автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Деформации и прочность железобетонных стоек кольцевого сечения при различных режимах сжатия с кручением

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

РГБ ОД

.; д ' На правах рукописи

ЖУКОВ Дмитрий Доряакович

УДК 624.012.45:539.3

ДЕФОРМАЦИИ И ПРОЧНОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СТОЕК КОЛЬЦЕВОГО СЕЧЕНИЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ СЖАТИЯ С КРУЧЕНИЕМ

05.23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск I 99 <1

Работа выполнена на кафедре "Железобетонные и каменные конструкции" Белорусской государственной политехнической академии.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор ,

Карпенко Н.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Барашиков А.Я.;

кандидат технических наук, доцент Иванов В.А.

Ведущее предприятие - Белорусский проектный институт

"Белпромпроект"

Защита диссертации состоится вг^ЁЁЁгчасов на заседании специализированного совета К 056.02.01 в Белорусской государственной политехнической академии. {ю адресу: 220027, г.Минск, проспект Ф.Скорины, 65, главный корпус, ауд.202.

С диссертацией можно ознакомиться б библиотеке БГПА. Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан " -—3 "1994 р.

Ученый секретарь специализированного

совета, кандидат технических наук Е.М.Сидорович

(с) Белорусская государственная политехническая академия, 1994

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Специалистам признано, что исследований конструкций, работающих в условиях сложных напряжённых состояний и, в частности, плоского, а также конструкций, подверженных кручению в сочетании с другими видами нагрузок, явно недостаточно. 3 то же время развитие новых архитектурных и конструктивных форм, всё болео широкое применение монолитных конструкций повышает интерес к кручению, ведь используемые теперь элемента . работающие на действующую из плоскости нагрузку, искривлённые балки, несимметричные профили, конструкции неправильной формы н др. должны быть рассчитаны на восприятие больших крутящих моментов.

Поскольку рассматриваемые в настоящей работе центрифугированные железобетонные стойки имеют кольцевое сечениэ, то представляют ценность не только их экспериментально-теоретические исследования и уточнения методов расчёта на действие знакопеременного крутящего момента в сочетании с другими силовыми воздействиями, в том числе со сжатием,как таковые, но и как материал для накопления знаний для болеа точного расчёта трещиностойкости, деформаций и прочности различных железобетонных конструкций, воспринимающих кручение и работающих в условиях плоского напряжённого состояния.

Кроме того, возникла необходимость в гармонизации отечественных норм по проектированию бетонных и железобетонных конструкций с нормами ЕКБ-ФЙП с целью обобщения достижений мировой науки и практики. Так как в нозые нор.-гы предполагается включить усовершенствованную методику расчёта железобетонных элементов при действии крутящих моментов по пространственным сечениям и методику расчёта корм ЕКБ-ФИП по пространственной розетке с разработкой соответствующих пособий по расчёту, необходимо накопление и осмысление новой информации, полученной из опытов.

Следовательно, тщательные исследования железобетонных элементов кольцевого сечения,работающих на кручение и сжатие в сочетании со знакопеременным кручением, и разрвботка более точных методов расчёта, учитывающих их действительное поведение под нагрузкой в реальных конструкциях, представляет неггалый научный и практический интерес и являются актуальной задачей.

Цель работы - исследование напряжённо~,чеформиро~

ванного1 состояний «елеэобетонн&х стоек кольцевого сечения (кольцевых стоек), подвергнутых действию осевой' сяимвнщей силы и кру-тя'цето момента одного к двух знаков: разработка методики расчёта прочности-, трещйностойхости и деформаций таких стоек с учётом особенностей дефоршрования и разрушения железобетонных элементов, бетон которых находится в условиях плоского напряжённого состояния "растяизние-сжатие" (п.н.с.ир.-с".); внедрение методики расчёта исследуемых стоек в нормы проектирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана методика замера деформаций продольной и Яопе-рочной арматуры малых диаметров и впервые получены достаточно полнив данные о работе арматуры в центрифугированных железобетонных стойках, работающих на сжатие с кручением.

2. Разработана методика экспериментальных исследований в целом: в частности, сконструированы и были использованы оригинальный стенд для испытаний (данный экспонат отмечен серебряной медалью ВДНХ СССР: постановление Главного комитета выставки от 30. 11.90 № 153-Н, удостоверение № 15265), испытательные железобетонные стойки, которые содержали измерительную арматуру специального профиля со смонтированными на ной цепочками тензорезисторов, механические устройства для замера деформаций стоек в направлении продольной и поперечной осей (индикаторы-маятники и индикаторные рамки), - и получены достаточно точные и достоверные данные о трепдоностойностн, деформациях бетона и арматуры, прочности, углах закручивания, развитии, ширине раскрытия и углах наклона трепан . кольцевых стоек, подвергнутых действии осевой сжимающей силы и крутящего момента одного и двух знаков в широком диапазоне соотношений между крутящим моментом и с лишающей силой.

3. Разработана методика расчёта кольцевых стоек, подвергнутых осевому сжатию и знакопеременному кручению, по прочности, трещиностойкости и деформациям и уточнена существующая методиха расчёта таких элементов при простых режимах нагружения.

4. Определён характер изменения напряжений в полосах бетона и арматура с учётом перераспределения усилий между ними от момента трещинообразоаания до разрушении и выявлен характер разрушения .

г

5. Разработана упрощённая методика расчёта деформаций иа ветви разгрузки.

Практическое значение и реализация работы. Впервые проезд ет экслертеенгалько-теорети-ческие исследования кольцевых стоек, работающих на сжатие со знакопеременным кручением в широком диапазона соотношений между нгага, и разработана методика их расчёта по прочности, трсщикостойкости и деформациям.

Результаты исследований использованы в КШЕБ Госстроя России при составлении раздела 4 "Конструкции, работающие в условиях плоского напряжённого состояния" "Пособия по расчёту статически неопределимых железобетонных конструкций"; в хоздоговорной работе "Провести исследования деформаций и прочности железобетонных стоек кольцевого сечения промзданий при сложных режимах загружен;** в условиях кручения и подготовить прздлокения по расчёту" - У г.р. 01890002945.

Автор защищает:

1. Методику экспериментальных исследований кольцевых стоек, подвергнутых действию осевой снимающей силы и крутящего момента одного и двух знаков, а также, в частности, методику закера деформаций продольной и поперечной арматуры железобетонных стоек, изготовленных методом центрифугирования.

2. Результаты экспериментальных исследований кольцевых стоек, подвергнутых действию осевого сжатия со знакопеременным нручэнием в широком- диапазоне соотношений между ними: от частого кручения до осевого сжатия.

3. Методику расчёта кольцгвых стоек по прочности, трещине-стойкости и деформациям при совместном действии осевой сжимдкцей силы и крутящего момента одного и двух знаков и ее оценку на ос-» нове экспериментальных исследований.

4. Предложения по использования полученных результатов в проектировании и строительстве.

Апробация работы. Работа докладывалась и обсуждалась, в частности, на научно-технических конференциях Белорусской политехнической академии в 1934, 1905, 1937, 1989, 1991, 1992 гг., на заседаниях кафедры п 1984 - 1587 гг., 1994 г., на Республиканском семинаре "Проблемы создания и применения центри-

фугированных железобетонных конструкций в строительстве" в г.Минске в 1985 г., на Всесоюзной конференции "Фундаментальные исследования и новые технологии в строительном материаловедении"'в г. Белгороде в 1287 г., на Научно-практической конференции "Совершенствований методов расчёта и проектирования современных видов строительных конструкций" в г.Ровно в 1988 г., на Республиканской научно-технической конференции "Совершенствование железобетонных конструкций, работающих на сложные виды деформаций, и их внедрение в строительную практику" в г.Полтаве в 1989 г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 20 печатных работах.

Объем работы? Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов и списка литературы из 126 наименований, изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 99 рисунков, II таблиц и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Отдельно стоящие опоры, стойки эстакад, колонны крайних рядов гражданских и промышленных зданий, стойки линий электропередач, винтовые сваи, анкеры и т.п. могут подвергаться одновременному действию осевой сжимающей силы и знакопеременного крутящего момента.

В работах П.Андорсона, В.Н.Байкова, А.Я.Барашикова, К.Баха, Б.Вреслера, М.С.Бориманского, Ф.Векчио, А.А.Гвоздева, 0.Графа, Н.Деморо, Э.Г.Елагина, А.С.Залесова, П.Зиа, Н.И.Карпенко, М.Кол-> линза , Г.Коуэна, П.Лаыперта,' Н.Н.Лессиг, И.Ы.Лялина, Е.Мёрша, Д.Митчела, Г'.Пандита, К.Пистера, Э.Рауша, Д*.Робинсона, Л.К.Рул-лэ>, С.Сенгулты, А.М.Скудры, Н.И.Тимофеева, В.ТУрлиманна, Р.И. Холмурадова, Т.Хсю, Ю.В.Чиненкова, Т.П.Чистовой, А.Шармы, И.М. Шуберт, А.И.Шульги и др. уделяется внимание исследованиям бетонных и железобетонных элементов, работающих в условиях п.н.с. "р.-с." при кручении, изгибе с кручением, кручении с изгибом и действии поперечной силы, а также кручении со сжатием.

Исследования П.П.Баландина, О.Я.Берга, К.П.Веригина, A.A. Ггоздева, И.Г.Гончарова, С.И.Корзуна, Л.К.Лукши, Д.Мак-Генри, Ю. Н.Малашкина, А.II.Пака, А.М.Скудры, А.А.Чече, И.М.Шуберт, A.B.

Яшина и др. посвящены изучению прочности бетона, работающего в условиях п.н.с., причём И.Н.Шуберт исследовала но образцах кольцевого сечения влияние п.н.с. "р.-с." на прочность и деформации центрифугированного бетона.

Прочностные характеристики центрифугированного бетона изучали И.Н.Ахвердов, В.М.Багашев, С.А.Дмитриев, А.Г.Кяочков, А.П.Куд-эис, В.В.Михайлов, К.Э.Таль, Е.А.Чистяков и др.

Вопросы, связанные со знакопеременным нагружением,отражены в работах С.Д.Алдахова, В.А.Ерышева, Н.И.Карпенко, А.М.Кокарева, Т.А.Мухамедиева и др.

Проведенный анализ показал, что существуйте методы расчёта железобетонных элементов на кручение а сочетании с другими видами нагрузок иые.ют некоторые недостатки, основными кз которых являются следующие:

практически нет' опытных данных о деформациях арматуры (средних и в трещине), которые являются основными параметрами, например, теории деформирования железобетона с трещинам! ;

недостаточно точно определяются углы наклона трещин; в теории деформирования железобетона с трепанами не принимаются во внимание такие фактора, как продольный изгиб и внецент-ренное сжатие криволинейных полос бетона, а также отслоение защитного слоя бетона;

- не в полной мере учитывается характер развития трещин, их дискретность;

нэ учитываются особенности работы железобетонных кольцевых элементов при кручении с большим слиянием сжатия;

нет сведений об исследованиях яелезобатонных элементов, работающих при различных режимах сжатия с кручением: в частности, подвергнутых повторному после полной разгрузки нагрукению осевой сжимающей силой и крутящим моментом обратного знака.

Для решения основной задачи: исследования напрпкенно-дсформированного состояния кольц'.вих стоек, подвергнутых сжатия с кручением,- потребовалось решить частную задачу - разработать методику замера деформаций арматуры, находящейся з теле центрифугированного бетона тонкостенных элементов.

Первоначально были изготовлены образцы измерительных арматурных стержней с одним и двумя пазами снаружи стержня и пазами внутри стержня, собираемого из двух кёлобообразных половин (ис-

ходная арматура - стержневая класса А-Ш 0 14 мм), а также образцы кз проволоки класса В-1 0 5 км, сплюснутой протяжкой через валки. На образцах были смонтированы проволочные тензорезисторы на бумажной основе (назыааемье в отой работе "тензорезисторами") с базой 20 да. Она наклеивались различными клеями, а для гидроизоляционных покрытий использовались в разных сочетаниях семь видов материалов. Параметры искусственных воздействий на стержни со смонтированными на них тензорезисторами перед их механическими испытаниями моделировали возможные внешние воздействия. Образцы арматуры специального профиля и контрольные образцы были испытаны на растяжение с разгрузкой и повторным нагружением до разрыва. Дополнительно деформации арматуры замерялись парой индикаторов часового типа.

Затем были испытаны содержащие арматуру специального профиля со смонтированными на ней тензорезисторами кольцевые железобетонные .элементы на сжатие, балочки - на изгиб и растяжение. Еелазобетонные элементы были изготовлены методом центрифугирования в форме для изготовления безнапорных труб с наружным диаметром 500 мм. Дополнительно для измерения деформаций использовались на бетоне тензорезисторы с базой 50. мм, индикаторы часового типа и прогибомеры.

Бри математической обработке результатов с учётом допущений, не влиякцих в большой степени на качественный и количественный анализ, выяснилось, что надёжность работы тензорезисторов, смонтированных оптимальными способами, удовлетворяет задачам исследований: 95% таких тензорезисторов работают качественно с погрешностями в измерениях не более 32.

16 опытных железобетонных стоек кольцевого сечения ОЦС-1... ОЦС-С для основного эксперимента-длиной примерно 1760 мм, с наружным диаметром 2£= 314...317 мм и толщиной стенки 56,0...71,5 мм были изготовлены на ременной центрифуге Оршанского комбината СЖБИиК Минстроя Республики Беларусь в соответствии с заводской технологией формования и тепловлажноптной обработки колонн промьш" ленных- зданий из товарного бетона марки 500. Прочностные идефор-мативнш характеристики бетона стоек определялись по результатам испытаний призм и.балочек, вшшлешшх из отформованных совместно с железобетонными :стойками колец, соответственно на сжатие и изгиб (призиенная прочность бетона А^ = 29,00...47,50 МПа, прочей

ность бетона на растяжение 1,33...2,35 Ша, начальный модуль

упругости бетона £& = (26,Об...34,29) х Ю3Ша).

Стойки, не содержавшие арматуру специального профиля со смонтированными на ней тензорезисторами, армировались равномерно распределёнными в поперечном сечении стойки 8 продольными стержнями 0 12 мм класса А-Н1 и хомутами из проволоки 0 5 юл класса Вр-1,распределёнными по длине стойки с шагом от 30 до 100 мм (в зависимости от соотношения между крутящим моментом Т и осевой сжимающей силой/И ). В 10 стойках, в которых замерялись методом электротен-зсметрии деформации продольной и поперечной арматуры, вместо двух обычных продольных стержней было дса стержня специального профиля (исходная арматура 0 14 мм класса А-Ш), а выесто части поперечной арматуры - два хомута спецпрофиля (исходная арматура 0 8 мм класса А-1). На аркатуре спецпрофиля (с двумя наружными продольными пазами и собранными из двух половин с внутренними пазами - продольная арматура, с одним пазом, дно которого располагалось в плоскости поперечного сечения стойки поперечная) монтировались цепочки, тензорезисторов с базой 20 мм (20 или 30 тензорезисторов на одном продольном стержне, 28 или 32 - на одном хомуте ^Применялись тольч го вязаные каркасы. Тензорезистора наклеивались клеем Б'1-2, ги-дроизолировались двумя слоями того ко клея и одним слоем искусственного каучука СКД-1 и защищались дополнительно клеем ЭПО. Для соединения тензорезисторов с регистрирующей аппаратурой применялся монтажный провод ШТ$-0,07 или МГТФ-0,14, Методика замера деформаций арматуры защищена авторским свидетельством 1375762;

Так как изучалось разрушение стоек по бетону, го они были запроектированы переарыированнкш.

Испытания кольцевых стоек проводились ка показанном на рис. 1,а оригинальном стенде (а.с. 1250718 и а.с. 1693685) в соответствии с тщательно разработанной методикой, позволяющей получать данные по прочности, трещинообразованип и деформациям стоек, бетон которых работает в условиях п.н.с. "р.-с." при любых соотношениях А/ и 7~ , в том числе и при знакопеременной крутящем моменте (выполнены опыты при иести различных соотнопениях /V и У).

В процессе испытаний измерялись деформации бетона, деформации стойки в направлении продольной оси с помощью четырёх индика- • торов-маятников (а.с. 1663392) и з направлении поперечной оси с помощью двух индикаторных рамок (а.с. 1435930), деформации армату-

IL ¡рремм/^ТЛ

¿"LT

2 ь. jxm»/M-7~

te 4) IT4** И<И

A/\ rr

/—аярмяг лм'ЖГ.-^—ааие-

7" /^faw&äw MJ^wctzm; кр ¿Лмеглаг» sr&t/rAvtew*!*;

ляг/шну//-¿л/югу /¿-¿хщ}-ivvSr/rarf/f/^/J-wafttämn

Рис.1. Стенд для испытаний (а), схема загружения (б), схемы для анализа напряжённого состояния (в)

. оцс-,и щс-v оцс-гл оцс-ал щс-7о „

-о—шаг, у^/^аау,-аггз<p,=ao7s ?& fyjfa

----pacvea; ---—z№—n-r~—-сггЧ-к—i®

—ammxv жгрузиг

-s 0 -s~ о -s~ a -s а -s Рис.2. Относительные углы закручивания железобетонных стоек

ры, углы закручивания, углы наклона трещин к поперечной оси, ширина раскрытия и закрытия трещин, расстояния между тми, фиксировались моменты образования трещин и разрушающие нагрузки, а также изучался характер разрушения.

Стойки были испытаны так: одна - на чистое кручение вплоть до разрушения; две - на чистое кручение с повторным после полной разгрузки нагружением крутящим моментом обратного знака до разрушения; три - при совместном действии осевой сжимающей силы и крутящего момента одного знака вплоть до разрушения; девять - на сжатие с кручением с повторным после полной разгрузки нагружением осевой сжимающей силой и крутящим моментом обратного знака до разрушения ; одна - на сжатие. Схемы загружен«й и схемы для анализа напряжённого состояния приведены на рис.1, б,в.

Принято следующее обозначение режимов нагруасения: режим при загружении стойки положительным крутящим ксментом; режимЛ/;Т~ разгрузка после загружения положительным крутящим моментом; режим Л/;~Т- загружение стойки отрицательным крутящим моментом после полной разгрузки. При режимжт нагружении режим Л^'Т реализовы-вался до нагрузок, равных 0,500...0,980 от разрушающих для данной стойки при снятии отсчётов с приборов на ступенях нагруасения после трещинообразования. Для всех стоек отношение] подбиралось таким образом, чтобы соотношение главных напряжений в бетоне | (до появления трещин) соответствовало

заданному. Отношение]/\/Мдля каждой стойки оставалось постоянным до разрузвегая. Разгрузка осуществлялась при постепенном ууеге.^ шении А/ я 7~ (при соблюдении соотношения 17~\/Л/ , принятого для данной стойки} до нуля. Нагружеиие осуществлялось ступенями, причём сначала прикладывали сжимающую силу, а затем - крутящий момент.

■ В основу расчёта исследуемых стоек положены теория деформирования железобетона с трещинами Н.П.Карпенко, рекомендации подготовленного я печати "Пособия по расчёту статически неопределимых железобзгогшкк конструкции" {НИМЖ Госстроя России) и методика расчёта железобетонных кольцевых центрифугированных элементов на кручение и сжатие с кручением И.М.Шуберт.. При этом, несмотря на полученные а настоящих исследованиях факты, ввиду * сравнительно небольшого количества опытов признано целесообразным внести частичные коррективы в эти базовые метолнкн и раэра-

ботать упрощённую методику расчёта ветви разгрузки.

Анализ опытных деформаций бетона стоек на стадии работы без трзл^ин и моментов образования трецин показал, во-первых, что общий вид кривых деформирования бетона стоек примерно одинаков как для режима /Ц' 7' , так и для режима Л/; ~Т, но величины деформаций при одинаковых по абсолютной величине нагрузках больше в режиме /И'-7"(достоверность опытных данных подтверждается удовлетворительные подобнее графиков деформаций стоек до образования трещин, замеренных тензорезиеторами и механическими приборами); во-вторых, что на опытных графиках главных деформаций всех стоек можно выделить упругий и упругсяластический участки; в-третьих, что коэффициент поперечной деформации бетона является функцией напряженного состояния; в-четвёртых, что при сжимающей силе, действующей на кольцевую стойку совместно с крутящим моментом, ысмент трещинооб-разования оказывается выше, чем в стойках, подвергнутых только кручешТю; это превышение составило примерно 20052 и более, а в стойках, испытанных при большом влиянии сжатия {^¿^ 0,028), в режиме А/; 7~ видимых трещин не было вовсе, несмотря на то, что уровни нагружения были близки н предельным режима /\/;-7~{ рис. 2).

Теоретические предпосылки к расчёту элементов без трещин заключатся в следующем: бетон стоек рассматривается как ортотроп-ный материал, рабогащий в условиях п.н.с. "р.-е."; оси ортотро-пии совпадают с направлениями площадок главных напряжений; характер деформирования бетона соответствует характеру деформирования неарыированных элементов и зависит от величины и уровней напряженного состояния.

Деформации бетона можно рассчитывать с помощью физических уравнений ортотропного тола с учётом нелинейности, причём для расчёта коэффициентов изменения секущего модуля бетона в направлении главных осей используются зависимости исходных диаграмм деформирования при одноосном и однородном сжатии и растяжении бетона, затем вычисляются значения этих коэффициентов в вершинах диаграмм при п.н.с. "р.-с." в направлениях главных осей и, наконец, определяются те же параметры в текущий момент. Подобным образом рассчитывается и коэффициент поперечных деформаций.

Крутящий момент трещинообразованяя вычисляется через ка-

сательные напряжения в бетоне, подсчитанные по формуле пластического кручения в предположении того, что трещины образуется в мо-

мент, когда главные растягивающие напряжения в бетоне достиг-

где ^м-^кфь/^ь¡Р& " коэффициент усповий работы

бетона при "растяжении-сжатии";

,—.

<5¿у - нормальное напряжение в бетоне в направлении оси у в момент трещинообразования.

Хотя для элементов с уровнями сжатия, превышающими уровень ~ 0,5, формула (I) в ряде случаев занижает момент тре-щинообразования и даёт почти полное совпадение с экспериментом лишь в случае чистого кручения, признано ввиду недостатка опытных данных для её корректировки и некоторого разброса имеющихся опытных значений формулу (I) считать приемлемой, но дающей превышения, идущие в запас прочности.

Анализ результатов экспериментальных исследований железобетонных стоек на стадии работы с трещинами показал следующее:

предложенная другими авторами единая оценка работы элементов, подвергнутых как чистому кручению, так и совместному действию осевой сжимающей силы и крутящего момента вплоть до осевого сжатия, может применяться лишь дня некоторого диапазона значений , отражающих сравнительно больное влияние кручения; значения средних опытных углов наклона трещин оказались меньше теоретических, подсчитанных по формуле сопромата чэрэз напряжения в бетоне, оС^ на величину до 6°;

продольная аркатура в трещине в стоЕк&х, испытанных на сжатие с кручением, может работать в зависимости от соотношения сжатия и кручения либо первоначально на сжатие с положительными приращениями деформаций, либо на сжатие с небольшими положительными или отрицательными приращениями деформаций, либо на сжатие с положительными приращениями деформаций луль при внесших уровнях1 нагружения, близких к разрушения (рие.З);

полосы бетона в моменты, близкие к разрушению, работают не на емтие, как принято в базовых методиках, п более сложно: возможно, на внецентреиное сжатие з сочетании с продольным изгибом при отслоении защитного слоя батона перед разрушением;

в стойках, испытаниях при большом влиянии кручения, из

■ff/2ts /Л?

0/2ÍTS #0

m a/aw "

ОЦС-V

gV—fr —

ÇsjfO \¿rexipjejscjfjAj/ю ra/¿fsr

л/ШгаПтгсГ\\

■fbrllV'rrw^rrTI

жг/ягласе -_

-Vj^/ifMfájOréMKp fáj

--Aue феуям"; fôa

--¿ле^Х-фш;

--iifwçiAiW;

----Ли-^Аг^»-щ-

----Лел^Л^щ»^,

,-r »-f/tewjcr Ar/Bf-

•y davava

£û

¡j^sj*// «о. 20 Í&B о sates

a^---------^-у-—

a/¡c-áA

ev/is гс/aw кгока

т*у----K-t^

^so/rss

Рис.3. Зпюры деформаций поперечной и продольной арматуры, замеренных тензорезисторами

второй-третьей ступенях от трещинообраэования трещины более-менее равномерно распространялись по всей поверхности железобетонного элемента; в стойках аэ с большим влиянием сжатия эмоменты, близкие к разрушению, трещины были короткими и прерывистыми и развивались на отдельных, видимо, наиболее ослабленных, участках стенки стоек; не все трещины были сквозными;

общая картина работы стоек в режиме незначительно

отличается от таковой в режиме Л/; 7~;

на ветви разгрузки до уровня 0,8...0,9 снижение рас-

сматриваемых видов деформаций в общем сравнительно невелико;

остаточные деформации всех рассматриваемых видов составили примерно 10...40^ от максимальных режима Л/;7~ ;

трещинообразование в режимах /V; 7~ и Л/;~7~ было примерно одинаковым, а углы наклона трещин в обоих режимах были приблизительно равны (по абсолютным величинам);

прочность стоек, испытанных при повторном их загружении сжимающей силой и крутящим моментом обратного знака, оказалась несколько ниже их прочности в случае простых режимов нагружения.

Характеризуя расчётную модель элемента с трещинами, следует отметить, в частности, что до появления трещин в режиме Л/;~7~ трещины режима A/j7~ закрываются настолько, что после трещинообраэования вновь работают полосы бетона, соединённые стержнями арматуры за счёт сил сцепления, т.е. рассматривается схема непересекающихся трещин.

Для корректного подсчёта величин углов наклона трещин к оси X предложена полуэмпирическая формула;

которая отражает тот факт, что расхождение между опытным и теоретическим (подсчитанным по формуле сопромата) углами ОС возрастает по мере усиления влияния сяатия.

Так как формулы по определению напряжений арматуры в трещине ^у яыяются определяющими для всего расчёта, значения первоначально подсчитанные по ним, должны ненамного отличаться от значений, уточнённых в ходе деформационного расчета (это же касается подсчёта коэффициентов усреднения ):

-----------------д^^ ^ /

(2)

ЕР fv

Iъ

15У Ср

где А/у,А/лу- погонные нормальная сжимающая и касательная силы, действующие по толщине трубы; ^яу - погонные коэффициенты армирования;

Г„ - средний радиус распределения поперечной и продольной арматуры; коэффициенты армирования; - коэффициенты, учитывающие влияние касательных напряжений в арматуре и влияние сил зацепления берегов трещин на уменьшение ¡5и и увеличение жёсткости элемента.

Для подсчёта коэффициентов предложена формула, учитывающая обхатиэ полос бетона:

=, ых,у, (5)

где А/д сгс - погонное растягивающее усилие в бетоне в момент трещинообразования;

у)^ - коэффициент, учитывающий влияние сжимающих напряжений в полосах бетона на сцепление арматуры с бетоном;

Л/ Ау}

=» I для режима /V/ Т ; /у и 0,9 для режима .

Модуль деформаций полос бетона вычисляется в соответствии с описанным выше общим подходом по использованию исходных и трансформируемых диаграмм деформирования с подсчётом коэффициента условий работы полос бетона и сжимающих дефодааций полоо бето-яа Ер , соответствующих их разрушению, которые определяются по формуле:

(б)

где * 1,4 для режима А/; Т; = 1,3 для режима А/}'~7~.

Зависимости главных деформаций бетона от уровней напряжённого состояния, построенные в соответствии с рекомендациями базовых методик, показаны на рис. 4 и 5,

Деформации поперечной арматуры £зх и железобетонного эле-

¿г/ ту/п• ж-?* ¿шс-/г щсм-жтс-м

га а га о га о /а о л? в га за га ¿та

__ Рис.4. Зависимости главных растягивавших деформаций бетона от уровней напряжённого состояния

-ДГ ¿> -Л7 -Л5" ¿7 -ЯГ .ЛГ ¿7 -ДГ -г*

Рис.5. Записимости главных сжимающих деформаций бетона (до образования трещин) и деформаций бетона полос в направлениях, совпадающих с трещинами (после образования трещин) от уровней напряжённого состояния

менга <5> определяются по единому для всех соотношений /К и 7~ алгоритму, причём деформации ¿V определяются суммированием средних деформаций арматуры и дополнительных деформаций

I вызванных обжатием полос бетона (величины <5^ невелики).

Теория деформирования железобетона с трещинами даёт хорошие результаты при <5SC-»Û , но если напряжения &и->/У w относительно невелики и О , то в зависимости теории рекомендуется внести коррективы, относящиеся к деформациям продольной арматуры SSy и элемента S'y . В этой связи рассматриваются пять случаев.

1-ый аналогичен случаю работы растянутой поперечной арматуры.

2-ой случай, при котором в расчёте для определённых уровней наг-ружения напряжения в продольной арматуре в трещине Сïsy'û и с :но-сительно невелики, учитывается неравенством Ù-S^^y^/ . В 3-еы случае сила /V вызывает в продольной арматуре до образования трещин напряжения сжатия, которые после образования трещин начинают компенсироваться главными растягивающими усилиями, передаваемыми с бетона на арматуру в трещинах; при этом в момент тращино-образования растягивающие усилия не способны полностью "погасить" сжимающие напряжения в арматуре, которые остаются отрицательными, хотя в процессе нагружения они могут "погашаться" за счёт положительных приращений напряжений в арматуре (это 2-ой случай1! ; здесь при <5s/~*О(ès/<О) £sy = O.V^¿у (¿¿у~ средние деформации полос бетона в направлении оси у ), = ^sy 4-ый случай характеризуется тем, что приращения напряжений в продольной арматуре в трещине отрицательны; здесь при £

« I, a <Sy— Es^m • В 5-ом случае неравенство сй^^^нару-шается, psy » I, а <5>- . 3-ий, 4-ый и 5-ый случаи - случаи" Сольного влияния сжатия.

Деформации элемента в направлениях, нормальном к трещинам {•¿>7 ) и совпадающем с ними ( ), вычисляются по формулам сопромата.

Опыты показали, что при определении относительных углов закручивания стоек р лишь формула:

P=(€*ctgc{ ^ £у tffoi - ¿¿e/s/pci cosdj/r^ , ( ? >

где £¿1 - средние деформации полос бетона в направлении оси £ , -

достаточно хорошо согласуется с экспериментом (рис.2). 16

Выявлено, что при расчёте прочности кольцевых стоек по бетону (именно этот случай рассматривается в данной работе) слезет учитывать форму и сложный характер работы полос бетона. Условие прочности имеет следующий вид:

- Яг^/^/гр + Оу~ ^у^у/^уУ Пу >0,

при этом выражения в круглых скобках также не должны быть меньше нуля. Вычисление внешних разрушавших нагрузок и о суще С Т"» вляется методом итераций.

Коэффициент , зависящий от степени разрыхления полос бетона макро- и микротрещинами, определяется по модернизированной формуле "Пособия по расчёту статически неопределимых железобетонных конструкций" (формула 9), оба слагаемых которой уменьшены в 1,3 раза:

Ъ =0.031+---< /, (10)

а)л

# + 3.3

где СОд - коэффициент влияния толщины элемента на

степень повреждения полос бетона трещинами.

Соответствующие графики зависимости коэффициента ^¿^ от и \ | см.на рис.6 и_7.

Расчёт режимов Л/; 7~ и Л^ ~7~ выполняется в соответствии с методикой конечных приращений, параметры которой применительно к п.н.с. "р.-с." ещё не исследованы. Поэтому принят упрощённый подход к расчёту ветви разгрузки, а для расчёта режима со-

хранён алгоритм расчёта режима А/,'7" при применении начального модуля деформаций бетона, равного О.дЕ^, и уже упомянутых коэффициентов /г, и А^ . Выделено два отрезка диаграмм деформиро ваши на ветви разгрузки: криволинейный АС| (от вершины диаграммы деформирования до начала уменьшения деформаций элемента, связанных с раскрытием трещин) и линейный С|0'(до полной разгрузки, т.е. до состояния, при которомЛ/-0, Т~0 ). Только при определении связи меаду напряжениями в бетоне полос в направлении оси ¿'(вдоль трещин) и соответствующими деформациями отрезок С^О'нелинеен.

Приращения средних напряжений в бетоне полос в направлениях осей /? отсчитываюгся от состояния А и определяются по интерполяционным формулам, при этом остаточные напряжения бетона и арматуры оказываются равными нулю. Внешние нагрузки и напряжения в

о -от г; _ г ..-/¡асуёт,

еятДь /тлсуггая /га /рфлгме^З ); /гоэррщя-

/70 00/>ж/4е{70 )

-£■ /17

го </с ¿а во т/гот жгваяю гго&огеогтзоо ^

Рис.6. Зависимость коэффициента условий работы полос

бетона от сжимаемости бетона в момент достижения им максимальных напряжений

ЩС-У4 а/гг

а/а

а///

04Ф-& а//а

агж

аояг

ЩС-ТО О.С2!

аегв

оус-с ¿7

/ В 3 ¥ 5 6 7 в 3 Ю Я /2 /3 /V /5 Рис.7. Зависимость коэффициента условий работы полос бетона от соотношения главных деформаций железобетонных стоек

состоянии С*! составляют 0,85 от таковых в момент трещинообразова-тя. Начальный модуль деформаций бетона на ветви разгрузки принят равным /.ЗЕ(, . Форму.™ по определению секущих модулей деформаций в режимах Л//Т и /V/ / почти одинаковы.

В расчёте остаточных деформаций элемента и арматуры, а также относительных углов закручивания принято, что деформации элемента с трещинами складываются из средних деформаций от раскрытия тро-щин и сдвига их берегов и средних деформаций полос бетона между трещинами. Так, первоначально подсчитываются для состояния А деформации, связанные с раскрытием трещин, затем определяются остаточные деформации как суммы остаточных деформаций бетона и уменьшенных в 0,4 раза деформаций от раскрытия трещин в состоянии А. Принято, что уменьшение ширины раскрытия трещин начинается с состояния С}. Деформации в точках, находящихся между состояниям,! С^ и 0' , определяются способом линейной интерполяции.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработана методика замера деформаций арматуры малых диаметров центрифугированных железобетонных кольцевых стоек, реализованная в опытах и показавшая высокую надёжность; сконструированы, изготовлены и налажены принципиально новые испытательный стенд и приспособления для измерения деформаций стоек (индикаторные рамки и индикаторы-маятники), надёжно работавшие в ходе эксперимента, - всё это позволило впервые получить достаточно полные данные о работе арматуры в железобетонных кольцевых стойках, подвергнутых сжатию с кручением, и новые экспериментальные сведения об их работе в широком диапазоне соотношений между крутящим моментом и осевой сжимающей силой.

2. Впервые проведены экспериментальные исследования железобетонных кольцевых стоек, подвергнутых повторному после полной разгрузки нагружению осевой сжимающей силой и крутящим моментом обратного знак1, и получены новые экспериментальные данные о трещино-стойкости, деформациях бетона и арматуры, прочности, углах закручивания, развитии, ширине раскрытия и углах наклона трещин таких стоек, подвергнутых действию осевой сжимающей силы и крутящего момента одного и двух знаков в иир»ком диапазоне соотношений мэ*-

ду л/ И 7" .

3. Предложен подход к определению углов наклона трещин, учитывающий отклонение их направлений от направлений площадок глав-

19

ных растягивающих напряжений в бетоне железобетонных стоек до образования трещин и позволяющий болев точно вычислять напряжения арматуры в трещине.

4. Выявлено, что условие прочности, терактеризующее разрушение бетонных элементов, может быть использовано в качестве условия трещинообразовамия (I) в железобетонных элементах, подвергнутых сжатию с кручением, при уровнях сжатия ниже ^¿¿/^¿^'О.Б; для элементов с более высокими уровнями сжатия формула (I) в ряде случаев занижает момент трецинообразования, однако опытных данных для уточнения критерия трещикообразования в этой области ещё недостаточно .

5. Показано, что при большом влиянии сжатия в кольцевых стойках растягивающие напряжения в арматуре, вызываемые кручением,ужз не могут компенсировать средние напряжения сжатия, вызываемые продольной сжимающей силой. В этом случае формулы теории деформирования железобетона с трещинами требуют корректировки. В данной работе (видимо, впервые) подробно исследован этот фактор и предложены соответствующие уточнения теоретических зависимостей.

6. Установлено, что на прочность полос бетона между трещинами в элементах кольцевого сечения влияют два новых фактора, которые в плоских элементах не проявляются. К таким дополнительным факторам относится искривление вследствие внецентренного сжатия и продольного изгиба криволинейных Полос бетона между трепаками и возможное отслоение защитного слоя бетона при небольшой влиянии , сжатия. На основании полученных данных уточнён критерий прочности указанных полос на сжатие и внесено соответствующее изменение в их диаграмму сжатия.

7. Разработана методика расчёта деформаций и углов закручивания элементов кольцевого сечения при сжатии с кручением на ветви разгрузки и последующего нагружения. За основу такой методики принят подход методики конечных приращений с характерными точками при последующей интерполяции характеристик жёсткости между ними на линейном участке ветви разгрузки. Для характерных точек установлены все параметры теоретических зависимостей. Результаты расчёта проверены на основании данных экспериментальных исследований при шести режимах нагружения при кручении и сжатии с кручением. При этом варьировались ещё и уровни разгрузки.

8. Составлен универсальный алгоритм расчёта железобетонных

стоек кольцевого сечения на сжатие с кручением. Алгоритм и разработанная программа расчёта позволяют как анализировать результаты испытаний опытных образцов в автоматическом режиме и проводить численные эксперименты для различных стоек, так и выполнять расчёты в проектной практике.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. A.c. I2607I8 СССР, МНИ4 в 01 /V 3/08,3.22 Устройство для испытания элементов конструкций на сжатие с кручением /Д.Д.Жуков, Н.И.Карпенко, Т.М.Пецольд, И.Ы.ШуСЪрт // Открытия Изобретения. -1986. - * 36.

2. A.c. 1375762 СССР, Ш14 £ 04 С 5/16 Испытательный железобетонный элемент и способ его изготовления /Д.Д.Жуков и И.Н. Шуберт //Открытия Изобретения. - 1988. - № 7.

3. A.c. 1435930 СССР, МНИ4 6 Ol ß 5/30 Устройство .для измерения величины деформаций поперечного сечения нагруженных строительных элементов /Д.Д.Жуков, Н.И.Карпенко, И.М.Шуберт //Открытия Изобретения. - 1968. - I? 41.

4. A.c. 1663392 СССР, МКИ4 G Ol ß 5/30 Устройство дяя измерения деформации нагруженных конструкций /Д.Д.Йуков и И.М.Шуберт // Открытия Изобретения. - 1991. - # 26.

5. A.c. 1698685 СССР, Ш4 6 Ol W 3/08 Устройство для испытания элементов конструкций на сжатие с кручением /Д.Д.Жуков, Д.А.Исмаил, А.А.Лавринович, Л.К.Лукша, Ю.В.Путиков //Открытия Изобретения. - 1991, - £ 46.

6. Жуков Д.Д., КачановскиЙ С.Г. К вопросу о замере деформаций арматуры в железобетонных центрифугированных элементах, работающих в условиях сложных напряжённых состояний // Тезисы докладов научно-технического семинара "Проблемы создания и применения центрифугированных железобетонных конструкций в строительстве".-Минск, 1985. - С. 24-26.

7. Шуб( рт И.М., Жуков Д.Д. Экспериментальные исследования железобетонных стоек кольцевого сечения, подвергнутых сжатию с кручением // Тезисы докладов и сообщений научно-практической конференции "Совершенствование методов расчёта и проектирования современных видов строительных конструкций". - Ровно, 1988. - С. 158-159.

8. Шуберт U.M., Кукаs Д-i- Методика замера деформаций бето-

кв и арматуры железобетонных; элементов при сложных режимах загружена а условиях кручения // Техника, технология, организация и экономика строительства, выпуск № 14. - Минск: Вышдйшая школа , 1938. - С.51-53.

9. Шуберт И.М., йуков Д.Д. К вопросу определения прочности железобетонных стоек кольцевого сечения на сжатие в сочетании со знакопеременным крутящим моментом // Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Фундаментальные исследования и новые технологии в строительной материаловедении", Том I, часть II, - Белгород, 1989.

- С. 101.

10. Йуков Д.Д., Шуберт И.М. Характер образования и развития трв!цин железобетонных элементов кольцевого сечения при действии осевого сжатия и знакопеременного крутящего момента // БПЙ -БНИИС. - * 9409. - М., 1989 (депонированная рукопись).

11. Жуков Д.Д. Деформации арматуры железобетонных стоек при действии на них осевого сжатия и знакопеременного крутящего момента // Тезисы докладов Республиканской научно-технической конференции "Совершенствование железобетонных конструкций, работающих на сложные виды деформаций, и их внедрение в строительную практику".

- Полтава, 1969. - С.71-72. _

12. Хуков Д.Д., Шуберт И.М. Измерение деформаций арматуры железобетонных центрифугированных стоек кольцевого сечения, работающих на сжатие с иручекием // Сб. БелНИИС: Совершенствование строительных конструкций и технологии производства. - Минск, 1992. С.61-66.

РЕЗЮМЕ

КУКОВ Дмитрий Дорианович

ДЕФОРМАЦИИ И ПРОЧНОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СТОЕК КОЛЬЦЕВОГО СЕЧЕНИЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ СЖАТИЯ С КРУЧЕНИЕМ

Ключевые слова: железобетонные стойки, кольцевое сечение, режимы загружения. кручение, сжатие, экспериментальные исследования, трещиностойкость, прочность, деформации, расчет.

Разработана методика экспериментальных исследований железобетонных стоек кольцевого сечения при различных режимах сжатая с кручением, в том числе методика замера деформаций как арматуры, так и железобетонного элемента с трещинами. На оригинальном стенде проведены испытания шестнадцати опытных железобетонных стоек кольцевого сечения с наружным диаметром около 310 мм при одновременном действии осевой сжимающей силы и крутящего момента одного и двух знаков (12 стоек), только крутящего момента одного и двух знаков (3 стойки) и только осевой сжимающей силы (1 стойка), при этом десять стоек содержали испытательные арматурные каркасы с продольной и поперечной арматурой специального профиля, на которой были смонтированы тензорезисторы.

В результате экспериментальных исследований изучен характер деформирования, трещинообразования и разрушения опытных стоек. Отношение крутящего момента к сжимающей силе для каждой стойки было постоянным вплоть до разрушения. Выполнены опыты при шести различных отношениях. Исследовалась также ветвь разгрузки. Выявлен ряд новых факторов, которые ранее не учитывались в расчетах. Стойки были запроектированы переармированными, так как изучалось их разрушение по бетону.'

Разработана методика расчета кольцевых стоек, подвергнутых повторному загружению сжимающей силой и крутящим моментом обратного знака после полной разгрузки, по прочности, трещиностойкости и деформациям и уточнена существующая методика расчета стоек при простых режимах нагружения. Определен, в частности, характер изменения напряжений в полосах бетона и арматуре с учетом перераспределения усилий между ними от момента трещинообразования до разрушения. Предложена упрощенная методика расчета деформаций на ветви разгрузки.

РЭЗШЭ

ЖУКАУ Дзм1трый Дарыанав1ч

ДЭФАРМАЦЫ1 I ТРЬВАЛАСЦЬ ЖАЛЕЗАБЕТОННЫХ СТОЕК КОЛЬЦАВАГА СЯЧЭННЯ ПРЫ РОЗНЫХ РЭЖЫМАХ СЦ1СКАННЯ 3 КРУЧЭННЕМ

Ключавыя словы: жалезабетонные стойк1, кольцавае сячэнне, рэ-хымы загружэння. кручэнне. сц1сканне. эксперыментальныя даследа-вання. трэшчынастойкасць, трываласць. дэфармацы1. разл1к.

Распрацавана методика эксперыментальных даследаванняу жалеза-бетонных стоек кольцавага сячэння пры розных рэжымах сц!скання з кручэннем, у там л1ку методика вымярэння дэфармацый як арматуры, так 1 жалезабетоннага элемента з трэшчынами. На арыг1нальннм стэн-де праведзены выпрабавання шаснаццац1 доследных яалезабетонных стоек кольцавага сячэння дыяметрам каля 310 мм пры адначасовым дзеянн1 восевай сЩскаючай с1лы 1 моманту кручэння аднаго да двух знакау (12 стоек), тольк1 ыоманту кручэння аднаго да двух знакау (3 стойк1) 1 тольк1 восевай сц1скаючай с1лы (1 стойка), пры гэтым дзесяць стоек мел! доследныя арматурныя каркасы з падоужнай да па-пярочнай арматурай спецыяльнага проф1лю. на якой Сыл1 змантаваны ланцужк1 тэнзарэз1стараУ.

У вш1ку эксперыментальных даследаванняу вывучан характер дэ-фармавання. трэшчынаутварэння да разбурзння доследных стоек. Адно-с1ны моманту кручэння 1 сц1скаючай с1лы дзеля козшай стойк1 был1 сталым! да самага разбурзння. Выкананы доследа пры шасц1 розных адаос!нах. Даследавалась таксама гал1на разгрузка Выяулен шэраг новых фактарау, як1я раней не ул1чвал1ся у разл1ках. Стойк1 был1 запраектаваны пераарм1раваным1, таму што вывучалась 1х разбурэнне па бетону.

Распрацавана методака разл1ка кольцавых стоек. як1я падробле-ны па^торнаму нагружэнню сц1скаючай с1лай да момантам кручэння ад-варотнага знака пасля познай разгрузк1, па трываласц1. трэшчынас-тойкасЩ да дэфармацыям 1 удакладнена 1снуючая методака разл1ка так1х стоек пры простых рэжымах нагружэння. Вызначан. у прыватнас-ц1. характар змямення напружанняу у палосах бетона да арматуре з ул1кам пераразмеркавання намаганняу пам1ж 1и1 ад моманту трэшчынаутварэння да разбурзння. Лрапанавана спрошчаная методака разл1ка дэфармацый на гал1не разгрузк!.

SUMMARY

ZHUKOV Dmitri Dorlanovlch

DEFORMATIONS AND STRENGTH OF REINFORCED CONCRETE POLES OF ANNULAR CROSS-SECTION IN DIFFERENT CONDITIONS OF COMBINED COMPRESSION AND TORSION

Key words: reinforced concrete poles, annular cross-section, loading conditions, torsion, compression, experimental Investigations. cracking resistance, strength, deformations, analysis.

The procedure of experimental Investigations of annular cross-section reinforced concrete poles in different conditions of combined compression and torsion and' also the procedure of the strain measurement both the reinforcement and the reinforced concrete member with cracks have been developed. On the original test plant 16 poles with external diameter of about 310 mm have been tested In combined action of the axial compression and the torque of one and two signs (12 poles), the torque of one and two signs only(3 poles) and the axial compression force only (1 pole). 10 poles containing reinforcing cages with longitudinal bars and stirrups of special shape and on all of them chains of strain gauges were fitted.

As the result of experimental investigations the character of deformation, cracking and failure of test poles has been studied. The ratio of torque to compression force was constant for the each pole up to the failure. Tests were carried out by choosing one of six ratios. Strains in unloading were also Investigated. The new factors not used in calculation previously have been discovered. The poles were Cverrelnforced to study their destruction due to the failure of concrete.

The procedure for the analysis of strength, cracking resistance and strains of tube poles subjected to one more loading of compression force and torque of opposite sign after complete unloading has been worked out and the existing procedure for such poles In simple loading conditions has been corrected. In particular the character of stress behaviour In the concrete strips and In the reinforcement with regard for the redistribution of forces between them from the moment of cracking to the failure has been calculated. The simplified procedure of the strain calculation In unloading has been proposed.