автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Исследование деформирования составных железобетонных панелей-оболочек с податливыми связами сдвига

РГБ ОД

2 5 "ШI ¡ЯП7

На правах рукописи

ПАНЧЕНКО ЛАРИСА АЛЕКСАНДРОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМИРОВАНИЯ СОСТАВНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПАНЕЛЕЙ-ОБОЛОЧЕК С ПОДАТЛИВЫМИ СВЯЗЯМИ СДВИГА

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандадата технических наук

Белгород -1997

Работа выполнена на кафедре строительных конструкций Белгородской государственной технологической академии строительных материалов

Научные руководители: - доктор технических наук, профессор

И.Е.МИЛЕЙКОВСКИЙ

- доктор технических наук, профессор В.И.КОЛЧУНОВ

Официальные оппоненты: - академик РААСН,

доктор технических наук, профессор Н.И.КАРПЕНКО

- кандидат технических наук, доцент В.И.ФОМИЧЕВ

Ведущая организация - Центральный научно-исследовательский институт экспериментального проектирования зданий и комплексов культуры, спорта и управления (ЦНИИЭП им.Б.С.Мезенцева)

Защита состоится 28 мая 1997 года в 13°° час на заседании диссертационного Совета К 064.66.06 в Белгородской государственной технологической академии строительных материалов по адресу: 308012, г.Белгород, ул.Костюкова, 46, Главный корпус, ауд. 242.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородской государственной технологической академии строительных материалов.

Совет направляет Вам для ознакомления данный реферат и просит Ваши отзывы и замечания в 2-х экземплярах, заверенные печатью, направить по указанному выше адресу.

Автореферат разослан 25 апреля 1997 г.

овета, й наук, доцент

А.А.Соколов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Преимущества тонкостенных пространственных конструкций в отношении архитектурной выразительности и ресурсосбережения опреде-1яют их применение в зданиях и сооружениях. Среди различных видов железобетонных пространственных конструкций покрытий и перекрытий широкое распространение получили панели-оболочки и складки "ira пролет". Эт конструкции по ггатико-геометрическим признакам можно отнести к стержням-оболочкам. Повы-нение эффективности пространственных конструкций, в том числе названного класса, все больше связывают с комплексными и комбинированными вариантами IX исполнения. Пр1мером могут быть конструкции с сечениями из бетона и фибро-зетона, бетона и стеклопластика, сталежелезобетона и другие. Однако такие варианты консгру1фовшшя нарушают сплошность сечений конструкций. Возникает необходимость проведения их расчета по схеме составных стержней-оболочек с податливыми связями сдвига.

Большинство существующих методов расчета такого класса железобетонных конструкций основаны на упрощенных подходах. Накопленные сегодня новые данные о деформировании и трещиностойкости тонкостенных железобетонных конструкций, в том числе современные деформационные модели при сложим напряженном состоянии, не нашли отражения в исследованиях и практике проектирования тонкостенных конструкций составного сечения из железобетона. Это не позволяет в полной мере адекватно действительности оценивать работу таких конструкций под нагрузкой, производить их рациональное и надежное проектирование.

Таким образом, принимая во внимание, с одной стороны, уровень изученности конструкций рассматриваемого класса, а с другой - всевозрастающую их значимость в практике проектирования, строительства и реконструкции, актуальность исследований по сформулированной в названии работы теме представляется обоснованной.

Цель работы: разработка и экспериментальное обоснование метода расчета и предложений по конструированию составных железобетонных конструкций типа "панель-оболочка" с учетом податливости связей сдвига и реальной работы материалов.

Автор защищает:

- теоретические предпосылки и построенные разрешающие уравнения для анализа деформирования железобетонных составных конструкций названного класса;

- результаты экспериментальных исследований жесткости и трещиностойкости тонкостенных составных конструкций на специальных железобетонных образцах;

- практическую методику расчета с вариантом выбора единичных функций, алгоритм и программные средства для анализа деформирования составных железобетонных панелей-оболочек и складок;

- результаты численных исследований влияния податливости связей сдвига и структуры сечений на жесткость и трещиностойкость составных конструкций и рекомендации по управлению их эксплуатационными качествами.

Научную новизну работы составляют:

- экспериментально обоснованный прикладной метод расчета железобетонных составных конструкций рассматриваемого класса в физически нелинейной постановке;

- опытные данные об особенностях деформирования и трещиностойкости железобетонных образцов типа составной "стержень-оболочка" с различной структурой сечений;

- алгоритм и программное обеспечение для расчета составных конструкций в форме панелей-оболочек и складок по предельным состояниям второй группы;

- результаты численного и сопоставительного анализа опытных и расчетных данных по оценке жесткости и трещиностойкости рассматриваемых конструкций.

Достоверность положений и выводов в диссертации обеспечивается использованием общепринятых допущений строительной механики и современной теории железобетона, подтверждается результатами экспериментальных исследований автора, а также данными численных и экспериментальных исследований, выполненных другими авторами.

Практическое значение и реализация результатов работы. Разработанный расчетный аппарат обеспечивает возможность рационального проектирования вновь создаваемых, усиливаемых и восстанавливаемых тонкостенных составных конструкций с различной структурой сечений. Полученные результаты использованы НИИЖБ Минстроя РФ при разработке технических решений составного покрытия из плит П-образного профиля, институтом "Цешрогипроруда" - в проектах покрытий и перекрытий зданий с составными конструкциями, БелГТАСМ - при выполнении исследований в рамках Международной научно-технической программы Госкомвуза РФ "Архитектура и строительство". Результаты работы внедрены также в учебный процесс Белгородской государственной технологической академии строительных материалов, Курского технического университета.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на третьей Международной научно-технической конференции "Материалы для строительных конструкций" (Днепропетровск, 1994), на Международной конференции "Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изд£ашй и конструкций" (Белгород, 1995), на Международном конгрессе ¡АБЭ в Польше (Варшава, 1995), на 50-й Международной научно-технической конферен-

ции молодых ученых и студентов (Санкт-Петербург, 1996), на I Всеукраинской научно-технической конференции "Научно-тех1шческие проблемы современного железобетона" (Киев, 1996).

По теме диссертации опубликовано одиннадцать научных работ, получены положительные решети на выдачу двух патентов на изобретения.

Структура и объел! работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения с основными выводами, списка литературы и приложений. Изложена на 274 страницах, содержит 165 страниц основного текста, 8 таблиц, 47 рисунков, 220 наименований литературы и 4 приложения на 35 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе изложено состояние вопроса, обобщены и проанализированы конструктивные решения, расчетные схемы, методы расчета и применяемые физические модели железобетона для оценки деформирования и трещиностойкосга тонкостенных конструкций. В результате анализа установлено, что значительное число различных типов железобетонных панелей-оболочек, складок, ребристых плит покрытий и перекрытий, коробчатых панелей многосвязного поперечного сечения, в том числе усиливаемых, по характеру статической работы можно отнести к классу составных стержней-оболочек с податливыми связями сдвига.

Экспериментальными и теоретическими исследованиями различных типов железобетонных панелей-оболочек и складок покрытий (работы И.В.Балдина, В.С.Бартенева, В.Н.Байкова, А.И.Бедова, А.М.Болдьпнева, Б.С.Василькова, Г.А.Гамбарова, А.А.Гвоздева, A.C. Жива, Э.З.Жуковского, В.И.Колчунова,

A.Д.Либермана, Е.Ф.Лысенко, Н.Манга, Р.Н.Мацелинского, И.Е.Милейковского, Б.А.Миронкова, Р.В.Мориса, В.Я.Павилайнена, В.С.Плевкова, Н.Н.Попова,

B.Д.Райзера, А.Р.Ржаницына, М.Рюле, Р.С.Санжаровского, Н.Н.Складнева, Е.М.Смирновой, Х.Тотенхема, Ю.А.Тярно, Г.К.Хайдукова, Я.Ф.Хлебного, Ю.В.Чиненкова, А.Л.Шагина, В.В.Шугаева, А.А.Цейтшша и др.). установлено, что большую значимость при оценке этих конструкций с позиций предельных состояний второй группы приобретает проблема учета реальных свойств материалов.

При этом в теоретических подходах дня оценки неупругих деформаций бетона, перемещений и трещин используются различные физические модели железобетона. Среди деформационных моделей для конструкций со сложным напряженным состоянием определенное распространение получили модели, основывающиеся на рассмотрении напряженно-деформированного состояния в точке и использовании действительных диаграмм состояния (работы О.Я.Берга, З.Ващшшша, Г.А. Гение-

ва, В.Н.Кисюка, В.М.Левина, Ч.Лина, Г.Манга, А.Скорделиса, ГЛ.Тюпина), макроструктура с деформационные модели (работы Д.О.Астафьева, В.Я.Бачинского, В.Н.Байкова, В.М.Бондаренко, А.А.Гвоздева, АБ.Голышева, Ю.П.Гущи,

A.В.Забегаева, А.С.Залесова, Н.И.Карпенко, С.М.Крьшова, В.И.Кудашева,

B.П.Ленышна, Н.М.Мулина, В.И.Мурашева, Б.СРасторгуева, Р.С.Санжаровского, В.П.Устинова, Л.И. Ярина), блочные модели деформирования железобетона (работы А.Я.Барашикова, В.В.Белова, ПИ.Васильева, ААГвоздева, А.С.Залесова, Вл.И.Колчунова, Е.Н.Пересыпкина, Б.С.Соколова, Г.Н.Ставрова и др.).

Предложения по расчетному определению ширины раскрытия трещин и расстояний между трещинами основываются на эмпирических, полуэмпирических и статистических формулах, учитывающих влияние различных факторов на эти параметры. К наиболее часто применяемым сегодня относятся модели средних деформаций арматуры и бетона (В.И.Мурашев, В.М.Бондаренко, Н.И.Карпенко и др.); модели, в основу которых положена "зона взаимодействия" арматуры и бетона (СХЯ.Берг, М.С.Холмянский и др.); интегральные модеаш деформирования арматуры и бетона на участке между трещинами (А.Б.Голышев, А.С.Залесов, В.Я.Бачинский, Б.С.Расторгуев и др.) и другие.

Поскольку в действующих сегодня инструктивно-нормативных документах не имеется указаний по учету специфики деформирования и трещинообразования железобетонных конструкций составного сечения, то их "проектирование ведется с ориентацией на методы расчета сплошных конструкций. Учет податливости связей сдвига в тонкостенных составных конструкциях из нелинейно-деформируемых материалов, в том числе из железобетона, выполняется чаще всего в линейно-упругой постановке. Все это приводит к тому, что проектирование составных конструкций в ряде случаев ведется с неоправданными запасами по несущей способности или же не дооценивается их реальная деформативность и трещиностойкость.

На основании проведенного анализа методов расчета, результатов экспериментальных исследований с учетом конструктивных особенностей конструкций рассматриваемого класса обоснована актуальность темы и сформулированы основные задачи исследований.

Вторая глава посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния железобетонных тонкостенных составных конструкций типа "панель-оболочка" с учетом податливости связей сд вига, неупругих деформаций и трещинообразования в элементах применен вариационный метод В.З. Власова, И.Е.Милейковского в сочетании с методом итераций.

Все типы составных конструкций рассматриваемого класса при построении расчетных схем условно разделены на три группы:

- призматические панели-оболочки и складки произвольного поперечного сечения, элементы которых соединены между собой по образующим;

- призматические панели-оболочки, складки и плиты П-образного поперечного сечения, имеющие ребра составного сечения и монолитную полку,

- панели-оболочки и складки, относящиеся к первой или второй группе, но имеющие кривизну в продольном направлении.

Учитывая, что конструкции исследуемого класса занимают промежуточное положение между классом стержневых конструкций и классом оболочек, при формулировке статико-геометрических гипотез включались значимые компоненты усилий и деформаций, характерных для обоих классов. Конкретный состав этих компонент был определен детальным анализом данных экспериментальных исследований панелей-оболочек и складок.

При анализе деформирования тонкостенных элементов приняты пять характерных для рассматриваемых конструкций типов трещин (рис. 1, а,б). Для определения параметров предельных состояний второй группы в составных конструкциях предложено использование комбинированной физической модели и двухуровневых расчетных схем. В частности, определение интегральных параметров -обобщенных усилий и перемещений составной конструкции, производится с применением расчетной схемы первого уровня, согласно которой деформации элементов с трещинами определяются на основе модели эквивалентного квазисплошного тела. Дискретные параметры - ширина раскрытия трещин и расстояния между трещинами, находят по расчетной схеме второго уровня (см. рис.1,в). Здесь определение деформаций арматуры и бетона и взаимных смещений арматуры и бетона на участке между смежными трещинами предусмотрено на основе модели интегральных деформаций.

Построение расчетных уравнений вариационного метода в форме метода перемещений выполнено исходя из уравнений равновесия, уравнений неразрывности деформаций малого элемента и уравнений состояний. Дтя сведения уравнений в частных производных к обыкновенным компоненты вектора перемещений сконструированы специальным образом - в форме разложений в одинарные ряды, предложенной в работах проф. И.Е.Милейковского.

После подстановки разложений компонент вектора перемещений (1/с, V,, У^, IVр) в

уравнения равновесия система разрешающих дифференциальных уравнений для всех обозначенных выше групп тонкостенных составных конструкций в матричной форме записи на каждой итерации имеет следующий вид:

[ь^]{и,,у,ув,1г,у = {р,-(р>(1)

где - дифференциальный оператор, структура которого имеет вид матрицы (2); свободные члены, определяемые составляющими вектора внеш-

ней нагрузки и принятыми единичными функциями поперечного распределения перемещений.

шзш ггт

к

ь

^ЙГГттггт-Г-Г^ПТГП

д^ГГтн—

dt

Я

JffiF VU

Рис I Двухуровневая расчетная с*еиа составной келезобепжш иинструнцш типа 'паиь-йолочка": а - расчетная йена первого раж б - тага расчетах нелезобешьк эпеиентоа с треишаии ь - расчетная слепа вторсго уровня и эюры дефорвацж бетона |£ь1 арматуры |£а) и относительны* шмшх снешм (£gl « участке моту трещинам г - сбцая осока еяшт функций в шз свиа

Размеры дифференциального оператора Ьм и порядок системы уравнений (1)

определяются напряженным состоянием конкретного типа конструкции, а также количеством элемяггов составной конструкции. Так, для составной конструкции типа "панель-оболочка" П-образного поперечного профиля дифференциальный оператор Ь^ принимает вид:

1т02 -Ь„,

О

4Д2 -/* о3 '01й 0

7пл2 1пы 0

• -/и/>4 0

0 0 -апОг

(2)

Особенностью системы уравнений (1) по сравнению с построенными ранее уравнениями вариационного метода для оболочек из линейно-упругого материала являются структура уравнений и то, что коэффициенты при неизвестных переменные. Вычисление этих коэффициентов, выражающих жесткостные характеристики элементов составной конструкции с трещинами, на каждой итерации соответствующего уровня нагрузки производится по следующим формулам:

/,,(х,5) = + ,(*)<&, (с, 1=0, 1); (3)

ь

= + (с - 0, 1); (4)

ь

ь

Ью(х,*) = ]Л5(дг,+ £оо(ло[(|„п - -&)+{&-Щ, - I»)]; (6)

ь *

5П (*,*) = |1)2(х,5)/,"(.0/1"(-5)Л ; (7)

4

а„(*,5) = - (8)

ь

Здесь £ с(«),...,/](л) - предварительно выбираемые единичные функции поперечного распределения перемещений, удовлетворяющие принятым граничным условиям; А|, Аз , 1)2 - приведенные модули деформаций характерного железобетонного элемента с трещинами; во - эквивалентная погонная жесткость связей сдвига.

Построение единичных (координатных) функций для рассматриваемого класса составных панелей-оболочек в работе выполнено дифференцированно для каждой из выделенных выше групп конструкций. При этом понижение числа функций обеспечено за счет учета некоторой регулярности характерных отсеков сечения

конструкции (регулярности структуры), заданием координатных функций не по участкам, а для сечения в цепом, использованием сложных функций, соответствующих описываемому деформируемому состоянию.

Вычисление приведенных модулей деформаций характерных элементов до образования трещин производится введением к начальным значениям модулей деформаций понижающих коэффициенте» для учета неупругих деформаций материала конструкции. После образования трещин вычисление приведенных модулей производится по значениям коэффициентов физических уравнений железобетона с трещинами.

Для определения жесткости связей сдвига на различных уровнях введен характерный элемент с трещиной вдоль шва сдвига (см.рис.1,в). После разрушения непрерывных связей сдвига (образование трещины вдоль шва сдвига) восприятие сдвигающих усилий в шве обеспечивается нагельным эффектом поперечных арматурных стержней-связей.

Решение полученных дифференциальных уравнений на каждой итерации выполнено методом неопределенных коэффициентов с использованием усеченных степенных рядов. Понижение порядка исходной системы уравнений в ряде случаев обеспечено за счет применения функций обобщенных усилий для всего поперечного сечения конструкции:

ад = | мм, ад = | ст^^см, (9)

а а

а также за счет использования симметрии конструкции и дифференцированного включения четных или нечетных степеней полиномов в зависимости от качественного вида искомых функций.

В построенных расчетных схемах составной конструкции реализованы различные варианты граничных условий, в том числе и контактные, обеспечивающие учет податливости затяжек.

Для шарнирно-опертых составных железобетонных панелей-оболочек с эквивалентными, приведенными к постоянным по длине конструкции жесткостныи характеристикам решение уравнений выполнено в тригонометрических рядах.

С целью обоснования корректности разработанного расчетного аппарата, проверки основных гипотез и допущений, а также изучения особенностей деформирования и трещкнообразованкя тонкостенных железобетонных конструкций с элементами составного и сплошного сечений выполнены экспериментальные исследования, которые приведены в третьей главе.

Исследования проводили на специально разработанных образцах в виде призматических стержней-оболочек П-образного поперечного профиля из мелкозернистого бетона. При выборе конструкции опытного образца исходили, с одной стороны, из стремления получить наиболее простое для анализа решение, с другой - принятия такой формы, которая соответствовала бы форме наиболее применяемых массовых конструкций.

Испытано три серии опытных образцов длиной 1200 мм с размерами поперечного сечения ребер 20x60 мм и толщиной полки 10 мм.

Образцы первой серии запроектированы в виде сплошной (монолитной) конструкции ю бетона класса В35. В слоистых конструкциях образцов второй серии ребра выполнены комбинированными из различных по высоте сечения бетонов. Варьировали количеством участков в сечениях ребер и классом бетона от В7,5 до В35. Сечения составных конструкций стержней-оболочек третьей серии запроектированы аналогично сечениям образцов второй серии с тем отличием, что элементы конструкции были разделены между собой тонкими швами из низкомодульного материала (полиэтиленовой пленки).

Армирование опытных образцов стержней-оболочек всех серий было одинаковым и выполнено следующим образом. Основная рабочая арматура в виде стержней диаметром 6 мм класса АШ располагалась в продольных ребрах. Поперечная арматура ребер принята из проволоки диаметром 0,8 мм, с шагом 30 мм на при-опорных участках и 45 мм - в средней части пролета. В образцах третьей серии эта арматура служила в роли стержней-нагелей, работающих на сдвиг. Полку опытных образцов армировали вязаной арматурной сеткой из проволоки диаметром 0,8 мм с шагом стержней продольного направления 50 мм и поперечного направления 25 мм. Механические характеристики арматуры определяли согласно действующим стандартам.

Одновременно с основными опытными конструкциями образцов для определения прочностных и деформативных характеристик бетона в возрасте 28 суток и в момент испытаний изготавливали вспомогательные бетонные образцы (кубы, ба-лочки, призмы) из бетонов того же состава.

Испытания проводили на специально разработанном стенде. Равномерно распределенная нагрузка создавалась давлением воды в резиновой камере, размещенной между силовым поддоном и опытным образцом. Вода для нагружения подавалась из мерного резервуара с помощью соединительного шланга.

Методикой испытаний предусматривалось измерение перемещений поверхности полки и ребер, деформаций рабочей арматуры и бетона, включая деформации на поверхности смежных элементов составной конструкции. Деформации измеряли методом электротензометрии с использованием информационно-измерительной системы СИИТ-3.

Измерение ширины раскрытия трещин микроскопом МБП-ЗМ с ценой деления 0,02 мм производилось для трещин на боковых поверхностях ребер на уровне расположения растянутой арматуры и на уровнях нижних граней элементов составной конструкции, а также на нижней поверхности полки опытных образцов. В процессе испытаний тщательно фиксировали момент и последовательность образования трещин различных типов.

Сопоставительный анализ распределения опытных значений деформаций бетона по высоте сечения ребер в сплошных и составных образцах подтвердил наличие градиентов в распределении деформаций соседних волокон смежных элементов составной конструкции.

В слоистых и составных образцах соответственно второй и третьей серий установлено заметное отступление от закона плоских сечений в распределении деформаций по высоте сечений. Количественные значения этих изменений зависят от структуры сечений и податливости пшов сдвига. Установлено также, что степень влияния структуры сечения на распределение указанных деформаций возрастает после образования нормальных трещин в нижнем элементе (слое) ребер. Подтверждением наличия градиентов деформаций между элементами составной конструкции явились и сопоставительные сравнения деформаций арматуры в образцах различных серий.

Характер распределения опытных деформаций поперечных волокон бетона по ширине полки в образцах всех серий был примерно одинаковым. По толщине полки поперечные деформации были неравномерны и соответствовали ярко выраженному момешному напряженному состоянию. Характер распределения продольных деформаций по толщине полки был близок к мембранному.

Анализ деформаций продольной рабочей арматуры в ребрах опытных образцов (е.,) подтвердил значимое влияние струьпуры сечения конструкции на эти деформации. Сопоставление этих деформаций для образцов с монолитным сечением (первая серия) и составных образцов (третья серия) показало, что наличие податливого шва сдвига приводит к относительному уменьшению Так, для образцов третьей серии, жесткость на сдвиг в которых определялась только поперечными стержнями-нагелями, уменьшение указанных деформаций достигло 23-27%.

Анализом опытных нагрузок трещинообразовашш установлено, что изменение структуры сечения конструкций оказывает существешюе влияние на их трещино-стойкостъ. Степень этого влияния в меньшей степени проявилась для слоистых конструкций второй серии и была более значима доя составных конструкций третьей серии. Нагрузка появления трещин в ребрах для последних, по отношению к монолитным образцам первой серии, с учетом фактической прочности бетона опытных образцов этих серий, оказалась в среднем ниже на 24,5%.

Качественная картина трещинообразования в опытных конструкциях всех серий была адекватна учитываемому расчетом напряженно- деформированному состоянию рассматриваемых конструкции и принятым в расчетной схеме типам трещин.

Испытаниями установлено, что трещинообразование в составных конструкциях типа "стержень-оболочка" имеет следующие особенности.

Трещины 1 в растянутой зоне составного ребра (рис.2,а) связаны с действием продольных растягивающих усилий. Их образование начиналось в середине пролета конструкций у растянутой грани каждого из ребер. По мере увеличения нагрузки

и

4=2.0 I

Рис. 2. Параметру жестахш и траршсйюсти опытных образцов: а - опытные катины нормальных гриаин в кшш рефе на разных рмх нагрузят 6. в - актюктхт рост прогобое и ищы раскрытия норма/ыш греаин 8 сере-вине пролегз ребра

эти трещины развивались по высоте сечения этих ребер, а также образовывались новые трещины этого же типа по направлению к опорам. Особенностью качественной картины этих трещин в составных образцах третьей серии, в отличии от аналогичных трещин в сплошных и слоистых конструкциях было то, что их развитие по высоте сечения в нижнем элементе происходило, как правило, до шва сдвига. Трещины в следующем (втором снизу) элементе составного ребра образовывались независимо от трещин в нижнем элементе. Процесс трещинообразования в каждом из элементов стабилизировался не сразу, а при относительно высоких уровнях нагрузки, в 3-4 раза превышающих нагрузку трещинообразования. Это подтверждает целесообразность при расчете ширины раскрытия трещин в рассматриваемых конструкциях использовать нефиксированные, а уровневые значения расстояний между трещинами (/«■*■,<). Кроме того, полученные особенности трещинообразования в конструкциях стержней-оболочек составного сечения свидетельствуют о том, что оценка трещиностойкости и ширины раскрытия трещин в составной конструкции не должна ограничиваться только нижним элементом.

Другой особенностью качественной картины трещинообразования в образцах третьей серии явилось нарушение сплошности шва сдвига. Видимые продольные трещины (см.рис.1,а, элемент Э5) образовывались у торцов элементов, и по мере увеличения нагрузки раскрывались по направлению к средней части пролета. Их образование связано с действием сдвигающих усилий в шве между двумя смежными элементами составной конструкции. Это подтверждается установленным опытным путем градиентом продольных деформаций бетона соседних волокон смежных элементов.

Характер трещинообразования в приопорных зонах продольных ребер и полке образцов (см.рисД,а, элементы Э2,ЭЗ,Э4) аналогичен характеру трещинообразования в панелях-оболочках П-образного профиля с ребрами сплошного и сквозного сечений, полученному в опытах В.И.Колчунова, Е.Ф.Лысепко, Р.НМацелинского, Е.И.Стаковиченко, Ю.В.Чиненкова и других авторов.

Анализ перемещений и ширины раскрытия трещин в опытных образцах сплошного (первая серия) и составного (третья серия) сечений (см. рис.2,б^в) подтвердил установленные закономерности о влиянии структуры сечения на основные параметры предельных состояний второй группы. Из графиков видно, что наличие податливого шва сдвига повышает деформативностъ конструкции до 14- 17%. Кроме того, установлено, что образование каждого нового типа трещин ведет к снижению жесткости конструкции в целом. Величина уменьшения этой жесткости при образовании трещин различных типов неоднозначна.

Опыты подтвердили также возможность применения ортогропной и даже изотропной физической модели при раскрытии статической неопределимости конструкций рассматриваемого класса. К использованию анизотропной физической мо-

дели железобетона целесообразно прибегать липа при оценке ширины раскрытия наклонных трещин в приопорных зонах панелей-оболочек.

Для апробации и всесторонней оценки разработанной методики нелинейного расчета конструкций рассматриваемого класса были проведены численные исследования, результаты которых изложены в четвертой главе. При проведении этих исследований раскрытие выражений (3)-{8) выполнено применительно к конкретным типам сечений. Так, для конструкций панелей-оболочек П-образного профиля с составными ребрами го двух элементов (рис.3,а) и единичными функциями (рис. 3,6) формулы для коэффициентов 1ю(х,з\ Ти(х,з), 5п(х,.5), £>00(:с), принимают вид:

7оо(*,5) = 2[яб11ф,/2)(^()1 + ¥ьиг)+Е3А,\; (10)

/„(*,*) = 2[ад(А,/2)(%(1 + ¥ь,л) + Еьлф - А,)/2)(^,3 + +

5п(Х,5) = 2ЕЬ2 /(12(1-О2)){0>096А(Г^1)3[2(/Г (0Д896))2 + + (/," (О))' +/Г (0Д896)//' (0)] + 0,07Ь(£^2)' х (12)

х [2(Г," (0,787г.))2 +(//' (б))2 +/," (0,787Ь)(/," (&))]};

Ью(я) = 2в0. (13)

Определение эквивалентной приведенной жесткости связей сдвига составной конструкции (во) рассмотрено для четырех основных вариантов сопряжений железобетонных элемеггтов составной конструкции, соединенных между собой упругим швом сдвига толпданой Го из материала с модулем сдвига й и поперечными стержнями-нагелями. В соответствии с принятой расчетной схемой (см. рис.3,в) для йо предложено использовать выражение:

Оа=С,+О0= а,л / + Огг / Г0, (14)

где <2,,л, я - поперечная сила в стержне-нагеле и шаг стержней-нагелей соответственно.

Алгоритм и разработанная на его основе программа расчета составных панеяей-оболочек построены по блочному принципу. Эффективность алгоритма обеспечивается двухуровневыми расчетными схемами при оценке трещиностойкосш, принятой физической моделью трещинообразования, а также структурой разрешающих уравнений. Линеаризация задачи осуществлена методом последовательных нагружений.

Рис. 3. К определенно жестюсишх «растров панеш-обопочки [кбразиого лрофипк а - раашм поперечное сечение; б - эпора еддамш фуннций е - схека цефориирования фрепента составного ребра в ж иэа сдвига и расчетная схема паиеречлзго стержня-нагеля

В результате многовариангаых численных исследований по программе "Shells" оценка предложенной методики расчета выполнена с двух позиций: 1 - оценка эффективности статического расчета напряженно-деформированного состояния конструкций; 2 - оценка эффективности определения нормируемых параметров предельных состояний второй группы.

Обработаны опытные данные автора, результаты экспериментов, выполненных Я.Ясиенко, А.Олейником, Я.Пыжняком во Вроцлавской политехнике для составных сталежелезобетонных балок, а также опытные данные, полученные в КИСИ Е.Ф.Лысенко, В.И.Соломиным при испытании комбинированных армоцементных и фибробетонных панелей-оболочек КЖС.

Оценка эффективности и границ применимости статического расчета по предложенной методике выполнена сопоставлением результатов расчета со значениями деформаций, перемещений и усилий, полученными в линейно-упругой постановке

по методу А.Р.Ржаницына и методом конечных элементов с использованием вычислительного комплекса Recon.

Точность определения параметров предельных состояний второй группы для рассматриваемых железобетонных составных конструкций оценивалась сопоставлением с расчетами по методике действующих норм, методике А.С.Залесова, А.Б.Голышева и методике, разработанной в КГТУСА. Показано, что предложенная методика позволяет достаточно строго моделировать напряженно-деформированное состояние и определять основные нормируемые параметры предельных состояний д ля тонкостенных составных конструкций панелей-оболочек. Расчеты подтвердили установленное экспериментально качественное отличие схем нормальных трещин в составных панелях-оболочках от аналогичных конструкций сплошного сечения. Как показали численные исследования, в зависимости от значений Go возможны следующие три схемы образования нормальных трещин в ребрах:

- трещины пересекают нижний растянутый элемент составного ребра;

- трещины пересекают нижний и часть смежного с ним эле мета составного ребра, причем трещины в последнем не являются продолжением трещин в нижнем и образуются независимо от них;

- трещины пересекают нижний и по мере увеличения нагрузки переходят из нижнего в смежный с ним элемент, развиваясь как в сплошной конструкции до нейтральной оси сечения.

Численными исследованиями подтверждена эффективность предложенного в работе уточнения интегральной модели для расчета ширины раскрытия трещин (асгс) в тонкостенных элементах, касающегося учета депланации бетона в сечении с трещиной. Показано также, что при расчете асгс учет двух и более уровней трещи-нообразования значительно улучшает согласование опытных и расчетных величин.

Сопоставительный анализ усилий, перемещений, деформаций арматуры и ширины раскрытия трещин в тонкостенных конструкциях сплошного и составного сечений показал возможность дифференцированного учета жесткости связей сдвига и структуры сечений при проектировании. Установлена степень влияния этих факторов в широком диапазоне их изменения. Так, учет податливости швов сдвига в составной конструкции качественно изменяет эпюры деформаций по высоте сечения и эпюры сдвигающих усилий в шве сдвига по длине панели-оболочки. Существенно (для рассчитанных конструкций до 23%) изменяются вертикальные перемещения панеяей-оболочёк при учете жесткости швов сдвига и структуры сечений. Ширина раскрытия трещин в элементах составной конструкции и в аналогичных образцах сплошного сечения также различается. Причем в составной конструкции

максимальные деформации арматуры и соответственно ширина раскрытия трещин могут быть не всегда для нижнего (крайнего) элемента.

В то же время анализ влияния количественного изменения жесткости связей сдвига между элементами составной конструкции показал, что при определенной структуре сечения даже значительное (в несколько раз) изменение этого параметра не ведет к столь же большому изменению обобщенных усилий и прогибов конструкции. Из этого следуют важные для проектирования составных конструкций выводы. Во-первых, нет необходимости при конструировании комплексных или комбинированных сечений, варьируя их структуру, добиваться жесткого соединения элементов вдоль швов сопряжения. Во-вторых, при вычислении жесткостей швов сдвига вполне приемлемым является предложенный в работе вариант приведения дискретных связей сдвига к эквивалентным непрерывным. Это особенно важно для составных железобетонных конструкций, усиливаемых наращиванием или подращиванием и работающих с трещинами, поскольку строгое определение в них жесткости связей сдвига между старым и новым элементами является достаточно сложной задачей.

Согласно результатам проведенных экспериментально-теоретических исследований, в заключительной части работы приведены конкретные рекомендации по проектированию тонкостенных железобетонных конструкций рассматриваемого класса. В них содержатся предложения по выбору и применению двухуровневых расчетных схем, определению эквивалентных обобщенных жеспсостных параметров железобетонных тонкостенных конструкций составного сечения, применению физических моделей сопротивления элементов с трещинами для расчета нормируемых параметров предельных состояний второй группы. Даны также рекомендации по управлению эксплуатационными качествами вновь создаваемых и усиливаемых при проектировании путем целенаправленного варьирования формой и структурой сечений, физико-механическими характеристиками материалов, схемами и интенсивностью армирования, жесткостью параметров швов сопряжения.

Расчетный аппарат, программные средства и рекомендации по проектированию нашли применение при разработке и совершенствовании конкретных технических решений тонкостенных конструкций, в том числе составных покрытий из ребристых плит П-образного поперечного сечения и плит-вставок, разработанных НИ-ЙЖБ и БелГТАСМ, конструкций усиления перекрытий производственных зданий АООТ "Колос", а также при создании новых конструктивных решений панелей-оболочек и складок. За счет адекватной оценки действительного напряженно-деформированного состояния была достигнута экономия стали в среднем до 14%, бетона и цемента до 8-11,5%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В работе получил дальнейшее развитие вариационный метод В.З.Власова, И.Е.Милейковского применительно к расчету железобетонных панелей-оболочек составного сечения. Построенные уравнения позволяют рассчитывать конструкции этого класса с учетом сдвига между элементами, структуры сечений, неупругих деформаций и трсиаш.

2. Экспериментальными исследованиями на железобетонных составных образцах типа "стержень-оболочка" получены новые закономерности и опытные параметры деформирования, трещиностойкости и ширины раскрытия трещин для тонкостенных составных конструкций. Выявлены характерные типы трещин, общая картина их образования, развития и раскрытия, влияние жесткости швов сдвига и структуры сечения на деформирование и трещиностойкостъ конструкций.

3. С применением предложенного варианта вариационного метода в сочетании с методом итераций, а также на основе двухуровневых расчетных схем разработаны эффективный алгоритм и программа для ЭВМ, реализующие нелинейный расчет наиболее распространенных типов железобетонных составных панелей-оболочек открытого и замкнутого поперечных профилей. С их использованием проведена серия расчетов и выявлены качественные и количественные особенности деформирования, процесса трещинообразования, развития и раскрытия трещин в конструкциях рассматриваемого класса.

4. Установлено, что предложенный вариант вариационного метода для расчета составных конструкций панелей-оболочек обеспечивает получаше расчетных параметров, удовлетворительно согласующихся с опытными. Использование этого метода дает возможность управлять эксплуатационными качествами таких конструкций при проектировании, целенаправленно варьируя основными конструктивными параметрами, в том числе формой и структурой сечений, жесткосгями элементов и швов сопряжений, и как следствие, более обоснованно подходить к оценке нормируемых параметров предельных состояний второй группы.

5. Разработаны рекомендации по рациональному проектированию железобетонных конструкций панелей-оболочек и ребристых плит составного сечения. В них содержатся предложения по определению эквивалентной приведенной жесткости швов сдвига, выбору расчетных схем первого и второго уровня, трещиностойкости и ширины раскрытия трещин в элементах составной конструкции, а также сведения по управлению эксплуатационными качествами и синтезу новых конструкций на стадии проектирования.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Панченко Л.А. Экспериментальные исследования составных тонкостенных железобетонных конструкций // Матер. Межд. конф. "Ресурсоэнергосберег. технологии в строит." -Белгород,

1995. - С. 57-58.

2. Колчунов В.И., Ооовских Е.В., Жданов А.Е., Панченко JIA Панели покрытий пониженной материалоемкости для малоэтажных зданий // Изв. вузов. Строительство. - 1994. - №9-10. -С. 13-18.

3. Осовских Е.В., Панченко Л.А Исследование деформативности и трещиностойкости железобетонных оболочек покрытий II Матер. Межд. конф. "Материалы для строит.конст.". -Длепропе!ровск, 1994. - С. 94-95.

4. Mileikovski I.E., Kolchunov V.l., Panchenko L.A. Fracture Stability of Reinforced Concrete Shells'/International Conference. Lightweight Structures in Civil Engineering. Poland, 1995. Vol. I. -P. 272-279.

5. Воробьев HД., Осовских E.B., Панченко JI.А., Блкнцовский A.C., Ягшок В.И. Автоматизированное проектирование железобетонных панеяей-складок сводчатых зданий многоцелевого назначения //Пространственные конструкции зданий и сооружений. -Москва - Белгород: АПК,

1996. -Вып.8. - С.186-192.

6. Мшюйковский И.Е., Колчунов В.И., Панченко Л.А. Составные железобетонные папели-оболочки //Пространственные конструкции зданий и сооружений, -Москва - Белгород: АПК, 1996.-Вып.8.-С.51-61.

7. Хайдуков Г.К., Колчунов В.И., Осовских Е.В., Панченко Л.А. Сводчатое здание многоцелевого назначения из железобетонных панелей-складок П-образного профиля // Пространственные конструкции зданий и сооружений. -Москва - Белгород: АПК, 1996, -Вып.8. - С.229- 238.

8. Хорхордин Ю.В., Панченко Л.А Обработка информационных ресурсов для расчета напряженных состояний составных железобетонных конструкций // Матер. 2-й Межд. коиф. "Теория и техника передачи, приема и обработки информации". -Харьков-Туапсе, 1996. - С. 161-162.

9. Воробьев Н.Д., Елинцовский A.C., Панченко Л.А, Ягнюк В.И., Даньков М.Н. Подсистема "Ведомость расхода стали" САПР железобетонных конструкций // Изв.вузов.Строительсгво,-1996.-№10.-С.26-30.

10. Панченко Л.А. Расчет жесткости и трещиносгойкосги железобетонных составных панелей-оболочек//Исследования строительных конструкций. -Белгород: БеяПТАСМ, 1996, С. 185-191.

11. Колчунов В.И., Панченко Л.А Экспериментально-теоретические исследования деформирования железобетонных составных конструкций типа "стержень-оболочка" // Материалы I Воеукраинской научно-технической конференция "Научно-практические проблемы современного железобетона". -Киев, 1996. - С.145-147.

Патенты

1. Положительное решение по заявке N 94007676/33/007239 на выдачу патента на изобретение "Многопустотная панеяь'ТКолчунов В.И., Панченко Л.А

2. Положительное решение по заявке N 94015784/33/015443 на выдачу патента на изобретение "Сводчатое покрытие"/ Колчунов В.И., Панченко Л.А, Данченко В.В.