автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Кратковременное и длительное сопротивление центрально-сжатых колонн средней гибкости с различным содержанием высокопрочной продольной арматуры

^ Г 6 О Л На правах рукописи

' 4 ДПР

Кхлифи Хассан Бен Саад

КРАТКОВРЕМЕННОЕ И ДЛИТЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ЦЕНТРАЛЬНО-СЖАТЫХ КОЛОНИ СРЕДНЕЙ ГИБКОСТИ С РАЗЛИЧНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ВЫСОКОПРОЧНОЙ ПРОДОЛЬНОЙ АРМАТУРЫ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1998 г.

Работа выполнена в Тверском Государственном Техническом Университете

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В.Ф. Захаров

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Е. А. Чистяков -кандидат технических наук, Ю. Ф. Бирулик

Ведущая организация - З.А.О. « ИНРЕКОН»

Защита состоится 16 апреля .998 г в 14 часов на заседании диссертационного совета К 033.03.01 по защите диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук в Научно-нсследовагельском, проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона по адресу: 109428, Москва ,2-я Институтская улица,д.6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

% ы

Автореферат разослан - - —------- 1998г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, кандидат технических 1-ТГА Кузьмич■

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЬ!

В последние годы многие исследователи стали уделять серьезное внимание вопросу применения высокопрочной ненипрягае.чой арматуры в сжатых железобетонных элементах. По результатам испытания коротких колонн с таким армированием была установлена высокая эффективность применения такой арматуры в сжатых элементах. При определенных условиях напряжения а сжатой арматуре могли достигать значений сг02. Это позволяет существенно повысить несущую спосоЗность таких колони по сравнению с несущей способностью аналогичных колонн, по с обычной арматурой не выше класса Л-Ш. Однако з основном такие исследования проводились с колоннами небольшой гибко-.,; при откошетшдлины колонны к гллсоге со поперечного сечения не более Я. 3 таких колоннах влияние прогиба слабо сказывалось па несущей способности. В реальных условиях массового строительства гибкость колош часто превышает это значение. Имеются единичные исследования колонн с высокопрочной ненапрягасмой арматурой гибкостью Солее 20. Но колоннам средней шбкости (¡/Ь = . . , 18) ш.шо посвящено еще .мен|,:ке исследований. При этом немногочисленные испытания колонн средней гибкости показали, что и в этом случае высокопрочная арматура может эффективно использоваться. В связи с актуальностью этого вопроса выявляется необходимость проведения специальных исследований колонн средней гибкости.

Применение высокопрочных .материалов и, в частности, термоупроченпых сталей в качестве продольной арматуры колонн требует учета возможности проявления при длительной их эксплуатации под нагрузкой как положительных, так и негативных последствий, вызванных развитием деформаций ползучести бетона. К положительным последствиям следует отнести подтвержденный экспериментально факт перераспределения гнутренних усилий, воспринимаемых бетоном и арматурой. При этом бето"

разгружается, что увеличивает эксплуатационную надежность конструкций, а арматура догружается, что также имеет положительное значение с точки зрения более эффективного использования высоких механических характеристик термоупроченных сталей.

На положительные факторы длительной эксплуатации накладываются факторы, имеющие явно отрицательные последствия, как для несущей способности, так и для эксплуатационной пригодности сжатых железобетонных стоек. .С ним в первую очередь относится ро'-.т прогибов во времени, не затухающий практически на протяжении всего периода 'длительной эксплуатации.

Целью работы является разработка методов расчета несущей способности центрально сжатых колонн средней гибкости с высокопрочной ненапрягаемой арматурой при кратковременном и длительном действии нагрузки на основе экспериментально-теоретических исследований.

Автор защищает:

- результаты экспериментальных исследований колонн средней гибкости (1/Ь = 15) с различными коэффициентами армирования высокопрочной ненапрягаемой арматурой класса Ат-У1 при центральном сжатии;

- усовершенствованную применительно к высокопрочной сжатой арматуре расчетную модель напряженно-деформированного состояния нормального сечения, включенную в проект новых норм по проектированию железобетонных конструкций;

разрабо акную методику расчета несущей способности железобетонных элементов средней гибкости с высокопрочной арматурой при кратковременном действии нш рузки на основе расчетной ' модели н^пряженно-деформированнто состояния сечения;

- разработанные рекомендации по расчету' несущей способности железобетонных элементов с высокопрочной арматурой применительно к методике расчета действующих норм;

- разработанную методику определения напряженНо-деформированного состояния сжатых стержней при кратковременном и длительном нагружении.

Научную новизну результатов работы составляют:

- результаты экспериментальных исследований колонн средней гибкости с высокопрочной ненапрягаемой арматурой;

усовершенствс данная расчетная модель напряженно-деформированного состояния нормального сечения железобетонных элементов;

- методика расчета несущей способности сжатых элементов на основе расчетной модели сечения;

- развитие методики расчета СНиП 2.03.01-84* применительно к гибким железобетонным элементам со сжатой высокопрочной арматурой.

- методика определения НДС при кратковременном и длительном нагружении.

Практическое значение работы заключается б разработке методики расчета сжатых железобетонных элементов, способствующей эффективному использованию сжатой высокопрочной ненапрягаемой арматуры, позволяющей с. питъ расход стали в таких элементах.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации опубликованы в четырех работах. Материалы диссертации доклад; 'вались на научных конференциях и научно-методических семинарах в Тверском Государственном Техническом университете.

Структура и 'объем диссертации. Диссертаций состоит га введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения.

Объем работы 190 страниц, включая 17 таблиц и 38 рисунков.

Работа выполнена в Тверском Государственном Техническом университете под руководством док-гора технических наук, профессора Захарова В.Ф.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

К настоящему времени выполнен ряд экоперимешмьных исследований, ссязакь_;>: с применением высокопрочной с™лн в качестве ленапрягаемой сжатой арматуры в железобетонных колоннах. Исследования ' показали, что эффективность лримеиенил такой арматуры зависит от деформатииности бетона на сжатие. Принимая во внимание "опмгетную работу сжатой арматуры с окружающим бетоном вплоть до разрушения сжатого элемент?., и арматуре достигается тем оолинно напряжения, чем больше деформации бетой.!. Ого прпьолит к повышению несущей способности е..:с:угого хсмляа.

Одним и", каиммшых способов иоеышеит //еформаттню-гн беняи является применение косвенного (поперечною) армирования бетона в ваде сеток. Испытания коротких колон:-, с таким армированием, проиедепные Ба.снровым К.К., Байковым 13.Н., Васильевым А.П., Дон/агпоколг В.И., Карнстом 10.Н., Матко^ьш Н.Г., Фроловым Л.К., Филиповым К.Г}., Чистяковым Е.А. и др. показали, что деформации сжатого бетона могут достигать 15%о. Значения предельных деформаций укорочения сжатого бетона зависят от мощности косвенного армирования.

В исследов; шях Бакирова К.К., Тарасова А.А., Хаита И.Г., Чистякова Е.А. было также установлено, что па предельную деформатнвиость бетона с косвсшым армированием влияет присутствие высокопрочной продольной арматуры. При этом с увеличением количества продольной арматуры деформативность бетона повышается.

Повышение несущей способности сжатых колонн с косвенным армированием и высокопрочно.; продольной арматурой происходит вследствие достаточно полного использования прочностных свойств арматуры и повышения прочности бетона, работающего в условиях объемного напряженного состояния.

Однако такая конструкция армирования достаточно сложт и трудоемка в исполнении. Поэтому значительный интерес представляют исследования сжатых элементов с высокопрочной продольной арматурой и поперечным армированием в виде обычных хомутов.

Изучению работы коротких сжатых элементов с таким армированием посвящены исследования Бейсембаева М.К., Галеня А.Ф., Дербуша А.Д., Довгалюка В.И., Захарова В.Ф., Копчугова В.Д., Коркишко А.Н., Маткова ¡¡.Г., Мзиляна Д.Р., Рискимда Б.Я., Свитлыка A.I.O., Чайка В.П. Сурика В.В., Таля К.Э., Тарасова A.A., Фролова А.К.. Хаита И.Г., Лемыша Л.Л. Чистякова Е.А., Шорниковон Г.И., Щилова А.М, Никитина И.К. и др.

Выше были рассмотрены экспериментальные исследования, относящиеся к изучению работы высокопрочной арматуры в сжатых элементах небольшой гибкости (1Лт < 10). Обобщая результат!,! этих исследований можно сказать, что применение высокопрочной продольной ар.шпуры положительно отражается на несущей способности железобетонны.. сжатых элементов, повышая ее. В процессе нагружения элементов при достижении напряжений в бетоне, когда начинают заметно развиваться неупругие деформации, происходит перераспределение усилий с бетона иг упруго работающую арматуру.

При кратковременном погружении начало заметного переряспределения'усилии наступает, как правило, при напряжениях, равных fib (при центральном сжатии - призменной прочности бетона), и сопровождается уменьшением напряжений в бетоне с увеличением деформации. Разрушение элемента наступает при достижении деформациями

бетона . значений, равных предельным деформациям, отвечающим действующим (сниженным) напряжениям в бетоне.

Экспериментальных исследований гибких элементов (!/Ъ > 10) с высокопрочной арматурой и поперечным армированием в виде хомутов выполнено значительно меньше.

Колонны гибкостью 1/Ь =■ 20, -5, 30, с начальным эксцентриситетом ео/Ъ = 0 и 0,1 были испытаны Захаровым В.Ф. и Матаром П. при кратковременном и длительном нагруже,.ии с целью выяснения эффективноси применения высокопрочной арматуры в колоннах такой гибкости.

Ряд кратковременных и длительных испытаний был проведен с колоннами средней гибкости (10 < № < 18). Известны испытания колонн гибкостью 15 при внецентренном сжатии и при эксцентриситетах, близких к центральному сжатию (е0Л1 5 ОД), выполненные Аутоумом Т., Ауном Ю.А., Аль-Абедом А. и Омаром И. при относительно небольших коэффициентах армирования.

Выявленная в экспериментальных исследованиях высокая эффективность применения высокопрочной арматуры явилась стимулом для разработки рекомендаций по расчету, учитывающих особенности совместной работы сжатого бетона и высокопрочной арматуры. Разработанные Бейсембаевым М.К., Захаровым В.Ф., Карнетом Ю.Н., Суриным В.В., Фроловым А.К., Чистяковым Е.А. и др. рекомендации относились в основном к элементам средней и небольшой гибкости с коэффициентами армирования, не превышающими значений ц = 0,04.

Многочисленные эксперименты подтвердили высокую эффективность использования высокопрочной арматуры на сжатие и экономичность прим нения ее в таких конструкциях, при умеренных процентах армирования.

Меньшее количестве работ посвящено исследованию работы железобетонных элементов с процентами армирования > 4. Из результатов имеющихся экспериментов следует , что несущая способность колонн с

неиапрягаемой высокопрочной арматурой с увеличением процента армирования несколько гювышзется при' ¿¡спользовании высокопрочной арматуры. Учитывая это обстоятельство, а также то, что эксперименты проводились с небольшими значениями гибкостей становится очевидной необходимость провести более широкие исследования колонн повышенной гибкости (л > 10) и процентами армирования Ц% > 4.

Рассмотренные предложения по расчету в основном относились к элементам с обычной арматурой. Однако они в принципе могут быть с соответствующей норрг:с~,ровкой применены к расчету элементов с высокопрочной неиапрягаемой арматурой. Кпх показал анализ соответствующих методик расчета, ряд предложенных моделей достаточно полно оф.тжают напряжемм-дефорчиросанное состояние элемента, но они очень сложны для применения. Наиболее удобны в этом отношении предложения, использующие диаграммы деформирования оетона и арматуры, несмо!ря на некоторые условности и упрощения, принимаемые в расчетах. При лом заслуживает внимания расчетная деформационная модель, включенная в проект новых норм по проектированию железобетонных конструкций.

С учетом вышеизложенного поставлены следующие задачи.

1. Провести кратковременные и длительные испытания центрально сжатых колонн гибкостью 1/11 = 15 с различными коэффициентами армирования высокопрочной неиапрягаемой арматурой класса Ат-У1 и поперечным армированием в виде хомутов с целью получения опытных данных для оценки степени эффективности ее использования в колоннах средней гибкости.

2. Разработать методику расчета таких колонн С использованием деформационной модели напряженно-деформированного состояния проекта новых норм и при необходимости произвести ее уточнение, учитывающее

особенности совместной работы бетона и высокопрочной арматуры при сжатии.

3. Разработать рекомендации по расчету сжатых элементов с высокопрочной арматурой применительно к методике расчета действующих норм проектирования железобетонных конструкций.

4. Разработать методику определения напряженно-деформированного состояния сжатых стержней при кратковременном и длительном нагружешгн.

В соответствии с поставленными задачами исследования было изготовлено 18 колонн с высокопрочной ненапрягаемой арматурой.

При проектировании опытных образцов исходили из наличия силового оборудования, пригодного для испытания колонн гибкостью 15. Колонны . имели длину 150 см и поперечное сечение прямоугольной формы размером h х b = 10 х 12 см. Продольное армирование состояло из стержней диаметром 12мм класса Ат-VI, в количестве, меняющемся от четырех до восьми, поперечное армирование - в виде вязаных хомутов диаметром 4мм класса B-I, устанавливаемых с шагом 100мм. На концевых участках колонн длиной примерно 90мм устанавливали сварные сетки для уменьшения влияния концентраторов напряжений от опорных устройств.

Для определения характеристик бетона опытных колонн вместе с ними из одного замеса были изготовлены контрольные кубы и призмы. Колонны и призмы изготавливали в деревянной опалубке, а кубы - в металлических инвентарных формах. Бетон укладывался вручную с последующим уплотнечием глубинным вибратором.

Прочность Сэт-она в возрасте 35 суток была равна Rb = 15,2 МПа, а в возрасте 227 суток Rb 17,5МПа,

Так как главной задачей исследования является изучение поведения сжатых колонн средней гибгости с высокопрочной ненапрягаемой арматурой в зависимости от коэффициентов армирования, основными переменными

характеристиками в испытаниях были приняты различные проценты армирования-от3,75 до 7,5%. ■ '

Для оценки влияния количества высокопрочной арматуры на несущую способность и деформации исследуемых колонн были приняты в испытаниях три значения процента армирования ц% - 3,75%; 5,62% и 7,5%.

Кроме того, чтобы полнее оценить возможности г 'пользования высокопрочной арматуры на сжатие, были проведены испытания при длительном действии нагрузки с уровнем 0,65 кратковременной разрушающей нагрузки (190 суток). Раззнвающиеся в процессе длительного выде"живання колонн под постоянной нагрузкой деформации ползучести бетона должны были более эффективно включать в работу высокопрочную арматуру.

Испытания проводили с равными и одинаково направленными эксцентриситетами при сжатии, близком к осевому, прикладывая продольные силы на шарнирно закрепленных концах.

Испытания показали, что деформации наиболее сжатой арматуры в ■ сжатых колоннах достигали значений, примерно равных'4 .... 4,3?во в стадии, близкой к разрушению. Этим деформациям соответствуют напряжения 725 .. . 750 МПа. Арматура работала в упругой стадии, по ее использование было достаточно эффективным при такой гибкости колонн.

Напряжения в бетоне при нагружении колонн вначале увеличивались, сохраняя зависимость напряжений от деформаций при испытании контрольных бетонных призм. После достижения напряжениями 'значений, примерно равных призменной прочности (при деформациях 1,6 - 2 0%о), они начинали уменьшаться вследствие развитая больших неупругих деформаций и перераспределения усилий с бегом на упруго работающую арматуру. С этого момента деформации колонн начинали ускоренно развиваггься с повышением нагрузки и все большую долю усилий начинала воспринимать арматура. В стадии близкой к разрушению, когда деформации колонн стали

резко возрастать без увеличения нагрузки, напряжения в бетоне уменьшились в среднем до 9 . •. 12 МПа.

Характер разрушения колонн при испытании не зависел ог величины армирования. Разрушение колонн было хрупким с резким нарастанием прогиба и разрушением бетона в наиболее напряженном сечении.

Значения опытной несущей способности (разрушающей нагрузки) всех колош, испытанных по кратковременному режиму, в там „ еле колонн, подвергавшихся ранее длительной выдержке под нагрузкой, приведены и таблице 2. Сравнение несущей способности колонн с высокопрочной и обычной арматурой по результатам различных испытаний (в том числе автора) показало, что несущая способность образцов уменьшается с уменьшением количества продольной арматуры, но для всех значений р.% лесущая способность колош рассматриваемой гибкости выше в слу:. применения высокопрочной арматуры. При этом абсолютное превышение больше в колоннах гибкостью менее 10 по сравнению с колоннами гибкостью 15 и несколько уменьшается с уменьшением процента армирования.

Анализ результатов испытаний также показал, что несущая способность колонн уменьшается при увеличении гибкости. При этом абсолютов и относительное повышение несущей способности колонн с высокопрочной арматурой по сравнению с несущей способностью колонн с обычной арматурой также снижается с увеличением гибкости. Для гибкости 30 несущая способность становится практически одинаковой при всех значениях эксцентрчситета. Это связано с тем, что ускоренное развитие прогибов в таких колоннах начинается при напряжениях в арматуре ниже предела текучести обычной арматуры и ледоваггельно не зависит от вида арматуры (если не счита-ь небольшого различия в модуле упругости арматуры)..

Сопоставление показало, что применение высокопрочной арматуры наиболее эффективно до гибкости, примерно раьной 20. При исследуемой в настоящей работе гибкости 15 эффективность высокопрочной арматуры хтт

и уступает несколько эффективности для коротких колонн, но все же достаточно высока, чтобы рекомендовать ее для применения в таких колоннах, при всех исследованных.значениях коэффициента армирования.

Можно сделать вывод, что в колоннах средней гибкости (примерно до гибкости 18 . . . 20), как и в коротких колоннах целесообразно применять высокопрочную ненапрягаемую арматуру в сочетании с поперечным армированием в виде хомутов с целью экономии стали или повышения несущей способности колонн при одинаковом количестве заменяемой обычной арматуры.

Для оценки напряженно-деформированного состояния сечений разработаны уточненная и приближенная методика, как при кратковременном, так и при длительном действии нагрузки.

Дополнительные напряжения в бетоне и арматуре развившиеся за время дшггельной выдержки колонн под нагрузкой определяются по формулам:

Мьа+[Н(т,) + Кг,(1)] У8(1) ^ +N«(1)

<5ьг.'(0=-;-1|'+ —--

.1(1) А<1)

Оь

--(ф, + Еь^егАе"*1) - ел, Еь,м / V,, (1)

Мьа+Мт,) УД0 Ыл

Оьг,(0 =-----1«+--

Ао

--(<Р, * + Еь.лг Де"1" ) - е^ Еьлг / V,. (2)

V, .

г

Мы, +N(1,) УДО " н» о8Л,'0) =--—а,, (3)

Мьа + Ь'(Т|) Уд (О

Ыд,

Зм

«(+-а,,

Асо

I, = Аь ¡ы3 + ^ + , (Ал,2 + А8' к,'2) , А, = Аь+ а, (А, + А,''), Е»

ЕьЛеГ

V)

где У1= 1+0,5(фо* + (р I *), у=0,45 Аь

N,•4,=-[0ьо - е1ЬгЕМсг (ф I * + Еь,лг Д е)

V,

Ч>,*+ЕьАе-г" 1',

Мьл=Мь ■

V,

± —[Н, (Ф , * + Еь.асгА е ) + V,

+ Еь^сг Аь е„11Г)]. Дополнительный прогиб вычисляется по формулам:

I2

я2 Емес<Г|

= тг2 Р т / /2

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10) (И)

К-.^л'Ем«,'.!,//2 Полные значения напряжений и прогибов для произвольного момента наблкдення 1 определяется как сумма начальных их значений сть(т1), 0',(Т|), 1(Т|) и дополнительных вычисленных по выше-приведенным формулам.

Вычисленные значения полных напряжений в наиболее сжатой арматуре и прогибов к моменту окончания длительных испытаний и..,еют вполне удовлетворительные соответствия с опытными значениями (см. тсблицу 1).

Таблица 1

Сопоставление вычисленных по формулам (1) .. . (24) напряжений п арматуре и прогибов колонн с данными

эксперимента

Шифр образна Начальный эксцентриситет, е,, мм Вычисленные напряжения, МПа Прогибы, мм Расхождение с опытными данными

в наиболее сжатой арматуре ы Гс, и

Начальные Полные Начальные Полные Онэ'.ы» Я 1>4

ал'.сд! Я"»

Д-4-1 2,5 243,2 432,8 0,44 0,70 0,99 0,93 1,52 0,84

Д-4-2 2,5 243,2 432,8 0,44 0,70 ' 0,95 0,94 1,38 0,8

Д-6-1 2,5 259,1 419,6 0,42 0,66 1,26 1,2 1,11 0,79 ■

Д-6-^ 4,0 272,2 438,6 ■ 0,57 0,99 КО 0,89 1,06 1,24 0,93

Д-8-1 4,0 267,7 404,4 0,54 0,Й5 ОМ ' 1,02 0,85

Д-8-2 2,5 255,4 387,7 0,42 0,52 1,09 1,07- • 1,04 0.81

Для расчета на прочность железобетонных элементов сжатых с заданными и случайными эксцентриситетами с высокопрочной арматурой на кратковременное действие изгибающих моментов и продольной силы предлагается использовать методику расчета с использованием расчетной модели напряженно-деформированного состояния сечения, включешюй в проект новых норм и включающей предложение Чистякова Е.А.:

- два уравнения равновесия внешних и внутренних сил в нормальном сечении - уравнение равновесия проекции всех сил на продольную ось Элемента и уравнение равновесия моментов всех сил относителыю какой-либо выбранной оси в' сечении элемента, перпендикулярной плоскости действия изгибающего момента;

- условие деформирования нормального, сечения в виде линейного распределения продольных деформаций бетона и арматуры по высоте сечения;

- диаграммы состояния (деформирование) бетона и арматуры.

За критерий исчерпания прочности нормальных сечений в соответствий с моделью напряженно-деформированного состояния сечения принято достижение. деформациями' сжатого бетона или растянутой арматуры в сече!ши элемента йхпредельных значении.

При расчете нормальное сечение железобетонного элемента представляется как набор из п элементарных участков бетона (с индексом 1) и из Ш стержней арматуры или группы стержней одинакового класса, расположенных в одной Плоскости, т.е. одинаково деформируемых, (с индексом к) (Рис.1).

Уравнения равновесия имеют вид:

а' я

N + 20ЫА^ + ^ЛДА-О, . ' (12)

.(-». к-1 .

ii m

N*e + £аъ,АыУь, + Х^АлУ* = О , (13)

Í-i i-i

где N - разрушающая продольная сила;

е - расстояние от силы N до некоторой выбранной оси, расположенной в пределах сечения элемента, относительно которой определяются моменты внутренних сил в бетоне и арматуре, с учетом прогиба элемента f; Ab¡ - площадь элементарных участков бетона; Ал - площадь сечеиия стержня арматуры или группы стержней; Уь, - расстояния от выбранной моментной оси до центра тяжести элементарных участков бетона;

у.к - расстояния от выбранной моментной оси до центра тяжести сечения арматуры;

Oí,, - напряжения на элементарных участках бетона; tjjit - напряжения в арматуре.

Удобно расположить моментную ось «О - 0» на растянутой Или менее сжатой грани сечения (Рис.1). Тогда расстояния от этой оси до центров одинаковых элементарных площадок бетона равны

уы = h - (i - 0,5) Ah (И)

Для арматуры у„ = h - а'; уп = а

Площади бетонных участков для прямоугольных сечений элементов

равны

Аы = Ь*ДЬ = Ь*Ь/п , (15)

Расстояние от выбранной оси до точки приложения силы N равно e = h/2+e0 + f , (16)

где ео - начальный эксцентриситет,

f - прогиб элемента при разрушении, определяемый по известной зависимости

I I2

^ — , (П)

г к

где 1 / г - кривюна элемента в наиболее напряженном сечении;

I - длила элемента между шарнирными опорами;

к - коэффициент, учитывающий распределение кривизн (эгаору кривизн) по длине элемента.

Связь между напряжениями и деформациями в арматуре и бетоне устанавливается в виде диаграмм состояния материалов.

Для ■ высокопрочной арматуры принимаем трехлинейную диаграмму состояния, рекомендуемую проектом новых норм (Рис.2). Для сжатого бетона рекомендуется по предложению Е.А.Чистякова принять диаграмму состояния, состоящую также из трех линейных участков, но отличающуюся от рекомендуемой проектом норм в связи с необходимостью учета особенностей деформирования бетона совместно со сжатой высокопрочной арматурой. Экспериментами установлено, что в процессе нагружения элемента Происходит, перераспределение усилий с бетона на арматуру с уменьшением напряжений в бетоне при увеличивающихся деформациях. Это явление учитывается ъ предлагаемой диаграмме состояния сжатого бетона наклонным участком (Рис.3).

Испытания показали, что начало ниспадающего участка примерно совпадает с ' усредненными деформациями центрально сжатых иеарми-ованных элементов при напряжениях Ль, которые примерно равны 2,3%о. Это значение деформация принято дня основной базовой точки диаграммы Еь„ = - 2,3%о при напряжении Оь = Яь. Вторая граница этого участка имеет значения ей = - 8%о и Оьг = 0,5 Яь-

Деформации Еы,, являются предельными деформациями при однородном напряженном состоянии бетона элемента с обычной арматурой (или неармированного). Как следует из опыта, в элементах с высокопрочной

арматурой предельная деформация бетона при однородном напряженном состоянии сечения (при центральном сжатии) увеличивается. Обозначим деформацию бетона, армированного высокопрочной сталью Еьо,.- Для определения значения этой предельной деформации воспользуемся зависимостью усредненных значении предельной деформации от коэффициента армировании при центральном сжатии

ем., = -2,3(1 + 10ц)* Ю-' , (18)

где р - коэффициент армирования высокопрочной сталью принимаемый в этой формуле не более 0,05.

Предельные деформации при неоднородном напряженном состоянии бетона в сжато-растянутом сечении (обозначим их Ем,.) принимаем равными еЬ2.. = К5*Еьо,. , (19)

Анализ значений предельных деформаций по испытаниям внецентренно сжатых элементов и их сопоставление с деформациями при центральном сжатии показали, что значе!ле коэффициента К, = бы. / Еьо,, для рассматриваемого случая может быть принято равным 1,5.

Поскольку критерием исчерпания прочности сечения является достижение деформациями сжатого бетона и предельных значений, принимаем для расчета несущей способности элемента деформацию на сжатой грани, равную ЕЬ,иц (Рис.1).

Значения деформации еЬ и!1 зависят от напряженно-деформированного состояния сечения и определяются по интерполяции между значениями бьод и Ем,.-

Рис. 1. Схема деформаций, напряжений и усилий в бетоне и арматуре в сечении элемента

Рис.3. Диаграмма состояния сжатого бетона

Деформации бепгона на соответствующих участках и деформации арматуры определяются с учетом их линейного распределения по высоте сечения элемента и расположения моментной оси «0-0» согласно рис.1 по формулам

£ы = еь.,!. - 1/г (Ь - уы ) , (20)

¿л = бМ1 - 1/г (Ь - у* ) . (21)

Если деформаций бетона какого либо участка еы > 0 (деформации удлинения), то для этих. участков принимают Еы = 0, так как работа растянутого бетона при расчете по прочности не учитывается.

По деформациям бетона и арматуры определяются напряжения с использованием диаграмм состояния бетона и арматуры.

По разработанной методике была определена несущая способность испытанных колонн. Результаты расчета приведены в таблице 2. Как видно, разработанная методика расчета достаточно хорошо отображает опыт.

В соответствии с методикой норм проектирования железобетонных конструкций расчет гибких сжатых железобетонных элемегггоя производится по прочности с учетом эксцентриситета приложения продольной силы N. увеличенного за счет прогиба. Влияние прогиба учитывается с помощью коэффициента г;, определяемого в зависимости от условной критической силы, принимаемой для расчета по опытным характеристикам материалов при кратковременном действии нагрузки, равной 8*ЕЬ 0,11

-[1Ь-+0,1) +а* I,] , (22)

1о2 0,1+5.

2.1

Таблица 2

Сравнение вычисленных разрушающих усилий с опытными данными

Шифр ОПЫТ расчет

колонн % кН г- мм %о 0/ ■ос Ксд1 , кИ мм к,', %0 г8, 0/ /оо

К - 4 - I 3,77 400 3,2 -4,12 -3,0 381 6,4 -3,76 -1,44 1,05

К - 4 - 2 3,71 3£0 2,4 6,4 -1,44 1,0

К - 4 - 3 3,77 455 2, -3.9 1т а 4')! с. < -3,77 -1,35 1,13

К - 4 - 4 3,77 4-10 3.2 -4,45 1 "3 40! 6,7 1 г~Ттт~ -1,35 1.1 .

Д-4-1 3,^7 4Р0 | 4,4 -4,2 ! | 430 ! •4'у -3,62 1 1 1,11

Д - 4 - 2 3,77 500 1 3 7 1 -1.4 ■ -3.1 ; 4з п 1 4,9 | -3,о-! | 1,16

[ 1С - б - 1 ' 5,63 4-0 ; 4,Я 1 -'.95 : 4 Л 1 10 | -\22 , 1 0,99

4__I __[__^ __.__■

: ч'"! л-; 1 -1 « : ^чт |~кГТ~122 ■ -1,1 с 0^95

-•,-•!■ I . | ;

Гь,05 ' ' 4/> • ~~ :;/й ~ -3,42* | -2,05 ! 1.0<

4~|Т£Г\ТХТчг? ¡'-:>Г|"5ГГ [ 5,81 -з,у? ) -зо I и?

Д - С) - 1 5.05 5,1 -4,701 '-2,4 5.-:; 5,8 -3,92 -2 0е ■ ¡,1?

Д - 6 - 2 5,65 0,10 4,9 -4.?3 | -2.31 5о! -3.92 -2.05 1.05

К - 8 - 1 7,54 650 4,2 -3,85 -2,3 651 7,7 -4,0» -1,61 1.0

К - 8 - 2 7,54 635 4,6 -3,95 -2,35 651 7,7 -4,06 -1,61 0,93

К - 8 - 3 7,54 730 4,8 -4,33 -2,68 731 4,3 -3,81 -2,4 1,0

К - 8 - 4 7,54 780 5,0 -4,15 -2,75 731 4,3 -3,81 -2,4 1,07

Д-8-1 7,54 755 5,35 -4,67 -2,28 731 4,3 -3,81 -2,4 1,03

Д-8-2 7,54 740 5,85 -4,92 -2,17 731 4,3 -3,81 -2,4 1,01

среднее отклонение 1,05

Обозначения; Nlesl, Nc,i - опытная и расчетная несущая способность колонн;

f- прогиб;

в', и е, - деформации наиболее и менее сжатой (растянутой) арматуры;

Примечание. Опытные значения прогиба и деформаций арматуры соответствуют стадии, близкой к. разрушению.

Здесь 1Ь , I. - моменты инерции соответственно бетонного сечения и арматуры;

Еь - модуль упругости бетона;

id - расчетная длина элемента;

8е - коэффициент, определяемый по соответствующей формуле норм;

а = Es / Еь, где Es - модуль упругости арматуры.

Прочность сечения определяется из условий равновесия. Напряжения в упруго работающей арматуре вычисляются по формуле О«.» <о

■ ■ [—-!)> (23)

1-со/1,1 &

Методика норм ориентирована на расчет элементов без учета особенностей работы бетона со сжатой высокопрочной арматурой.

Для того, чтобы распространить методику норм на расчет железобетонных элементов со сжатой высокопрочной ненапрягаемой арматурой был проведен анализ формул (22) и (23), в которых должно отражайся влияние повышенной предельной деформативности бетона.

Анализ показал, что в формуле (22) следует ввести поправки, понижающие жесткость бетонного сечения и увеличивающие жесткость арматурного каркаса.. Но поскольку эти поправки приводят к противоположным результатам, в целом эта. формула дает приемлемые результаты и может быть применена без корректировки.

, Влияние высокопрочной арматуры в формуле (23) следует учитывать, принимая значение osc a по формуле

fsc.u= 2,3 (1 + 10-р) Е, * 10"3 , (24).

где д - коэффициент армирования, принимаемый в этой формуле не более 0,П5.

Вычисленная несущая способность но откорректированной методике норм достаточно хорошо согласуется с опытом автора и других соискатели. Расхождение не превышает 10%.

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Проведенные исследования показали высокую эффективность применения в сжатых железобетонных элементах средней гибкости высокопрочной арматуры класса Ат-VI. Напряжения в сжатой высокопрочной арматуре могут достигать 800 МПа и зависят от предельных деформации сжатого бетона.

Замена обычной арматуры класса А-Ш в колоннах средней гибкости (1/h = 10... 16) на высокопрочную повышает несущую способность колонн до 40%.

Значение повышения несущей способности колонн такой гибкости зависит в основном от процента армирования. Чем выше процент армирования, тем больше это повышение.

2. Предельная деформатавностъ сжатого бетона связана с процессом перераспределения усилий с бетона на упр; го работают, ю арматуру (в результате проявления неупругих деформаций в бетоне), что приводит к уменьшению напряжений в бетоне. Степень перераспределения усилий зависит от количества высокопрочной арматуры (процента армирования).

3. Длительная выдержка (190 суток) колонн под постоянной нагрузкой с уровнем 0,65 кратковременной разрушающей нагрузки не снизила несущей способности колонн при кратковременном их догружении до разрушения.

4. Результаты экспериментальных исследований подтвердили приемлемость гипотез и допущений, положенных в основу расчетной деформационной модели напряженно-деформированного состояния нормального сечения с учетом работы сжатой высокопрочной арматуры.

5. Разработана методика определения напряженно-деформированного состояния сжатых сечений при кратковременном и длительном нагружении, учитывающая неупругое состояние бетона при повышенном содержании высокопрочной продольной арматуры.

6. Сопостачление вычисленных по предлагаемой методике парамефов нанряжешю-леформнровашгого состояния с опытными значениями показало ирс удовлетворительное соответствие как при кратковременном, так ч при длительном нагружении.

7. Разработана методика расчета сжатых железобетонных элементов по прочности па основе полон модели напряженно-деформированного состояния сечения.

■ 8. Сравнение результатов расчета несущей способности колонн по методике, основанной на расчетной деформационной модели, а также по методике норм, развитой применительно к армированию из высокопрочной стали, с экспериментом показало достаточно хорошее их соответствие.

Содержание диссертации изложено в следующих работах:

1.Кхлифи X., Захаров В.Ф. Экспериментальное исследование железобетонных колот с повышенным содержанием высокопрочной арматуры // Строительство и архитектура. -Тверь: Тв.П'У, 1998.

2.Захаров В.Ф., Кхлифи X. Сопротивление длительному сжатию центрально-сжатых колонн // Тезисы докладов, конференции молодых ученых и специалистов Тверского региона. -Тверь; Тв.ГТУ, 1995.

3.Кхлнфи X., Захаров В.Ф. Длительное деформирование железобетонных колтш с высокопрочной арматурой. - Тверь: Тв.ГТУ, 1997. -Деп. в ВИНИТИ, №2254-В97.

4. Кхлифи X., Захаров В.Ф. Несущая способность железобетонных колонн с высокопрочной арматурой при повышенных коэффициентах армирования. - Тверь: Тя.П V, 1997. -Деп. в ВИНИТИ, №2255-В97.