автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность и деформативность сталежелезобетонных изгибаемых конструкций гражданских зданий при различных видах нагружения

На правах рукописи

ЗАМАЛИЕВ ФАРИТ САХАПОВИЧ

ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗГИБАЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ ГРАЖДАНСКИХ ЗДАНИЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ НАГРУЖЕНИЯ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

005544436

1 6 ЯНВ 2014

Москва-2013

005544436

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет»

Официальные оппоненты: Белый Григорий Иванович

доктор технических наук, профессор, Закрытое акционерное общество «Эркон», директор

Алмазов Владлен Ованесович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (МГСУ), профессор кафедры «Железобетонные и каменные конструкции»

Васильев Александр Ильич

действительный член PAT, доктор технических наук, профессор, Закрытое акционерное общество «Научно-проектный институт ИМИДИС», директор по науке

Ведущая организация: Государственное унитарное предприятие Рес-

публики Татарстан «Головная территориальная проектно-изыскательская, научно-производственная фирма «Татннвестграждан-проект», технический отдел, г.Казань

Защита состоится » 2014 г. в Ж' часов на заседании

диссертационного совета Д 303.015.01 при ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова» по адресу: 117997, г. Москва, ул. Архитектора Власова, 49, комн. 314.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова».

Просим Вас принять участие в защите и направить отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью организации, в секретариат совета по указанному выше адресу.

Телефон/факс +7 (495) 660-79-40 E-mail: n.simon@stako.ru

Автореферат разослан » 2013г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 303.015.01, кандидат технических наук

Симон Наталья Юрьевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Рыночные отношения, интенсивно развивающиеся в нашей стране, диктуют необходимость повышения долговечности зданий, применения экономичных решений, которые в большей степени определяются совершенствованием проектных и конструктивных решений при максимальном снижении материалоемкости строительства. Решение этих задач должно быть в первую очередь обеспечено в ведущих отраслях строительства, в том числе при строительстве и реконструкции гражданских зданий. Важнейшим видом несущих конструкций гражданских зданий являются перекрытия. Анализ проектных решений показывает, что в гражданских зданиях, особенно в высотных зданиях, которые в последнее время все больше применяются в нашей стране, в период интенсивного развития рыночных отношений, более 30-40% материалов расходуется на перекрытие. Перекрытия испытывают в реальных условиях длительные, а иногда - повторные нагружения. В высотных зданиях на технических этажах устанавливаются разного рода неуравновешенные машины (вентиляторы, компрессоры, центрифуги и т.п.), являющиеся источниками многократно повторных нагрузок. В зальных помещениях памятников архитектуры, предназначенных для проведения массовых мероприятий, на перекрытиях также возможно возникновение многократно повторных нагружений. Методы расчета, применяемые при проектировании перекрытий зданий, должны обеспечить рациональное расходование материалов в них, расчеты необходимо вести с учетом условий эксплуатации на длительные и повторные нагружения.

При реконструкции гражданских зданий очень часто приходится сталкиваться с тем, что деревянные балки перекрытий, применявшиеся вплоть до 50-х годов XX века, в большинстве случаев потеряли несущую способность из-за нахождения в неблагоприятных влажностных и температурных условиях эксплуатации. Кроме того, при реконструкции зданий и сооружений, особенно архитектурных памятников, к перекрытиям и покрытиям предъявляют жесткие требования как реставраторы, так и надзорные органы. При проектировании и самого процесса реконструкции отслужившие нормативный срок эксплуатации деревянные перекрытия меняют частично или полностью на новые перекрытия. Требования по реставрации и реконструкции памятников архитектуры диктуют сохранение внешних и внутренних архитектурных решений, что возможно только при сохранении статической связности здания, первоначальных отметок пола и потолка перекрытий, а также при поэлементной замене деревянных балок. Здесь на помощь приходят железобетонные перекрытия по стальным балкам. При обеспечении совместной работы плиты с балкой создается сталежеле-зобетонное перекрытие, используемое в последние годы в перекрытиях гражданских зданий во многих странах мира, в том числе и в России.

С 1992 по 2010 годы с участием автора реконструировано множество архитектурных памятников в г. Казани с восстановлением работоспособности междуэтажных перекрытий: здание городского общественного центра по ул. К.Маркса, 38/5; жилой дом по ул. Лобачевского, 9/30; здание театра юного зрителя, дом купца Александрова - Шувалова; здание Казанского государственного

академического большого драматического театра им. В.И.Качалова, здание хореографического училища, музей Б.Урманче; здание Алафузовского театра; Александровский пассаж; национальный общественный центр; здание ДУМ РТ; исторический комплекс мечети Марджани; главное здание железнодорожного вокзала; главное здание выставочного центра «Казанская ярмарка»; здание бывшей Мариинской гимназии; городское концертно-филармоническое объединение; дом студентов КГМУ; здание филиала МГАХИ им. В.И. Сурикова в г. Казани и др.

Работы по восстановлению междуэтажных перекрытий продемонстрировали технологичность выполнения, уменьшение веса перекрытий, сохранение статической связности зданий, исключение поддерживающих подмостей и лесов, исключение зыбкости, характерной для деревянных перекрытий.

При проектировании сталежелезобетонных конструкций использовались методы расчета железобетонных элементов с жесткой арматурой, а в ряде случаев - методы расчета мостовых сооружений (которые отличаются от несущих элементов гражданских зданий большей жесткостью составных частей в 100 - 500 раз). В основном расчеты сталежелезобетонных конструкций выполнялись в предположении упругой работы стальной балки и без учета податливости контакта слоев, пространственной работы перекрытия.

Проблемы прочности сталежелезобетонных элементов при циклических, длительных статических нагружениях, пространственная работа, доэксплуата-ционное напряженно-деформированное состояние экспериментально не изучены. Детальный их анализ позволил обосновать направления наших исследований.

Нерешенность проблемы, значительное количество зданий, подлежащих реставрации и реконструкции и охраняемых по перечням ЮНЕСКО, России и Республики Татарстан и муниципального уровня, стали предпосылкой для экспериментальных и теоретических исследований, разработки новых методов расчета прочности и деформативности сталежелезобетонных изгибаемых элементов при реальных условиях нагружений и деформирования материалов в составе единой конструкции с учетом податливости соединения слоев «сталь-бетон».

Цель и задачи исследований.

Цель работы - создание и развитие эффективных методов расчета прочности, выносливости и проведение экспериментальных исследований, наиболее полно учитывающих прочностные свойства материалов и податливость контакта слоев сталежелезобетонных конструкций, используемых в восстанавливаемых и реконструируемых зданиях. При этом учтены физическая нелинейность бетона и стали, податливость соединения железобетонной полки со стальной балкой при различных видах нагружения (кратковременное и длительное статические и малоцикловое нагружения), а также пространственная работа сталежелезобетонных конструкций.

Основными задачами исследований являются:

- изучение особенностей изменения прочности и малоцикловой выносливости, напряженно - деформированного состояния сталежелезобетонных изгибае-

мых конструкций под действием статических и малоцикловых нагрузок при учете физической нелинейности бетона и стали, а также податливости контакта слоев;

- проведение экспериментальных исследований по выявлению прочности и малоцикловой выносливости сталежелезобетонных изгибаемых элементов, находящихся под воздействием кратковременной, длительной и циклической нагрузок;

- разработка методик расчета прочности при действии кратковременного, длительного статического нагружений и выносливости при действии циклического нагружения сталежелезобетонных изгибаемых элементов, с учетом физической нелинейности бетона и стали, податливости контакта слоев, пространственной работы сталежелезобетонных конструкций;

- сравнительный анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований, оценка точности предлагаемых методик расчета.

Научную новизну диссертации составляют:

- аналитические зависимости для вычисления усилий сдвига по контакту сопряжения железобетонной полки и стальной балки с учетом податливости контакта при различных видах нагружения (кратковременное и длительное статические и малоцикловое нагружения);

- зависимости для вычисления предельной сдвигающей силы, воспринимаемой анкерными связями по контакту между железобетонной полкой и стальной балкой при различных видах нагружения (кратковременное и длительное статические и малоцикловое нагружения);

- деформационные методы расчета прочности на статические нагружения и выносливости на циклические нагружения сталежелезобетонных изгибаемых конструкций с учетом аналитических диаграмм деформирования бетона и стали при неподатливом и податливом соединении железобетонной полки и стальной балки;

- упрощенные (инженерные) методы расчета прочности и малоцикловой выносливости сталежелезобетонных изгибаемых конструкций при неподатливом соединении и с учетом податливости контакта железобетонной полки и стальной балки;

- методы оценки прочности сталежелезобетонных перекрытий, отдельных сталежелезобетонных балок с учетом их пространственной работы в составе перекрытия;

- экспериментальные результаты об особенностях работы сталежелезобетонных балок, о характере разрушения и о развитии в них прогибов, деформаций материалов при однократном кратковременном, длительном и малоцикловом нагружениях, о пространственной работе, о напряженно - деформированном состоянии сталежелезобетонных конструкций в доэксплуатационной стадии.

Автор выносит на защиту:

- результаты экспериментальных исследований прочности сталежелезобетонных изгибаемых элементов при различных видах нагружения (кратковременное и длительное нагружения);

- результаты экспериментальных исследований малоцикловой выносливости сталежелезобетонных изгибаемых конструктивных элементов;

- результаты экспериментальных исследований доэксплуатационного напряженно-деформированного состояния сталежелезобетонных конструкций;

- результаты экспериментальных исследований пространственной работы сталежелезобетонных фрагментов перекрытий при однократном кратковременном статическом нагружении;

- деформационные методы расчета прочности на статические нагружения и выносливости на циклические нагружения сталежелезобетонных изгибаемых конструкций с учетом аналитических диаграмм деформирования бетона и стали при неподатливом и податливом соединении железобетонной полки и стальной балки;

- инженерный метод расчета прочности на статические нагружения, малоцикловой выносливости сталежелезобетонных изгибаемых элементов при неподатливом соединении и с учетом податливости контакта;

- метод расчета прочности сталежелезобетонных плит со стальными ребрами с учетом их пространственной работы.

Практическая значимость работы определяется созданием и развитием в рамках диссертации эффективных методов расчета и экспериментальных исследований, наиболее полно учитывающих специфику работы сталежелезобетонных конструкций, используемых в восстанавливаемых и реконструируемых зданиях.

Разработаны методы расчета прочности и выносливости нормальных сечений сталежелезобетонных изгибаемых элементов при различных видах нагружения (кратковременное, длительное статические и малоцикловое нагружения), без учета податливости контакта и с учетом податливости контакта, методы оценки прочности сталежелезобетонных изгибаемых элементов с учетом их пространственной работы, а также с учетом первоначального доэксплуатационного напряженно - деформированного состояния.

Разработанные методы оценки прочности и выносливости сталежелезобетонных изгибаемых элементов на действие различных видов нагружении, при неподатливом и податливом контакте железобетонной полки и стальной балки позволяют значительно повысить надежность составных конструкций, их расчетную несущую способность, получить наиболее экономичные, научно обоснованные конструктивные решения.

Апробация работы. Представленная работа опирается на результаты научной и проектной деятельности автора по развитию известных и разработке новых методов расчета, в том числе используемых при реконструкции архитектурных памятников. Научно-техническая деятельность отражена в отчетах по НИР, выполненных по госбюджетной и хоздоговорной тематике КазГАСУ в период с 2002 по 2013 годы автором, перечень которых представлен в приложении к диссертации. Отчеты по НИР утверждены и зарегистрированы в установленном порядке, все исследования проводились в соответствии с рабочими программами. Основные результаты диссертационной работы докладывались и опубликованы в сборниках научных трудов международных и Всероссийских

научно-практических конференций, посвященных совершенствованию методов проектирования, реконструкции зданий и сооружений, возрождению исторических городов, теории архитектурной и строительной наук. Результаты обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях Казанского ГАСУ в период с 1992 по 2013 г.г., на международном симпозиуме «Реконструкция Санкт-Петербурга - 2005» (Санкт-Петербург, 1992 г.), на Российской научно - практической конференции «Актуальные проблемы транспорта России» (Саратов, 2730 сентября 1999 г.), на Российском научно-практическом семинаре «Проблемы реконструкции и возрождения исторических городов» (Казань, 22-24 марта 1999 г), на академических чтениях РААСН в октябре 2000 г. в г. Казани, на II межрегиональном научно -практическом семинаре «Эксплуатация и реконструкция зданий и сооружений (Чебоксары, 2001 г.), на международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (Пенза, 28-30 мая 2002 г.), на всероссийской заочной конференции Тверского ГТУ (Тверь, 2002 г.), на международной научно - технической конференции «Современные проблемы совершенствия и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте» (Самара, 23-26 сентября 2002 г.), на II международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции; теория и практика» (Пенза, 2628 ноября 2003 г.), на III международной научно-практической конференции «Развитие современных городов и реформа ЖКХ» (Москва, 6-7 апреля 2005 г.), на международной научно - практической конференции «Город и экологическая реконструкция жилищно - коммунального комплекса XXI века» (Москва, 2006 г.), на секциях научно-технического совета ФГОУ ВПО «Казанский государственный университет» (Казань, май 2010г., июнь 2013г.), на секции научно-технического совета ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова (Москва, 13 марта 2013г.), на международной научно - практической конференции «Актуальные проблемы строительного и дорожного комплекса» (Йошкар-Ола, 4-6 июня 2013 г.) и др.

Выполнены практические работы по восстановлению работоспособности междуэтажных перекрытий исторических зданий - памятников архитектуры XIX, XX вв. в г. Казани. Справки о внедрении приложены в конце диссертации.

Результаты научных исследований используются в учебном процессе студентами при выполнении дипломных проектов, а также при чтении лекций по курсу «Современные архитектурные конструкции».

Степень достоверности результатов.

Обозначенные задачи решались на основе натурных экспериментов, выполненных в лабораторных и заводских условиях, а также на основе теоретических исследований с использованием разработанных методов расчета на основе предложенных расчетных моделей работы составных сталежелезобетонных конструкций при различных видах нагружения. Достоверность экспериментальных исследований обеспечивается использованием современной измерительной аппаратуры исследовательской лаборатории и действующего оборудования технического контроля домостроительного комбината, обеспечивающих требуемую точность измерений при испытаниях. Достоверность результатов ис-

следований, методов расчета на основе предложенных, расчетных моделей подтверждается сравнительным анализом результатов, полученных опытным и расчетным путем.

Личный вклад заключается в выборе темы, столь актуальной для гражданских зданий на сегодняшний день, в самостоятельной формулировке цели и основных задач исследований, а также в подготовке и проведении обширного объема экспериментальных исследований: начиная с призм и балок до фрагмента перекрытия в натуральную величину; в получении результатов с помощью программных комплексов; в совершенствовании и разработке методик расчета на прочность и выносливость сталежелезобетонных элементов с учетом податливости контакта на различные виды нагружения; в выявлении деформаций и напряжений стапежелезобетонной конструкции в период ее возведения.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 46 печатных работ, в том числе 17 статей в изданиях, включенных в Перечень ВАК. Получены документы, подтверждающие внедрение предложенных автором методов расчета и конструирования, выполнения работ по восстановлению работоспособности междуэтажных перекрытий исторических зданий от различных организаций Республики Татарстан.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений: противопожарные мероприятия по защите стальных балок и бетона от прямого воздействия огня, справки о внедрении предложенных методов расчета и конструирования.

Общий объем работы составляет 382 страниц, в том числе 317 страниц машинописного текста, 198 рисунков, 15 таблиц и список литературы из 374 наименований.

Диссертационная работа выполнена в Казанском Государственном архитектурно-строительном университете на кафедре «Металлических конструкций и испытания сооружений» в 1988-2013 г.г.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность, излагается содержание работы.

В первой главе диссертации проанализированы и обобщены результаты поиска отечественными и зарубежными исследователями, начиная с 19 века, конструктивных решений по увеличению прочности стержневых изгибаемых элементов перекрытий из бетона и стальной балки.

Выполнен обзор ранее проведенных исследований, в которых выявлены закономерности работы составного сечения изгибаемого элемента в зависимости от конструктивных особенностей сталежелезобетонных элементов, проанализированы существующие методы расчета прочности нормальных сечений.

Прочностные свойства сталежелезобетонных изгибаемых конструкций определяются прочностью и деформативностью бетона и стали, зависят от условий их совместного деформирования в составе сталежелезобетонного изгибаемого элемента. Эти вопросы в разное время рассматривались применительно к изгибаемым элементам составного сечения из стали и бетона у нас в стране В.И. Байковым, В.М. Бондаренко, П.И. Васильевым, А.И. Гвоздевым, A.B. Геммерлингом, Г.А. Гениевым, В.О. Алмазовым, А.Б. Голышевым, Ю.П. Гуща,

H.И. Карпенко, М.Г. Карповским, А.П. Кирилловым, Ф.Е. Клименко, В.И. Кол-чуновым, Р.Л. Маиляном, Б.П. Марковым, Ю.С. Мартыновым, В.И. Митасо-вым, Т.А. Мухамедиевым, JT.JI. Паньшиным, C.B. Поляковым, Г.И. Поповым, Р.И. Рабиновичем, Б.С. Росторгуевым, P.C. Санжаровским, Л.И. Стороженко,

A.B. Харченко, Е.И. Хаютиным, Е.А. Чистяковым, Э.Д. Чихладзе, H.H. Чуднов-ским, и за рубежом - Constrado R. Johnson, С. Siess, J. Viest, K.Kloppel, Ch. G. Salmon, J. Stadnirha, M.Bonda, H.Robinson и многие другие.

В исследование конструкций и напряженно-деформированного состояния сталежелезобетонных пролетных строений мостов большой вклад внесли H.H. Стрелецкий, Е.Е. Гибшман, К.П. Большаков, М.К. Бородач, В.А. Быстрое, Б.М. Вейнблат, Э.М. Гитман, В.А. Долгов, Ю.К. Крылов, В.В. Пасик, A.A. Потапкин,

B.П. Польевко, Г.А. Попов, Н.Д. Шипов, В.М. Фридкин, Г.Б. Фукс и др.

Экспериментально-теоретическим исследованиям сталежелезобетонных монолитных перекрытий по стальному профнастилу для гражданских зданий посвящены работы Э.Л. Айрумяна, Ф.И. Багатурия, В.Ф. Беляева, А.П. Васильева, Р.В. Воронкова, Ю.З. Гельман, В.Н. Голосова, В.М. Горшковой, В.Л. Жулидова, В.И. Кантор, М.Г. Карповского, A.A. Кваша, Ф.И. Клименко, В.Г. Колбасина, В.А. Кулик, Б.В. Кучер, Д.Н. Лазовского, Ю.С. Мартынова, Н.М. Онуфриева, Г.Г. Орлова, Н.В. Панарина, И.А. Петрова, И.Я. Подольского, В.Ф. Рослякова, И.А. Румянцевой, И.В. Санникова, В.Б. Сергеева, В.М. Скульского, за рубежом - J.M. Aribert, A.L. Bitar, Byron James Daniels, Chantha Mourn, C.E. Ekberg, H.A. Elleby, H.L.A. Fulop, L.F. Greimann, Michel Crisinel, Jacques Brozetti, M.L.Porter, H. Profauter, Wei-Wen Yu.

Существующие методы расчета прочности нормальных сечений сталежелезобетонных изгибаемых элементов в основном исходят из предположения об упругом деформировании материалов, учитывают те или иные особенности поведения этих конструкций и не в состоянии в должной степени стать основой моделирования изменений прочности изгибаемых элементов при неупругом деформировании материалов с учетом податливости соединения слоев.

Анализ прочности нормальных сечений сталежелезобетонных изгибаемых элементов, полученных расчетным путем по существующим нормам и их сопоставление с экспериментальными данными собственных испытаний показывает наличие значительных расхождений расчетных значений от экспериментальных данных для сталежелезобетонных балок (рис.1). Сталежелезобетонные изгибаемые конструкции, применяемые в гражданских зданиях, по сравнению с мостовыми строениями являются «гибкими» элементами, поэтому в предельном состоянии при изгибе возникают не только две нейтральные оси, но и значительный сдвиг слоев. Проведенные автором испытания сталежелезобетонных конструкций, пролетом от 2,0 до 6,0 м. показали, что в предельном состоянии максимальные деформации сдвига слоев балок значительно отличаются от данных для пролетных строений мостовых конструкций. В ЦНИИАСе и МАДИ H.H. Стрелецким в 1956-58 гг. испытаны образцы балок пролетом 6,0 м. Податливость шва либо не удавалось зафиксировать (величина была незначительной), либо не превышала 0,1 мм, т.к. шов между слоями был абсолютно жестким. При испытаниях «гибких» балок автором получен сдвиг слоев на торцах балок в

среднем 1,5-2,0 мм.

Рис.1 Сопоставление опытных и расчетных значений прочности нормальных сечений ста-лежелезобетонной балки по действующим нормам.

а) расчет по СНиП 2.05.03-84 Мосты и трубы;

б) расчет по РСН 64-88 Госстроя БССР;

в) расчет как ЖБК с жесткой арматурой;

г) расчет по ЕЫ 1994-1-1-2009.

Экспериментально проблемы прочности сталежелезобетонных изгибаемых конструкций, применяемых в гражданском строительстве изучены недостаточно. Отдельными исследователями изучены вопросы прочности сталежелезобетонных конструкций только при однократном кратковременном статическом нагружении.

Анализ результатов имеющихся экспериментальных и теоретических исследований прочности нормальных сечений сталежелезобетонных изгибаемых элементов при различных видах нагружения позволяли дать общую оценку современного состояния проблемы прочности сталежелезобетонных изгибаемых элементов.

Проблемы прочности нормальных сечений при длительных статических, циклических нагружениях, прочности плиты в поперечном направлении, напряженно-деформированное состояние сталежелезобетонной плиты на этапе возведения экспериментально не были изучены, детальный анализ которых, позволил обосновать направления наших исследований.

Во второй главе представлен анализ, показывающий, что напряженно-деформированное состояние нормального сечения сталежелезобетонного элемента, кроме прочностных и деформативных свойств бетона и стали зависит от степени совместного деформирования бетонной плиты и стальной балки в плоскости сопряжения. В сталежелезобетонных конструкциях в едином сечении совместно деформируются сталь и бетон с различными прочностными и деформативными свойствами в связанных условиях:

а) свободные деформации монолитного бетона сдерживаются арматурными сетками, полкой стального профиля;

б) свободному деформированию стальной несущей балки препятствуют монолитный бетон с арматурой.

В результате между стальным профилем и бетоном, а также между бетоном и арматурой в нормальном сечении сталежелезобетонного элемента возникает сложное напряженное состояние (рис.2).

На уровне контакта бетонной плиты и стального профиля образовывается скачок в эпюре нормальных напряжений по высоте сечения, вызванный разностью деформативных свойств стали и бетона.

Рис.2 Распределение напряжений в нормальном сечении изгибаемого сталеже-лезобетонного элемента от действия внешней наг рузки: - поперечное сечение; -эпюра начальных напряжений; - эпюра дополнительных напряжений; - эпюра результирующих напряжений

При деформировании сталежелезобетонной конструкции по контактной поверхности между железобетонной плитой и верхним поясом стального профиля в каждом сечении возникают сдвигающие усилия Г, величина которых зависит от место положения рассматриваемого сечения по оси элемента. При действии данных сдвигающих усилий происходит сдвиг по контактной поверхности нижней точки железобетонной плиты относительно верхней точки стального профиля.

Диаграммы зависимости сдвигающих усилий от деформаций сдвига имеют криволинейное очертание. Экспериментальные деформации сдвига для разных опытных образцов, отличающихся диаметром анкерных связей приводятся на рис. 3.

Рис.3 График развития деформаций сдвига по контактной поверхности стале-железобетонных экспериментальных образцов

Отношение сдвигающих сил Т к сдвигу в контактном шве Д5/, характеризует деформативность (жесткость) контактного шва:

Т

¿Г1 <»

Для определения расчетных сдвигающих усилий используем теорию составных стержней А.Р. Ржаницына.

Дифференциальное уравнение для определения сдвигающего усилия с учетом фактора времени можно записать в виде

у = у(ОГ + А(/), (2)

где: Т - искомое сдвигающее усилие в плоскости контакта; £ - коэффициент жесткости связей;

а(0=-!ж (3)

с - расстояние между центрами тяжестей железобетонной полки и стального профиля;

£¡,(0, £¡(0 функции изменения при разных режимах нагружения модулей деформации бетона и стали соответственно (без учета фактора времени для кратковременного статического нагружения модули деформаций равны Е^Щ );

Д,Д. - площади поперечного сечения железобетонной полки и стальной балки, соответственно;

= суммарная изгибная жесткость сталежелезобетонно-

го элемента;

АС"- изгибающий момент от соответствующего вида нагрузки (в случае циклического нагружения от максимального значения цикла).

Решение уравнения (2) для зоны чистого изгиба можно записать в виде:

^[(Ш-Н1- <4)

где 10 = 1/2; I - длина зоны чистого изгиба;

/}_1/(0- функции, учитывающие изменение податливости анкерных связей при малоцикловом нагружении; при статическом кратковременном нагружении они тождественно равны 1;

т=т. (5)

Сдвигающие напряжения по контактному шву вычисляются по формуле: Г-т КФЩрх (6)

КО сщу.

Сдвиг железобетонной полки относительно стальной балки пропорционален сдвигающим напряжениям: _ г _ А(/)5М(0-у

* Ел гОСМЩ ■ (П

Уравнение (4), где т!/п есть величина сдвигающей силы, возникающей при абсолютно жестких связях сдвига, а выражение в круглых скобках учитывает влияние податливости связей, запишем в следующем виде: ( 8Щ1)х

Т= .

г (О

Г = Г,/0-^(0 = Г,до-

где: ТА1 (1) = А(()/у(0 - сдвигающая сила при абсолютно жестких связях

(8)

сдвига, соответствующая рассматриваемому моменту времени.

Усилия в анкерных связях вызывают дополнительный изгибающий момент в составной сталежелезобетонной конструкции

= (9)

и дополнительные напряжения в железобетонной полке

(10)

'V.

и стальной балке

Т

_ООП 1

— • (П)

Скачок напряжений на уровне плоскости контакта уменьшается с увеличением податливости соединения, но одновременно увеличиваются напряжения в монолитном бетоне и в стальной балке, а в большинстве случаев появляются две нейтральные оси, две сжатые и две растянутые зоны, в отличие от жестких сталежелезобетонных изгибаемых элементов мостовых строений. Данное состояние является неблагоприятным, для конструкций гражданских зданий, так как может привести к уменьшению предельной несущей способности сталежелезобетонной конструкции по сравнению с «жестким» объединением железобетонной полки и стальной балки.

На стыке железобетонной полки и стальной балки сталежелезобетонного изгибаемого элемента напряженно-деформированное состояние соединения весьма сложное и связано с изгибом стального анкера, смятием, иногда скалыванием бетона полки. Несущая способность соединения должна быть определена для всех возможных видов напряженного состояния и при конструировании должно приниматься наименьшее ее значение.

Нормированием расстановки анкерных стержней можно исключить разрушение соединения в виде скалывания бетона. Диаметром анкеров определяется минимальное расстояние между осями анкерных стержней. Сцепление между бетоном и верхней полкой стальной балки ввиду его малости в практических расчетах можно не учитывать. Несущая способность соединения определяется из условий работы анкерного стержня на изгиб и смятия бетона.

Прочность при статических нагружениях и выносливость при циклических нагружениях соединения можно определить по формуле:

(12)

где Я,- внутреннее усилие сдвига, воспринимаемое анкерными стержнями;

$ • внутреннее усилие сдвига, воспринимаемое бетоном полки.

В предельном состоянии соединения выражение (12) примет вид

7;,„ =тт(Л'1;Л4)

При записи уравнения прочности соединения на сдвиг необходимо решать следующие задачи:

- определение глубины зоны смятия бетона от усилий анкерных стержней;

- исследование влияния упругопластического деформирования стали и бето-

на на величину предельных усилий, воспринимаемых стальными анкерами и бетоном.

бетонный идее КЗ

1

к*

Рис.4. Эпюры прогибов, поперечных сил и моментов в анкерном стержне

В предположении, что смятие бетона происходит по длине /, , (рис. 4) стального стержневого анкера в бетоне, величина предельной сдвигающей силы, соответствующая исчерпанию несущей способности бетона до достижения напряжением в стальном стержне предела текучести, составляет:

=аъ{гь)-й!-1х-а-п,

(13)

где: сгь (еь) - напряжения в бетонном массиве от действия стального анкера.

«-коэффициент полноты эпюры отпора бетонного основания под анкерными стержнями;

¿4 п - диаметры анкерных стержней и их количество.

При определении сдвигающей силы, воспринимаемой бетоном под анкерным стержнем, необходимо учитывать форму эпюры усилий. В зависимости от стадии деформирования бетона форма эпюры может быть принята как треугольной, так и криволинейной (рис. 5). Изменения формы эпюры усилий отпора учитываются введением коэффициента полноты эпюры со.

тЛ

т"Л

а

1Т*

т'Л

Та

Рис.5. Напряжения в бетоне вдоль анкерного стержня

В случае разрушения соединения по бетону принимается ) = /;,, при разрушении по анкерному стержню напряжение в бетонном массиве основания определяется по диаграмме деформирования бетона, в предложении, что абсолютные деформации бетона равны максимальному прогибу стержня анкера. Величина предельной сдвигающей силы, воспринимаемой анкерными стержнями, определяется из условия равновесия моментов внутренних и внешних сил и записывается в виде

где: стДг,) - напряжения в стальном анкерном стержне.

Прочность соединения (сопряжения) железобетонной полки со стальной балкой оценивается из условия

Т<Т„„ (15)

Методика расчета прочности и выносливости нормальных сечений ста-лежелезобетонных стержневых изгибаемых элементов разрабатывалась с учетом и без учета податливости соединения с использованием аналитических диаграмм деформирования бетона и стали. Предлагаемая методика позволяет рассчитывать конструктивные элементы на прочность и выносливость с учетом нелинейных свойств стали и бетона при различных видах нагружения.

Относительные деформации сдвига при малоцикловом нагружении между железобетонной плитой и стальной балкой описываются уравнением Г(0

(16)

где: ij.fi- функции изменения относительных деформаций, полученные по результатам испытаний образцов на сдвиг; при расчете прочности нормальных сечений мы полагали , //=/;

У(!) - перемещение оси анкерного стержня, определяемое по формуле (17); / - длина расчетного участка; 12 . 0,79

1-0,01-lg (N)-MmjMpa,' lan - длина стержневого анкера; s, d, — шаг и диаметр анкера; N- количество циклов нагружении;

Мра, - разрушающий момент при статическом нагружении; Мтах - изгибающий момент от максимальной нагрузки цикла. Перемещение оси анкерного стержня, заделанного в упруго-пластическое основание (в бетонное тело), загруженной сдвигающей силой Т определяем по формуле Б.Н. Жемочкина

= ,, 2J, „, .-[^а ■ ■ cos (а -1)- sin а • cos £ • ch{a - £)] • (17)

nsfc[t) ■ I -a(t)

В последующем записывается условие совместности деформаций в уровне контактной поверхности (рис. 6)

_ в , н

sh ~ Esdon + ЕЬдоп '

где: £Bsdo„, SIL„ - дополнительные относительные деформации стали и бетона в плоскости контакта при проявлении деформаций сдвига между слоями. Из равенства кривизны полки и балки следует, что ен ■ у® = £ь ■ v"

У J cs<lon Уь •

Это позволяет определить дополнительные, возникающие вследствие влияния податливости соединения, относительные деформации £®„„ верхних волокон

стальной балки и нижних волокон железобетонной полки.

Относительные деформации материалов в характерных уровнях высоты сечения определяются по формулам (рис. 6, в)

Рис. 6. Напряженно-деформированное состояние сталежелезобетонного сечения по оценке прочности и малоцикловой выносливости при учете податливости анкерных связей: - эпюра начальных напряжений и схема усилий; - поперечное сечение составного элемента; - эпюра деформаций

Исходя из гипотезы плоских сечений в пределах каждого слоя и трансформированных диаграмм деформирования бетона и стали «аь-гь», «а5-е5» по соответствующим деформациям, мы определяем напряжения в бетоне и арматуре железобетонной полки и в стальной балке. По напряжениям в бетоне сь, в арматуре аа и напряжениям в стальной балке а5 определяем внутренние усилия в сечении для любого рассматриваемого режима нагружения: к

Мг = } СГ„[£„,+ <у0{си,).<г4 + а„)Аа2, + а,[е„ - сг, [с„(х)]л,^; (19)

О

К

N.=мк -«-.кмк=°> (2°)

о

где:<т4 (£„,), а„ (£„,), о, (О &,(£,,)- зависимости «напряжения-

деформации» бетона, стали (арматуры и стальной балки) для времени Г определяются по трансформированным диаграммам деформирования материалов;

еь,(х), £а1, £„(х), еа (х) -деформации бетона, арматуры, стальной балки по высоте сечения;

Ь„ -расчетная ширина полки; х - высота сжатой зоны;

2]. Ъг, Ъ*, - расстояния от центров тяжести соответствующих эпюр напряжений до нейтральной оси.

Вычисление внутренних усилий по формулам (19), (20) выполняется мето-

дом последовательных приближений, пока не выполнится условие: |a^Vv| < <5, где: S - заданная точность вычислений.

Прочность (выносливость) нормальных сечений сталежелезобетонной конструкции на всех стадиях нагружения оценивается, исходя из условия

М^+Шь+Ш, <MZ , (21)

где: А/, - изгибающий момент, воспринимаемый сталежелезобетонной балкой и вычисляется на основе трансформированных диаграмм (аналитических диаграмм - при кратковременном нагружении) деформирования материалов;

М,„ах - изгибающий момент от максимальной нагрузки (цикла);

ЛИ = + aJ3Z^aAaZ, (21 ')

- дополнительный изгибающий момент возникающий вследствие появления и развития остаточных деформаций в бетоне полки;

ДА/, = з + стГЧ'К Z2 (21")

- дополнительный изгибающий момент вследствие возникновения и развития остаточных деформаций в стальной части балки,

гдeAs,A's площади верхней и нижней частей стального профиля.

При статическом кратковременном нагружении АМЬ и Л Л/, принимаются равными нулю.

В случае циклического нагружения значения коэффициентов асимметрии цикла напряжений в стальной балке ps, в бетоне сжатой зоны ры и в рассматриваемый момент времени t представляются в виде:

Л/т„ + Ш, + АМЬ

где: р„ =Л/тт/Л'/т„ - коэффициент асимметрии внешних моментов цикла.

Формулы (19), (20) справедливы для всех стадий напряженно-деформированного состояния изгибаемого сталежелезобетонного элемента, включая и стадию усталостного разрушения.

Прочность (выносливость) нормального сечения считается обеспеченной при выполнении условия (21).

В тех случаях: когда податливость соединения незначительна, относительные деформации сдвига принимаются равными нулю (esh=0) и расчет производится по тем же формулам (19), (20), без учета «скачка» в эпюре распределения деформаций (рис.6).

Для описания диаграмм деформирования бетона и стали при режимных на-гружениях в качестве исходной используют диаграммы «а-s» для случая однократного кратковременного статического нагружения. Существуют различные предложения по аппроксимации диаграммы деформирования бетона.

Наиболее применимыми являются зависимости В.Н. Байкова, C.B. Горбатова, З.А. Дмитрова, В.Я. Бачинского и А.И. Бамбуры, Н.И. Карпенко, Т.А. Му-хамадиева и А.И. Петрова, P.O. Красновского, И.С. Кроля, С.А. Тихомирова, М.

Сарджина, С.Ю. Цейтлина.

Анализ результатов численных экспериментов показывает, что различные способы описания диаграммы «ст-е» бетона при сжатии приводят к практически мало отличающимся результатам при оценке прочности нормальных сечений изгибаемых элементов при статическом нагружении. Поэтому при выборе исходной базовой функции «а-е» необходимо учитывать следующие требования:

- простота аналитической записи;

- возможность трансформации зависимости для учета различных факторов, таких как: ползучесть, непрерывное изменение прочности и напряженно-деформированное состояние, вида и режимов нагружения;

- наличие минимального количества нормируемых характерных точек.

Аналитические зависимости для описания диаграмм деформирования бетона при длительном статическом и многократно повторяющемся циклическом нагружениях получаются путем трансформирования диаграммы бетона при кратковременном статическом нагружении. Трансформированные диаграммы по виду принимаются аналогичными исходным диаграммам с учетом следующих дополнительных положений (рис. 7):

Рис.7 Трансформированные диаграммы деформирования бетона и стали при стационарном режиме длительного статического и циклического нагружения

- в качестве параметров основной узловой точки диаграмм принимаются напряжения в бетоне, равные пределу длительной прочности при длительном статическом нагружении (Л/, ;) и пределу выносливости (Иь.кр) при многократно повторяющемся циклическом нагружении и деформациях, отвечающих деформациям в вершине диаграммы при однократном кратковременном нагружении £ь,1= £ы1 и еь,гер= £ыъ

- для дополнительной узловой точки, определяющей границы диаграмм, деформации принимаются равными предельным деформациям при однократном кратковременном статическом нагружении: £(,/= сь„ и ЕЬгср-= еЬи\

- координаты начала диаграмм принимаются переменными, а именно смешенными на величину, равную деформациям ползучести при длительном статическом нагружении и деформациям виброползучести при циклическом нагружении в рассматриваемый момент времени;

- угол наклона диаграмм выбирается с учетом изменения модуля упругости бетона.

Зависимость между координатой вершины диаграммы и временем нагруже-ния при длительном статическом нагружении и зависимость между координатой вершины диаграммы и количеством циклов нагружения и коэффициентом асимметрии цикла напряжений описываются уравнениями:

- при циклическом нагружении.

где: С (/,/„) - мера ползучести бетона в момент времени (;

ЕьО), Е/,(!0) - модули упругости бетона, соответственно, в моменты времени 1п и Г,

кя - коэффициент динамического упрочнения бетона;

Яьо. гер - абсолютный предел выносливости бетона; N - количество циклов нагружения.

Деформации ползучести бетона в рассматриваемый момент времени вычисляются по формуле:

£Р1 ('.'.) = г) • аь (г, <„ )•/(<, О - при длительном статическом нагружении и по формуле:

при циклическом нагружении,

Еь

где: /(<,?„)= 1 - е~г1'~'°-- функция роста деформаций ползучести;

/(л,)=^[1-е"",('"'')]+[1-(1-а)Л][1-/>4)- функция роста линейной части деформаций виброползучести;

1(11 о) - суммарная длина условной макротрещины усталости в бетоне; а, у - параметры ползучести бетона.

При этом деформации в характерных точках трансформированных диаграмм для циклического и длительного нагружении принимаются равными (рис. 7)

-е„,(н); е'м((,10)=еьй -г,„(/,/„);

-ерАм)' = О,

где: Еыг - деформации в вершине исходной базовой диаграммы при кратковременном статическом нагружении;

еЬи - предельные деформации при кратковременном статическом нагружении.

В настоящее время имеется ряд предложений по аналитическому описанию диаграммы деформирования стали. Среди них можно выделить рекомендации В.Н. Байкова, Ю.П. Гущи, С.А. Мадатяна, Р.Л. Маиляна и П.И. Ганаги, Н.И. Карпенко, Т.А. Мухамедиева и других.

(24)

- при длительном статическом нагружении;

(25)

Для практических расчетов наиболее приемлема аналитическая запись, предложенная Н.И. Карпенко, Т.А. Мухамедиевым, которая учитывает особенности всех предложений перечисленных выше авторов и наиболее проста для описания работы сталежелезобетонных элементов.

Параметры диаграммы деформирования стали вычисляются в зависимости от ее характеристик модуля упругости, условного (или физического) предела текучести <тД2 (или о}) и соответствующего ему значениям деформаций е0! (или еу). Аналитические зависимости приводятся в диссертации.

Сталежелезобетонные конструкции перекрытий зданий работают как пространственные системы, напряженно-деформированное состояние которых существенно отличается от сталежелезобетонных балок, являющихся основными несущими элементами перекрытия. Для расчета несущей способности сталежелезобетонных перекрытий с учетом их пространственной работы использовано уравнение равновесия многослойной ортотропной пластины в перемещениях

, д'со , д'со , д'со

Л, -г + Лг —;—г + л, —г = Я

' дх' '2 дх2ду2 ду' 4 (26)

где А,, Ап. Л2 - жесткостные характеристики ортотропной многослойной пластины.

Изгибающие и крутящие моменты для упругопластического состояния плиты представляются в виде

м, = м''му = м?-м°у; н = н>"-н° ^27)

где: м>;,м-н™~ моменты от напряжений распределенных по упругому закону;

м°т, м\,н°- моменты от разности напряжений изменяющихся по упругому и

неупругому законам.

Моменты м;, м°,н"зависят от вида диаграмм работы материала стальных балок, являющиеся ребрами плиты, и могут быть записаны через пластические коэффициенты цх\ Цу, щ,, ав случае появления пластических деформаций в бетоне -через

м°,=м"1},\ м1~м'"п,\ н"=н>~!7„. (28)

Уравнение равновесия в моментах в учетом М", Му°, Н°, т.е. когда пластическая деформация в стальных балках появляется раньше, а плита продолжает работать в упругой стадии, имеет вид дЧ4£_ д2М:' д2Н_ | д2М°, | дЧС дх2 + ду2 + дхду Ч+ дх2 + ду2 +<^дхду' (29)

Через прогибы в левой части и пластические коэффициенты, в правой части, уравнение (29) приобретает вид

, д'со л д'со . д'т е:(мг^) э2(м''пг) (30)

1 дх' + 2 ду' + "дх'ду* ~ч дх2 г/- дхду ■

В случае, когда раньше появляются пластические деформации в бетонной плите (стальные балки запроектированы намеренно жесткими), уравнение (30) примет вид

1 3 2 1 "ГТ + Л12 , !. 2 ~9--П ГЦ-'

дх ду дх ду дх ду дхду

Уравнения (30), (31) аппроксимируются конечноразностными, на расчетной области строится равномерная сетка с шагами Лх~Ау=а или с шагами Ах=а; Лу=Ъ.

Решение системы уравнений, составленных на основании метода упругих решений с применением метода конечных разностей, позволяет определить напряжения и деформации перекрытия за пределом упругости.

Сначала выполняется упругий расчет, который рассматривается как нулевое приближение. Определяются прогибы, по ним находятся изгибающие и крутящие моменты, а затем - нагрузка, вызывающая появление пластических деформаций в стальной балке и в бетоне железобетонной плиты.

В первом приближении для заданной нагрузки, превышающей нагрузку текучести находятся границы пластических зон, а далее вычисляются правые части уравнения равновесия. Затем снова решается упругая задача с учетом найденных правых частей уравнения, в результате определяются новые прогибы, по этим прогибам вычисляются моменты в первом приближении. Аналогичные вычисления проводятся в последующих приближениях пока расхождение результатов между двумя соседними приближениями не станет меньшим 5%.

В главе третьей для приближенной оценки прочности и малоцикловой выносливости по нормальным сечениям сталежелезобетонных изгибаемых элементов кроме деформационного метода предложен инженерный метод расчета, позволяющий производить расчеты с учетом и без учета податливости соединения железобетонной полки и стальной балки. Использован один из наиболее простых методов расчета прочности железобетонных конструкций - метод предельного равновесия, трансформированный для случая сталежелезобетонных конструкций. При этом монолитный бетон полки и сжатая часть стальной балки приводятся к эквивалентному по прочности, выносливости и деформациям сечению, расчет сталежелезобетонной конструкции сводится к расчету балки с условными (трансформированными) пределами прочности материалов. Трудоемкость вычислительной работы существенно снижается, в то же время расчет становится более

наглядным. Принимается, что увеличение податливости соединения приводит к уменьшению сдвигающих усилий по плоскости сопряжения и, как следствие, к увеличению напряжений в бетоне и стали составного сечения.

Сопротивление эквивалентного «приведённого» материала предлагается определять по аналогии со сборно-монолитными железобетонными конструкциями:

где: 51 - статический момент монолитного бетона сжатой зоны составного сечения относительно нейтральной оси;

5т - статический момент всей сжатой зоны относительно той же оси;

(32)

R„Rb - пределы прочности на осевое сжатие стали и бетона, соответственно.

Высота сжатой зоны определяется из уравнения равновесия предельных усилий в стадии разрушения, при этом для повышения точности расчета двутавровое сечение стальной балки принимаем составленным из трёх прямоугольников, на границах которых находим значения доли расчетного сопротивления по пропорции, исходя из того, что стальная часть работает по треугольному закону распределения напряжений (рис. 8):

«г• «сл+Rr■b-t„+Rr• - /с - о+~Rr-•(«;+ю• к

О, (зз)

где: r и r's,rx - расчетное сопротивление стали и доли расчетного сопротивления стали на границах разбивки двутавра на прямоугольники, вычисляемые согласно пропорции из треугольного закона распределения напряжений в стальной части сталежелезобетонной балки;

A = l-v - коэффициент пластичности «приведенного» материала сжатой зоны;

v - коэффициент, характеризующий упругопластическое состояние бетона сжатой зоны:

v = о,45-0,sf-^--0,s] , (34)

Iм™ )

где: Мразр - разрушающий изгибающий момент по сжатой зоне;

М- изгибающий момент при рассматриваемом уровне нагружения.

Необходимо отметить, что прямоугольная эпюра напряжений в бетоне сжатой зоны сталежелезобетонного элемента имеет достаточно условный характер. Вследствие этого высота сжатой зоны, а значит, и положение нейтральной оси сталежелезобетонного сечения, имеет также условный характер, не соответствующий фактической высоте сжатой зоны и положению нейтральной оси. Кроме того, замена криволинейной эпюры на прямоугольную увеличивает площадь сжатой зоны, а следовательно, и плечо внутренней пары сил, и тем самым завышает несущую способность (рис. 8).

Условие прочности при статическом кратковременном нагружении записывается в виде

М < яг ■ ь: ■ h'„ ■ j*- j ■+ ДГ • Ь■ i„ • - К ~ |]+ К" - <„ (Я - К - О ■

При малоцикловом и длительном нагружениях сопротивления эквивалентного «приведенного» материала осевому сжатию определяются по формулам

[1-^-1+Л,

^„.11—Г-1+Л

Я»,

5 ) "ь.,„е 5 ] , (36)

где: — статический момент монолитного бетона сжатой зоны составного сечения относительного нейтральной оси;

5- статический момент всей сжатой зоны относительно той же оси;

Л5 Я/, - прочности на осевое сжатие стальной балки и бетона, соответственно.

Принимая для удобства записи формул = Щ" ; Г!, = И,; = Я,;

= К '■> = " ЯЛ" случая малоциклового нагружения; Л",^. = л,"*; = ; Я-ь-г = к-; = ^; К**., = «„ - для случая длительного нагружения, условие выносливости и длительной прочности примет вид:

2 2 К 2) (37)

где: ДЛУ^ - дополнительный момент вследствие возникновения остаточных деформаций в бетоне полки, который вычисляется по формуле (21'); ЛМ$ - дополнительный момент вследствие возникновения остаточных деформаций в стальной балке, который вычисляется по формуле (21").

Текущие значения коэффициентов асимметрии цикла напряжений в стальной балке и бетоне вычисляется по формулам (22) - (23). Высота сжатой зоны «х» определяется из уравнения равновесия продольных усилий в стадии разрушения:

N. = ЯГ • К ■ (Я - К -) + \ «Г •• (д- - Я)-

•(*-*-».)-!(«; + «.)•».-Л + Л.^ + Л,^. =0, 2 2 (38)

Увеличение податливости соединения железобетонной полки и стальной балки приводит к уменьшению сдвигающих усилий и как следствие к увеличению напряжений в составных частях изгибаемого сталежелезобетонного элемента. Сопротивление эквивалентного «приведенного» материала осевому сжатию при учете податливости слоев определяется по формуле

я> ^ (39)

где: 5„,- статический момент монолитного бетона сжатой зоны полки составного сечения относительно нейтральной оси;

5 -статический момент всей сжатой зоны относительно той же оси;

Яь — пределы прочности стали и на осевое сжатие бетона; вместо Яь принимаются Л^,,. Иьчер - в случае циклического нагружения; КЫ(тх - для случая длительного нагружения;

у- параметр податливости соединения слоев.

В дальнейшем расчет производится для условного цельного сечения, в котором сжимающие усилия воспринимаются сжатой частью приведенного сечения, а растягивающие усилия - оставшейся (растянутой) частью стальной балки.

Ж

Л

—

пай

нейтр.ось

у///// у Л/////

Ж

Ь-Ь'.

-зЬ

ж

ЬсЬ-Щ

-У

/Ляу

ст«лькажа&.да

Рис.8. Эпюры напряжений и схема усилий при оценке прочности и выносливости нормальных сечений инженерным методом: - эпюры напряжений и схема усилий; - приведенное сечение; - фактическое сечение

Условие выносливости и прочности в общем случае имеет вид М < ПкГЬ„4л(\ -0,5Я) +1/3(1 -лу]+ яг(ь„ -Ь},„(х-+

ЯААх-И+а)

1-(1 -цг)С з[1 + (1-^)в]

я^КЬ-хУ+ш.-Шь,

(40)

А, В, С - функции параметров сечения (выражения приведены в диссертации).

Высота сжатой зоны определяется из уравнения равновесия продольных усилий в стадии разрушения

N = 0,5(1 + + К'™(ь: -ь\ + + У- - !1гь:{к\х\;

* ' " /1 + 0-¥)А 2[1 + (1 -¥)В\

2Я™ [У„ - Ъ\ _ 2ЛД /1 + (1 - у,)А - 2Д„4, /1 - (1 - ¥)С

(41)

(1 + дК;'й;,+лА/1 + (1-!е)в

При жестком объединении слоев железобетона и стальной балки расчет прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений производится по формулам (40), (41) при ц=1.

В главе четвертой для обоснования гипотез, положенных в основу моделей расчета прочности при однократном кратковременном и длительном статическом нагружениях и выносливости при малоцикловом нагружении сталежеле-зобетонных изгибаемых элементов, расчета прочности пространственной работы перекрытия, а также для проверки точности инженерных расчетов были проведены экспериментальные исследования 130 образцов сталежелезобетонных конструкций: 2 фрагмента сталежелезобетонного перекрытия, 78 сталежелезобетонных балок таврового поперечного сечения, 50 сталежелезобетонных

призм. Для образцов использовались наиболее распространенные классы бетонов и виды стали. Конструкции опытных образцов стапежелезобетонных балок по параметрам М и b/h, армированию, геометрическим размерам моделей балок приняты с учетом специфики реальных элементов стапежелезобетонных перекрытий реконструируемых зданий, а также технических возможностей для испытаний.

С учетом конструктивных особенностей реконструируемых сталежелезобе-тонных перекрытий модель фрагмента имела масштаб 1:3 - 2000x1664x170 мм, а фрагмент перекрытия в натуральную величину - 6000x6000x280 мм (рис.9). Несущие стальные балки модели фрагмента из двутавра № 12 располагались с шагом 800 мм, высота бетонной плиты составила 50мм, а фрагмента перекрытия в натуральную величину: стальные балки из двутавра № 20 располагались с шагом 1200мм, высота бетонной плиты составила 80мм.

Опытные сталежелезобетонные балки таврового поперечного сечения имели следующие размеры: длина - 2000 мм (при однократном кратковременном, длительном статическом и при малоцикловом нагружениях) высота балки — 120мм из двутавра № 12, ширина бетонной плиты 400мм, её высота 50мм.

Совместная работа бетона и стального профиля в опытных образцах обеспечена стальными стержневыми анкерами 06,8,10 мм, приваренными вертикально в два ряда по всей длине к верхней полке стальной балки. Образцы различались диаметром и шагом стальных стержневых анкеров.

Для определения прочности сопряжения бетона и стальной балки были изготовлены опытные сталебетонные составные призмы двух типов с размерами: ширина - 200 мм и 64 мм, толщина бетонной составляющей - 50 мм, стальная составляющая из тавра №12 с рабочей длиной - 450 мм, общей длиной - 500 мм.

Основные физико-механические характеристики материалов: бетона -Л4=16,8 МПа, Еь= 28000 МПа; стали - Rs=250 МПа, Es=210000 МПа. В качестве анкеров были выбраны отрезки стержневой арматуры AI, АШ, BpI с диаметрами 5, 6, 8, и 10 мм, а также хомуты диаметром 4 мм в вертикальном и наклонном расположениях под углом 45°, вертикальные пластины 25x4мм.

Испытания стапежелезобетонных изгибаемых балок (образцы таврового поперечного сечения) проведены на испытательном стенде вмонтированном в силовой пол лаборатории. Опытные балки с расчетным пролетом балок 1900мм, испытаны как свободно опираемые балки на действие кратковременной статической нагрузки, нагруженные в третях пролета двумя сосредоточенными силами, до полного исчерпания несущей способности. Установлены закономерности развития деформаций бетонной плиты и стальной балки при их совместной работе в одном составном сечении, характер разрушения балок и их прогибов. Все опытные сталежелезобетонные балки разрушились по нормальному сечению в зоне чистого изгиба при раздроблении бетона сжатой зоны полки и достижении напряжениями нижней полки стальной балки предела текучести. В образцах с наиболее податливыми анкерными связями происходил срез анкеров в приопорной части и, как следствие, отрыв бетонной полки от стальной балки, что в ряде образцов приводило к потере общей устойчивости стального профиля.

- 0,7т*-и(*,86кН*м) 2.45т*м(24,01кВ*м)

- 3J5r-«(J0Afl->.)

значение кзгиоагосцего момента, при котором в стальной балке возникают деформации е,=0.2%

значение изгибающего момента, при котором поясе стальаой балки по длине юны чистого изги средние деформации достигают величины е<=0. 2%

i значение изгибающего момента, при котором ! ¡ происходит разрушение ОКБ балки 1

Рис. 9. Распределение деформаций по высоте сечения в середине пролета ста-лежелезобетонных балок на разных этапах нагружения

Характер трещинообразования бетонной полки находится в прямой зависимости от податливости анкеров. В серии образцов с большой податливостью анкерных связей продольные трещины не успевали проявиться, так как происходил срез анкеров. В серии образцов со средней податливостью связей появлялись слабые продольные трещины с шириной их раскрытия до 0,05 мм в середине пролета при нагрузке 0,9 М раз, затем они развивались к концам. При раскрытии трещин до 1,0 мм происходило разрушение образцов. В серии образцов с более жесткой анкерной связью сначала появлялись продольные, затем - поперечные трещины. Разрушение образцов происходило при развитой сети поперечных трещин в зоне чистого изгиба от раздробления бетонной полки. Развитие пластических деформаций в нижнем поясе и стенки стальной балки происходило с образованием характерных линий текучести Чернова-Людерса.

Рис. 10. Экспериментальная установка для испытания балок на длительные нагружения

В качестве опытных образцов для испытания на длительную прочность были запроектированы 12 сталежелезобетонных балок, отличающихся по типу анкеров из арматурных стержней четырех видов: 06 АШ, 08 AIII, 010 AI, 010 AHI.

Балки были разбиты на четыре группы, по 3 в каждой группе, в соответствии с видом использованного анкера.

В качестве схемы нагружения выбрана схема в виде свободно опертой балки, нагруженной в третях пролета двумя сосредоточенными силами, расчетным пролетом 1900 мм. Нагрузка на балку передавалась посредством металлической траверсы в двух точках, через два ката 040 мм и длиной 400 мм, один из которых неподвижен. Нагрузку прикладывали по «рычажной» схеме, длительная нагрузка создавалось стальными грузилами, нагруженными в «корзины» -платформы (Рис. 10).

В процессе испытания измерялись деформации бетона и стали в зоне чистого изгиба, деформации сдвига вдоль границы «сталь-бетон», а также прогибы в середин пролета балки. Деформации материалов замерялись электротензодат-чиками (с использованием автоматического измерителя деформации - АИД-3); прогибы - линейкой и струной, натянутой между «крепежами», закрепленными на уровне опор балки; сдвиг контакта «сталь-бетон», сжатие бетона и растяжение стальной части балки - мензурками с базой 400мм снабженными индикаторами часового типа.

Оценка воздействия длительной нагрузки производилась путем сравнения несущей способности исследуемого образца при действии длительной нагрузки с ее несущей способностью при приложении кратковременной статической разрушающей нагрузки.

Исследуемые образцы находились под воздействием нагрузки в течении шести месяцев, при этом длительная нагрузка Рта% принималась в пределах

(0,8-0,95) Р'раТ- В конце испытаний нагрузку на образцы увеличивали, доводя их до физического разрушения. Одновременно с измерением деформаций и прогибов проводилось наблюдение за характером образования и раскрытия трещин (Рис. 11).

Во всех случаях опытные образцы сталежелезобетонных балок разрушались по нормальному сечению в зоне чистого изгиба из-за местного раздробления бетона и сжатой зоны бетонной плиты вследствие развития пластических деформаций в нижней части стальной балки. При этом наблюдалось образование продольной вертикальной трещины в верхней части бетонной плиты по всей длине балки и нормальных трещин в нижней части плиты в зоне чистого изгиба. В нескольких образцах с наиболее податливыми анкерными связями происходил срез анкеров в приопорной части балки и отрыв бетонной полки от стальной части. В целом, для всех четырех групп характерно значительное увеличение прогибов в начальных циклах нагружения, дальнейший их медленный равномерный рост, с потерей несущей способности после приложения разрушающей нагрузки. Распределения деформаций по высоте сечения во время действия длительной нагрузки во всех группах характеризуются эпюрой, близкой к треугольной, без разрыва совместных деформаций на контакте «стальбетон», который происходил уже непосредственно перед загружением балки дополнительной нагрузкой до разрушения.

Прогибы, в зависимости от типа балки, на первой неделе составляли 1/150Ь-

1/100Ь, а к моменту разрушения - 1/70Ь -1/40Ь; «выпрямления» балки при снятии нагрузки после разрушения не наблюдалось, что подтверждает пластическую работу материалов сталежелезобетонных балок.

Рис. 11. Балка после испытаний на длительные нагружения

Испытания на повторно-статические (малоцикловые) нагрузки проводились до физического разрушения образцов при исследуемой базе 104 циклов. Оценка малоцикловой прочности проводилась путем сопоставления несущей способности исследуемой балки при повторной нагрузке с ее несущей способностью при однократном нагружении. Для этого перед испытанием на малоцикловое на-гружение одна балка с каждой серии испытывалась на действие кратковременной статической нагрузки. Исходя от уровня разрушающей силы при статическом нагружении назначались максимальные и минимальные нагрузки цикла. При этом максимальная величина нагрузки цикла Pmía принималась в пределах (0,84-0,93) р;:г.

На всем протяжении испытаний деформации развивались с различной интенсивностью. При низких и средних уровнях максимальной нагрузки цикла повторное приложение нагрузки приводит к значительному возрастанию деформации бетона. Однако, при высоких значениях максимальной нагрузки цикла последующие повторные нагружения не вызывают заметных деформаций бетона, вследствие того, что уже при первых нагружениях они достигают значительных величин. На стадии полного физического разрушения опытных балок деформации в сжатом бетоне полки достигают своего предельного значения, разрушение образцов в основном произошло по стальной балке и бетонной плите, а в некоторых образцах с малым диаметром анкеров произошел срез анкерных стержней. Деформации в стальной балке достигли наибольших значений при первых циклах нагружения, а при последующем увеличении числа циклов, значения деформаций стабилизировались. Все опытные образцы сталежелезобетонных балок разрушились по нормальному сечению вследствие достижения напряжениями в растянутой зоне стальных балок предела выносливости на растяжение и бетонной плиты на сжатие. Во всех испытанных балках напряжения в сжатой зоне бетона были существенно меньше предельных. Результаты испытаний показали, что выносливость сталежелезобетонных балок с увеличением податливости анкерной связи уменьшается. Наибольшую несущую способность показали балки с анкерами 010 AIII, далее - по убывающей - 08 AI1I, 06 АШ и

010 Al. Балки с анкерами 06 АШ разрушались от среза анкеров, балки остальных трех групп разрушались по нормальным сечениям с раздроблением бетона.

Опытные фрагменты стааежелезобетонного перекрытия испытывали равномерно распределенной кратковременной статической нагрузкой до физического разрушения с целью установления характера разрушения и деформирования системы в целом и ее отдельных элементов, закономерностей развития деформаций бетонной плиты и стальной балки, прогибов конструкций. Фрагменты разрушились вследствие достижения напряжениями в растянутой зоне средних несущих балок предела прочности на растяжение при одновременном достижении предела прочности бетона на сжатие.

! * . шиш

fe 7 SOL-. '

Рис. 12. Испытания фрагмента еталежелезобетонного перекрытия 6x6 м.

Испытанная модель фрагмента перекрытия разрушилась по нормальному сечению балок в зоне действия максимальных изгибающих моментов из-за местного раздробления бетона сжатой зоны центральной части плиты и вследствие развития пластической деформаций в стальных балках. В момент разрушения максимальный изгибающий момент достигал: в нормальном сечении средней балки - 4,5 тм, в сечении крайних балок - 1,969 т м (рис. 10), в средней части пролета монолитной плиты - 0,281 т м.

Изучался характер трещинообразования железобетонной полки модели фрагмента. Первые продольные трещины (до 0,03-0,05 мм) появились у железобетонной плиты над крайними балками при изгибающем моменте 1,772 т м. С дальнейшим увеличением уровня нагружения появлялись прерывистые трещины (до 0,05 мм) по всей длине плиты над средней балкой при изгибающем моменте 4,275 т м. Перед разрушением продольные трещины раскрывались: до 0,1 мм -над средней стальной балкой, до 0,2 мм- над крайними балками и в пролете плиты. Развитие деформаций бетона железобетонной плиты происходило по классической схеме с достижением максимальных значений в сечении над стальными балками, а минимальных значений - в пролете плиты, и завершилось местным раздроблением бетона сжатой зоны. Разрушение фрагмента происходило из-за постепенного «выключения» растянутой зоны железобетонной полки после появления двух нейтральных осей и при перераспределении усилий в составных сечениях (рис. 13).

1 ! /

Т / /

•> ода,-, 1.11 1 И«,'»

f \ ' / /

Т / /

Рис. 13. Эпюры развития продольных деформаций по высоте сечения крупномасштабной модели перекрытия: - по крайним балкам; - по средней балке.

Испытания модели фрагмента показали, что несущая способность средней балки в 1,24 раза больше несущей способности испытанных отдельных балок таврового сечения при одинаковых геометрических параметрах за счет его пространственной работы.

Испытанный фрагмент перекрытия в натуральную величину разрушился вследствие развития пластических деформаций в стальных балках под действием равномерно распределенной нагрузки величиной 2527,8 кг/м2. Максимальный прогиб средней балки достиг 120 мм, что составляет 1/50 пролета перекрытия. Первые трещины возникли в продольном направлении над стальными балками и в нижней пролетной зоне плиты; при увеличении уровня нагружения происходило постепенное раскрытие трещин до 0,1 мм. Развитие деформаций бетона железобетонной плиты фрагмента происходило по известной схеме с достижением максимальных значений в сечениях с максимальным моментом и над балками, а минимальных значений - в пролете плиты. При достижении предельной нагрузки произошло постепенное уменьшение деформаций в растянутой зоне железобетонной плиты и смещение нейтральной оси составного сечения в сторону нейтральной оси стальной балки.

Анализ распределения деформаций по высоте сечения показывает, что железобетонная плита и стальные балки фрагментов совместно деформируются как единая пространственная система, в характерных зонах по длине сталежеле-зобетонных балок для отдельных сечений соблюдается гипотеза плоских сечений на начальных этапах нагружения; в предельном состоянии с развитием пластических деформаций эта закономерность нарушается.

Пространственная работа сталежелезобетонных конструкций выявлялась при испытаниях фрагментов перекрытий в масштабе 1:3 и в натуральную величину. Несущая способность средней балки фрагмента в масштабе 1:3 была в 1,24 раза больше, а крайних балок - в 1,14 раза больше несушей способности отдельно испытанных балок серии СБ-2 с такими же геометрическими параметрами и при большей прочности бетона у балок серии СБ-2. Аналогичная картина наблюдалось и по прогибам, на начальном этапе нагружения происходило одинаковое развитие прогибов, с увеличением уровня нагружения прогибы балок серии СБ-2 развивались быстрее, чем в несущей средней балке фрагмента, что подтверждает пространственную работу фрагмента. Проведенные замеры при испытаниях фрагмента перекрытия в натуральную величину (6000x6000x280 мм) свидетельствуют, что интенсивность деформа-

ций средних балок в 1,3-1,4 раза больше, чем крайних балок, хотя характер изменения деформаций крайних и средних балок схожий. Средние балки в 1,4-1,5 раза больше нагружены, чем крайние при одинаковых фибровых деформациях, что подтверждает пространственную работу фрагмента.

Изучались также закономерности развития прогибов несущих балок фрагмента. На начальных этапах нагружения наблюдается практически прямая пропорциональность между уровнем нагружения и прогибами, затем, вследствие появления неупругих деформаций, происходит интенсивный рост прогибов при незначительном увеличении нагружения. С другой стороны на общее развития напряженно-деформированного состояния конструкции оказывает сдерживающее влияние неразрезная железобетонная плита, работающая в двух направлениях как пространственная плита. Наибольшее значение прогибов, а также наибольшее значение деформаций сжатия и растяжения достигались в средних (третьей и четвертой) балках. Напряжения (деформации) нижних фибр стальной балки развиваются более интенсивно, чем напряжения (деформации) верхней грани бетонной плиты, что свидетельствует о перераспределении усилий между стальной балкой и плитой, работающей в двух направлениях.

Крайние стальные балки фрагмента находятся в условиях совместного действия поперечного изгиба в двух плоскостях, кручения.

С помощью программного комплекса АЫБУБ численно получены картины развития прогибов (рис. 14) и картины развития деформаций и напряжений в стальных балках и железобетонной плите (рис. 15). Картины деформаций (напряжений) наглядно показывают последовательность развития деформаций в стальном профиле и железобетонной плите: как деформации развиваются от более напряженной зоны к менее напряженной; от середины к концам балок и от крайних волокон вглубь сечения; в железобетонной плите - от середины пролета (в поперечном направлении) к стальным балкам, служащим опорами для плиты. Компьютерная картина динамики развития деформаций (напряжений) в стальных профилях фрагмента перекрытия отличается в меньшую сторону от деформаций отдельных сталежелезобетонных балок. Из-за пространственной работы фрагмента перекрытия развитие деформаций как в стальных балках, так и в железобетонной плите идет менее интенсивно, численные значения деформаций и напряжений меньше на 20-30% по сравнению с отдельными балками того же сечения. Кроме того в перекрытии плита работает в двух направлениях, распределяет нагружение стальных балок более равномерно.

Рис. 14, Мозаика прогибов перекрытия Рис.15. Мозаика нормальных напряжений перекрытия (вид снизу)

В целях выявления доэксплуатационного напряженно-деформированного состояния сталежелезобетонных конструкций проведены экспериментальные исследования на этапе возведения фрагмента перекрытия размерами 6000x6000x280 мм.

В ходе экспериментальных исследований выявлялись:

- поведение стальных балок в период бетонирования;

- изменения деформаций и напряжений в составных сечениях и прогибов перекрытия.

В начальный период формирования плиты свежеуложенный бетон создавал нагрузку для стальных балок, но с течением времени бетон приобретал прочность по мере силикатизации цементного теста. С приобретением бетоном прочности формировалась композитное сталежелезобетонное сечение. Запись показателей приборов с интервалом 60 мин позволила выявить закономерности изменений деформаций, напряжений и прогибов в балках (рис 16.).

а) б) в)

Рис.16 Сталежелезобетонное перекрытие: - общий вид в период замоноличива-ния; - измерение деформаций стальной балки «мензуркой» снабженной индикатором часового типа; - измерение деформаций стальной балки по высоте сечения электротензодатчиками.

Анализ изменения прогибов показывает, что за время от 0 до 22 часов в период затвердения бетона происходит постепенное уменьшение прогибов («выгиб») перекрытия (рис.17), что можно объяснить образованием композитного сечения и, соответственно, увеличением его изгибной жесткости.

6ММЯ1Ч9СЫ)

Рис.17. График изменения проги- Рис.18. Диаграмма изменения напря-бов средней балки перекрытия жений на уровне нейтральной оси

стальной балки

Анализ диаграммы напряжений на уровне нейтральной оси стальной балки (рис. 18) показывает, что до 3-4 часов происходит медленное наращивание напряжений (теоретически на уровне нейтральной оси балки напряжения не должны меняться) после 4-5 часов происходит резкое увеличение напряжений в 3-4 раза, что объясняется образованием нового составного сечения и переходом нейтральной осп на новый уровень.

В диссертации экспериментальный материал представлен в виде графиков с данными развития прогибов, деформаций стальной балки и соответствующих таблиц.

В главе пятой приводятся сопоставления теоретических и экспериментальных результатов. Предлагаемые методы были использованы при расчете прочности на кратковременное и длительное нагружения и малоцикловую выносливость нормальных сечений сталежелезобетонных элементов, на прочность с учетом пространственной работы фрагментов сталежелезобетонных перекрытий, испытанных автором. В рассмотренных исследованиях балок в широком диапазоне варьировались геометрия сечений, прочность бетона и стали, количество и вид анкерных связей между бетоном и стальным профилем. В диссертации приведены сопоставления для всех видов нагружений (кратковременное, длительное и циклические нагружения) с учетом и без учета податливости контакта «сталь-бетон».

Об эффективности предлагаемых методов можно судить по результатам аналитической обработки результатов расчета на кратковременные статические нагружения:

а) деформационный метод расчета при податливости соединения:

математическое ожидание: % = -1,60%;

коэффициент вариации: Су = 0,094;

б) деформационный метод расчета при неподатливости соединения:

А/„-А/„, о/о = 3 04о/о; о, =о,063;

в) упрощенный метод расчета при податливости соединения:

% = -2,2%, Су = 0,061;

моп

г) упрощенный метод расчета при неподатливости соединения:

ЬЬагМлп- %=7,3 5 %, Су = 0.069.

Сравнение расчетов с данными испытаний сталежелезобетонных балок на длительные статические нагружения:

а) деформационный метод расчета при податливости соединения:

Ч--Ч*-. % = 1,005%,Су =0,058;

б) деформационный метод расчета при неподатливости соединения:

М„-АСо/„= 1,493%,Су =0,3 87;

м«,

в) инженерный метод расчета при податливости соединения:

1,118%, ^=0,185;

г) инженерный метод расчета при неподатливости соединения:

М„-М„, о/о = 1 391% сх =о 298.

К,

Аналогичные вычисления произведены при оценке малоцикловой выносливости нормальных сечений сталежелезобетонных балок. Об эффективности предлагаемых методов можно судить по результатам статической обработки:

а) деформационный метод расчета при малоцикловом нагружении при податливости соединения:

1.006, Су = 0.065;

б) деформационный метод расчета при статическом нагружении при податливости соединения:

1,045, Су =0.066;

в) деформационный метод расчета при малоцикловом нагружении при неподатливости соединения:

1.566, Су = 0.398;

г) деформационный метод расчета при статическом нагружении при податливости соединения;

^= 1.455, С„ =0.348;

д) упрощенный метод расчета при малоцикловом нагружении при податливости соединения:

К,. = 1.028, С„ =0.196;

Ч,

е) упрощенный метод расчета при статическом нагружении при податливости соединения:

¥-.= 1.201, Су =0.129;

ж) упрощенный метод расчета при малоцикловом нагружении при неподатливости соединения:

1.466, = 0.319;

з) упрощенный метод расчета при статическом нагружении при неподатливости соединения:

1.431, =0.31.

м..

На рис. 19 приведен один из результатов сопоставления расчетных и экспериментальных данных при малоцикловом нагружении.

Рис. 19. Сопоставление опытных и расчетных значений выносливости нормальных сечений сталежелезобетонных балок при расчете деформационным методом при малоцикловом нагружении.

Разработанные методы применены для расчета прочности сталежелезобетонных балок при учете пространственной работы перекрытия 6x6м, испытанных автором. В расчетах использованы геометрические параметры фрагмента перекрытия, количество и вид связей между бетонной плитой и стальной балкой.

Об эффективности предлагаемых методов можно судить по результатам статистической обработки:

а) метод расчета прочности сталежелезобетонных балок при пространственной работе перекрытия (Мт и Моп взяты для средней балки перекрытия):

^=1,005;

Су = 0,059.

Основные выводы

1. На основе анализа результатов экспериментально-теоретических исследований, являющихся базой существующих норм и рекомендаций проектирования сталежелезобетонных конструкций, выявлено, что эти нормы ориентированы на расчет и проектирование пролетных строений мостов и конструкций промышленных зданий и малопригодны для оценки прочности и выносливости «гибких» сталежелезобетонных конструкций, ввиду значительно большей их жесткости и не учитывают особенности работы перекрытий (покрытий) гражданских зданий. Приводимые в нормах проектирования мостов и труб (СП 35.13330.2011. Мосты и трубы) методы расчета прочности и выносливости сталежелезобетонных изгибаемых элементов не в состоянии в должной мере учитывать особенности напряженно-деформированного состояния сталежелезобетонных конструкций гражданских зданий, что приводит к снижению надежности проектных решений. Поэтому требуется разработка практических методов расчета прочности и выносливости сталежелезобетонных изгибаемых элементов с учетом физической нелинейности бетона, стали и податливости соединения слоев при различных видах их нагружения.

2. Предложены деформационные методы расчета прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений сталежелезобетонных изгибаемых элементов при учете физической нелинейности стали и бетона работающих в составе составной конструкции, аналитических диаграмм деформирования мате-

риалов и податливости контакта слоев. Такой подход позволяет рассчитывать сталежелезобетонные конструкции на прочность при кратковременных и длительных статических нагружениях, а также выносливость при малоцикловых нагружениях. Полученные аналитические зависимости отражают изменения деформаций по высоте сечения при учете неупругих свойств бетона и стали, податливости контакта слоев, уровня кратковременного и длительного нагруже-ний, количества и режима малоциклового нагружения. Предложенный метод расчета позволяет с достаточно высокой степенью точности выявить напряженно-деформированное состояние и оценить прочность и малоцикловую выносливость нормальных сечений изгибаемых элементов при различных видах нагружения.

3. Используемые уравнения для описания трансформированных диаграмм деформирования бетона и стали в компактной форме учитывают наблюдаемые в выполненных экспериментах влияние уровня максимальной нагрузки, времени её действия на прочность, выносливость, начальный модуль упругости и относительные деформации материалов. Применение трансформирования исходных диаграмм стали и бетона позволяет более точно оценивать прочность и выносливость нормальных сечений сталежелезобетонных изгибаемых элементов при различных режимах нагружения.

4. Сталежелезобетонные перекрытия (покрытия) работают как пространственные плитно-балочные системы, напряженно-деформированное состояние которых существенно отличается от рассчитанного по существующим нормам проектирования.

Разработан метод расчета прочности сталежелезобетонных изгибаемых элементов как пространственной конструкции, с учетом физической нелинейности бетона и стали, который позволяет с достаточно высокой точностью оценить напряженно-деформированное состояние и прочность сталежелезобетонных изгибаемых конструкций с учетом пространственной их работы на всех стациях нагружения.

5. Разработаны инженерные методы оценки прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений изгибаемых сталежелезобетонных элементов при статическом кратковременном и длительном, а также малоцикловом нагружениях, позволяющие учитывать физическую нелинейность стали и бетона, податливость контакта железобетонной плиты и стальной балки. Трудоемкость расчетов по сравнению с деформационным методом сокращается, что позволяет достаточно быстро оценить прочность и выносливость сталежелезобетонных изгибаемых элементов.

6. Для описания изменения прочности и деформаций соединения железобетонной плиты со стальной балкой, предложены аналитические зависимости. Сопротивление соединения сдвигу складывается из сопротивления стальных анкеров изгибу и бетона смятию под стальными анкерами.

Определены сдвигающие усилия с учетом податливости соединения контакта по плоскости сопряжения железобетонной плиты со стальной балкой, что позволяет оценивать более точно прочность нормальных сечений сталежелезобетонных изгибаемых элементов.

7. Использование пакетов прикладных программ позволяет, в отличие от экспериментальных исследований, ускорить процесс определения напряженно-деформированного состояния сталежелезобетонной конструкции. В частности, применение пакета АЫ5У8, позволяет получить достаточно достоверную картину пространственной работы. Однако при исследовании сталежелезобетонной конструкции за пределом упругой работы материалов применение имеющихся в наличии библиотеки диаграмм работы материалов, в том числе АИБУБ приводит к недостоверным результатам. Использование же диаграмм работы материалов по данным натурных экспериментов дает наиболее близкие результаты к реальным конструкциям.

Численными исследованиями выявлены:

- изменение шага и диаметра анкерных стержней сверх расчетного (рационального) значения мало влияют на распределение усилий между железобетонной и стальной частями составного сечения;

- изменение жесткостных соотношений Е^ь/Е^ влияет на распределение усилий в железобетонной полке и стальной балке сталежелезобетонного изгибаемого элемента.

8. Предложен метод расчета прочности сталежелезобетонных изгибаемых конструкций с учетом доэксплуатационных напряжений и деформаций в стадии возведения, позволяющий оценить начальное напряженно-деформированное состояние и прогибы составной конструкции.

9. В целях обоснования гипотез, принятых в предложенных моделях деформационного расчета прочности и выносливости нормальных сечений при кратковременном, длительном и малоцикловом нагружениях, а также для проверки точности упрощенных методов расчета выполнены экспериментальные исследования сталежелезобетонных изгибаемых элементов на действие кратковременного и длительного, а также малоциклового нагружения. Результаты экспериментальных исследований показали, что при статическом кратковременном, длительном и малоцикловом нагружениях все опытные балки разрушились по нормальному сечению из-за раздробления бетона, вследствие достижения напряжениями в сжатой зоне железобетонной плиты предельных значений. В нижней полке стальных балок в зоне максимальных изгибающих моментов образовались пластические деформации, затем они распространялись по высоте сечения и по длине элементов, что приводило к физическому разрушению опытных сталежелезобетонных балок.

На характер развития полных и остаточных деформаций бетона и стали , а также прогибов сталежелезобетонных изгибаемых элементов влияют диаметр и шаг стальных анкерных стержней и, как следствие, степень податливости контакта слоев «сталь-бетон».

Происходят изменения деформаций растянутой зоны стальных балок и бетона плит сжатой зоны, при кратковременном, длительном и малоцикловом нагружениях. В растянутой и сжатой зонах развиваются деформации с различной интенсивностью на всем протяжении испытаний, наиболее заметные изменения происходят в начальный период нагружения. Экспериментальные исследования позволили установить, что увеличение податливости анкерного соединения при-

водит к увеличению деформаций стальной балки и бетона, прогибов испытанных образцов, к изменению распределения деформаций материалов по высоте сечения, а также к снижению прочности опытных сталежелезобетонных элементов при статическом и выносливости при малоцикловом нагружениях.

10. Экспериментальными исследованиями отдельных балок на статические кратковременные, длительные и циклические нагружения, фрагментов перекрытий выявлено:

- перед разрушением сталежелезобетонных балок и фрагментов перекрытия нижние участки железобетонной плиты от сжатой переходят в растянутую зону;

- в сталежелезобетонных изгибаемых элементах в предельном состоянии появляются две нейтральные оси - отдельно в стальной балке и плите, нижние зоны полок сталежелезобетонного перекрытия испытывают растягивающие усилия. При расчете и проектировании сталежелезобетонных ребристых перекрытий (покрытий) необходимо предусмотреть в нижней зоне плиты расчетную рабочую арматуру.

11. Экспериментальными исследованиями пространственной работы сталежелезобетонных фрагментов перекрытий установлены:

- характер распределения деформаций и напряжений стальных балок — ребер в составе перекрытия отличается от их распределения в самостоятельных балках: деформации сдвига в контактном шве «сталь-бетон» меньше; пластические деформации в стальной балке и бетонной плите проявляются позже, чем в изолированной балках;

- динамика появления и развития трещин в железобетонной плите подтверждает пространственную работу фрагментов перекрытия, работу плиты по схеме неразрезной балки в перпендикулярном направлении по отношению к стальным балкам;

- несущая способность сталежелезобетонных балок в составе перекрытия до 1,24 раза больше и прогибы до 1,5 раза меньше, чем в отдельных балках.

Выполнены экспериментальные исследования выявления напряженно-деформированного состояния сталежелезобетонных конструкций в доэксплуа-тационной стадии с целью уточнения начальных деформаций и напряжений бетона и стального профиля. Результаты исследований показали, что при затвердении бетона происходит изменение напряжений в стальной балке по всей высоте сечения и по мере увеличения жесткости образующегося сталежелезобетонного элемента - обратный выгиб сталежелезобетонных конструкций.

12. Результаты расчетов по предложенным в диссертации методам на прочность и малоцикловую выносливость, учета пространственной работы перекрытия удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными. Их точность и достоверность подтверждаются данными испытаний на сдвиг и изгиб сталежелезобетонных элементов, отличающихся размерами, конструкцией объединения железобетонной плиты со стальным профилем и модели фрагмента, а также фрагмента перекрытия в натуральную величину при действии кратковременного, длительного и циклического нагружений.

Расчетные данные полученные по предложенному методу учета начальных

напряжений при расчете прочности сталежелезобетонных изгибаемых элементов в доэксплуатационной стадии удовлетворительно согласуются с результатами проведенных экспериментальных исследований. Их достоверность подтверждается результатами испытаний сталежелезобетонного фрагмента перекрытия в натуральную величину.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1.3амалиев, Ф.С. Усиление металлических балок перекрытия [Текст] / Ф.С. Замалиев // Облегченные металлические и деревянные конструкции: межвузовский сборник. - Казань, 1988. - С. 116-121.

2. Замалиев, Ф.С. Сталежелезобетонные конструкции перекрытий и покрытий зданий [Текст] / Ф.С. Замалиев // Информационный листок №212-92. - Казань : Изд-во ТатЦНТИ, 1992. - 2 с.

3. Замалиев, Ф.С. Композитные балки в условиях реконструкции [Текст] /Ф.С.Замалиев // Реконструкция Санкт-Петербурга-2005: материалы международного симпозиума. - СПб., 1992. - С. 30.

4. Замалиев, Ф.С. Композитные балки на основе стального двутавра [Текст] /Ф.С. Замалиев // Информационный листок №204-93. - Казань : Изд-во ТатЦНТИ, 1993. -2 с.

5. Замалиев, Ф.С. Конструкции реконструируемых перекрытий со сталеже-лезобетонными балками [Текст] / Ф.С. Замалиев // Информационный листок №3-94. - Казань : Изд-во ТатЦНТИ, 1994. - 3 с.

6. Замалиев, Ф.С. Сталежелезобетонные конструкции. Новые методы расчета [Текст]/ Ф.С. Замалиев - научный доклад на соискание ученой степени доктора транспорта. - Казань : Изд-во КазГАСА, 1997. - 51 с.

7. Замалиев, Ф.С. Расчет прочности сталежелезобетонных изгибаемых конструкций на основе аналитических диаграмм [Текст] / Ф.С. Замалиев, И.Т. Мирсаяпов // Разработка и исследование металлических и деревянных конструкций: сборник научных трудов. - Казань : Изд-во КазГАСА, 1999. - С. 142149.

8. Замалиев, Ф.С. Сталежелезобетонные конструкции при реконструкции исторических городов [Текст]/ Ф.С. Замалиев // Проблемы реконструкции и возрождения исторических городов: материалы Российского научно-практического семинара. - Казань, 1999. - С. 88-95.

9. Замалиев, Ф.С. Сталежелезобетонные изгибаемые конструкции для условий реконструкции и оценка их прочности [Текст] / Ф.С. Замалиев, И.Т. Мирсаяпов // Эксплуатация и реконструкция зданий и сооружений: материалы II межрегиональной научно-практического семинара. - Чебоксары, 2001. - С. 6770.

10. Замалиев, Ф.С. Оценка прочности нормальных сечений сталежелезобетонных изгибаемых элементов при однократном кратковременном статическом нагружении [Текст] / И.Т. Мирсаяпов, Ф.С. Замалиев, Р.И. Шаймарданов // Вестник Волжского регионального отделения РААСН. - Н. Новгород, 2002. -Вып. №5.-С. 247-250.

П.Замапиев, Ф.С. Упрощенный метод расчета прочности стапежелезобе-

тонных конструкций при статическом и циклическом нагружениях [Текст] / И.Т. Мирсаяпов, Ф.С. Замалиев, Э.Ф.Замалиев // Вестник Волжского регионального отделения РААСН. - Н. Новгород, 2002. - Вып. №5. - С. 243-246.

12. Замалиев, Ф.С. Экспериментальные исследования сталежелезобетонных балок на статические нагружения [Текст] / Ф.С. Замалиев, Р.И. Шаймарданов // Эффективные строительные конструкции: теория и практика: сборник статей международной научно-технической конференции. - Пенза, 2002. - С. 98-101.

13. Замалиев, Ф.С. Малоцикловая выносливость нормальных сечений сталежелезобетонных элементов при нелинейном деформировании материалов [Текст] /И.Т.Мирсаяпов, Ф.С. Замалиев Э.Ф. Замалиев // Эффективные строительные конструкции: теория и практика: сборник статей международной научно-технической конференции. — Пенза, 2002. - С. 93-97.

14. Замалиев, Ф.С. Экспериментальные исследования сталежелезобетонных балок на малоцикловые нагружения [Текст] / И.Т. Мирсаяпов, Ф.С. Замалиев, Э.Ф. Замалиев // Эффективные строительные конструкции: теория и практика: сборник статей международной научно-технической конференции. - Пенза, 2002. - С. 64-68.

15. Замалиев, Ф.С. Экспериментальные исследования податливости контакта «сталь-бетон» на сталежелезобетонных призмах [Текст] / Ф.С. Замалиев, Р.И. Шаймарданов // Перспективы развития Волжского региона: материалы Всероссийской заочной конференции. — Тверь : Изд-во Тверского ГТУ, 2002. — С. 199201.

16. Замалиев, Ф.С. Экспериментальные исследования влияния податливости связей по границе «сталь-бетон» на деформативность и выносливость сталежелезобетонных балок при малоцикловых нагружениях [Текст] / И.Т. Мирсаяпов, Ф.С. Замалиев, Э.Ф. Замалиев // Перспективы развития Волжского региона: материалы Всероссийской заочной конференции. - Тверь : Изд-во Тверского ГТУ, 2002. -С.201-203.

17. Замалиев, Ф.С. Исследование сталежелезобетонных балок на экспериментальных крупномасштабных моделях [Текст] / Ф.С. Замалиев, Р.И. Шаймарданов // Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных и пластиковых конструкций в строительстве и на транспорте: материалы международной научно-технической конференции. - Самара, 2002. -С. 30.

18. Замалиев, Ф.С. Исследование малоцикловой прочности и деформатив-ности сталежелезобетонных изгибаемых конструкций на крупномасштабных моделях [Текст] / И.Т. Мирсаяпов, Ф.С. Замалиев, Э.Ф. Замалиев // Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных и пластиковых конструкций в строительстве и на транспорте: материалы международной научно-технической конференции. - Самара, 2002. - С. 110.

19. Замалиев, Ф.С. Сталежелезобетонные перекрытия с легкобетонными вкладышами [Текст] / Ф.С. Замалиев, Р.И. Шаймарданов // Информационный листок №71-016-02. - Казань : Изд-во ТатЦНТИ, 2002. - 4 с.

20. Замалиев, Ф.С. Исследования крупномасштабной модели фрагмента сталежелезобетонного перекрытия [Текст] / Ф.С. Замалиев, Р.И. Шаймарданов

// Актуальные проблемы градостроительства и ЖКК: сборник международной научно-практической конференции. - М., 2003. - С. 285-287.

21. Замалиев, Ф.С. Расчет малоцикловой выносливости нормальных сечений сталежелезобетонных элементов при нелинейном деформировании материалов с учетом податливости сопряжения слоев [Текст] / И.Т. Мирсаяпов, Ф.С. Замалиев, Э.Ф. Замалиев // Актуальные проблемы градостроительства и ЖКК: сборник международной научно-практической конференции. - М., 2003. - С. 298301.

22. Замалиев, Ф.С. Экспериментальные исследования фрагмента сталежеле-зобетонного перекрытия [Текст] / Ф.С. Замалиев, Р.И. Шаймарданов // Эффективные строительные конструкции: теория и практика: материалы III международной научно-технической конференции. - Пенза, 2003. - С. 35-38.

23. Замалиев, Ф.С. Экспериментальные исследования малоцикловой прочности сталежелезобетонных балок по наклонному сечению [Текст] / И.Т. Мирсаяпов, Ф.С. Замалиев, Е.В. Бабушкин // Эффективные строительные конструкции. Теория и практика: материалы III международной научно-технической конференции. - Пенза, 2003. - С. 77-79.

24. Замалиев, Ф.С. Исследования изменения напряженно-деформированного состояния сталежелезобетонных балок при вариации их шаг и прочностных параметров нормального сечения [Текст] / Ф.С. Замалиев, Р.И. Шаймарданов // Развитие современных городов и реформы ЖКХ: материалы III международной научно-практической конференции. - М., 2005. - С. 320-324.

25. Замалиев, Ф.С. Оценка малоцикловой выносливости нормальных сечений сталежелезобетонных элементов на основе аналитических диаграмм деформирования материалов [Текст] / И.Т. Мирсаяпов, Ф.С. Замалиев, Э.Ф. Замалиев // Развитие современных городов и реформы ЖКХ: материалы III международной научно-практической конференции. — М., 2005. - С. 363-366.

26*. Замалиев, Ф.С. Экспериментальные исследования сталежелезобетонных изгибаемых конструкций при длительном действии нагрузок [Текст]/ Ф.С. Замалиев, Ш.Н. Хайрутдинов // Известия КазГАСУ. - 2008. - № 1 (9). - С. 65-67^

27*. Замалиев, Ф.С. Экспериментальные исследования сталежелезобетонных конструкций на крупномасштабных моделях. [Текст] / Ф.С. Замалиев, Р.И. Шаймарданов // Известия КазГАСУ. - 2008. -№2(10).-С. 47-52.

28*. Замалиев, Ф.С. Испытание фрагмента сталежелезобетонного перекрытия на статические нагрузки [Текст] / Ф.С. Замалиев, P.A. Сагитов, Ш.Н. Хайрутдинов // Известия КазГАСУ. - 2010. - № 1 (13). - С. 102-105.

29*. Замалиев, Ф.С. Из опыта реконструкции архитектурных памятников г.Казани [Текст] / Ф.С. Замалиев // Известия КазГАСУ. - 2010. - № 2 (14). - С. 9-14. ^

30*. Замалиев, Ф.С. Учет податливости контакта слоев при расчетах прочности и малоцикловой выносливости сталежелезобетонных элементов [Текст]/ И.Т. Мирсаяпов, Ф.С. Замалиев, Э.Ф. Замалиев // Известия КазГАСУ. - 2010. -№2(14).- С. 126-133.

31 *. Замалиев, Ф.С. Напряженно-деформированное состояние сталежелезо-

бетонной конструкции на этапе возведения [Текст] / Ф.С. Замалиев // Известия КазГАСУ. - 2011. - № 1 (15). - С. 72-76.

32 . Замалиев, Ф.С. Упрощенная оценка прочности сталежелезобетонных перекрытий при длительных нагружениях [Текст] / Ф.С. Замалиев, Ш.Н. Хайрутдинов //Известия КазГАСУ,-2011.-№ 1 (15).-С. 77-81.

33 . Замалиев, Ф.С. Экспериментальные исследования податливости контакта слоев сталежелезобетонных конструкций при малоцикловых нагружениях [Текст]/ И.Т. Мирсаяпов, Ф.С. Замалиев, Э.Ф. Замалиев // Вестник МГСУ. -2011. - № 2 (15) т.2. - С. 163-168.

34. Замалиев, Ф.С. Начальные деформации и напряжения составных конструкций, возникающие на этапе возведения [Текст]/ Ф.С. Замалиев // Мир строительства и недвижимости. - СПб.: Изд-во «Мир», 2011. — № 42. - С. 31-32.

35 . Замалиев, Ф.С. Численные и натурные эксперименты в исследованиях сталежелезобетонных конструкций [Текст] / Ф.С. Замалиев, И.А.Гурьянов, Р.И. Шаймарданов, Ш.Н. Хайрутдинов // Известия КазГАСУ. - 2012. - № 1 (19). - С. 46-52

36 . Замалиев, Ф.С. Прочность нормальных сечений сталежелезобетонных изгибаемых элементов при длительных статических нагружениях [Текст] / Ф.С. Замалиев, Ш.Н. Хайрутдинов // Известия КазГАСУ. - 2012. - № 3 (21). - С . 41-46^

37 . Замалиев, Ф.С. Численные эксперименты в исследованиях пространственной работы сталежелезобетонных перекрытий [Текст] / Ф.С. Замалиев // Известия КазГАСУ. - 2012. - № 4 (22). - С. 102-107.

38 . Замалиев, Ф.С. Экспериментальные исследования пространственной работы сталежелезобетонных конструкций [Текст] / Ф.С. Замалиев // Вестник МГСУ.-2012.-№ 12.-С. 53-60.

39 . Замалиев, Ф.С. Учет нелинейных свойств материалов и податливости слоев при расчете прочности сталежелезобетонных перекрытий [Текст] / Ф.С. Замалиев // Промышленное и гражданское строительство. - 2013. - № 5. - С. 38-41.

40 . Замалиев, Ф.С. Выявление доэксплуатационных напряжений и деформации стальных балок - ребер сталежелезобетонного перекрытия [Текст] / Ф.С. Замалиев // Вестник МГСУ. - 2013. -№ 7. - С. 33-39.

41. Замалиев, Ф.С. К оценке несущей способности сталежелезобетонных перекрытий с учетом их пространственной работы [Текст] / Ф.С. Замалиев // Наука и образование. - 2013. - № 3. - С. 153-157.

42 . Замалиев, Ф.С. К расчету малоцикловой выносливости сталежелезобетонных ребристых конструкций [Текст] / Ф.С. Замалиев // Транспортное строительство.-2013.-№9.-С. 8-10.

43. Замалиев, Ф.С. Вопросы проектирования сталежелезобетонных перекрытий при реконструкции архитектурных памятников [Текст] / Ф.С. Замалиев // Актуальные проблемы строительства и дорожного комплекса: сборник статей Международной научно-практической конференции. - Йошкар-Ола, 2013. - С. 46-49.

44. Замалиев, Ф.С. Экспериментально-теоретические исследования стале-

железобетонных конструкций при различных видах нагружения [Текст] / Ф.С. Замапиев // Актуальные проблемы строительства и дорожного комплекса: сборник статей Международной научно-практической конференции. - Йошкар-Ола, 2013.-С. 124-130.

45 . Пат.№133549 Российская Федерация. Сборно-монолитное перекрытие [Текст] / Замалиев Ф.С., Шаймарданов Р.И., Замалиев Э.Ф.; заявитель и патентообладатель Казанский государственный архитектурно-строительный университет, Замалиев Фарит Сахапович. - №2913119949/03 ; заяв. 29.04.2013 ; опубл. 20.10.2013, бюл. №29. -2 е.: ил. 1.

46 . Пат.№ Российская Федерация. Плитная сталежелезобетон-ная конструкция [Текст] / Замалиев Ф.С., Замалиев Э.Ф., Шаймарданов Р.И. ; заявитель и патентообладатель Казанский государственный архитектурно-строительный университет, Замалиев Фарит Сахапович. - №2013132778/03 ; заяв 15.07.2013; опубл. , бюл. № - 2 е.: ил. 1.

* - работы, опубликованные в изданиях, включенных в Перечень ВАК.

Корректура автора

Подписано в печать 02.12.13 Формат 60x84/16

Заказ № 571 Печать RISO Усл.-печ.л. 2,75

Тираж 120 экз. Бумага тип. № 1

Отпечатано в полиграфическом секторе Издательства КГАСУ. 420043, г. Казань, ул.Зеленая, д.1.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

05201450^81

ЗАМАЛИЕВ ФАРИТ С АХАТОВИЧ

ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗГИБАЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ ГРАЖДАНСКИХ ЗДАНИЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ

НАГРУЖЕНИЯ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Казань-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ Стр.

ВВЕДЕНИЕ 9

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 15

1.1. Сталежелезобетонные изгибаемые конструкции, применяемые в гражданском строительстве. 15

1.2. Анализ существующих экспериментальных исследований ста-лежелезобетонных конструкций при различных режимах нагру-жения. 27

1.2.1. Экспериментальные исследования сталежелезобетонных изгибаемых элементов на кратковременные нагружения. 27

1.2.2. Анализ экспериментальных исследований анкерных устройств сталежелезобетонных изгибаемых элементов. 34

1.2.3. Анализ экспериментальных исследований выносливости бетона

и стали, металлических и железобетонных конструкций. 46

1.2.3.1. Изучение выносливости и деформативности бетона при малоцикловых нагружениях. 46

1.2.3.2. Исследования малоцикловой выносливости стали и металлических конструкций. 49

1.2.3.3. Исследования железобетонных элементов на малоцикловые нагружения и расчет железобетонных изгибаемых элементов на выносливость. 53

1.3. Анализ существующих методов расчета сталежелезобетонных конструкций. 57

1.3.1. Методы расчета сталежелезобетонных конструкций при статических кратковременных, длительных и циклических нагружениях; нормативная база по их проектированию: 58

а) СТО 0047-2005 «Перекрытия сталежелезобетонные с монолитной плитой по стальному профилированному настилу. Расчет и проектирование»;

б) СП 35.13330.2011. «Мосты и трубы»;

в) РСН 64-88. «Проектирование сталежелезобетонных перекрытий промышленных зданий»;

г) ЕЙ 1992- Еврокод 2 «Проектирование сталежелезобетонных конструкций».

1.3.2. Методы расчета анкерных устройств объединения сталежелезобетонных изгибаемых конструкций. 69

1.3.3. Методы расчета сборно-монолитных железобетонных конструкций на длительные нагружения. 74

1.4. Выводы по I главе. 78

1.5. Цели и задачи исследований. 80

Глава 2. АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ, РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ И МАЛОЦИКЛОВОЙ ВЫНОСЛИВОСТИ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗГИБАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ОДНОКРАТНОМ И ДЛИТЕЛЬНОМ СТАТИЧЕСКОМ И МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИЯХ. УЧЕТ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ РАБОТЫ, ДОЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ 82

2.1. Анализ напряженно-деформированного состояния нормальных сечений сталежелезобетонных изгибаемых элементов. 82

2.2. Анализ напряженно-деформированного состояния контактного шва сталежелезобетонного изгибаемого элемента. 88

2.2.1. Исследование деформативности и сопротивляемости сдвигу контактного шва «сталь-бетон» 88

2.2.1.1. Работа анкерного стержня в бетонном массиве. 91

2.2.1.2. Коэффициент постели бетонного основания. 92

2.2.1.3. Зона активного деформирования бетона под анкером. 94

2.2.2. Оценка несущей способности и доли участия анкерного стержня и бетона в восприятии сдвигающих усилий. 95

2.2.2.1. Усилие воспринимаемое бетонным основанием. 96

2.2.2.2. Усилие воспринимаемое анкерным стержнем. 96

2.2.2.3. Несущая способность контактного шва при разных видах разрушения. 98

2.2.2.4. Определение сдвигающих усилий по контакту «сталь-бетон» сталежелезобетонных изгибаемых элементов. 99

2.2.2.5. Условия прочности контактного шва. 104

2.2.3. Дополнительные напряжения и усилия возникающие при режимном нагружении. 105

2.3. Метод расчёта прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений на основе аналитических диаграмм деформирования бетона и стали 111

2.3.1. Общие физические соотношения для расчёта прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений без учёта податливости соединения. 111

2.3.2. Общие физические соотношения для расчёта прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений с учётом податливости соединения. 117

2.3.3. Аналитические зависимости для описания диаграмм деформирования бетона. 123

2.3.4. Аналитические зависимости для описания диаграмм деформирования стали. 127

2.3.5. Напряженно-деформированное состояние сталежелезобетонно-

го элемента от длительного действия нагрузок. 129

2.4. Расчет прочности сталежелезобетонных конструкций с учетом пространственной работы плиты. 133

2.4.1 Принятые предпосылки и постановки задачи. 133

2.4.2. Уравнение изгиба сталежелезобетонной плиты, подкрепленной стальными балками. 135

2.4.3. Решение дифференциальных уравнений методом конечных

разностей. 143

2.5. Численные исследования сталежелезобетонных конструкций. 146

2.5.1. Численные исследования сталежелезобетонных балок на кратковременные нагружения. 147

2.5.2. Численные исследования пространственной работы сталежелезобетонных перекрытий. 151

2.6. Учет начальных деформаций и напряжений, возникающих на этапе возведения, в расчетах изгибаемых сталежелезобетонных конструкций. 158

2.6.1. Учет усадки бетона. 158

2.6.2. Напряженно-деформированное состояние составного сечения

до приложение внешних нагрузок. 162

2.6.3. Расчетные выражения для определения прочности сталежелезобетонных элементов на эксплуатационные нагрузки, при учете доэксплуатационных напряжений. 164

Глава 3. ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ И МАЛОЦИКЛОВОЙ ВЫНОСЛИВОСТИ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОК, ПРОЧНОСТИ С УЧЕТОМ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ РАБОТЫ В СОСТАВЕ ПЕРЕКРЫТИЯ. ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ НЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО ПЕРЕКРЫТИЯ 166

3.1. Расчеты прочности и малоцикловой выносливости по нормальным сечениям сталежелезобетонных изгибаемых элементов. 166

3.1.1. Основные предпосылки расчета. 166

3.1.2. Расчеты прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений без учета податливости контакта. 169

3.1.3. Расчеты прочности и малоцикловой выносливости нормальных сечений с учетом податливости контакта. 172

3.2. Выбор рациональных параметров несущих элементов сталеже-

лезобетонного перекрытия. 175

3.2.1. Исследование изменения напряженно-деформированного состояния сталежелезобетонных балок при вариации прочностных параметров нормального сечения. 175

3.2.2. Выявление рационального шага стальных балок - ребер сталежелезобетонного перекрытия. 182

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ 185

4.1. Технология изготовления, характеристики опытных образцов балок, призм, фрагментов перекрытий. 185

4.2. Методика испытания сталежелезобетонных элементов на действие кратковременной статической нагрузки. 201

4.2.1. Испытания сталежелезобетонных балок на изгиб. 201

4.2.2. Испытание сталежелезобетонных призм. 206

4.3. Методика испытания сталежелезобетонных элементов на действие малоцикловой нагрузки. 209

4.4. Методика испытания сталежелезобетонных элементов на действие длительных нагрузок. 214

4.5. Методика экспериментальных исследований пространственной работы сталежелезобетонных конструкций. 216

4.6. Методика экспериментальных исследований определения начальных деформаций и напряжений (доэксплуатационного напряженно-деформированного состояния) на стадии возведения сталежелезобетонного перекрытия. 221

4.7. Результаты экспериментальных исследований прочности сталежелезобетонных балок при однократном статическом нагружении. 224

4.8. Результаты экспериментальных исследований малоцикловой

выносливости сталежелезобетонных балок. 242

4.8.1. Статические кратковременные испытания. 242

4.9. Результаты экспериментальных исследований сталежелезобетонных балок при длительном статическом нагружении. 247

4.10. Результаты экспериментальных исследований модели и фрагмента сталежелезобетонных перекрытий. Пространственная работа плиты. 251

4.10.1. Результаты испытаний модели сталежелезобетонного перекрытия. 251

4.10.2. Результаты испытаний фрагмента сталежелезобетонного перекрытия в натуральную величину. 255

4.10.3. Экспериментальные исследования пространственной работы плиты. 258

4.11. Результаты исследований податливости контакта слоев. 267

4.11.1. Изучение деформативности и прочности призм на действие статической нагрузки. 267

4.11.2. Результаты исследований сдвига слоев на моделях балок при кратковременных нагрузках. 278

4.11.3. Результаты исследований сталежелезобетонных элементов при малоцикловых нагружениях. 281

4.12. Результаты исследований доэксплуатационного напряженно-деформированного состояния сталежелезобетонной конструкции. 288

Глава 5. СОПОСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. ОЦЕНКА ДОСТОВЕРНОСТИ ПРЕДЛАГАЕМЫХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА 292

5.1. Сопоставления теоретических результатов с данными испытаний натурных образцов. 292

5.1.1. Сравнения с данными испытаний сталежелезобетонных балок

на кратковременные нагружения. 293

5.1.2. Сравнения с данными испытаний сталежелезобетонных балок

на циклические нагружения. 298

5.1.3. Сравнения с данными испытаний сталежелезобетонных балок

на длительные нагружения. 301

5.1.4. Сравнения с данными испытаний фрагмента сталежелезобетонного перекрытия в натуральную величину. 302

5.2. Сопоставления теоретических результатов с данными численных

экспериментов. 305

5.2.1. Сравнения с данными численных экспериментов сталежелезобетонных балок. 306

5.2.2. Сравнения с данными численных экспериментов модели фрагмента сталежелезобетонного перекрытия. 307

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 308

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 314

ПРИЛОЖЕНИЯ

1. Мероприятия по защите стальных балок и бетона плиты от прямого воздействия огня. 350

2. Перечень научно-технических отчетов, выполненных автором по сталежелезобетонным конструкциям в Казанском Государственном архитектурно-строительном университете. 372

3. Внедрение предложенных методов расчета и конструирования на объектах реконструкции и в учебном процессе. 374

ВВЕДЕНИЕ

В начале XXI века наряду с тенденцией увеличения размеров перекрываемых пролетов пространственными и плоскостными конструкциями зданий и сооружений до 200м и более, увеличением высоты зданий до 150-200м и более («небоскребы» до 800-1000м), архитекторы усилили внимание к применению новых составных конструкций в зданиях для увеличения их внутренних размеров и технологичности возведения конструктивных элементов, а также к восстановлению архитектурных памятников на основе новых подходов и технологий.

Рыночные отношения, интенсивно развивающиеся в нашей стране, диктуют необходимость повышения долговечности зданий, применения экономичных решений, которые в большей степени определяются совершенствованием проектных и конструктивных решений при максимальном снижении материалоемкости строительства. Решение этих задач должно быть в первую очередь обеспечено в ведущих отраслях строительства, в том числе при строительстве и реконструкции гражданских зданий. Важнейшим видом несущих конструкций гражданских зданий являются перекрытия. В гражданских зданиях, особенно в высотных зданиях, которые в последнее время все больше применяются в нашей стране, в период интенсивного развития рыночных отношений, важным вопросом является уменьшение расхода материалов, в том числе и на перекрытие. Перекрытия испытывают в реальных условиях длительные, а иногда - повторные нагружения. В высотных зданиях на технических этажах устанавливаются разного рода неуравновешенные машины (вентиляторы, компрессоры, центрифуги и т.п.), являющиеся источниками многократно повторных нагрузок. В зальных помещениях памятников архитектуры, предназначенных для проведения массовых мероприятий, на перекрытиях также возможно возникновение многократно повторных нагружений.

При реконструкции гражданских зданий очень часто приходится сталкиваться с тем, что деревянные балки перекрытий, применявшиеся вплоть до 50-х годов XX века, в большинстве случаев потеряли несущую способность из-за нахождения в неблагоприятных влажностных и температурных условиях эксплуатации. Кроме того, при реконструкции зданий и сооружений, особенно архитектурных памятни-

ков, к перекрытиям и покрытиям предъявляют жесткие требования как реставраторы, так и надзорные органы. При проектировании и самого процесса реконструкции отслужившие нормативный срок эксплуатации деревянные перекрытия меняют частично или полностью на новые перекрытия. Требования по реставрации и реконструкции памятников архитектуры диктуют сохранение внешних и внутренних архитектурных решений, что возможно только при сохранении статической связности здания, первоначальных отметок пола и потолка перекрытий, а также при поэлементной замене деревянных балок. Здесь на помощь приходят железобетонные перекрытия по стальным балкам. При обеспечении совместной работы плиты с балкой создается сталежелезобетонное перекрытие, используемое в последние годы в перекрытиях гражданских зданий во многих странах мира, в том числе и в России.

Выполнение работ по реконструкции междуэтажных перекрытий методом замены существующих деревянных балок на стальные объединенные с железобетонной плитой доказало малую трудоемкость и технологичность, отсутствие поддерживающих лесов и опалубки, значительную экономию материалов, возможность восстановления без лишних затрат на старинных потолках лепного декора, росписей и т.д.

Широкому применению сталежелезобетонных конструкций в гражданских зданиях будет способствовать изучение, выявление закономерностей рациональной работы составляющих материалов в этих конструкциях. Однако в нашей стране сталежелезобетонные конструкции не нашли на сегодняшний день такого широкого применения как в развитых странах мира. Вероятно, сдерживающим фактором является недостаточная изученность их напряженно-деформированного состояния, отсутствие надежных и одновременно достаточно простых способов расчета.

При проектировании сталежелезобетонных изгибаемых конструкций (СЖБИК) одним из важных аспектов является проблема расчёта на прочность и малоцикловую выносливость. Расчёт прочности и выносливости на сегодняшний день таких конструкций ведётся на основе полуэмпирических зависимостей без

достаточного учёта действительного напряжённо-деформированного состояния, что не гарантирует получение надёжных и одновременно экономичных решений.

В связи с вышесказанным возникает необходимость разработки новых методов расчёта на основе теоретических и экспериментальных исследований, прочности и выносливости сталежелезобетонных изгибаемых конструкций с учётом реальных условий деформирования стали и бетона в составе единой конструкции при податливости соединения «сталь-бетон», что приведёт к вскрытию неиспользованных резервов их несущей способности, повышению их надёжности и долговечности.

Диссертация посвящена проведению комплекса экспериментально-теоретических исследований и разработке новых методов расчёта прочности и выносливости сталежелезобетонных изгибаемых элементов с учётом и без учёта податливости сопряжения железобетонной плиты со стальной балкой - контакта «сталь-бетон» - при различных видах нагружений.

Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, приложений и списка литературы.

Первая глава посвящена исторической справке, обзору и анализу применяемых в строительстве сталежелезобетонных изгибаемых конструкций, существующих экспериментальных исследований прочности сталежелезобетонных изгибаемых элементов и их анкерных устройств, используемых на практике методов расчета прочности и выносливости сталежелезобетонных изгибаемых элементов и их анкерных устройств на различные виды нагружений, на основе которых сформулированы цели и задачи исследований.

Вторая глава посвящена анализу работы контакта «сталь-бетон», работы анкерного соединения слоев и изучению напряженно-деформированного состояния нормальных сечений сталежелезобетонных изгибаемых элементов и разработке новых методов расчета прочности и выносливости на различные виды нагружений. Приведены деформационный методы расчета сталежелезобетонных изгибаемых элементов с учетом и без учета податливости контакта, а также расчет сталежелезобетонных перекрытий с использованием метода расчета многослой-

ных пластин за пределом упругости. Дан анализ напряженно-деформированного состояния сталежелезобетонных конструкций на основе численных экспериментов.

Третья глава посвящена инженерным методам расчета при податливом и неподатливом контакте слоев сталежелезобетонных перекрытий и покрытий. Приведены методы расчета сталежелезобетонных балок, расчеты балок с учетом их пространственной работы в составе перекрытия; учтены доэксплуатационные напряжения возникающие на стадии возведения. Числ�