автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Деформирование и трещиностойкость тонкостенных оболочек и складок

т

Белгородская государственная технологическая академия строительных материалов

| ЗАЗДРАВНЫХ ЭДУАРД ИВАНОВИЧ

; I I

ДЕФОРМИРОВАНИЕ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ

ТОНКОСТЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОБОЛОЧЕК И СКЛАДОК

Специальность 05.23.01 - строительные конструкции,

здания и сооружения

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Колчунов В.И.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Милейковский И.Ё.

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород -1998

- .. 2 СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................5

¡.ЖЕСТКОСТЬ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОБОЛОЧЕК И СКЛАДОК ПОКРЫТИЙ..........................................10

I

1.1. Анализ существующих методов расчета железобетонных оболочек

и складок по предельным состояниям П-й группы..............................10

1.2. Физические модели железобетона с трещинами при сложном напряженном состоянии................................................................24

1.3. Экспериментальное исследование жесткости и трещиностойкости

тонкостенных железобетонных элементов.........................................34

— 1.4. Выводы и задачи исследований,.............................................. .38

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАВИСИМОСТИ ДЛЯ РАСЧЕТА ЖЕСТКОСТИ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ТОНКОСТЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОЛОЧЕК И СКЛАДОК........................................41

2.1. Схемы трещинообразования и армирования. Усилия и деформации элемента с трещинами...................................................................41

2.2. Осевые смещения арматурного стержня в бетонной матрице..........52

2.2.1. Расчетная схема для определения осевых смещений арматурного стержня в бетонной матрице...........................................................52

2.2.2. Возможные упрощения в расчете осевых смещений...................61

2.3. Расчетная модель "нагельного эффекта" в железобетонном элементе и определение функции податливости арматурных стержней сдвигу в бетонной матрице........................................................................67

- - - - ..- - з - - -

2.4. Уточнение практического расчета трещиностойкости плосконапряженных железобетонных элементов с учетом эффекта нарушения сплошности бетона---------------------------------------------->...........................„80

2.5. Уточнение физических уравнений тонкостенного железобетонного элемента с трещинами при обобщенном плоском напряженном состоянии..........................................................................................86

2.6. Выводы ........................................................................110

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ТОНКОСТЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ОБОБЩЕННОМ ПЛОСКОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ...........................................................................112

3.1. Объем экспериментальных исследований. Цель и задачи исследований...................................................................................112

3.2. Методика исследований опытных тонкостенных железобетонных элементов.................................................................................126

3.3. Основные результаты и их анализ..........................................131

3.3.1. Деформирование арматурного стержня в бетонной матрице.......133

3.3.2. Основные параметры трещинообразования и их анализ.............138

3.4. Выводы............................................................................158

4. ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ТОНКОСТЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОБОЛОЧЕК И СКЛАДОК И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕДЛАГАЕМОГО РАСЧЕТНОГО АППАРАТА.................160

4.1. Алгоритм расчета трещиностойкости и жесткости тонкостенных элементов железобетонных оболочек и складок...............................

4.2. Алгоритм модуля программы определения основных параметров трещиностойкости с учетом эффекта нарушения сплошности бетона для

-случая армирования стержнями одного направления (1 =1)..,.,______........ 163

4.3. Алгоритм модуля программы определения "нагельного эффекта" и функции податливости арматурных стержней сдвигу в бетонной

I :

матрице....................................................................................165

4.4. Численные исследования деформирования и трещиностойкости опытных железобетонных элементов и оценка эффективности пред-

I

лагаемого расчетного аппарата....................1.................................166

4.5. Рекомендации по расчету жесткости и трещиностойкости тонкостенных железобетонных конструкций при сложном напряженном состоянии "растяжение-сжатие"....................................................176

4.6. Выводы...........................................................................181

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................183

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................186

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................................................................216

: ; "7- 5 : - : - \

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Широкое применение железобетонных конструкций в различных, в последние годы все более сложных и ' ответственных сооружениях, вызывает необходимость развития теории и совершенствования методов их расчета.

Тонкостенные железобетонные оболочки и складки являются наиболее сложными конструкциями. Их расчет по предельным состояниям, с учетом

I

специфических свойств железобетона, производится до настоящего времени 1 чаще всего с использованием обратных поверочных методов, например, на основе кинематического метода предельного равновесия.

Значительное число исследований, выполненных за последние годы в области создания физических моделей железобетонных конструкций свидетельствуют скорее о важности, чем о достаточной изученности этих вопросов.

По ряду причин экспериментальным исследованиям оболочек и их элементов посвящено существенно меньше работ по сравнению с другими типами железобетонных конструкций, например стержневых. Более того, значительная часть этих работ проводилась на моделях из упругих материалов и ограничивалась получением в большинстве случаев только качественной картины. Количественная сторона деформирования и трещинообразования железобетонных элементов оболочек и складок до настоящего времени остается исследованной крайне мало. При проектировании этих конструкций физические параметры заимствуются, в основном, по результатам исследований стержневых и плоскостных конструкций. Это не в полной мере отражает действительную картину деформирования, образования и раскрытия трещин в оболочках и складках. Имеющиеся же фрагментарные опытные данные не могут быть использованы для нормирования параметров физических моделей.

\ ; б

Из изложенного следует, что проведение экспериментально-теоретических исследований тонкостенных железобетонных элементов при напряженных состояниях, характерных для участков поверхности оболочек и складок, в которых проверяется жесткость и трещиностойкость этих конструкций, представляет собой актуальную и практически важную задачу. Ее решение будет способствовать развитию теории и совершенствованию методов проектирования железобетонных тонкостенных конструкций.

Цель работы - разработка практического метода расчета трещиностойкости и жесткости тонкостенных элементов железобетонных оболочек и складок на основе экспериментально-теоретических исследований их деформирования при обобщенном плоском напряженном состоянии.

Автор защищает: результаты экспериментальных и теоретических исследований деформирования трещиностойкости тонкостенных железобетонных элементов с различными схемами армирования при обобщенном напряженном состоянии «растяжение-сжатие»; -------

новые элементы деформационной физической модели анизотропных железобетонных элементов с трещинами, направленные на уточнение осевых и тангенциальных смещений арматурного стержня в неортогонально ориентированной трещине;

- методику, алгоритм расчета и результаты численных исследований и сопоставительного анализа элементов железобетонных оболочек и складок.

Научную новизну работы составляют:

- новые элементы в характере деформирования, образования, развития и раскрытия трещин в тонкостенных железобетонных элементах при обобщенном плоском напряженном состоянии «растяжение-сжатие», выявленные экспериментально;

- расчетные схемы и аналитические зависимости деформирования арматурного стержня в зоне пересечения его неортогонально ориентированной трещиной;

предложения по уточнению физической природы "нагельного эффекта" в плосконапряженном железобетонном элементе; - методика, алгоритм и программные средства для расчета жесткости и трещиностойкости в тонкостенных плосконапряженных железобетонных элементах;

результаты сопоставительного анализа опытных и расчетных данных деформирования и трещиностойкости плосконапряженных железобетонных элементов с использованием предложенного расчетного аппарата.

I Обоснованность и достоверность научных положений базируется на использовании общих закономерностей теории упругости анизотропных материалов и механики железобетона и подтверждается сопоставлением результатов расчета по разработанной методике с экспериментом и данными расчета другими методами.

Практическое значение работы состоит в следующем.

Разработанная методика расчета трещиностойкости тонкостенных плосконапряженных элементов позволяет более строго (по сравнению с существующими расчетными положениями) производить расчет железобетонных оболочек и складок по предельным состояниям второй группы, и, как следствие - рационально проектировать такие конструкции.

Реализация работы. Результаты проведенных исследований применены при выполнении ряда проектов институтами Центрогипроруда и Белпищепромпроект, в том числе при проектировании цилиндрической оболочки цеха завода солода в г.Белгороде.

Запатентованная автором методика испытаний использовалась в Бел-ГТАСМ при исследовании трещиностойкости новых типов железобетонных пространственных конструкций, а также в учебном процессе.

Апробация работы и публикации.

Основные положения диссертации доложены и одобрены на заседании секции «Железобетонных и каменных конструкций» 50-й Международной научно-технической конференции (г. Санкт-Петербург, 1996 г.), Международ-

ной конференции «Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций ( г. Белгород , 1993 г. ) , Международной конференции "Ресурсо- и энергосберегающие технологии строи-тельных материалов, изделий и конструкций" (г. Белгород 1995 г.), 54-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета (г. Санкт-Петербург, 1997 г.), 29-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных ¡работников, аспирантов, студентов Российских вузов (г. Пенза, 1997 г.).

В полном объеме диссертационная работа доложена и одобрена на семинаре кафедры железобетонных и каменных конструкций Киевского государственного технического университета строительства и архитектуры (г. Киев, 1997 г.), семинаре кафедры строительных конструкций Белгородской государственной технологической академии строительных материалов (г. Белгород, 1998 г.). По теме диссертации опубликовано- семь статей и получены два патента Российской Федерации на изобретение (N2008406 «Составная железобетонная панель»; N2071599 «Способ оценки механических свойств тонкостенных железобетонных конструкций при растяжении и сжатии и устройство для его осуществления»).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения с основными выводами, списка литературы и приложений.

Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой темы , приведены общая характеристика работы и ее основные положения, которые автор выносит на защиту.

В первой главе изложено состояние вопроса и сформулированы задачи исследования. Выполнен анализ существующих методов расчета трещино-стойкости тонкостенных элементов железобетонных конструкций в форме оболочек и складок. Проанализированы наиболее часто применяемые физические модели железобетона с трещинами при сложном напряженном

состоянии и результаты экспериментальных исследований жесткости и трещиностойкости тонкостенных железобетонных элементов.

Во второй главе на основе вариационного метода перемещений предложена физическая модель для определения осевых смещений арматурного стержня в бетонной матрице относительно берегов трещин. Для определения тангенциальных смещений в трещине построена уточненная расчетная схема арматурного стержня, находящегося в условиях продольно-поперечного изгиба - модель, так называемого, «нагельного эффекта».

В третьей главе приведены методика и результаты экспериментальных исследований двух серий опытных образцов. Для исследования тонкостенных элементов при обобщенном плоском напряженном состоянии «растяжение-сжатие» предложен новый тип опытных образцов в виде тонкостенных железобетонных колец, а также конструктивное решение стенда, обеспечивающего создание указанного напряженного состояния, новизна которых защищена патентом РФ.

В четвертом разделе для апробации и всесторонней оценки разработанной физической модели анализа деформирования и трещиностойкости тонкостенных плосконапряженных железобетонных элементов с трещинами были проведены численные исследования. Приводятся конкретные рекомендации по расчету ширины раскрытия трещин тонкостенных железобетонных конструкций при сложном напряженном состоянии.

Общий объем диссертации 293 страницы, в том числе 134 страницы основного текста, 7 таблиц, 56 рисунков, 297 наименований литературы и 5 приложений на 77 страницах.

I. ЖЕСТКОСТЬ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЪ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОБОЛОЧЕК И СКЛАДОК ПОКРЫТИЙ

1.1. Анализ существующих методов расчета элементов железобетонных

оболочек и складок по предельным состояниям второй группы

В соответствии с, действующими конструктивно-нормативными

I |

документами, в том числе [187,205], расчет железобетонных оболочек должен выполняться по двум группам предельных состояний.

Учитывая, что конструкции оболочек и складок относятся к относительно сложным конструкциям, их оценка по предельным состояниям с учетом специфики свойств железобетона производится на основании метода предельного равновесия [116,201]. Расчеты по предельным состояниям второй группы до настоящего времени все еще ведутся, практически, в линейно-упругой постановке, что идет не в запас по жесткости, а наоборот. Трещиностойкость конструкций эти расчеты недооценивают.

Поэтому, существует необходимость в постановке и решении задач второй группы предельных состояний для элементов оболочек с учетом специфических свойств железобетона. Этому способствует, с одной стороны, наличие современных деформационных моделей (см. п. 1.2 настоящей главы), а с другой - современные электронно-вычислительные машины обеспечивают возможность реализации таких моделей, в том числе и для таких сложных пространственных систем, как оболочки и складки.

К одним из первых работ в этом направлении, применительно к оболочкам, можно отнести работы В.С.Бартенева, И.Е.Милейковского, Ю.В.Чиненкова. И если в этих работах интегральные характеристики, касающиеся прогибов, оцениваются достаточно точно, то дискретные, такие как ширина раскрытия трещин - приближенно [137].

: 11 Для совершенствования методов расчета железобетонных конструкций, в том числе железобетонных оболочек и складок, при двух- и трехосном напряженных состояниях, в последние годы заметно усилилось стремление к разработке их механико-математических моделей.

Наиболее распространенные подходы к моделированию нелинейной работы бетона заключаются в том, что он рассматривается как упругопластический материал. В этом случае для бетона должны задаваться положение поверхности текучести и закон пластического течения. А.Чен и Ф.Чен [267] рассматривали случай развития пластических деформаций, представляющий собой сочетание изотропного и кинематического упрочнения. Этот и другие случаи, а также критерии разрушения, зависящие от девиаторного и гидростатического тензоров, рассмотрены в работах Д.Аргириса, Г.Фауста, К.Вильяма [257],.Х.Бальмера и Д.Дольтсиниса [259].

Одной из наиболее разработанных моделей расчета, рассматривающих бетон как упруго-пластический материал, является теория пластичности бетона и железобетона Г.А.Гениева, В.Н.Киссюка, Г.А. Тюпина [56, 57]. Теория имеет достаточно корректное математическое обоснование и удовлетворительно согласуется с многочисленными экспериментальными данными, приведенными в работе [57], для различных видов напряженного состояния. Она учитывает специфические свойства бетона и железобетона, дает возможность определения предельной несущей способности. Эта теория базируется на критерии прочности при растяжении и сжатии, а также учитывает эффект дилатации бетона. В соответствии с экспериментальными данными последних лет [57] в критерий прочности бетона [56] включен третий инвариант тензора напряжений.

Р.К.Бобровым, А.Л.Козаком, А.С.Сахаровым [26,190], эта модель реализована методом конечных элементов. В [190] отмечается, что методика расчета железо�