Программа численного эксперимента разработана А.Н.Бамбурой и 'Г.Раджабовнм. Реализация программы позволила получить массив данных, который был разбит нв группы с определенными классами керамзитоботона по прочности и плотности. Для каждой из групп получены нормативные и расчетные значения параметров диаграммы " Для ее ис-

пользования в расчетах керамзитобетонннх элементов по предельным состояниям первой и второй групп. Связь напряжений с деформациями керамзитобетона представлена выражением в виде полинома пятой степени, коэффициенты которого вычислены и протабулирсва-Ш1 в зависимости от значений параметров диаграммы.

Далее в диссертации проведен анализ влияния дефектов структур!-! на напря.генно-др£ормироБанное состояние и трзцинообразовя-нпе материала в плоской постановке при замене этих дефектов отверстиями и включениями различной фород и ориентации.

Применительно к бетоном но пористых заполнителях использована двухкомпонентная модель структуры в виде погруженной на бесконечности шгасткии из растворной матрицы с- порами и включениями различной жесткости, рис. 1а. Учитывалось, что материалы компонентой модели упруги, однородны и изотропны. Ссогнозэння, определи! 'Jiio напря?енно-до$ормировэнное состоянио в принятой модели, получены с использованием решений Н.И. Мусхелгагвили и Д.Гу-дьорз, и позволяют установить условия появления и расположения нервах ¡/таротрепнн для различных соотношений свойств матрицы и заполнителя, в тем число и для случаев их неполного взаимного сцепления.

Для принятой модели в прямоугольных координатах имеем во включении (при г $ R ):

бгг * ¿>ь; [fr (6^- fycos.zö'] ;

АО 1 (1)

в матрице (при !>/?);

Ф- Т В << ;

О, . рг г?'!

V—■

Здесь:

В--2 - % -Я,)

Экспериментальное подтверждение полученной в расчетах картины распределения напряжений получено при испытаниях поляризацион-но-оптическим методом прозрачных пластин моделей из эпоксидной смолы, содержащих отверстия либо круглые включения различной жесткости.

Кинетические аспекты образования трещин микроструктуры и их развитие в трещины макроструктуры, объясняющие движущие силы и критерии нестабильного роста трещины рассмотрены с позиций применения к бетонам теории Гриффитса. Энергетический критерий развития трещины А.Гриффитса Ос и эквивалентный ему силовой критерий Д.Ирвина Кс дают возможность оценки предельного состояния равновесия упругого тела с трещиной. В связи с этим в работе рассмотрены особенности и возможности некоторых других критериев для трещин нормального отрыва (в рамках моделей Баренблатта, Леонова-Пашенка, Хиллерборга, 0 -интеграла Райса-Черепанова и /? -функций) с позиций их применимости к бетонам.

Ка примере структурной модели бетона в виде упругой пластины единичной толщины, содержащей два и более неравных круговых отверстия с выходящими на их контур двумя коллинеарными трещинами различной длины, рассмотрены условия их стабильного г нестабильного роста. Предельные величины напряжений, при котором

С2С

появляется треткны , а также критического напряжения

л критической длины тресины О,* , при которых происходит их спонтанное с-.пянне определены с пс-мга:ьк> известных репении А.Грн?- .

фитса, В.В.Панасюка и П.В.Зайцева. Для случаев, когда вместо круговых пор рассматриваются включения с различными параметрами прочности и жесткости, эти решения модифицированы на основе проведенного выше анализа поля напряжений и деформаций вокруг включений с учетом перераспределения этих напряжений с растворной матрицы на заполнитель по мере роста длины рассматриваемой трещины.

Для углубленного анализа физических процессов, лежащих в основе зарождения и развития микро- и макрогрещин в бетоне, а также для выявления характера взаимодействия компонентов структуры в процессе работы бетона под нагрузкой было использовано структурно-имитационное моделирование. Исходные положения и гипотезы для создания имитационной модели трещинообразования и разрушения базировались на основных принципах линейной упругой механики разрушения. Модель реализована на примере пластины единичной толщины (рис. I б) (40 х 10 см), содержащей круглые отверстия (поры) с двумя начальными трещинами на контуре, и многоугольные включения (заполнители) с различной ориентацией и расположением. Стороны включения имитировали контактную зону, которая характеризуется шириной и условной прочностью. Материал растворной матрицы предполагался однородным и изотропным. Прочностные и дефор-мативные характеристики матрицы и включения, параметры их трещи-ностойкости назначались на основании экспериментальных данных. Количество включений и пор принято из условия обеспечения статистической представительности и с учетом возможностей программы, составленной для реализации на ЕС ЭВМ, т.е. /V = 50. Координаты центров пор и включений приняты как независимые случайные величины, подчиняющиеся равномерному закону распределения по высоте и ширине образца.

Анализ последовательных этапов развития трещин для трех реализаций разработанной математической модели (о низким (ЕН), средним (БС) и высоким (БВ) содержанием керамзита) показал их полную адекватность результатам проведенных экспериментов (табл. I). Характер развития трещин в модели для всех реализаций оказался одинаковым, а разрушение модели определялось образованием магистральной трещины, направленной вдоль сжимающих усилий и выходящей на контур образца.

За нижнюю границу микротрещинообразования принималось

значение внешней нагрузки, при которой начинали развиваться Ъ%

у ^ Л- IV

^ * ~ /Л ^

X

5"

Рио. I. Расчетная модель структуры (а) и схема ее реализации (б) в имитационном моделировании процесса разрушения легкого бетона

Таблица I

Результаты реального и численного экспериментов

:Призменная : Границы микротрещинообразования

Серия:прочность :-:-

образ: , Ш1а :раальный эксперимент : численный эксперимент

ЦОВ ' ' -- -■ ---- ---------■----------------

:реальн:числ.;я° : ц '. экспер ¡экопер —— : .МПои

: V?"

МПа : : МПа ;

/3" V

МПа я*

ББ 33,2 26*3 15,9 0,48 26,6 0,80 10,5 0,40 21,3 0,81 БС 35,3 32,0 18,3 0,51 34,1 0,95 13,8 0,43 28,5 0,89 ББ 34,3 31,0 15,8 0.46 32,2 0,94 13,0 0,42 27,3 0,88

./1Ж

¿ V к а*

Л

Т^Уп1

(3) ; (4)

(5)

(11-А'

л -г/к ; л*« е'/к

г(у? ) и характерные -¿егмы

(6)

... << - ' щ

гз^гуи.г-н.-я легких Сетонов

от общего числа начальных, трещин. За верхнюю границу микротра-щинообразовэния /?с;с принималось значение внешней нагрузки, при которой происходило объединение Ъ% от общего числа начальных трещин. Подобное определение границ мккротрещинообразования соответствует физическому смыслу, который был вложен в паромет-ры и О.Я.Бергом. За цризменнув прочность при-

нималась нагрузка, вызывающая образование магистральной трещины, разделяющей модель на две части. Достаточное качественное и количественное соответствие медду результатами реального и численного эксперимента свидетельствует о широких возможностях и перспективах применения методов структурно-имитационного моделирования для прогнозирования и регулирования физико-механических свойств различных бетонов.

Разработанная структурная модель трещинообраэования и разрушения в бетоне использована для прогнозирования прочности при сжатии легких бетонов плотной структуры на основе известной функциональной зависимости прочности легкого бетона от прочности растворной матрицы, предложенной А.И.Вагановым. Показано, что для различных участков кривой этой зависимости характерен свой тип разрушения бетона (рис. 2). На первом, начальном прямолинейном участке кривой увеличение прочности растворной матрицы ведет к пропорциональному увеличению прочности бетона. В атом интервале прочность бетона определяется прочностью раствора. Процессы раз-рутения аналогичны наблюдаемым в обычном тяжелом бетоне и магистральная трещина проходит по матрице (на участие 1).На участке кривой II а прочность легкого бетона начинает отставать от прочности раствора. После возникновения трещины на контуре заполнителя начинается перераспределение растягивающего усилия с растворной матрицы на заполнитель. Если сцепление заполнителя с с. от— . рицей слабое, то при превышении прочности контакта б^д трещина огибает заполнитель, что ведет к увеличению ее длины и требует дополнительных энергетических затрат. Если прочность контактной зоны достаточно велика, то происходит существенное перераспределение напряжений с матрицы на заполнитель. При достижении зернами заполнителя предела прочности на растяжение трещина достигает максимальной длины, определяемой расстоянием между включениями. Разрушение бетонов на участке II б кривой имеет стабильный характер и происходит по матрице и заполнителю. Это обстоятельство наблюдается в легких бетонах с достаточно

прочными заполнителями. Оценка напряжений во включении после образования трещин производилась с учетом изменения напряженного состояния в его окрестности, вызванного его деформированием и перераспределением напряжений с матрицы на заполнитель в процессе роста трещины.

Последний, третий участок кривой характерен для бетонов, в которых высокопрочная растворная матрица сочетается с низкопрочными заполнителями, что редко встречается на практике. При определенных соотношениях величин поперечной деформации раствора и заполнителя напряжения в последнем могут превысить его прочность на растяжение и включение разрушается ранее, чем растворная матрица.

Для каждого участка кривой в диссертации даны выражения (3)...(6), оценивающие прочность легкого бетона с учетом энергии разрушения, соотношения деформативных свойств матрицы и включения, а также начальной длины трещины О. , которая определяется при заданных значениях В/Д, эффективной поверхностной энергии У , степени гидратации о1 , плотности 0 и пористости цементного камня П . Выражение прочности, предложенное для последнего участка кривой^ рекомендовано для оценки прочности заполнителя в бетоне.

В заключении главы приведены результаты экспериментальных исследований влияния структуры на характеристики трещкностойкос-ти бетона и (9^ . Было испытано шесть серий различных образцов с надрезами различной длины из керамзитового и тяжелого бетонов, подвергнутых четырехточечному изгибу', раскалыванию и осевому растяжению. Результаты проведенных исследований говорят о правомерности применения к анализу процессов разрушения легких бетонов и их компонентов теории Гриффитса-Ирвина и основных параметров трещиносгойкости материала, используемых в рамках линейной упругой механики разрушения. Выявлено, что вязкость разрушения цементного камня ниже, чем для раствора и бетона, причем для раствора и бетона она возрастает по мере увеличения содержания соответственно песка и крупного плотного заполнителя.

Втр-гря глп?а отражает результаты исследований прочности, де-форкрций и трег.ииоог5разоваш:я легких бетонов и их компонентов грк одноосном кратковременном сжатии и растяжении с учетом структуры «этотчччла. Запросам исследования прочности и деформаций лег-

1.-Э

ких бетонов различной структуры и конструкций на их основе, совершенствования их свойств и технологии посвящены работы И.А.Ахвердова, Г.А.Бужевича, А.И.Ваганова, К.И.Вилкова, К.П.Дел-лоса, В.Г.Довжика, И.А.Иванова, И.Г.Иванова-Дятлова, С.М.Ицкови-ча, О.П.Квирикадзе, К.С.Карапетяна, К.М.Каца, В. ¡{.Кондратенко, А.А.Кудрявцева, Р.Л.Маиляна, А.Б.Пирадова, И.Г.Путляева, Н.А.Попова, И.А.Рыбьева, М.З.Симонова, Б.Г.Скрамтаэва, Н.Я.Спивака, Ю.ВЛиненкова, В.Н.Ярмаковского и др.

Испытаниям подвергались легкие бетоны на плотном, керамзитовом и нераызитоподоОном гравии различных составов, которые были разделены на две группы. Первая груша образцов предназначалась для проверки разработанной структурной модели легких бетонов в целях ее использования в прогнозировании кратковременной прочности на сжатие с учетом ее нарастания во времени. Исследовались составы бетонов на цементах различной активности с пористыми и плотны?.:» заполнителями различной объемной массы и прочности. На каждый вид заполнителя замешивалось по четыре состава бетона с различными расходами цемента, что обеспечивало смеси различными В/Ц при одинаковых расходах воды. Для контроля количества воды поглощаемой пористым заполнителем, исходили из водопотребности эталонной смеси тяжелого бетона с расходом цемента 375 кг/м3, при непрерывной кривой гранулометрического состава. Для. аналогичных по составу и гранулометрии легких бетонов определялся дополнительный расход воды, который обеспечивал показатели'уплотнения, характерные для эталонной смеси. Использованный подход позволил более точно определить количество воды, требуемое для твердения бетона и гидратации цемента.

Составы керамзигобетонов второй группы предназначались для исследования влияния структуры на прочность, деформативность и , трещкнообразование в материале. Они подбирались так, чтобы при наименьших колебаниях в прочности иметь возможно большие вариации в соотношении объемов мелкого и крупного заполнителя. Одновременно были испытаны компоненты бетона в виде образцов из цементного камня, раствора и зерен наполнителей. В качестве одно-компонентной структуры рассматривался цементный камень на портландцементе активностью 50 Ша, двухкомпонентной - раствор на кварцевом песке (Мк=2,80) и трехкомпонентной - нарамзитобетон на керамзитовом гравии с большим, средним и малым содержанием

керамзита. Для испытаний бетонов при. осевом сжатии изготавлива-

лись кубы о размером ребра, 7, 10, 15 и 20 см и призмы размером 7x7x28 см и 15x15x60 см; при осевом растяжения - цилиндры диаметром 7 см и высотой 23,5 см, которые испытывались с помощью специально разработанных цанговых захватов, снабженных шарнирами Гука. Для исследования характеристик цементного камня и раствора изготавливались кубы размером ребра 40 мм, призмы 4x4x16 см и цилиндры диаметром 4 и 7 см и высотой 16 и 23,5 см.

Выявлено, что коэффициент лризменной прочности R#/Я практически не зависит от состава бетона и для всех серий превышал величины, указанные в нормах для тяжелых бетонов. Однако с возрастом происходило его заметное уменьшение и в возрасте 800 сут. оно составляло 88% от 28 суточного значения. В то же время его величина для цементного камня и раствора с возрастом увеличивалась, оставаясь для первого на 30$ выше, чем для второго. С увеличением содержания керамзита в бетоне коэффициент Rg/R проявлял тенденцию к снижении, выраженную более ярко для старого бетона, а величины R , Re , R° /R RV /Re вначале возраста-

it/ С CZC ^ ' CZC б

ли, 8 при с/ / ]/. > 35-40% снижались. В то же время значения

, . t Wv О Ъ I л

Eg , Ееь, Ret , Rcic/Rft с ростом VCQg / Vg монотонно снижались, величина монотонно увеличивалась, а е^д оста валась неизменной. Зависимости характеристик прочности от содержания зфупною и мелкого заполнителя имели различный характер при растяжении и сжатии. Кроме того, при сжатии прочность цементного камня выше прочности раствора, а при растяжении - ниже. Форма диаграмм деформирования почти не зависела от состава и структуры материалов. Как при сжатии так и при растяжении параметры их нелинейности оценивались по методу В.М.Бондаренко. Процессы начального уплотнения структуры и последующего образования и развития трещин наблюдались по результатам тензометряческих измерений, а также методами акустической эмиссии и ультразвукового про-звучивания.

Для качественной и количественной оценки достоверности принятой модели структуры бетона был проведен численный имитационный эксперимент, позволяющий прогнозировать изменение прочности бетонов плотной структуры во времени и реализующий в различных сочетаниях условные, произвольно выбранные параметры, определяйся? свойства матрицы к заполнителей. Расчетные соотношения в мо-so'i' кхлгчзст в себя параметры к функции, определяющие поле на-

пряжений и деформаций, силу распространения трещины при заданных значениях В/Ц и степени гидратации цемента, возраст бетонв, перераспределение напряжений с матрицы на заполнитель.

Полученные по результатам вычислений диаграммы соответствовали экспериментальным зависимостям, приведенным в работах Ю.М.Баженова, Г.А.Еужевичэ, А.И.Ваганова, Н.А.Попова, Б.Г.Скрамтаева и др. Показано, что изменение прочности модели в нужном направлении может быть достигнуто варьированием прочности растворной матрицы и определяется фракцией зерен с наименьшей прочностью, не обязательно самой крупной. Результаты испытания образцов первой группы дали возможность модифицировать диаграмму А.И.Ваганова, представив ее в виде функциональной зависимости прочности легкого бетона от прочности тяжелого аналогичного состава, т.е. {(^-есте^ ' Эта зависимость

аппроксимирована полиномами третьей степени, коэффициенты которых определены методом наименьших квадратов.

Для учета основных факторов, влияющих на прочность легких бетонов введены временные функции, отражающие следующие процессы: эффект "самовакуумирования" воледствии водопоглощения пориста,; заполнителем; собственные усадочные напряжения из-за возникающих градиентов влажности; гидратация цемента, определяющаяся свойствам;; и расходом цемента, а также влагопотерями при высыхании бетона.

Далее в диссертации проанализирован характер разрушения опытных образцов из керамзитобетона, раствора и цементного камня при трехосном сжатии с цилиндрическим тензором напряжения типа (¿> > >(5г - б . Сделан вывод о том, что даже сравнительно невысокий уровень гидростатического объятия ( <^/<3, = 0,20) влияет на механизм разрушения, который связан с развитием сдвиговых микротре-. щин. Сравнение полученных кривых деформирования показало, что при практически одинаковых призменной прочности и уровнях бокового давления прочность херамзитобетона при трехосном сжатии не зависит от его структуры. Относительное упрочение керамзитобетона по мере роста бокового обжатия идет менее интенсивно, чем у раствора и цементного камня.

В качестве расчетного критерия при трехосном сжатии принята формула Конскдера. Величина коэффициента интенсивности бокового обжатия К, входящая в эту формулу, была пронормирована в зависимости от относительной величины бокового обжатия с учетом струк-

тури материала. Для инженерных расчетов использованы эмпирические зависимости, развитые в трудах П.И.Карпенко и Б.В.Тяблнко-ва.

В третьей главе рассмотрены вопросы влияния структуры на прочность, деформации и трещинообразование в материале при длительном нагружении осевым сжатием и растяжением. Отмечается большой вклад в исследование природы и развитие теории длительного сопротивления и деформаций бетона и железобетона, который внесли работы С.В.Александровского, Н.Х.Арутюняна, О.Я.Берга,

B.М.Бондаренко, А.Я.Барашикова, П.И.Васильева, А.А.Гвоздева, А.Б.Голышева, К.С.Карапетяна, А.А.Кудрявцева, Г.В.Кизирия, Я.Д. Лившица, Г.Н.Маслова, В.Г.Назаренко, А.Б.Пирадова, И.Е.Прокопо-вича, Р.Л.Серых, И.И.Улицкого, З.Н.Пилосани, Е.Н.Щербакова, А.Е. Шейкина, А.В.Яшина и др.

■ Длительные испытания производились в рычажных и пружинных . установках на образцах, аналогичных использованным при кратковременном нагружении. Загружение длительной нагрузкой осуществлялось в диапазоне (0,2...0,95) от Re и .

В работе показано, что влияние предшествующего длительного нагружеяия на кратковременную прочность и деформативность керам-зитобетона и его компонентов при сжатии и растяжении можно учитывать специальной функцией m(t ,Т) , предложенной О.Я.Бергом, Ю.В.Зайцевым, И.Е.Прокоповичем и др. для тяжелого бетона. Показано, что предшествующее длительное сжатие интенсивностью < R°IC/ =0,5 увеличивает Rs и Eg до 20^, а при ^ ^ > / Rc - °.5 уменьшает до 21%. При h ^ 0,3 предшествую-

^^сгс'о .о п

щее длительное сжатие и растяжение способствует увеличению Kg и Еg до 9%.

Исходя из анализа результатов определения ^с-гс^в' и характера изменения деформаций ползучести делается вывод, что уровень загружения /? ^ 0,5 можно считать траншей условно линейной ползучести, в пределах которой влияния длительного предшествующего сжатия на Rg и Eg не обнаружено, т.е. ftiftfc) =1.

Выявлено, что деформация ползучести при сжатии и растяжении, а также усадка материала существенно зависят от макроструктуры материала, уменьшаясь по мере перехода от однокомпоненткой структурк к двух- и трехкомпонентной. Введение в цементный камень кварцевого песка способствовало уменьшении ползучести в

C,5 разя, а введение в раствор круггкого пористого заполнителя -

в 1,22 раза.

В работе исследованы величины соотношений мер ползучести при сжатии и растяжении для керамзитойэтонов, раствора и цементного камня в зависимости от структуры материала, возраста и длительности нагружения образцов. Установлено, что равенство мер ползучести при сжатии и растяжении, постулируемое в современных теориях ползучести, экспериментально не подтверждается. Полученные кривые зависимости изменения С^ / С^. , С /

С у /С С /С позволили выявить характерные участки, на ко-^т-6 ' ^т ' сет£ сет.

торых эти соотношения с возрастом вначале возрастают, а затем, резко уменьшаясь, ассимптот'ически стабилизируются. Начиная с начальных сроков наблюдения 1 суг до периода стабилиза-

ции при > 100 сут уменьшение этих соотношений составляло

34-41$. Полученные соотношения были использованы для аппроксимации опытных данных по длительной прочности керамзитобетонов.

Существенное влияние на ползучесть керамзитобетона оказывает уровень напряжений и соотношение объемов, крупного и мелкого заполнителя. С увеличением последнего уменьшается ползучесть при растяжении и увеличивается при сжатии.

Анализ деструктивных процессов в опытных образцах при длительном нагружении производился также по данным изменений объема й Счгр и дифференциального коэффициента поперечной деформации л. Прогрессирующее образование и развитие микро- и ма-кротреиин в образцах при нагрузке <5^ = 0,85...0,95'^ сопровождалось интенсивным ростом коэффициента 6.до величины 0,5 и.Ение непосредственно перед разрушением. Для оценки длительной прочности керамзитобетона"и его компонентов с позиций механики разрушения использовалось выражение, предложенное Ю.В.Зайцевым и модифицированное с учетом соотношений (3).,.(6) для £(?)•.

Полученные расчетные кривые длительной прочности хорошо аппроксимируют опытные данные, которые показали, что рост содержания керамзита приводит к уменьшению (до 6%) либо к увеличению (до Ъ%) уровня длительной прочности керамзитобетона соответственно при сжатии и растяжении. Этот уровень существенно изменялся, увеличиваясь до 30% по мере перехода от однокомпонентной структура к двух- и трехкомпонентной. Предложенная теоретическая зависи-

(?)

мость дает результаты, близкие к полученным по известной зависимости В.М.Бондзренко, разработанной с позиций энергетического подхода. Такое соответствие свидетельствует о надежности и достоверности принятого подхода для оценки . Результаты экспериментов показали также, что предел длительной прочности керамзитобетона не зависит от вида напряженного состояния (сжатия и растяжения) и по крайней мере не ниже, чем для тяжелого бетона.

Сопоставление опытных значений верхней границы микротрещино-образованля с пределом длительной прочности при сжатии и растяжении говорит о возможности прогнозирования последнего по напряжению, соответствующему экстремуму на диаграмме неупругой составляющей объемной деформации, определенной по данным измерений в зоне разрушения опытного образца.

Четвертая глава посвящена исследованию прочности л жесткости бетонных и железобетонных дисков с трещинами, поведение которых при сдвиге определяется силами контактного взаимодействия в трещинах при взаимных смещениях их берегов.

Исследованиям железобетонных конструкций с учетом особенностей нелинейного деформирования и трещин посвящены работы C.B. Александровского, В.Н.Байковэ, В.М.Бондвренко, С.В.Бондаренко, П.И.Васильева, Г.М.Власова, А.Б.Толшаева, Ю.В.Зайцева, Н.И.Карпенко, А,И.Козачевского, С.М.Крылова, А.П.Кудзиса, A.B.Косарева, В.А.Пахомова, И.Е.Прокоповича, А.Р.Ржаницына, Р.С.Санжаров-ского, Р.Л.Серых, H.H.Склалиева, М.М.Холмянского, Ю.Н.Хромца, В.ДДарлаба, В.П.Чиркова, А.Ф.Яременко, Л.И.Ярина, а также З.Ба-занта, Дж.Валравена, П.Гамбарова, Х.Дулачки, А.Маттока, Т.Поу-лея, Х.Рейнхардта, Р.Тэйлорз, Л.Седолина, Р.Фенвикэ, Дж.Хофбекз, Дж.Хоуд8 и многих других. Как правило расчеты таких конструкиий связаны с оценкой их напряженно-деформированного состояния различными численными методами. Так, для широкого класса конструкций эффективно используется метод конечных элементов (Ж?), положенный в основу больного количества разработанных программных комплексов и универсальных алгоритмов, реализация которых позволяет автоматизировать все ртапы нелинейных расчетов железобетонных конструкций. Теоретическое обоснование и развитие таких расчетов Î.-X? сачзанс с исследования:,:!' A.B.Александрова, Т.А.Бала-ка, 3.11.Ь'ар*>йкадз?, Г-.З-Байн^ерга, 7.?.'.3првахр, АЛ.Гэродешгого,

А.А.Корякина, В.Г.Корнева, Б.Я.Лашенникова, О.В.Лужина, A.M. Масленникова, В.Н.Мастаченко, А.А.Оатула, Р.А.Резникова, Л.А. Роэпна, А.С.Сахарова, А.Р.Смирнова, II.Н.Шапошникова, Дж.Арги-риса, К.Еате, Е.Зенкевича, А.Нилъсона, Д.Нго, А.Скорделиса и др.

Учет нелинейных свойств железобетона, помимо создания более сложных программ, требует углубленного изучения фундаментальных свойств железобетона с трещинами, определяющих его поведение под нагрузкой вплот! до разрушения. В первую очередь это касается исследования механизма и особенностей передачи отрывных и сдвиговых напряжений через трещину, обусловленных нагельным действием пересекающей ее арматуры и силами зацепления в процессе контактного взаимодействия ее берегов. Важным шагом вперед в этом направлении явилась теория деформирования железобетона с трещинами,'разработанная в трудах Н.И.Карпенко и развивающая известный подход В.И.Мурашева. В ней железобетон рассматривается как физически нелинейный анизотропный материал? а полученные на ее основе зависимости и программы расчета на ЭВМ получили широкое экспериментальное подтверждение и распространение в практике проектирования. Если при сжатии И растяжении механизм передачи напряжений через трещины нашел достаточное отражение в ряде работ (Л.М.Григорьянп, Н.А.Гусейнов, Е.У.Еньков, Н.И.Карпенко, Л.Я.Мельник, Т.А. Мухамедиев, В.П.Рослов, А.Ф.Еременко и др.), то этот же механизм при срезе исследован явно недостаточно. О практическом значении учета касательных сил зацепления шероховатых берегов в макротрещинах говорит и то, что они являются основным фактором, обеспечивающим сопротивление и условие равновесия железобетонных элементов в сечении с трещиной при действии поперечной силы. Предположение о полном сдерживании касательных смещений в трещинах путем зацепления их берегов при взаимном контакте не соответствует действительности. Более того, наличие касательных смещений может служить более точным показателем наличия сдвиговых напряжений в трешинях, чем наблюдение зз раскрытием трещины.

Некоторая недооценка роли касательных сил зацепления в трещинах при проектировании железобетонных конструкций с относительно дисперсным армированием, характерным для оболочек, коробчатых йялзк, подпорных стен и балок-стенок, сосудов давления и

т.д., базируется на распространенном мнении, что трение в трещине является величиной переменной и им можно пренебречь в запас прочности. Однако уже из работ А.А.Гвоздевв, Н.И.Карпенко, З.Базанта стало видна ошибочность такого аргумента. Дело в том, что при взаимном тангенциальном смещении берегов трещины происходит их нормальное (дилатационное) раскрытие вследствии контакта шероховатостей на поверхностях трещины, рис. 3 а. Это приводит к возникновению значительных дополнительных напряжений в пересекающей арматуре, а ширина раскрытия трещины в стадии эксплуатации может оказаться значительно большей, чем предполагается расчетом по действующим нормам.

Таким образок анализ механизма проявления сил зацепления в трещине и выявление зависимостей между напряжениями и смещениями ее берегов при сдвиге для прогнозирования жесткости и предельного сопротивления контактного взаимодействуя в трещинах являются важной проблемой и требуют специальных исследований. Подобные зависимости должны отражать влияние структурных особенностей бетона, определявших степень и характер шероховатости трешп и учитывать механизм осевой (с учетом сцепления с бетоном) и тангенциальной (с учетом податливости бетона у берегов) кесткостк арматуры, пересекающей трещину (как этого требуют "Общие положения расчета плоскостных и массивных конструкций с учетом нелинейных свойств железобетона", впервые в отечественной практике включенные в СИиП 2.C3.CI-84).

Широко используемое и ставшее классически.; понятие о шир.-не раскрытия трещин в железобетоне определяется как взаимное равное смещение ее берегов в нормальном направлении. Для общего слу чая, когда наряду с нормальными берега трещины испытывают еще и тангенциальные взаимные смещения, это понятие должно включать в себя дялатансию, определяющую существенное различие в ширине тре щины на различных участках по ее длине, Прг. практическом исполь-.зовании механизма зацепления необходимо знание четырех взаимозависимых переменных: касательных и нормальных напряжений ( Т1гс, <3 ас ) и соответствующих им смещений берегов трещины ( £сгс ,

ас1с ).

В диссертации проведен анализ методов оценки сил зацепления в трещинах, а также имеющихся исследований различного поведения трещин в железобетонных элементах, которые условно были разделе на на следующие пять групп: трещины с фиксироваиной постоянной

шириной раскрытия; трещины о контролируемым нормальным смещением 0.сгс ; трещины, испытывающие действие нормальных напряжений

¿>сгс ; трещины, пересекаемые арматурой различного сечения; трещины с контролируемым отношением Тсгс/<2схс~ const,

Анализ исследований показал, что нормальное раскрытие трещины является ключевым фактором в механизме передачи касательных сил зацепления через трещины. Оно определяется интенсивностью нормального обжатия и поперечной нагрузкой. Сдвиговое смещение, возрастая примерно пропорционально нагрузке, перед разрушением резко увеличивается. Сдвиговая жесткость в трещине растет с увеличением процента армирования и тем больше, чем выше прочность бетона и лучше его сцепление с арматурой. Отмечается, что поведение образцов при мощном "армировании" трещины или высоких значениях <осгс не отличалась от поведения образцов без трещин.

В связи с этим при эскпериментальном исследовании механизма передачи напряжений через трещины наибольшее внимание было уделено влиянию вида заполнителя, прочности бетона, ширины трещины, " величины (ЭС1С и процента поперечного армирования. Опытные образцы-диски с инициированной трещиной изготавливались из керам-зитобетона и тяжелого бетона и испытывались на сдвиг, рис. 3 б. Величины сдвиговых и нормальных взаимных смещений берегов на каждой ступени нагрузки определялись по специально разработанной методике. К первой серии относились образцы со свободным нормальным смещением берегов трещины. Вторая серия образцов испытнва-лась при фиксированных значениях начальной ширины трещины, которая регулировалась винтами на стальных тягах с контролируемым нормальным растягивающим напряжением. Третья серия образцов армировалась хомутами из стержней класса A-I, А-Ш и А-1У диаметром 8 мм и 6 мм.

Влияние вида бетона на степень шероховатости трещин показано на профилограммах поверхностей разрушения образцов, полученных на специально изготовленном профилометре до и после их испытания на срез.

Результаты' испытаний показали, что вид бетона влияет не только на предельное сопротивление сдвигу, но и на деформационное поведение образцов. В целом образны из тяжелого бетона оказались жестче у прочнее керамзитобетонных. Несмотря на различное повеление гол нагрузкой каждый вид бетона имеет свой предел сдвиго-во;1 прочности, который у керамзитобетона значительно ниже, чем

1 1 &

?ссс

1 т

Ыш

I \ к

а

щ

1 -1 __300

< 50 150

□ □

г; п /; и

д

Рис. 3. Дилатационное смещение берегов трещин (а) и обший вид образцов, испытанных на сдвиг (б).

Рис. 4. Сдвиговая жесткость (а) и предельное сопротивление (б) сдвигу при контактном взаимодействии в трецине.

Рис. 5. Модель зацепления в трешикзх (а) и ягатрохсгтация результатов испытаний выражением 116 }-(<?) .г;:*-л

у тяжелого, даже при значительно меньшей ширине трещины. При большом раскрытии трещин в образцах с большим количеством стержней наблюдалась меньшая сдвиговая жесткость трешины. Средняя ширина раскрытия трещины в керамзитобетонных образцах второй серии оказалась почти одинаковой, но несмотря на то, что величина <осгс имеет разброс в 55$, жесткость образцов оказалась почтя одинаковой. Однако для образцов из тяжелого бетона их сдвиговая жесткость отличается весьма ощутимо. Полученные результаты хорошо согласуются с данными исследований А.Е.Артемьева, Дж.Вальравена, В.П.Митрофанова, К.А.Зиновэ, В.Г.Попова, П.Лобера, А.Маттока, Р.Тзйлора, рис. 4а. Для оценки жесткости предложена линейная зависимость ее величины от средней ширины раскрытия трещины в виде:

1,2/лск', Ел9б= 0,Ь/асгс> бсг~0; (8)

5,^/асгс ■ В^-~2,7/асгс бсгс>0.

Предельное сдвиговое сопротивление трещины может быть описано критерием трепня Кулона, модифицированного установленными константами, удовлетворяющими результатам проведенных исследований для каждого вида бетона в пределах изменения ииргош трещины О,2...О,5 мм, рис. 46. Для образцов третьей серии применение формулы Кулона ограничивается величиной (эсг^2-Н/мм2:

■ С>^оз/^ , (го)

а для образцов второй серии при <о <2 И/ммг она принята в виде:

' С,«,*+ ^ ; С- * • (п)

Для математического описания процессов, определяющих изменение контактного взаимодействия при взаимных смещениях берегов трещин в бетоне, использовано решение Д.Вэлравена и Х.Рейнхард-та в сочетании с разработанной выше моделью структуры бетона, в которой плотные включения многоугольной формы рассредоточены в матрице случайным образом и пересекаются плоскостью трещины на различите расстояниях, от центров частиц, ряс. 5а. При этом подразумевается , что влияние так называемой мнкропероховатости,

обусловленной выступами из частиц заполнителя, превалирует над мокрошероховатостью определяемой искривлением плоскости трещины. Развитие деформаций сдвига проявляется за счет пластической деформации цементного камня по поверхности его контакта с плотным зерном заполнителя. Трехмерная задача контактного взаимодействия сведена к двухмерной, позволяющей рассматривать срез материала единичной толщины. Критические значения контактных нормальных и касательных напряжений использованы в условиях равновесия усилий, действующих по поверхности взаимного контакта:

'Л,А); ^СА +лЛ/> ■(12)

Здесь значения & А0ЛГ и коэффициента трения цементного камня о заполнитель ^*аНТ подбирались таким образом, чтобы (12) блике соответствовало данным испытаний образцов второй серии^/^,. = = 0,40 и ^кант' (6,3. ..6,5)) . Проекции площади Ах и Ау взаимного контакта в ортогональных направлениях для данного типа и объемного содержания заполнителей является функцией <2сгс и &Сге Для стервологического анализа поверхности трещины в бетоне использована модель структуры материала с включениями, которые рассредоточены и ориентированы в матрице случайным образом.

Методами статистического анализа вычисляется вероятное число частиц определенной крупности, которые пересекаются трещиной на единичной длине. Возможное распределение размеров зерен заполнителя с1ад , являясь непрерывной функцией, рассматривается на основе экспериментальной кривой рассева и для его описания используется функция плотности вероятности. Наиболее вероятную общую линию контактного взаимодействия можно получить путем интегрирования ш всему интервалу изменения диаметров распределенных включений. Интегрирование полученных выражений для Ах и Ау производится по специальной програмш, реализуемой на ЕС ЗЗМ.

Полученная модель контактного взаимодействия позволила провести численный эксперимент по оценке влияния трения между цементным камнем я заполнителем и выявить влияние крупности заполнителя на зависимость Тсгс -/(<оси,ас1с,8<гс).

Для использования в практических расчетах предложено выражение для предела сдвигового сопротивления в трещине, базирующейся на упрощенной регулярной схеме шероховатости берегов трещины, идеализированной набором одинаковых треугольных выступов, рис. 56. Выражения для (Осгс и запишутся в виде:

Tczc,u = (R«ovr ; (e^Sinoi)Sinti , m)

Преобразуя (13) и подставляя ¿¿п.гЛ = <äclc получим:

Принимая ctg cri. $ 2, получаем из (13) условие (T^, ^

Величина л определяется прочностью бетона и площадью контакта, т.е.:

Z/^V^fU ><эсгс . (15) Подставляя в (14) - <£сгс,ц /^сьс • получим:

С ZC tU °CZcV(^/Öczc; -/

Выражения (14) и (26) удовлетворительно аппроксимируют данные испытаний второй и третьей серий образцов, рис. 56.

Пятая и шпстая главы посвящены исследованию сопротивления железобетонных балок в стадии работы после образования трещин с учетом выявленного механизма контактного взаимодействия в трещинах при поперечном изгибе. Проблема сопротивления железобетонных элементов действию поперечных сил, несмотря на большое количество теоретических и экспериментальных исследований, остается далекой от решения. Эти исследования интенсивно продолжаются по причине опасной природы внезапного разрушения и в целях дальнейшего расширения понимания физических аспектов проблемы. Методы расчета прочности железобетонных элементов при действии поперечных сил, использующие различные подходы в виде разнообразных геометрических аналогий, статистических моделей, а также методик, основанных на равновесии предельных усилий в сечениях посвящены работы Г.С.Алиева, Р.Д.Алиева, А.Е.Артемьева, В.Н.Байкова, В.М. Баташева, И.К.Белоброва, Г.И.Бердичевского, М.С.Боришанского, П.И.Васильева, К.И.Вилковз, Г.М.Власова, А.А.Гвоздева, А.Б.Голы-шева, Л.А.Дорошкевича, А.С.Залесова, В.В.Зайцева, А.С.Зорича, Ч.В.Игнатавичуса, Ю.Л.Изотова, О.¿.Ильина, А.П.Кудзиса, А.А.Кудрявцева, Р.Л.Гзиляна, В.П.Митрофанова, А.В.-':осарева, А.Б.Пирадо-ва, Г.П.Попова, В.А.Светлаускаса, М.С.Торяника, М.М.Холмянского, В.ПЛиркова, Т.Бауманна, Р.Вальтера, К.Кани, О.Леонгардта, Е.Мер-ша, Л.Ригана, Х.Рюгаа, X.Тейлора и многих других. Широкое практи- . ческое применение получил метод расчета, разработанный под руко-

водством А.С.Залесова в ШЕЕБ Госстроя СССР, в котором отражены основы нового перспективного направления решения указанной проблемы, В этом подходе на основа анализа напряженного состояния был обобщен опыт построения теории расчета железобетонных элементов по наклонным сечениям и предложен метод для наиболее распространенных в практике случаев работы железобетонных конструкций.

Анализ условий равновесия усилий, действующих в наклонном сечении, проведенный в специальных экспериментальных исследованиях у нас в стране и за рубежом показал, что уравнения равновесия продольных и поперечных сил во многом не соблюдаются из-за неучета дополнительных усилий от взаимного зацепления берегов трещин и нагельного сопротивления продольной и поперечной арматуры. Учитывая малую изученность, как в количественном так и в качественном отношении, механизма проявления этих усилий в треиц нэх и их влияния на общее поведение бетонных и железобетонных элементов под нагрузкой было признано целесообразным провести специальные исследования.

Опытные образцы представляли собой балки из тяжелого и кера; зитового бетона двух видов: прямоугольного сечения без поперечной арматуры и таврового сечения с хомутами. В балках первого в да варьировались пролеты среза &!£ = 3,57 с 5,83 и интенсивное продольного армирования в виде двух стержней класса А—О и А-1У путем изменения их диаметра (12, 16 и 20 мм). В балках второго вида менялась поперечное армирование путем изменения шага хомутов, при постоянном проценте продольного армирования. Все балк!1 загружались в середине пролета сосредоточенной нагрузкой.

По результатам испытаний были выявлены: свойства бетона и арматуры, уровень разрушающей нагрузки, характер разрушения; д< формации в бетоне по высоте сечения и прогибы балок; относител: ныв деформации в продольной и поперечной арматуре; дилатационш и сдвиговые смещения берегов трещин по специально разработанно методике; деформации сжатия в наклонных бетонных полосах ребер тавровых балок.

Анализ результатов испытаний балок прямоугольного сечения без хомутов проведен о учетом того, что юс прочность в наклони сечениях обеспечивается суммарным сопротивлением срезу бетона сжатой зоны , касательными силами зацепления Осгс и наге нкм эффектом продольных стержней . Оценка первой компоне»

производилась по условиям равновесия усилий в модифицированной "гребенчатой" схеме Е.Кани, учитывающей действие касателышх напряжений зацепления по берегам трещин, ограничивающих Олок-консоль балки и наклонных под углом о1 к ее оси. Вторая компонента определена через величины смещений асгс и <51гс берегов трещин в зависимостях, использованных в предыдущей главе для оценки сдвиговой жесткости контактного взаимодействия в 'трещинах, Как правило эти смещения, замеренные на наиболее характерных трещинах изменялись с ростом нагрузки прямо пропорционально проценту продольного армирования. При этом отношение /°-сгс всегда увеличивалось. Это говорит о том, что по мэре роста нагрузки силы зацепления в трещинах балок также возрастают.

Величина <Зсгс в рассматриваемом сечении балки с трещиной рассчитывалась путем интегрирования по высоте балки выражения:

0сгс= 8*1п.<11 ТС1С^ к(^с/астС)с(у . (п)

у,0

Здесь как ив (8) величины К = 1,2 Н/мм для тяжелого и К = 0,4 Н/мм2 для легкого бетонов подбирались таким образом, чтобы сохранялось статическое равновесие сечения.

Нагельный эффект оценивался величиной усилия (2 , при котором образовывалась продольная трещина на уровне продольных стержней от отрыва и продавливания бетона защитного слоя и связанного с ним перемещения оси продольной арматуры. Для экспериментальной оценки величины <35С7С и проведено испытание дополнительной серии балок таких же размеров со специальными вкладышами из высокопрочного бетона, через которые передавалась нагрузка на продольную арматуру балки. В результате испытаний предложены модифицированные зависимости Т.Бауманна, отражающие влияние на Ол вида и прочности бетона, диаметра, количества и расположения стержней:

2(^/0,08)-^ /0,08 ; (18) 4,12 с^- > №>

где ёит - £ - 2 с1 - ширина балки без учета диаметров арматуры.

Процентное соотношение основных компонентов сопротивления

счозу балок из керамзитобетона :: тяжелого бетона составила в

среднем соответственно : для 0$ - 412 и 36Й; для 0С1С~ 34% и АА%\ для (35 - 25% и 19%.

Наряду с выявлением особенностей образования и развития трещин, характера деформирования и разрушения был проведен анализ напряженного состояния приопорной зоны балки методом конечных элементов в рамках модели Х.Кани с учетом касательных напряжений зацепления в трещинах. Распределение касательных напряжений в сжатой зоне можно описать квадратной параболой либо, для упрощения принимать по треугольной эпюре. По высоте трещины эти напряжения определялись с использованием опытных зависимостей

= ^(^сгс >°*-с1 с) • предложенных в предыдущей главе. Величина касательных сил зацепления, проявляющаяся в наклонных трещинах, определялась с учетом характеристик сдвиговой жесткости контактного взаимодействия берегов трещин, выявленных по результатам предыдущих испытаний железобетонных дисков с трещинами на сдвиг.

Анализ усилий и деформированного состояния в балках, разделенных системой трещин на блоки, производился по "гребенчатой" схеме. Кроме усилий (*сгс и й£ на консольный блок действует усилие л Т на уровне продольной арматуры, рис. 6а. Под действием этой системы сил в точке "а" консоли начинается разрушение, если превышено напряжение ёравное:

^■ГС-Г-^-га.-о.«)] • <*»

В связи с трудностью прямого определения величины Сэ^ и тем, что она определяется сравнительно малой разницей больших величин в квадратных скобках, вместо условия равновесия усилий рассмотрены условия совместности деформаций. Принято, что предельная относительная деформация растяжения ¿^ в точке "а" достигается при нагрузке, вызывающей деформацию арматуры и раскрытие трещин , достаточные для необходимого взаимного перемещения ее берегов. Тогда (20) преобразуется в виде:

Деформационные вквиваленты величин <э&± , и 0сгс определяются методами теории упругости из решения задачи о деформации бетонной консоли (I), складывающейся из сдвиговой (П) и изгибной (Ш) деформаций, рис. 66. Нормальное вертикальное перемещение К^ в точке "в" и нормальная относительная деформация с в точке "а связаны выражением:

- и<»в А„/г 1 С- -V); <Л'| ■ ^. и,

где ^Ц - коэффициент Пуассона; ^ = -с2(4+5|Ч)]/бЬ0 .

Общее удлинение арматуры на любом расстоянии з; от опоры можно представить как:

сс.о s

либо суммируя ширину всех " гь " трещин в пролете среза "а":

= 1аСгс=п-асгс = р-аск/2С . (24>

Из (23) и (24) получим:

«сгс= аа-с/А5Е5я (25)

Величины и £ ^ = сГ« связаны в предельной стадии зави-

симостью = • Распределение по высоте трещины

представлено в виде эгаоры на рис. 6в. Используя (17) и принимая 8'йсс = 211 и у*. =0,4 получим площадь эпюры и вели-

чину фсг„ .'

асгс Кпсгс 2. ^с7с ^2 асгс / чокпсьас£с

Используя предельные значения перемещений И^ и ас , а также (18), (21), (25) и (27), после преобразований получим выражение прочности балок по поперечной силе в виде:,

Я*. М.« ¿Чт^ВД э (28)

Как видно в (20) содержатся параметры, характеризующие геометрию балки, свойства бетона и арматуры, пролет среза, сечение арматуры и сдвиговую жесткость контактногр взаимодействия. В диссертации показано, что учет последнего фактора является определяющим в оценке сопротивления срезу балок без хомутов.

Развитие критических наклонных трещин в тавровых балках существенно отлетается от такового в балках прямоугольного сечения и имеет характерную особенность, связанную с размером свесов полок, "етоды расчета таких балок, регламентируемые действующими нормам;:, по существу базируются на экспериментальных данных

для элементов прямоугольного сечения и носят условный характер.

Полученные после испытаний тавровых балок результаты говорят о следующем: все поперечные стержни, пересекавшие критические наклонные трещины, достигли продела текучести до разрушения опытных балок; как правило, напряжения в хомутах керамзптобстон-ешх балок били вшю, чем в балках из тяжелого бетона, что говорит об их меньшой способности передавать силы зацепления через трещину. Получена полная картина дилаташгошшх смещений: во всех трощпнах балок наибольшие смещения обнаружены в керамзито-бетонной балке с минимальным процентом поперечного армирования и наименьшей величиной сдвиговой жесткости в трецинзх. На начальных ступенях приложения нагрузки наклонные треэхны сначала раскрываются, а затем сдвигаются. Отсюда следует, что силы зацепления в первых крутых поклонных трвцинах влияет на условие совместности в остальной части ребра сив до распространения трещин нэ наиболее высоких уровнях нагруженкя. Подрзэуиавэвтсй, что главные растягиваодяе напряжения, способствующие появлению наклонных трещин, должны быть равномерно распределены ь направлении перпендикулярном траектории трещины. Следовательно, ясно что наклонные трещины должны распространяться от плиты до уровня продольной арматуры почт« прямолинейно и направление главнкл ростягквакагх напряжений в значительной меря; ко до.гчло совпадать с траекториями, иэьеетнкш из теории упругости.

Для оценки лосушоЛ способности тавровых балок, в отделяй от балок прямоугольного сечения, .требуется более сложная модель, вовлекающая в рассмотрение хомуты и" наклонные бетонные полосы ребра. Такой анализ требует сложных геокетригчеекме построений I: привлечения ряда не проверенных допущений, которые могут привести к недостаточно строгим условиях! равновесия и совместности. В связи с этим был использован энергетический подход на основе рассмотрения модели балки в вида уточненной модификации ферменной аналогии, принятой в современных рекомендациях ЕКБ—Ф13Т, рис. ? .

Используя теорему Энгессера-Кротти о дополнительной энергии в нелинейных стержневых системах для элементов рассматриваемой ферма можно записать

н.о.

III

дГ-

+

к Л-^к

дГгО + р

а 5

2 и к/аС!0

Рис. 6. Равновесие усилий (а) и деформации (б) в консольном блоке балки, (в) - эпюра Тсгс в сечении с трещиной.

ЧА

Рис. 7. Схема внутренних усилий в ферменной аналогии тавровой балки.

Л/,

А }ш ^^

И» -И

1 т а : (

Рис. 8. К определению условий равновесия на уровне продольной арматуры (ч) ;; в ребре балки (б).

Общая дополнительная энергия фермн равна:

ОЁЩ. г

и =) (Ц ^ и + +и ) (30)

где Л/ - число элементов фермн, накапливающих энергию.

Изменение усилий по длине фермы в растянутом и сжатом поясах рассматривалось в пределах зон с радиальными и параллельными трещинами ;

IX тт /

А = = I Э//5 = " | ^(31)

о о

= - (X + |) ; о<х<с<х-с). (32)

Условия равновесия на уровне растянутой арматуры и в ребре балки представлены схемами на рис.Йа.б и запишутся так:

, ^ = ■ = 0 . 0 ^ (33) Отсюда с учетом (32) получим:

Л^А//"^--^ (0,4-1) . о<х<(а-с;.(34)

Площади растянутого и сжатого поясов определены как:

Далее в диссертации на основе (29) получены уравнения для оценки каждого из слагаемых в (30), представляющих дополнительную анергию, накапливаемую в элементах модели: ^ц0П2 ~ в растянутом я скатом поясах; Ид0Пз - в наклонных бетонных полосах ребра; Иц0114 - контактное взаимодействие в трещинах; ¿!д0пс - в поперечной арматуре. В общей форме эти уравнения можно представить в вида И_оп - К или И^ = дЦзоп/д{ = к ¡'(1) . Используя (29) в виде ¿£ЭЦ /Эt= 0 получено его решение в виде

«ОН

полинома:

2 Г2

3

где п. - степень полинома, зависящая от решений указанных урав-

С. а , М.—Ч _ ,11-2. Л

^ + ■+■ _ гСп =0 , (36)

нений;

С.... О,- константы для соответствующего уровня загрукения.

Показано, что основное влияние на £ оказывает анергия Идоп4 " Идоп5. Используя (31), (35), а таете схему на рис. Ьс , получим:

сМ » (37)

где: ;;е^385

> - соответственно разница двух замеров деформаций продольной арматуры в пределах пролета среза и деформация в хомутах.

Тогда (36) запишется в виде

- г'-гл . (зэ)

По замерам £ , асгс ; и рис. 7 в можно записать:

.Л^сгс АаоЯ&и)

Хтл ~ к'

йаас S.J-S SLIX^

Используя тригонометрические преобразования его можно представить как квадратное уравнение:

А (ctg-0-f 1- В ctg.6- + С = О , (40)

где ДМ , B^t^-ctgoZ , C-fl+k^^y+d^)].

Решение (40) тлеет вид ctb-в- = ~ S + \/в -_4 А ми;

« 2 А

(41)

Экспериментальные оценки изменения "О" с ростом нагрузки по (41) для исследованных балок близко соответствуют решениям в рамках энергетического подхода, что не только отражает их реальную работу, но и показывает превалирующее влияние контактного взаимодействия в трещинах на эту работу. Проведенные расчеты показали, что при нагрузках, вызывающих текучесть в хомутах величина к • А&с1с/дйСК может быть принята для тяжелого бетона -1,9 Н/мл2, а для керакзитобетона - 1,1 Н/мм2. Тогда при oi = 45°

выражение (41) принимает вид:

(42)

о

где =3,0 Н/мм^ для тяжелого бетона;

у = 2,2 Н/м/" для керамэитобетона. Из (33) и рис. 7 в можно показать, что:

Подставляя (43) в (10) и используя преобразования получим уравнение :

Всй^+С = 0 , (44)

репением которого для балок из тяжелого бетона будет:

*и«х>+ ;<А-°>3 , (45:

а для балок из керамзнтойетона:

= ; . ие)

Предельное сопротивление балки сразу складывается из: сопротивления сжатой зоны, принятого по ?1гэиу в виде:

(47)

при Л = 1 если ё^-ь^ - и Л = если

- сопротивления ребра балки с учетом (45) и (46) по формуле:

О^АЛ^-С^ . (48)

Анализ зависимости между углом наклона бетонных полос и усилием в хомутах показал существенное различие в

поведении балок. Так для одинаковых значений угол

в керамэитобетонных балках значительно больие, чем для балок из тяжелого бетона, что объясняется относительно лучшей способностью последних к передаче напряжений через трещим. Результаты расчетов по (47) и (48) близко согласуются с данными испытаний опытных балок.

0СН03ЙЕ ВШОЛН

Диссертационная работа является комплексным исследованием, представляющим теоретический анализ и экспериментальное обоснование новшс физических соотношений, моделей и представлений о прочности и процессах деформирования и разрушения, используемых для развития теории и совершенствования инженерных методов расчета бетонш« и железобетонных конструкций. Полученные научные результаты характеризуются практической значимостью и могут быть кратко сформулированы следующим образом:

1. На основании проведенных исследований установлены закономерности трещинообразоваяия, деформирования и разрушения легкого бетона плотной структуры и его компонентов на основе представлений и зависимостей механики неоднородных многокомпонентных сред и механики трещин. Получен комплекс новых экспериментальных данных и аналитических выражений по прочности, деформациям и трещи-нообразованию керамзигобетона и его компонентов при кратковременном одноосном и многоосном, а также длительном одноосном статическом нагружеяки с учетом структурных и технологических факторов. Определены экспериментальные значения параметров трещино-стойкости для керамзитобетонов различной структуры.

2. Предложен вариант двухкомпонентной модели структуры легкого бетона, позволивший реализовать разработанный алгоритм расчетов структурных напряжений в имитационном математическом описании процессов образования и развития трещин в материале при одноосном сжатии.

3. Теоретически обоснован и экспериментально проверен новый метод прогноз крования кратковременной прочности на сжатие легких бетонов плотной структуры, учитывающий встречные процессы деструкции и нарастания прочности во времени и основанный на использовании исходной модели структуры легкого бетона и реализации методов структурно-имитационного математического моделирования процессов трещгаообразования и разрушенгя. Предложена новая методика расчетной оценки прочности пористого заполнителя в бетоне.

4. Получены новые экспериментальные данные поведения керам-зитобетонп V. чго компонентов при трехосном цилиндрическом сжатии. Выявлено влияние интенсивности бокового обжатия на процессы разрушения при трехосном сжатии с цилиндрически: тензором напрете-

нии типа «о., > <о^= .

5. Выявлено, что равенство мер ползучести при растяжении и сжатии, положенное в основу современных теорий ползучести бетонов, для керамзитобетона экспериментально не подтверждается. Величина отношения меры ползучести при растяжении к мере ползучести при сжатии изменяется во времени и зависит от структуры материала. Установлены границы условно-линейной к нелинейной ползучести керамзитобетона. Предложены практические рекомендации по нормированию и расчетная зависимость для прогнозирования предела длительной прочности легких конструкционных бетонов при одноосном статическом сжатии и растяжении.

6. Сформул1фованы основные положения теории контактных взаимодействий в трещинах железобетонных элементов, позволяющей выявить механизм и особенности проявления касательных сил зацепления и установить общие функциональные соотношения между напряжениями, передающимися через трещину и дилэтационными смещениями ее берегов. Выявлено, что контактное взаимодействие в трещинах

не может быть выражено простыми зависимостями теории трения и существенно зависит от структуры бетона, определяющей площадь поверхности и степень шероховатости берегов трещины. Установлено, что для данного вида бетона сдвиговая жесткость контактного взаимодействия зависит от раскрытия трещины, а его предельное сопротивление - от усилий, действующих нормально к плоскости трещины. Для практического использования в инженерных расчетах предложены простые зависимости для оценки сдв!гговой жесткости и прочности в трещинах, базирующиеся на характеристиках прочности бетона и модифицированных трибологических критериях.

7. Построена с труктурн о-ими тационная модель механизма взаимно го зацепления берегов в трещинах. Реализация модели на ЭВМ показала ее хорошее соответствие опытным данным, а также возможность ее эффективного использования в нелинейных расчетах напряженно-деформированного состояния конструкций численными методами.

8. Разработана новая методология экспериментальной и расчетной оценки основных компонентов сопротивления срезу балок прямоугольного сечения без поперечной арматуры. Исходя из условий равновесия внутренних усилий получены аналитические выражения, оценивающие сдвиговую жесткость в трещинах балок путем использованш опытных величин дилатационяых смещений их берегов. Это позволило определить распределение касательных напряжений по высоте сече-

ний с трещинами, расположенных в пролете среза балки. Показано, что механизм передачи усилий через трещины является основным фактором в сопротивлении срезу балок без поперечной арматуры и при поперечном изгибе.

9. Получены новые экспериментальные данные о поведении трещин в балках из легкого и тяжелого бетона с различным поперечным армированием. Установлено, что результирующий вектор смещения берегов трещин в таких балках в большей степени зависит от составляющей сдвиговых смещений, чем от ширины ее нормального раскрытия. Установлено доминирующее влияние сил зацепления в трещинах на ее траекторию, что позволило дать расчетную оценку угла наклона трещин к оси балки. Разработан новый теоретический подход, позволивший использовать энергетические принципы в рамках модифицированной ферменной аналогии тавровой балки с трещинами, показавшей удовлетворительное соответствие такого подхода с экспериментальными данными о характере наклона трещин.

Ослоште дояоддяид и р.езудЕгдтн лясседтецшкеИ т0отр.шо-женн и опубликованы в следующих работах:

1. К вопросу исследования влияния влажности и температуры на прочность, дефошативность бетона. Тезисы 1У Всесоюзной межвузовской конференции по использованию автомобилей и автомобильных дорог в условиях жаркого климата и высокогорья. - Ташкент,1971.

2. Исследование влияния температурно-влажностного режима среды на ползучесть и усадку бетона. Тезисы ГУ Всесоюзной конференции по использованию автомобилей и автомобильных дорог в условиях жаркого климата и высокогорья. - Ташкент, 197Т.

3; Исследование напряженно-деформированного состояния керамзито-бетонных элементов с учетом длительных процессов // Строительство и архитектура Узбекистана. - Г972. - № 9. - С. 27-34. (в соавторстве).

4. Длительные деформации сжатых керамзитобетонных элементов. Сборник материалов по итогам НИР ТДП.И за 1971 г. - Вып. 86. - Ташкент, 1973. -

5. Влияние темлературно-влажностшх условий среды на деформатив-ные свойства тяжелых бетонов. Материалы Г Всес. коорд. совещания по проблеме "Технология бетонных работ в условиях сухого жаркого климата". - Ташкент: Узбекистан, 1974.

6. Прочность и деформативность бетонов железобетонных конструкций. В кн.: Прочность железобетонных конструкций многоэтажных зданий. - Ташкент: Узбекистан, 1980. - С. 34-74.

7. Элементы механики разрушения бетона. В кн.: Прочность железобетонных конструкций многоэтажных зданий. - Ташкент: Узбекистан, 1930. - С.' 75-103 (в соавторстве).

ь Гсслетавани'З особенностей развития трещин в бетоне. Сборник ' г.2гезизлов по итогам и;? 7/Л;.*, ТаиП^ Вт. 147. - Ташкент, 1980.

9. Элементы механики тзазрушения бетонов (монография). - Ташкент: Укитувчи, 1261. - 238 с. (в соавторстве;.

10. Изучение основных физико-механических свойств бетона методами системного анализа. В кн.: Повышение эффективности и качества бетона и железобетона. Тез. докл. IX Всесоюз. конференции по бетону и железобетону. - Ташкент, 1983. - С. 25о-262 6 соавторства)

11. Об условиях возникновения структурных трещин в процессе разрушения легких бетонов. В кн.: Повышение эффективности и качества бетона и железобетона. Тез. докл. IX Всесоюз. конференции по бетону и железобетону. - Ташкент, 1983. - С. 207-215 1в соавторстве ).

12. Влияние развития структурных трещин на прочность и характер разрушения легких бетонов. В кн.: Повышение эффективности и качества бетона и железобетона. Тез. докл. IX Всесоюзной конвенции по бетону и железобетону. - Ташкент, 1983. - С. 21513. Исследование прочности и дефору.ативности легких бетонов при

многоосном сжатии. В кн.: Сопроиивление элементов железобетонных конструкций действию статических и динамических нагрузок. Сб. трудов /.¡АЛЛ. - Москва, 1964 (в соавторстве),

14. К методике определения сил зацепления в трещинах железобетонных элементов при действии поперечных сил. В кн.: Вопросы надежности мостовых конструкций. Труды ЛЖИ, Ленинград, 1964. -С. 62-68 (в соавторстве;.

15. Основные механические характеристики керамзитобетона при сжатии с учетом содержания мелкого и крупного заполнителя. Деп. по ВНЙС Госстроя СССР, № 4994. - ,',!., 1984. - 9 с. (в соавторстве).

16. Основные механические характеристики керамзитобетона при растяжении с vчeтoм структуры ьагериала. Деп. во ВгПС.'С Госстроя СССР. Л 4935. - А!.. 1984. - 7 с. (в соавторстве).

17. Моделирование прочности и трещинообразования легких конструкционных бетонов методами механикипазрушенкя. В сб. научных трудов ТДДИ, ТаиПИ, Вып. 149. - Таыкент, 1564. - С. 51-53

18. Экспериментальное исследование трещиностойкости легких конструкционных бетонов. В кн.: Повышение эффективности железобетонных конструкций и технологии их изготовления в условиях сухого жаркого климата. Труды Координационного совещания. -Бухара, 1985. - С. 41-42 \в соавторстве).

19. Моделирование структурных напряжений и оценка трещиностойкости легких бетонов методами механики разрушения. В кн.: Теория, производство и применение конгломератов в водохозяйственном строительстве. Тез. докл. Всесоюзн. конф., - Ташкент, 19В5, - С. 23-24. (в соавторстве).

20. Моделирование развития трещин в бетоне различных структур при различных напряженных состояниях (на англ. яз.). Сборник докл. международного коллоквиума комитета "Евромех-204" на тещу: "Структура и трещинообразование в композиционных материалах". - Яблоннв, 1985. - С. 60-62 (в соавторстве).

21. Моделирование прочности и деформаций легких бетонов различной структуры на основе методов механики разрушения. В кн.:

Развитие производства и применение легких бетонов и конструкций из них. Труды Ш Всесоюзн, конф. - М.: Стройизлят, 1985. - С. «7-88 Iв соавторстве).

22. Развитие методов механики разрушения для моделирования тре-щинообразования и деформаций легких бетонов нп пористых пп-полнителях (на англ. яз.). Труди Международной конференции "Механика разрушения бетонов . - Лозанна, 1905. - С. 1164-II7I (в соавторстве).

23. Исследование влияния структуры на прочность и доформатип-ность керамзитобетона при сжатии и пастяжении. - Строительство и архитектура Узбекистана. - 1986. - rt II. - С. 27-30 (в соавторстве?.

24. Ползучесть конструкционного керамзитобетона с учетом содержания мелкого и крупного заполнителя. В кн.: Сборник трудов ВНИНТРИ Госстандарта СССР. - М., 1986. - С. I0I-I05 (в.соавторстве).

25. Строительные конструкции (на узб. яз.). - Ташкент: Укитув-чи, 1987. - 306 с. (в соавторстве).

26. Влияние содержания керамзита на механические свойства конструктивного керамзитобетона при осевом сжатии. В кн.: Сборни? научных трудов ВЗПИ. - 1987. - С. 26-29 (в соавторстве) .

27. Энергосберегающая технология полигонного изготовления мостовых железобетонных конструкций в Узбекистане. ЦБНТИ. Автомобильные дороги. - Москва, 1987. - С. 22-25 (в соавторстве).

28. Легкий бетон и железобетон для индустриального строительства. - Ташкент: Мехнат, 1988 (монография). - 252 с.

29. Моделирование свойств п процессов разрушения легкого бетона и железобетона. - Ташкент: Фан, 1988. - 148 с. (монография) .

30. Железобетонные и каменные конструкции. - Ташкент: Укитувчи, 1988. Учебник для студентов ВУЗов строительных специальностей. - 288 с. (в соавторстве).

31. Исследование касательных сил зацепления в трещинах железобетонных балок без хомутов. В кн.: Совершенствование строительных конструкций и развитие методов их расчета. Сб. научных трудов ЩЩ. - (Л., 1991. - С. 28-31.

. 32. Влияние сил зацепления в трещинах на сопротивление железобетонных балок поперечному изгибу. Тезисы докладов к научной конференции ТАДИ. - Ташкент, 1990. - С. 51.

33. Экспериментальное исследование контактного взаимодействия

в трещинах железобетонных элементов // Строительство и архитектура Узбекистана. - 1992. -8 7,

34, Оценка нагельного эффекта продольной арматуры при сопротивлении железобетонных балок срезу // Строительство и архитектура Узбекистана. - 1992. - й 8.