автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Несущая способность трубобетонных элементов с бетоном, твердеющим под давлением

/ ' (■■ I е I т »• •

М / ' <4 Ч -" *"} / ' X

/ ' ^ V" I < < V

САМАРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

Сахаров Андрей Александрович

УДК 624.071

Несущая способность трубобетонных элементов с бетоном, твердеющим под давлением

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания

и сооружения

Диссертация

о \

на соискание ученой степени кандидата технических наук \

Научный руководитель: чл. корр. РААСН, профессор, д.т.н. Г.В.Мурашкин

Самара

1999

Оглавление

Введение .................................................................................. 4

1. Общие сведения о трубобетонных конструкциях, состоянии их исследований ...................................................... 8

1.1. Преимущества и недостатки трубобетона ...........................................8

1.2. Применение трубобетонных конструкций в строительной практике ....................................................................12

1.3. Исследования прочности трубобетонных элементов .... 20

1.3.1. Первые экспериментальные исследования трубобетона ................................................................ 20

1.3.2. Основные теоретические и экспериментальные исследования в области трубобетона. Особенности расчета ........................ ............................................... 25

1.4. Высокопрочный бетон. Методы повышения

прочности. Бетон, твердеющий под давлением (БТД).. 47

1.5. Выводы. Цель и задачи диссертационной работы ........ 55

2. Методика экспериментальных исследований ................... 59

2.1. Программа экспериментальных исследований.

Задачи и объем. Серии образцов для испытаний ..................59

2.2. Используемые приборы и оборудование................................................64

2.3. Конструкция трубобетонных образцов с БТД ..........................65

2.4. Конструкция оснастки. Технология изготовления трубобетонных образцов с БТД ........................................66

2.5. Проектирование оптимального состава бетона ..........................74

2.6. Методика проведения испытаний бетона и трубобетона......................................................................... 77

3. Прочность и деформации трубобетонных элементов с бетоном, твердеющим под давлением. Результаты экспериментальных исследований .................................... 86

3.1. Физико-механические характеристики бетона ............... 86

3.2. Испытания стали труб ................................................... 89

3.3. Деформации трубобетонных элементов с БТД под нагрузкой. Анализ и сравнение трубобетонных элементов с БТД и трубобетонных элементов с

бетоном обычного твердения ......................................... 90

3.4. Прочность исследуемых трубобетонных элементов ...... 104

3.5. Выводы .......................................................................... 109

4. Прочность трубобетонных элементов с БТД............... 112

4.1. Образование начального поля напряжений в оболочке и бетоне ядра трубобетонного элемента после сброса

112

опрессовочного давления ................................................ 11^

4.2. Повышение прочности бетона ядра трубобетонного элемента за счет твердения под давлением ................... 117

4.3. Предельное состояние по прочности для трубобетонных элементов с БТД.................................. 118

4.4. Применение физической модели прочности бетона в исследовании трубобетонных конструкций с БТД....... 122

4.5. Расчет прочности трубобетонных элементов с БТД при осевом сжатии .........................................................

4.6. Опытное проектирование и технико-экономическая эффективность трубобетонных конструкций с БТД ... < 136

4.7. Выводы........................................................................... 140

5. Общие выводы................................................................ 142

6. Литература ........................1............................................. 145

7. Приложения .................................................................... 151

Введение

Актуальность темы диссертации

Проблема экономии стали и бетона имеет особую актуальность в строительстве. Одним из направлений в решении этой проблемы является снижение материалоемкости и уменьшения поперечного сечения конструкций за счет применения высокопрочных материалов, а так же наиболее полного использования специфических свойств обоих строительных материалов, создания для них наивыгоднейших напряженных состояний в конструкциях. Этим требованиям отвечают трубобетонные элементы.

Трубобетон представляет собой комплексный материал, в котором сталь и бетон объединены для совместной работы. Стальная оболочка качественно улучшает условия работы бетона колонн под нагрузкой. Колонны из труб, заполненных бетоном, воспринимают большие продольные усилия по сравнению с железобетонными колоннами с сопоставимым сечением и коэффициентом армирования, а при той же несущей способности обеспечивают экономию бетона более чем в 2 раза. С применением высокопрочного бетона эффективность трубобетонных колонн возрастает.

Установлено, что именно повышение прочности бетона ядра в наибольшей степени влияет на прочность и жесткость трубобетонного элемента в целом. Кроме того, в последнее десятилетие трубобетон находит все более широкое применение в основном в качестве тяжело нагруженных несущих колонн, например в высотных зданиях, с обязательным применением высокопрочного бетона с Кь до 130 МПа.

Для повышения прочности бетона ядра применяются

различные методы. Например уплотнение прессованием, центрифугирование.

В данной работе предлагается прочность бетона ядра повышать с применением технологии бетона, твердеющего под давлением (БТД). Технология БТД позволяет значительно увеличить прочность бетона, изготовленного даже на рядовых заполнителях, с цементом марки 300, 400. Прочность БТД значительно превосходит прочность обычного бетона исходного состава и определяется в зависимости от создаваемого опрессовочного давления при твердении. В исследуемых коротких трубобетонных элементах с БТД стальная труба-оболочка выполняет одновременно функции продольного и поперечного армирования, а так же служит одновременно и как несъемная оснастка при создании давления в бетоне при твердении. Одновременно труба оказывается в значительной степени предохраненной от потери местной и общей устойчивости на всех стадиях загружения трубобетонного элемента.

В России, несмотря на экономичность и большие

V

преимущества, трубобетонные конструкции, до настоящего времени, не получили широкого применения в строительстве. Одной из причин этого положения является отсутствие в СНиП четких положений по расчету трубобетона, в то время как в литературных источниках предлагаемые методы порой противоречат друг другу.

Вопрос актуален так же в связи с расширением применения индивидуальных проектных решений, основанных на прогрессивных технологиях.

Основные положения, выносимые на защиту соответствуют задачам диссертационной работы:

- разработана оснастка для создания опрессовочного давления в бетоне ядра трубобетонного элемента;

- технология изготовления трубобетонного элемента с БТД;

- исследовано влияние технологии БТД на прочность бетона ядра разработанных трубобетонных элементов;

- исследована несущая способность и деформации трубобетонных элементов с БТД при осевом сжатии;

- разработана методика расчета прочности трубобетонных элементов конструкций с учетом напряжений в стальной оболочке, вызванных технологией БТД.

Научная новизна заключается в том, что:

- разработана новая технология изготовления трубобетонных элементов и изготовлены трубобетонные элементы с применением бетона, твердеющего под давлением (БТД).

- впервые исследовано влияние технологии БТД на прочность бетона ядра, на прочность и деформации трубобетонного элемента в целом.

- разработана методика расчета прочности трубобетонных элементов с учетом напряженного состояния бетонного ядра и

о » в ТГ Т 71

напряжении в стальной оболочке, вызванных технологией ЫД;

- даны предложения по оценке предельного состояния трубобетонного элемента с БТД и возможности рационального применения технологии БТД в трубобетонных элементах.

Практическое значение работы заключается в том, что разработана технология изготовления трубобетонных элементов с бетоном, твердеющим под давлением, обоснована возможность применения её для повышения прочности бетона в трубобетонном элементе, прочности и жесткости трубобетонного элемента в целом, Разработана методика расчета трубобетонных элементов с БТД, произведено опытное проектирование тяжело нагруженных колонн первых этажей многоэтажного здания. Результаты работы использованы в учебном процесе.

Апробация работы

Материалы диссертации доложены и обсуждены на 5 межвузовских и трех международных научно-технических конференциях. По теме работы имеется 6 публикаций, в том числе 1 в журнале Известия высших учебных заведений.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, указателя использованной литературы и приложений. Текст изложен на 156 страницах (исключая приложения), иллюстрирован 44 рисунками и таблицами. В указателе литературы содержится 102 отечественных и переводных источника.

1. Общие сведения об особенностях работы трубобетонных элементов

Известно, что прочностные и деформативные свойства конструкций существенно зависят от характера напряженного состояния, обусловленного внешней нагрузкой. Рациональное сочетание специфических свойств материалов при различных напряженных состояниях дает возможность получать достаточно экономичные конструкции. Конструкции из стальных труб, заполненных бетоном как раз и эффективны в этом отношении.

1.1. Преимущества и недостатки трубобетона

Трубобетон представляют собой комплексный материал, в котором сталь и бетон объединены для совместной работы. При этом по сравнению с железобетонными конструкциями расходуется в 3-4 раза меньше бетона при примерно одинаковом расходе стали, а стоимость конструкций снижается при этом на 45%[102],[100]. По сравнению с металлическими конструкциями при применении трубобетона экономится до 40-50% стали. Применение трубобетонных конструкций уменьшает вес сооружений в 2 - 3 раза, трудозатраты 4-5 раз [31].

Такая эффективность трубобетонных конструкций объясняется тем, что бетон в трубе в процессе работы конструкций находится в условиях объемного напряженного состояния, точнее в условиях всестороннего сжатия. Стальная труба-оболочка выполняет одновременно функции как продольного, так и поперечного армирования. Боковое давление трубы препятствует интенсивному развитию микротрещин разрыва

в бетонном ядре под нагрузкой. В этих условиях бетон способен претерпевать напряжения больше тех, которые он способен выдерживать в состоянии одноосного сжатия, деформации его могут быть сравнены с деформациями пластичных материалов. Благодаря этому значительно увеличивается прочность бетона в трубобетоне, а его максимальные осевые сжимающие напряжения значительно превышают призменную прочность [100], [102]. Таким образом, специфические свойства бетона в трубобетоне используются наиболее полно. Сама же труба, заполненная бетоном оказывается в значительной степени предохраненной от потери как местной, так и общей устойчивости.

Особенно эффективно трубобетон работает в центрально- и внецентренносжатых элементах конструкций при больших нагрузках.

По сравнению с обычными железобетонными, трубобетонные конструкции более индустриальны при изготовлении и монтаже.

Труба-оболочка служит одновременно опалубкой при изготовлении самой конструкции. Заполнение труб бетоном не вызывает затруднений технологического порядка [24]. Хорошее уплотнение и структура бетона обеспечивается из-за отсутствия или достаточно разреженного арматурного каркаса. Из достаточно разработанных способов можно отметить заполнение труб бетоном малогабаритными насосами [41], использование метода центрифугирования [100] и др. Для изготовления трубобетонных конструкций можно с успехом использовать существующие заводы ЖБИ или же заполнять трубы бетоном на монтажной площадке строительства.

Трубобетонные конструкции сравнительно легки и транспортабельны, хорошо противостоят механическим

повреждениям. Соединения отдельных трубобетонных элементов между собой, а также узловые соединения с примыкающими конструкциями производится с помощью болтов, на фасонках или же с помощью электросварки без фасонок. Трубобетонные стержни выгодно применять в пространственных решетчатых системах различной конфигурации. Количество типоразмеров отправочных элементов конструкций этих систем при этом может быть снижено.

Трубобетонные конструкции очень надежны в эксплуатации. Об этом свидетельствует то, что в предельном состоянии (по прочности), получая большие деформации, трубобетонный элемент и далее может нести значительную нагрузку. Это подтверждено многочисленными экспериментами. Например, Марениным В.Ф. [53], Стороженко Л.И. [95].

Трубобетонные конструкции обладают преимуществами рациональных трубчатых металлических конструкции. Из преимуществ трубчатых профилей следует отметить повышенную коррозионную стойкость (по сравнению с другими формами металлоконструкций), объясняющуюся тем, что на поверхности труб в меньшей степени задерживается влага и грязь. Наружные поверхности трубчатых конструкций примерно в 2 раза меньше чем в обычных сквозных [75]. Они лучше доступны для осмотра, их легче очищать и окрашивать. Это дает экономию при эксплуатации сооружений, повышает долговечность трубобетонных конструкций. Внутренняя поверхность трубы в этих конструкциях надежно защищена от коррозии находящимся там бетоном. Однако эксплуатационные расходы на защиту поверхности конструкций от коррозии несколько повышены по сравнению с железобетонными конструкциями.

При применении трубобетона достигается выигрыш в нагрузках на высотные сооружения, подверженные ветровым нагрузкам и уменьшение усилий в элементах конструкций при использовании трубобетонных стержней (давление ветра на цилиндрическую поверхность составляет 2/3 от давления его на соответствующую плоскость) [6], [75].

Жесткость трубчатого сечения и его сопротивление кручению значительно выше, чем у обычных открытых сечений. Круглое сечение является экономичным при требовании равноустойчивости сжатого стержня.

Высокая технико-экономическая эффективность трубобетона доказана в работах Долженко A.A. "Трубобетонные конструкции на строительстве производственного здания" [23]; Кикин А.И., Санжаровский P.C., Трулль В.А. "Конструкции из стальных труб, заполненных бетоном" [31]; Мищенко А.И. "Исследование экономической эффективности применения трубобетонных конструкций в инженерных сооружениях" [59]; Стороженко Л.И. "Трубобетонные конструкции" [89].

Требования технологического процесса производства практически не ограничивают области применения трубобетона. Он может работать при сложном температурно-влажностном режиме, в условиях агрессивной среды, при любых пролетах зданий и сооружений, при любом характере оборудования значительного числа производств, где применение обычного железобетона затруднено.

К недостаткам трубобетонных конструкций можно отнести сложность контроля качества бетона в трубе, что особенно актуально в последнее время, при применении высокопрочного бетона, созданного с применением различных присадок, добавок.

Этот недостаток может быть устранен, если уплотнять бетон в трубе методом центрифугирования или прессованием. Бетон в этих случаях, даже несмотря на образующуюся полость при центрифугировании, обладает значительно более высокой прочностью по сравнению с вибрированным бетоном. Технология БТД, примененная автором в элементах трубобетонных конструкциях призвана так же решить эту проблему [65].

1.2. Применение трубобетонных

конструкций в строительной практике

Область применения трубобетона весьма обширна. Трубобетонные конструкции применяются в специальном, промышленном и гражданском строительстве, в мостостроении, в машиностроении, в шахтной и в других областях строительства. Трубобетон с успехом можно применять в колоннах, в сжатых поясах арок и элементах большепролетных ферм, в мостовых опорах и пролетных строениях, в стойках сооружений рамной конструкции, в несущих конструкциях общественных и жилых зданий, в опорах линий высоковольтных электропередач, в высотных радио и телевизионных мачтах, в несущих конструкциях морских платформ [4] и других сооружениях.

Трубобетонные конструкции используют в строительстве во многих странах мира. Еще в 1922 году был запроектирован трубобетонный арочный мост через реку Гудзон в Нью-Йорке с 730 метровым средним и 633 метровым крайним пролетами. В 1927

году из трубобетона запроектирован арочный мост через

канал в Стокгольме. В 1931 году в восточном предместье Парижа построен пешеходный мост из арок пролетом 9 метров, армированных трубами диаметров 60 х 3,5 мм, заполненных бетоном. Это пример использования так называемых многотрубных пакетов.

В 1936 г. под руководством акад. Передерия Г.П. был сооружен мост им. Володарского чере�