автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность сталетрубобетонных элементов при локальном нагружении

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

УДК /624.046+624.21.0.,94/:539.4

На правах рукописи

РГ Б ОД

АЛИ ЭЛЬ ХАДЙ САМИР

ПРОЧНОСТЬ СТАЛЕТРУБОБЕГОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ЛОКАЛЬНОМ НАГРУЖЕНИИ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения 05.23.15 - Мосты и транспортные тоннели

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1997

Работа выполнена на кафедре "Мосты и транспортные тоннели' Белорусской государственной политехнической академии.

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Оппонирующая организация

- доктор технических наук, профессор Лукша Л.К.

- доктор технических наук, профессор Чирков В.П.

- кандидат технических наук, доцент Рак H.A.

- "Дорстройтехника"

Защита состоится _1997г. в часов на

заседании специализированного совета Д02.05.09 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Белорусской государственной политехнической академии по адресу: 220027, г.Минск, пр-т Ф.Скорины, 65, корп.1, ауд\202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке'ЕГПА.

Автореферат разослан "§0 " • 1997г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

доцент Е.М.Сидорович

©Белорусская государственная политехническая академия, 1997

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Узлы олирания пролетных строений на железобетонные опоры являются весьма ответственными элементами моста. Нарушение их работы влечет за собой изменение статической схемы пролетного строения или системы моста в целом, что может привести сооружение к аварийной ситуации и даже к его обрушению.

Опорные узлы традиционно состоят из опорных частей и мест опирания (подферменных площадок).

Конструкция опорных частей зависит от величины опорного давления пролетных строений, требуемой степени подвижности опорного узла, материала, из которого устраиваются опорные части.

В практике мостостроения нашли применение 2 вида армирования под|>ерменных площадок (подфермэняиков): сетчатое и спиральное.

В диссертации рекомендуется и исследуется возможность устройства мест опирания (подферменных площадок), принципиально отличных от указанных вше, а именно сталетрубобетонных.

В диссертации разработана методика исследования трубобетон-ных подтерме иных элементов и методика расчета их несущей способности при локальном нагружении.

Цель работы и её задачи. Цель работы заключается в изучении сталетрубобетонных элементов при локальном нагружении и в разработке методов расчета прочности сталетрубобетонных элементов при локальном нагружении.

Научную новизну работы составляют:

- результаты выполненных экспериментальных исследований на смятие бетонного ядра торцовой поверхности сталетрубобетонных элементов применительно к устройству подферменных площадок мостовых опор;

- новые методы расчета несущей способности сталетрубобетона под действием локальной сжимающей нагрузки.

Практическая и экономическая значимость. Разработанные методы расчета могут найти применение при проектировании большепролетных мостов, в стыках опор сооружений и колонн зданий. Степень готовности использования результатов стопроцентная.

Разработанная конструкция устройства подфермэнных площадок более экономична по расходу стали, менее трудоемка, позволяет осуществлять ускоренные методы строительства мостовых сооружений.

Автор защищает:

- методику экспериментальных исследований поведения стале-трубобетонных элементов при локальном нагружении их торцевой поверхности;

- результаты экспериментальных исследований;

- разработанные методы расчета прочности сталетрубобетонных элементов при локальном их нагружении круговыми штампами;

- выводы и рекомендации согласно выполненным исследованиям.

Апробация работы. Результаты экспериментальных и теоретических исследований обсуждались на Первом Белорусском конгрессе по теоретической и прикладной механике 1995 г.

Публикации. Результаты опубликованы в материалах конференции.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, трех глав основной части с выводами, списка использованных источников литературы. Диссертация изложена на 99 листах в том числе 46 рисунков, II таблиц и 57 страницах машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана оценка современных методов определения прочности конструкции подйерменных площадок, обоснована необходимость проведения работы по теме диссертации, приведены исходные данные для исследований.

В первой главе содержится обзор основных научных трудов по проблеме локального сжатия в каменных и железобетонных конструкциях, несущей способности сталетрубобетонных элементов при смятии анализ решения задач, связанных с данной проблемой.

Исследование бетона и каменных материалов на смятие проводилось длительное время.

Большой вклад в проблему смятия внес профессор Мерш. Мери считал, что разрушение бетона и каменных материалов на смятие обусловливается действием растягивающих поперечных напряжений, которые появляются под действием вертикальной сминающей нагрузки. Поэтому в первую очередь Мерш рекомендует учитывать горизонтальные растягивающие усилия.

Прочность бетонных и каменных материалов на смятие исследовалась немецким ученым Кребитцем. При этом Кребитц ищет не максимальное растягивающее напряжение как Мерш, а максимальное сжимающее напряжение, при котором происходит раскалывание элемента.

Более близким к действительной работе бетона и других каменных материалов является метод Гелера. Гелер полагает, что первопричиной разрушения материала при смятии является образование клина под площадкой смятия, которым затем развивается тело сминаемого образца. Клин вдавливается в тело под действием сминающей нагрузки благодаря возникновению поверхностей скольжения.

Рассуждения Гелера соответствуют теории Л.Прандтля о смятии идеально пластических тел.

Французский исследователь И.Гийон полагает, что в зоне под штампом сминающие напряжения существенно превышают призменную прочность бетона, а в примыкающих участках они приближаются к нулю. Далее по вызоте сечения по И.Гийону продольные напряжения переходят в скалывающие, которые обусловливаются появлением поперечных растягивающих напряжений. Таким образом, допускается предположение о дискретном характере напряжений в теле сминаемого элемента, что не соответствует законам механики сплошной среды.

В конце пятидесятых годов С.А,.Семенцовым были испытаны бетонные образцы разных размеров, изготовленные из крупнозернистого бетона, раствора и шлакобетона. Сминающая нагрузка передавалась через цилиндрический штамп, прикладывающийся как центрально, так и эксцентрично. Сделан вывод, что разрушение происходит с образованием клиновидного тела, раскалывающего сминаемый образец. Причиной его образования, по мнению автора, служат силы трения, возникающие между сминаемым образцом и штампом при его нагружении. По результатам испытания образцов автор пришел к выводу, что для расчета прочности на смятие в зависимости от особенностей загру-жения могут применяться как формула Баушингера, так и формула Каменданта.

Большие теоретические исследования выполнены В.Ф.Ченом. Чен считает, что под штампом возникает объемное напряженное состояние типа бетона в обойме, поэтому физическая модель разрушения бетона под штампом выглядит в форме опрокинутой пирамиды или конуса в зависимости от формы штампа.

Модель Чена и результаты его исследований ближе всего примыкают к воззрениям Л.Прандтля.

Обширные опыты по изучению смятия бетона квадратными и прямо-

угольными штампами выполнил Ньёджи С. на образцах прямоугольного и квадратного сечений. Ньёджи обстоятельно исследовал влияние условий опирания опытных образцов на величину разрушающей нагруз ки. С этой целью между образцом и нижней плитой пресса помещалис: различные прокладки из песка, резины, пластмасс. Им установлено, что при значительной высоте образца прочность не за-

висит от наличия или отсутствия прокладок на опорной плите.

Однако, если высота образца невелика, то граничные условия на нижней плите пресса очень существенно влияли на прочность и характер разрушения образцов.

Если сминающая нагрузка приложена не по оси образца (вне-центренно), то прочность бетона на смятие снижается. Анализируя работу Ньёджи, можно заметить, что его рекомендации имеют в осно] ном геометрическое толкование, однако изучению распределения напряжений и изучению характера напряженного состояния уделено недостаточно внимания.

Как следует из вышеизложенного анализа экспериментальных да! ных о работе бетона при смятии, модель смятия железобетона представляется следующим образом. На первой стадии железобетонный элемент работает как неармированный с образованием перевернутых пирамиды или конуса под штампом. До момента образования пирамиды или конуса (в упругой стадии) поперечные деформации невелики и поперечная арматура практически не участвует в работе. IIpoдoльнaJ арматура, если она имеется под штампом, участвует в сопротивленш смятию элемента наравне с бетоном пропорционально своей жесткоси то есть с коэффициентом приведения арматуры к бетону, полученным как отношение модулей упругости стали и бетона.

Явление смятия железобетона изучалось многими исследователями. Одной из основополагающих работ являются исследования Шляйха Шеффера и Зенневейна. Ими установлено, что наибольшая неравномерность напряженного состояния находится в верхней зоне под штампом и простирается на глубину 0,2 от меньшего размера сечения элемента, Поэтому эту зону элемента они рекомендуют армировать особенно интенсивно. С увеличением расстояния от плоскости приложения штампа вдоль элемента за пределы 0,2 от меньшего размера сечения неравномерность напряженного состояния уменьшается, величина поперечных растягивающих напряжений, направленных перпендикулярно оси элемента снижается и элемент в поперечном сечении постепенно нагружается только продольными сжимающими напряжениям! При этом роль окружающего штамп бетона сводится главным образом

к роли среды, передающей давление на обойму или анкерующей растянутые стержни, если поперечное армирование выполнено в виде сварных или вязанных арматурных сеток, размещенных в бетоне нормально сминающему усилию.

Значительные экспериментально-теоретические исследования железобетона на смятие выполнены В.А.Червонобабой применительно к проектированию стыков сборных железобетонных колонн. Им установлено, что усилие образования первых трещин мало зависит от содержания поперечной арматуры.

Поперечные сетки включаются в работу главным образом после образования первых трещин, идущих вдоль оси элемента или под небольшим углом наклона к ней. Затем наступает упруго-пластическая стадия работы элемента на смятие, при которой деформации смятия развиваются нелинейно.

После достижения предела текучести в стержнях поперечных сеток наступает пластическая стадия деформирования сминаемого элемента (стадия разрушения).

В заключение упомянем еще две работы, которые представляют интерес для рассматриваемой проблемы. Это, во-первых, книга советского классика механики бетона профессора, доктора технических наук Г.А.Гениева.

Книга посвящена общим теоремам механики сплошной бетонной и железобетонной упруго-пластической сложно напряженной среды с решением частных задач, в том числе и по смятию бетона штампами различной конфигурации. Книга отличается высоким научным уровнем изложения, однако приведенные в ней решения трудно применить на практике по двум причинам. Первая причина - применен критерий прочности неротационного параболоида, который недостаточно согласуется с экспериментами.

Вторая причина - приведенные результаты даны в очень сложной математической форме, которая не пригодна для практических целей.

Поэтому упомянутая работа представляет лишь несомненный научный интерес, как методическая по использованию критериев прочности, а также деформационных критериев бетона и железобетона.

Во-вторых, это кандидатская диссертация И.Буннн, посвященная смятию бетона и железобетона полосовым, круглым и квадратным штампами.

Работа И.Бунны построена на гипотезе Л.Прандтля и результатах исследований Г.А.Гениева. Она, как и работа Г.А.Гениева, базируется на очень сложных математических предпосылках, что затрудня-

ет её практическое применение. Поэтому нами использован более простой путь опытно-теоретического решения задачи, исходя из теории расчета трубобетона. Однако для того, чтобы разработать наиболее приемлемый способ расчета трубобетонных элементов на смятие необходимо рассмотреть расчетные концепции различных авторов, работавших в области теории трубобетона.

Обним из первых создателей теории расчета прочности трубобетона был проф. А.А.Гвоздев. Исходя из общих принципов теории предельного равновесия, А.А.Гвоздев применил экстремальный принцип математического анализа к оценке несущей способности трубобетонно-го элемента. Несмотря на то, что при построении расчетной модели А.А.Гвоздев исходил из объемного напряженного состояния бетонного ядра и стальной оболочки конечная расчетная формула полученная им является одномерной. Как показано в работе Л.КЛукши, она применима только для тонкостенных труб. Для труб со средней и особенно с толстой стенкой формула А.А.Гвоздева существенно завышает расчетные значения. Второй её недостаток состоит в том, что она не позволяет оценить величину бокового давления. Поэтому методологически она не может быть использована для оценки прочности трубобетона на смятие.

Анализ модели расчета профессора А.А.Долженко показывает, что она имеет эмпирическое происхождение. Она не содержит в явном виде значения бокового давления трубы на бетон, которое необходимо для расчета прочности трубобетона на смятие.

Достоинством модели расчета прочности трубобетона В.М.Сурди-на является то, что в ней в явном виде содержится значение бокового давления стальной трубы на бетон. Однако функция для определения величины бокового давления является эмпирической, точность её для трубобетона не исследована.

Поэтому профессор Л.И.Стороженко, как коллега В.М.Сурдина, рекомендует пользоваться несколько иной моделью расчета В.М.Сурдина с определением степени упрочнения бетонного ядра и трубы с помощью графиков.

В последние десятилетия прочность трубобетона широко исследуется за рубежом. Например, крупнейший китайский исследователь Ш.Т.Жонг рассматривает трубобетон как некомпозитный элемент, состоящий условно из однородного материала. Этот подход к расчету прочности не может быть признан перспективным. Тем более, что не может быть речи о выделении из неё функции для определения величины бокового давления.

Преобразовав формулу проф.Ш.Х.Цая, получаем формулу А.А.Гвоз-

дева, которая анализировалась вше, и которая не содержит в явном виде функции для определения бокового давления.

Теоретическая формула профессора Л.КЛукши имеет вид

Формула получена из условий равновесия внешних и внутренних сил в трубобетонном элементе, причем внутренние силы (первая часть равенства) предельно структурированы, так что каждое слагаемое имеет свой четкий физический смысл.

Центральным вопросом в рассматриваемом методе является определение бокового давления трубы с учетом её работы как в поперечном, так и в продольном направлении.

Достоинством метода расчета прочности трубобетона профессора Л.КЛукши является не только высокая точность и его ясный физический смысл, но так же и аналитическая структурированность.

В частности, возможность в явном виде выделить зависимость для определения бокового давления трубы на бетон, что необходимо для расчета трубобетона на смятие.

Это обстоятельство использовано ниже в последней главе диссертации, где дается теоретическое обобщение опытных результатов, полученных в результате постановки эксперимента.

Однако смятие бетонных торцевых поверхностей трубобетонных образцов еще не исследовалось ни экспериментально, ни теоретически.

Во второй главе приводятся методики и результаты экспериментальных исследований трубобетонных образцов на смятие под действием стальных штампов различных диаметров, осесимметрично приложенных к торцам бетонного ядра трубобетонных образцов в натурных условиях.

Для исследования трубобетона при локальном загружении были изготовлены из стальных труб наружным диаметром 211,5 мм и толщиной 3 ,25 мм три серии трубобетонных образцов высотой 380 мм. после фрезерования торцов и обтачивания.

Серии различались классами бетонов по прочности. После затвердевания бетона каждая серия образцов испытывалась осесимметричной нагрузкой через стальные штампы диаметрами 50, 100 и 150 мм.

Кроме того, в каждой серии имелись трубобетонные образцы, нагружаемые по всему поперечному сечению элемента, а также бетонные цилиндрические локально загруженные образцы. Изготовлялись и

испытьшались также бетонные кубы и призмы для контроля прочности применяемых бетонов.

Как показали выполненные эксперименты величина предельных усилий, сжимающих напряжений под штампом, а также характер деформирования и разрушения образцов существенно зависят от диаметра штампа и прочности бетона.

На рис.1 показаны эпюры продольных и поперечных деформаций сталетрубобетонных образцов при действии штампов различных диаметров. Как следует из рис.1.а продольные и поперечные деформации сталетрубобетонных образцов развивались неравномерно.

Наименьшая продольная деформация стальной трубы наблюдалась у верхнего торца сталетрубобетонного образца. Это объясняется тем, что локальная нагрузка была приложена только к бетонному ядру, которое недостаточно полно вовлекало стальную трубу в работу в верхней зоне поскольку силы трения между трубой и бетоном на этом участке были невелики в связи с недостаточным распором бетонного ядра. По мере продвижения вниз от верхнего торца образца продольные деформации нарастают и на расстоянии равном диаметру трубы они выравниваются, что свидетельствует о совместной работе бетонного ядра и стальной трубы за счет достаточно больших сил трения.

С увеличением диаметра штампа зона неравномерных продольных деформаций сокращается ( смотри рис.1.б, 1.в) за счет уве-

личения трехосно сжатого конического клина. На рис.1 видно, что закономерность развития поперечных деформаций существенно отличается от продольных. Зона максимальных поперечных относительных деформаций для образца, нагруженного штампом в 50 мм,находится на расстоянии от верхнего торца образца примерно равном диаметру штампа. Ниле этой зоны наблюдается интенсивное уменьшение поперечных деформаций, что свидетельствует об уменьшении распора (расклинивания) образца и перехода напряженного состояния от сжатия с растяжением (раскалыванием) к чистому трехосному цилиндрическому сжатию. Примерно так же развиваются поперечные деформации в образце со штампом в 100 мм (рис.1.6). Что касается образца с диаметром штампа в 150 мм, то характер развития поперечных деформаций меняется. Наибольшие поперечные деформации развиваются на уровне верхней торцевой поверхности (рис.1.в).В этом случае локально нагруженный сталетрубобетонный образец в верхней зоне приближается к работе сталетрубобетонного образца с передачей нагрузки только на бетонное ядро.

При этом стальная труба работает только в поперечном направ-

лении, воспринимая распор бетонного ядра. Именно в этих случаях (при больших диаметрах штампа) в предельном состоянии наступал разрыв стальной оболочки вдоль образующей трубы.

Различие в исходной прочности бетонных образцов.принятых трех серий позволило исследовать поведение сталетрубобетона при смятии в широком диапазоне классов бетонов по прочности.

На диаграммах деформирования образцов в продольном и поперечном направлениях, зафиксированных с помощью индикаторов (рис,2) наблюдаются те же закономерности, С увеличением диаметра штампа характер деформирования образца приближается к таковому при полном загружении образца по ядру или совместно по ядру и стальной трубе (диаграмма СБ.1.4). Сравнение диаграмм (СБ1.1, СБ1.2, СБ1.3, СБ1.4) наглядно показывает, как меняется характер деформирования с изменением размера штампов, а именно: наряду с повышением несущей способности увеличиваются относительные продольные деформации и изменяются поперечные (сравни диаграммы СБ1.1 и СБ1.4).

Кривые деформирования образцов второй серии, отличавшихся более прочным бетоном, показаны на рис.3. Из диаграмм (СБ2.1, СБ2.2, СБ2.3, СБ2.4) усматриваются те же закономерности, что и для первой серии, а именно: увеличение продольных и уменьшение поперечных деформаций с увеличением диаметра штампа. Вместе с тем зафиксирована близость разрушающих усилий для образцов, нагруженных по всему сечению и штампом диаметром 150 мм (см.диаграилы СБ.2.3 и СБ2.4).

Кривые деформирования образцов третьей серии показаны на рис.4. Из диаграмм (СБЗ.Г, СБ3.2, СБЗ.З, СБ3.4) видно, что характер нарастания продольных и поперечных деформаций был аналогичным деформированию опытных образцов первой и второй серий. В третьей серии фиксировалось так же погружение штампа в бетон сердечника с повышением нагрузки. На рис.2, 3 и 4 приведено сравнение кривых деформирования образцов трех серий.

Штриховые кривые соответствуют деформированию образцов, нагруженных по всему сечению.

Из приведенных рисунков видно, что разрушение сталетрубобе-тонных образцов носило в значительной степени пластический характер.

Таким образом, наличие стальной обоймы существенно влияет на характер разрушения образцов при смятии.

В третьей главе дан. расчет прочности трубобетона на смятие. Как показывает анализ полученных экспериментальных данных несущая способность трубобетона на смятие существенно зависит от наличия стальной обоймы (трубы), соотношения диаметров штампов и диамет-

II

Р.кН

С \h2_y

gyjT

jV rjjî Г Ii

new. -

vu.

iLIL

£¿•/0"* 30 » 10 О Ю 20 » tl-to"* pte. Срамемв хефорыхромявя еталвбетеюпп обра sud в первоЯ сери.

£¿■/0 40 30 20 ГО О ГО 20X 40 60 £/./Q РЮ.З. Срвюлкм деформирования отмвввтотш* «хЗрмвдя второ! о в рях.

гюо

—J S3.4 |\ Ol > гюо

/ i rmn/j-' ' \ \ \зл_

Vi мТ J/K, \ 3.3

с аЛ-У У Л w

-J! 111

Cl М7 'J ,З.Г

эсо 1

ï

Pie.Срамемв *еформро®внад стмеветоюид образцов третм! серп.

ров стальных труб, прочности бетонного ядра. Все эти особенности должны учитываться при построении методики расчета прочности трубобетона на смятие.

Поскольку стальная оболочка весьма существенно влияет на прочность трубобетона на смятие, а для круговых штампов по размеру близких к диаметру стальной трубы, несущая способность сминаемого образца близка к таковой образца, нагруженного по всему сечению, то из этого можно сделать два вывода.

Во-первых, на прочность сминаемого бетонного сердечника тру-бобетонного образца существенно влияет эффект обоймы, то есть методика расчета может строиться по нормативным принципам для поперечного армированного бетона при смятии.

Во-вторых, предельная величина бокового давления для случая смятия трубобетона может определяться по методам, применяющимся при расчете трубобетона на центральное сжатие. Из таких методов можно указать метод профессора, доктора технических наук Л.КЛук-ши. Метод обладает удовлетворительной сходимостью с опытом» а в аппарате метода наличествует в явном виде величина бокового давления, определение которой является составной частью упомянутой методики.

Изложенный план решения задачи является инженерным (упрощенным) по типу СНиЛовских методов. Прочностью на смятие под штампом бетонного ядра трубобетонного элемента будем искать по формуле, подобной формуле норм (СНиП 2.05.03-84). в виде

где /( - числовой коэффициент, зависящий от размера диаметра штампа: X" = 1,2 при

0,25

И = I при (¿/^ > 0,25

- коэффициент смятия неармированного бетона, который в зависимости от размеров штампа может определяться

при 4/(/ *0,25 Ч^^ПГ при > 0,25

//¿у- площадь сечения бетонного ядра;

1р - коэффициент эффективности обоймы. Следует определять

(р=1/(де

- коэффициент относительной величины бокового давления; ¿р - переменный параметр для размеров образцов и классов

бетона:

дд = 0,1 - рекомендуемый; = 0,23 - по СНиП;

- Для трубобетона

£ - параметр в нашем случае составляет величину 20, в СНиПе он равен 10

^ - коэффициент поперечного армирования, зависимость между которым и боковым давлением выражается

- боковое давление определяется по методу Л.КЛутапи

коэффициент смятия трубобетона принят в более общей ' чем по СНиП форме:

М

- числовые параметры, составляющие

Г 3,5 рекомендуемый (~2,5 рекомендуемый

0~(_4,5 по СНиП % по СНиП

Несущая способность сминаемого трубобетонного элемента центрально приложенным круглым штампом будет определяться по формуле

^¿ос ~ Rítfec(- Áloe

где R^ рес{ - приведенная прочность трубобетонного элемента при J смятии;

ALoe ~ площадь смятия, равная площади подошвы штампа.

При рассмотрении расчетных и опытных данных отклонения не превышают 10 %, что дня рассматриваемых трубобетонных конструкций может быть принято допустимым.

При анализе опытных данных по смятию трубобетона автором диссертации рассматривалась и другая модель расчета. Предполагалось, что особенность работы штампов, сминающих трубобетон, можно охарактеризовать относительной величиной параметра в виде коэффициента смятия JT1S¿ . Расчетное условие в этом случае представляется в виде

/V¿oc = sí físb A Loe > (i)

где Rsb - приведенная прочность трубобетонного элемента, получаемая делением несущей способности на приведенную площадь элемента

-

(Rb+4é0)Ab+6iA&

Аь+ыА* ' (2)

ГП^ - коэффициент смятия трубобетона.

Значение коэффициента смятия трубобетона определяем на основании экспериментальных данных, используя метод наименьших квадратов. Получили эмпирическую зависимость при локальном сжатии

Л/

/т?а= °>025лхф01н о)

На рис.5 показаны опытные значения коэффициента смятия трубобетона при локальном сжатии (точки) и кривая, построенная по формуле (3). Из рис. 5

т. ¿.б

0,6

0,4

0.2

0,2

0.4

0.6

0.8

Айс

м

Рис.5. . Теоретическая зависимость меяду относительной площадью смятия и коэффициентом смятия трубобетона.

видно, что теоретическая кривая подтверждается экспериментом.

Численные показатели сходимости расчетных усилий с опытными по второй рекомендуемой модели видны из таблицы.

Таблица

Сравнение расчета по второй модели с опытными данными

Обозначение Диаметр {штампа | Кубиковая и приз- ниаиост ттг\г»ттпг\г»п1т. Несущая способность, кН

бетона, МПа { ! -| Уго'с . Отношение

1 I & 1 1 0 1 А/,1 /

| ЛШ \ й ГехР ! 1 1 расчет \ ! 1 /^ур

I ! 2 ! 3 ! 4 I 5 1 6 1 7

СБ.1.1 50 27,5 23,5 400 460,45 1,15

СБ.1.2 100 27,5 - 850 729,95 0,85

СБ.1.3 150 27,5 - 1200 1227,71 1,02

СБ .1.4 - 27,5 - 1800 1890 1,05

СБ.2.1 50 49 48,5 . 750 768,14 1,02

СБ.2.2 100 49 - 1200 1217,74 1,01

СБ.2.3 150 49 - 2100 2048,13 0,97

СБ .2.4 - 49 - 2700 2915,0 1,07

СБ.3.1 50 35,5 33 ,5 600 584,71 0,97

СБ .3.2 100 35,5 - 1100 926,95 0,84

СБ .3.3 150 35,5 - 1800 1559,04 0,86

СБ .3.4 35,5 2400 2292,0 0,95

Примечание. Образцы СБ.1.4; СБ.2.4; СБ.3.4 загружались по всему сечению, рассчитаны по методу Л.КЛукши.

Из таблицы видно, что отклонения расчетных значений от опыт-' ных невелики и имеют разные знаки. Это свидетельствует о приемлемости второй модели расчета.

ОЩЕ ВЫВОДЫ

1. Сталебетонные элементы весьма эффективно сопротивляются локальному сжатию, что позволяет их использовать в случаях, где необходима передача больших сосредоточенных нагрузок.

2. Несущая способность сталебетонных образцов существенно зависит от размеров штампа. При больших размерах штампа особенно для высокопрочных бетонов, она близка к несущей способности образцов, нагруженных по всему сечению.

3. Соотношение размеров штампа и диаметров стальной трубы влияет на характер разрушения образцов. Штампы малых размеров с повышением нагрузки заметно погружаются в бетонный массив вследствие раздробления образовавшегося бетонного конуса под штампоы.

4. При больших размерах штампа интенсивность погружения штампа и продольные деформации образца ниже, но в большей мере наблюдается поперечное расширение бетонного ядра, которое приводит к разрыву.

5. Увеличение диаметра штампа повышает предельную нагрузку при одновременном уменьшении поперечных и увеличении продольных деформаций образца.

Трехкомпонентная физическая модель напряженного состояния Прандтля-Гениева при локальном сжатии твердых тел приемлема и для случая смятия.

6. Разработанная методика исследований позволяет с необходимой достоверностью изучать работу сталебетонных элементов при локальном сжатии осесиммегричной нагрузкой.

7. Обе разработанные модели расчета прочности сталебетона

на смятие могут быть рекомендованы для практических нужд, однако более надежной является вторая модель расчета.

Основное содержание диссертации опубликовано в работе:

- Али Эль Хадж Самир. Прочность сталетрубобетонных элементов при локальном сжатии. У/Белорусский конгресс по теоретической и прикладной механике - 95 (Минск, Беларусь, 6-П февраля 1995). Тезисы докладов. - Гомель: ИММС и инфотрибо, 1995. -

С.202-203 (русск.), 369 (англ.).

- Подана в Белгоспатеит заявка №960339 от 03.07.96. МКИ Е 01Д 19/04 "Опорный узел большепролетных мостов", авторы: Лукша Л.К., Али Эль Хадж Самир.

РЕЗЮМЕ

Али Эль Хадж Самир

"Прочность сталетрубобетонных элементов при локальном

нагружении"

Ключевые слова: сталебетон, несущая способность, прочность, бетонное ядро, стальная труба, деформатив-ность, расчет, смятие, автодорожные мосты, подферменная площадка, загружение, осесим-метричная нагрузка, локальное нагружение.

В практике мостостроения нашли применение два вида армирования подферменннх площадок (подферменников): сетчатое и спиральное. В диссертации рекомендуется и исследуется возможность устройства мест опирания (подферменных площадок), принципиально отличных от указанных выше, а именно сталетрубобетонных.

С этой целью выполнены исследования прочности сталебетона при локальном загружении. Были изготовлены из стальных труб наружным диаметром 2Ирмм и толщиной 3,25 мм три серии сталетрубобетонных образцов высотой 400 мм.

Серии различались классами бетонов по прочности. Каждая серия образцов испытывалась осесимметричной нагрузкой через стальные штампы диаметрами 50, 100 и 150 мм. Кроме того, в каждой серии имелись сталебетонные образцы, нагружаемые по всему поперечному сечению элемента. Контроль прочности и деформативности бетона осуществлялся испытанием бетонных кубов и призм. На основе результатов анализа опытных данных разработана методика расчета прочности сталетрубобетона на смятие.

Разработанная методика исследований позволяет с необходимой достоверностью проектировать работу сталебетонных элементов при локальном сжатии осесимметричной нагрузкой.

Разработанные методы расчета несущей способности сталетрубобетона при смятии основываются на сниповском подходе и на основе теории расчета сопротивления сталетрубобетона при сжатии. Они могут найти применение при проектировании большепролетных мостов, в стыках опор и оголовках трубобетонных колонн зданий и сооружений. Сходимость рекомендуемых расчетов с опытом удовлетворительная. Степень готовности использования результатов стопроцентная.

Разработанная конструкция устройства подферменных площадок более экономична по расходу стали, менее трудоемка, позволяет осуществлять ускоренные методы строительства мостовых сооружений.

Р Э 3 В И Е

Лл 1 Эль Хадж Сам 1р

Трываласць сталетрубабетонных элементау пры лакальным нагружэнн1

Кличавыя словы: сталебетон, бетоннае ядро, стальная труба, нясучая здольнасць, трываласць, дэфарматыу-насць, разл1к, змяцце, аутадарожныя маеты, падферменная пляцоука, лакальнае нагрукэнне, восес 1метрычная нагрузка..

У практыцы мостабудавання знайшл1 прнмяненне два в1ды арм1ра-вання паферменных пляцовак /падферменн1кау/: сеткавае 1 сп1ральнае. У дысертацьМ рэкамендуецца 1 даследуецца магчымасць уладкавання мес-цау ап1рання /падберменных пляцовак/, прынцыаова адрозненых ад пра-панаваных вышэй, а менав1та сталетрубабетонных.

3 гэтай мэтай выкананы даследаванн1 трываласц1 сталебетона при лакальным гагружэнн1.- Был1 зроблены са стальных труб вонкавым дыя-метрам 2115мм и таушчынёй 3,25 мм тры серы 1 сталетрубабетонных узо-рау вышиней 400 мм.-

Серы 1 адрозн1вал1 ся класам1 бетонау па трываласц1.- Кожная серия узорау выпрабоувалася восес1метрычнай нагрузкай праз стальныя штампы дыяметрам1 50, 100 1 150 мм.- Акрамя таго у кожнай серы1 мел1ся сталебетонныя узоры, нагружаемый па усяму папярэчнаму сячэнню элемента. Кантроль трываласц1 1 дэфарматыунасц1 бетона ажыццяуляуся внпрабаваннем бетонных кубоу 1 прызмау.- На аснове вын1кау анал1зу вопытных дадзених распрацавана методыка разл1ку трываласц1 сталетру-бабетона на зняцце.

Распрацаваная методыка даследаванняу дазваляе з неабходнай дак-ладнасцю праектаваць працу сталебетонных элементау пры лакальным сц1сканн1 восес1метрычнай нагрузкай.

Распрацаваныя метады разл1ку нясучай здольнасц1 сталетрубабето-на пры змяцц! засноуваюцца на сн1пауск1м падыходзе 1 на аснове тэо-ры1 разл1ку супрац1улення сталетрубабетона пры сц1сканн1. Яны могуць знайсц1 прымяненне пры праектаванн1 болыапралетнмх масто^, у стыках апор i агалоуках трубабетонных калон будынкау 1 пабудоу.

Сходнасць рэкамендуемых разл1кау з вопытаи здавальняючая.

Ступень гатоунасц1 выкарыстання вын!ка)Г стопрацэнтная.

Распрацаваная канструкцыя устройства падберменных пляцовак больш эканам1чная па расходу стал1, менш працаёмкая, дазваляе акыц-цяв1ць паскораныя метады будаун1цтва маставых пабудоу.

SUMMARY Ali El-Haj Samir

STRENGTH OF STEEL-TUBE CONCRETE ELEMENTS UNDER LOCAL LOADING

Key words: steel-concrete, bearing properties, strength, concrete core, steel-tube, deformability, calculation, crumplin high-way bridges, supporting platforms, loading, axisym metric loading, local loading.

There are two kinds of supporting platforms used till now in bridge construction practice. They are known as net-shaped and twisted rests.

In the Dissertation is proposed and investigated the possibili of making supporting rests (platforms) different in principle from the above mentioned ones. The investigations were conducted on ste concrete strength behaviour under the local loading. For this purpose were taken steel tubes of 2115mm in external diameter and of 3.25 mm in side-thickness and made three groups of steel-tube concrete specimens of 400 mm in height. The groups were differed by claBS of concrete strength. Each of them was tested by axisym-metric load under steel stamping units of 50, 100, 150 mm in dia-meter. In addition, every group had steel-concrete specimens loade along cross-sections. Moreover, the concrete strength and deformability were controled by concrete cubes and prisms pressing tests.

On the base of result analysis of the experimental data the calculation method of the bearing strength of steel-tube concrete behaviour at the crumpling was elaborated. It allows to predict with trustworthy the functionning of steel-concrete elements under local compression by axisymmetric load.

The calculated method of the steel-tube concrete bearing properties at crumpling is based on construction norms and specifications' approach and on basis of computation theory of steel-tube concrete resistence under compretion. It can be used in designing of long span bridges, in bearing Joints and tube-concrete columns caps for buildings and structures.

Convergence of the recommended experimental calculations with real practice is satisfactory. Availability of results' using -100

The developed device design of supporting platforms is much steel and labour saving and allows to use the accelerating methods in highway bridge construction.