автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность, жесткость и трещиностойкость неразрезных бетонных балок с комбинированным армированием

На правах рукописи

РАХМОНОВ Ахмаджон Джамолиддинович

ПРОЧНОСТЬ, ЖЕСТКОСТЬ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ НЕРАЗРЕЗНЫХ БЕТОННЫХ БАЛОК С КОМБИНИРОВАННЫМ АРМИРОВАНИЕМ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

2 6 MAP 2015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005561204

Казань 2015

005561204

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Поволжский государственный технологический университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Соловьев Николай Павлович

Официальные оппоненты: Римшцн Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», профессор кафедры жилищно-коммунального комплекса МГСУ

Антаков Алексей Борисович

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет», доцент кафедры железобетонных и каменных конструкций

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный

университет имени Н. П. Огарева»

Защита состоится 28 апреля 2015 года в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.077.01 на базе ФГБОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1, ауд. 3-203 (зал заседаний Ученого совета).

С диссертации можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет» и на сайте http://www.diss.kgasu.ru

Автореферат разослан » 2015 г.

Ц-

Ученый секретарь диссертационного совета ^Л^/¡№ Л.А. Абдрахманова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное строительство неразрывно связано с задачами, имеющими отношение к повышению эффективности строительного производства, снижению стоимости и трудоемкости технологических процессов, экономному использованию материальных и энергетических ресурсов, применению новых прогрессивных материалов, в том числе изготовленных с использованием нанотехнологий. Одна из современных задач - расширить область применения современной композитной арматуры для армирования бетонных конструкций.

В настоящее время в Российской Федерации существенно увеличивается производство композитной арматуры. Рост объемов производства композитной арматуры отражается на ее стоимости. Цена погонного метра стеклопла-стиковых и базальтопластиковых стержней практически сравнялась с аналогичной продукцией из металла. Подготовлены проекты российских нормативных документов, регламентирующих изготовление композитной арматуры и проектирование бетонных конструкций, армированных неметаллической арматурой.

Возрастает роль исследований, направленных на поиск и расширение областей практического применения композитной арматуры в строительстве. Особенностью неметаллической арматуры является повышенная деформа-тивность по сравнению со стальной арматурой (модуль упругости композитной арматуры в 3-4 раза ниже модуля упругости стали). Это затрудняет прямую замену металлической арматуры композитной на основе соотношения прочностных характеристик, как это производится при замене одного класса стальных стержней на другой. При сохранении одинаковых показателей 2-й группы предельных состояний площадь композитной арматуры в изгибаемых элементах превысит аналогичное армирование из металлической арматуры. Поэтому для массового производства изгибаемых бетонных конструкций с композитным армированием (плит, балок) необходимо их изготовление в предварительно напряженном варианте, что приводит к удорожанию изделий.

Одним из новых направлений применения композитной арматуры является использование её в статически неопределимых системах в комбинации с металлической арматурой. Для неразрезных балочных систем предложен принцип комбинированного армирования: в пролетных сечениях, в большей мере определяющих общую деформативность системы, сохраняется стальная арматура, а в опорных сечениях, в зонах отрицательных моментов, устанавливается композитная арматура. Предложенное армирование может быть использовано в монолитных, сборно-монолитных балочных и безбалочных каркасных системах, перекрытиях с неразрезными плитами. Данные об исследованиях и расчетах таких конструкций с комбинирован-

ным армированием отсутствуют. В связи с этим исследования, направленные на разработку методики расчета прочности и деформативности статически неопределимых изгибаемых элементов с новым типом армирования, являются актуальными. Их цель - снижение материальных затрат в строительном производстве.

Научно-техническая гипотеза диссертации заключается в том, что применение комбинированного армирования для бетонных статически неопределимых балок обеспечит перераспределение усилий между опорными и пролетными сечениями и приведет к экономии металла и снижению трудоемкости изготовления конструкций.

Целью диссертационной работы является разработка методики расчета для оценки прочности, жесткости и трещиностойкости неразрезных бетонных балок с комбинированным армированием на всех стадиях загруже-ния статической нагрузкой.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выполнить анализ областей применения композитной арматуры и теоретических основ существующих методов расчета статически неопределимых систем, в том числе учитывающих диаграммы деформирования материалов, для обоснования предложения по комбинированному армированию;

- выполнить многофакторное компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) неразрезных бетонных балок с комбинированным армированием для определения влияния процента армирования опорных сечений композитной арматурой, процента армирования пролетных сечений металлической арматурой и прочности бетона конструкций на несущую способность и деформативность балок;

- провести экспериментальные исследования НДС неразрезных балок с варьированием процента композитного армирования опорного сечения;

- разработать аналитическую методику расчета параметров НДС неразрезных балок с комбинированным армированием на основе использования диаграмм деформирования бетона, металлической и композитной арматуры, позволяющей получить перераспределение усилий между опорными и пролетными сечениями;

- дать технико-экономическую оценку эффективности внедрения комбинированного армирования для статически неопределимых систем.

Объект исследования. В качестве объекта исследования приняты двухпролетные бетонные неразрезные балки прямоугольного сечения с комбинированным армированием: в пролетном сечении в нижней растянутой зоне установлена металлическая арматура, в опорном сечении в верхней растянутой зоне - базальтопластиковая арматура.

Предмет исследования. Предметом исследования является прочность балок, характер распределения усилий между сечениями в процессе загру-жения, деформативость конструкций, трещиностойкость и напряженно-деформированное состояние опорных и пролетных сечений.

Научную новизну работы составляют:

- методика расчета неразрезных бетонных балок с комбинированным армированием, учитывающая диаграммы деформирования бетона, металлической и композитной арматуры, позволяющая получить перераспределение усилий между опорными и пролетными сечениями;

- выявленные закономерности изменения напряженно-деформированного состояния, характера трещинообразования и разрушения неразрезных бетонных балок с комбинированным армированием при действии статической нагрузки на основе компьютерного моделирования, аналитического расчета и проведенных экспериментальных исследований;

- полученные данные о том, что изменение процента опорного композитного армирования в неразрезных балках от 0,35 до 0,98 приводит к увеличению прочности конструкций в 1-1,20 раза и уменьшению предельного прогиба в 1-0,70 раза.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- разработана методика расчета неразрезных бетонных балок с комбинированным армированием на основе учета диаграмм деформирования бетона, металлической и композитной арматуры, позволяющая определить перераспределение усилий между опорными и пролетными сечениями и проектировать неразрезные системы с экономичным армированием;

- предложены новые технические решения с использованием комбинированного армирования статически неопределимых изгибаемых бетонных элементов, подтверждённые патентами РФ, позволяющие снизить расход стали и трудоемкость изготовления конструкций при строительстве каркасных зданий.

Достоверность проведённых исследований подтверждается применением классических методов строительной механики, использованием сертифицированных расчетно-вычислительных комплексов, поверенного измерительного оборудования. Измерения, проводимые при натурных испытаниях, имеют необходимое метрологическое обеспечение, систему дублирования показаний, статистическую обработку результатов.

Основные положения, выносимые на защиту:

- методика расчета неразрезных бетонных балок с комбинированным армированием с использованием диаграмм деформирования бетона, металлической и композитной арматуры, позволяющая получить перераспределение усилий между опорными и пролетными сечениями;

- результаты компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния неразрезных балок с комбинированным армированием;

• - результаты экспериментальных исследований неразрезных бетонных балок с комбинированным армированием.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на всероссийских и международных научно-технических конференциях, в том числе I Международной (VI Всероссийской) конференции «Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции» (ЧГУ, Чебоксары, 2012 г.), международной молодежной научной конференции «Научному прогрессу - творчество молодых» (ПГТУ, Йошкар-Ола, 2013 г.), международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов» (ПГТУ, Йошкар-Ола, 2013 г.), 64-й,65-й и 66-й всероссийской научной конференции по проблемам архитектуры и строительства (КГАСУ, Казань, 2012, 2013, 2014 гг.), XVI Международной межвузовской научно-практической конференции молодых учёных, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (МГСУ, Москва, 2013 г.), III Всероссийской (II международной) конференции «Бетон и железобетон - взгляд в будущее» (Москва, 2014 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 работ, в том числе пять научных статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Новизна технических решений подтверждена пятью патентами РФ на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников, приложений. Работа изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 57 иллюстраций, 24 таблицы и 3 приложения. Список использованных источников включает 167 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываются актуальность темы диссертации, цель и практическое значение работы, её научная новизна.

В первой главе изложено состояние вопроса, дан обзор литературных источников, посвященных изучению применения композитных материалов для армирования бетонных элементов, работы статически неопределимых железобетонных конструкций. Исследования по применению первого вида композитной арматуры - стеклопластиковой (далее АСК) - для армирования бетонных элементов были проведены в НИИЖБ АСиА СССР под руководством A.A. Гвоздева в 1958-1959 гг. Были отмечены более значительное трещинообразование и деформативность обычных изгибаемых элементов со стеклопластиковой арматурой по сравнению с железобетонными образцами из-за пониженного модуля упругости композитного материала. Предварительно напряженные балки, армированные АСК, работали без

трещин при нагрузке, составляющей 50% от разрушающей. Таким образом, было предопределено использование стеклопластиковой арматуры преимущественно для предварительно напряженных конструкций. Более основательно вопросы использования стержневой АСК в изгибаемых предварительно напряженных элементах рассматривались в работах В.Ф. Залога, Ю.В. Вильдавского, Р.Г. Литвинова, К.В. Михайлова, Н.П. Флорова. На основе исследований были разработаны «Рекомендации по расчету конструкций со стеклопластиковой арматурой».

В последнее время вопросы применения композитной арматуры для армирования бетонных конструкций рассматривали А.Б. Антаков, А.Н. Луговой, В.И. Морозов, Ф.Н. Рабинович, В.И. Римшин, В.Ф. Степанова, В.П. Се-ляев, В.Г. Хозин, M. Guadagnini, К. Pilakoutas, Р. Waldron и др.

Экспериментальными исследованиями и теоретическими основами расчета, учитывающими явление перераспределения усилий в статически неопределимых железобетонных конструкциях, занимались российские и зарубежные ученые В.И. Мурашев, Н.М. Котеликов, С.М. Крылов, Ю.В.Зайцев, Л.Ф. Паршин, А.Н. Казачевский, А.П. Кудзис, И. Гийон, F.L. Baker, T. I. Lin, M. Sargin и др. Исследования позволили установить основные этапы работы статически неопределимых железобетонных конструкций, а также выявить основные факторы, вызывающие перераспределение усилий.

Вопросами расчета железобетонных элементов с непосредственным использованием диаграмм деформирования материалов занимались A.A. Ды-ховичный, В.М. Бондаренко, A.A. Гвоздев, Ю.П. Гуща, Н.И.Карпенко, С.Н. Карпенко, Т.А. Мухамедиев, М.А. Сапожников, В.Н. Байков' М.И. Додонов, Б.С. Расторгуев, Л.Р. Маилян, Б.С. Соколов, В.И. Римшин! А.Г. Тамразян, F. Leonhardt, В. Sinha, P. Desayi, S. Krisnuan, К. Gerstle и др. '

Выявлена необходимость исследования возможности применения методов расчёта, разработанных для статически неопределимых железобетонных конструкций, к системам с комбинированным армированием металлической и композитной арматурой, изучения особенностей перераспределения усилий, а также использования диаграммного метода расчета элементов.

В завершении первой главы выделены нерешенные проблемы, сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе изложены результаты компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния неразрезных двухпролётных балок с комбинированным армированием.

Компьютерное моделирование позволяет изучить напряженно-деформированное состояние конструкций на всех этапах их работы вплоть до виртуального разрушения при варьировании различных факторов для получения данных, необходимых для разработки или уточнения методики аналитического расчета, планирования физического эксперимента.

Для анализа в работе была принята традиционная, используемая многими авторами, расчетная схема двухпролетной балки, загруженной сосредоточенными силами в 1/3 пролета. В начальной стадии в опорном сечении изгибающий момент вдвое больше пролетного момента, что позволяет рельефно проследить характер изменения усилий в процессе загружения. Размеры сечения моделей приняты с соблюдением соотношения Ь/С не более 1/10 для максимального снижения влияния поперечных сил на работу неразрезной балки.

Согласно разработанной информационной схеме компьютерного моделирования варьировался процент рабочего армирования (количество стержней) в опорном и пролетных сечениях, изменялась прочность бетона.

Реализация численного эксперимента проводилась в ПК «ЛИРА-САПР 2013». Для исследования поведения балки на всех стадиях, в том числе в предельном состоянии, была сформирована модель из физически нелинейных элементов. Реализован принцип, согласно которому за несущую способность конструкции принимается нагрузка, при которой происходит разрушение группы КЭ, приводящее ее в механизм или в состояние геометрической изменяемости. Таким образом, разрушение одного КЭ не является критерием разрушения всей конструкции. Работа бетона принималась с описанием физической нелинейности по условию прочности Г.А. Гениева, для композитной и стальной арматуры - диаграммами «о/ - £/» и «<тл - е,». Объемная модель балки состоит из изопараметрических конечных элементов КЭ-236 для бетона и КЭ-410 для арматуры.

На рис. 1 показана расчетная модель исследуемых образцов размерами 100x160x3500 мм с расчетными пролётами по 1650 мм. Нижняя (пролетная) арматура из 2010 мм моделировалась параметрами стальной арматуры, близкими к классу А400: Л, = 420 МПа, = 200000 МПа. Верхняя арматура из 206, 8, 10 мм моделировалась параметрами композитного материала: /?у=1000 МПа, Е/ = 50000 МПа. Бетон моделировался параметрами, соответствующими классам В20, 25, 30, 35. Характеристики бетона соответствуют натурным данным физического эксперимента. Конечные элементы приняты размером 1 х 1 х2 см, контурные условия шарнирные, что позволяет исключить их влияние на напряженно-деформированное состояние. Основные результаты численного исследования НДС исследуемых балок приведены на рис. 2, 3.

Компьютерное моделирование позволило выявить особенности НДС двухпролетных балок с комбинированным армированием. Установлено, что несущая способность в значительной мере зависит от процента армирования опорного сечения композитной арматурой, определен диапазон влияния стальной и композитной арматуры на жесткость конструкции. Получен основной вид разрушения образцов от разрыва стальной арматуры и раздробления бетона сжатой зоны пролетного сечения.

225

1 150 иГ

IN

О. га

Рис. 2. Изменение несущей способности балок в зависимости от количества армирования опорного сечения (процента армирования)

Изменение процента армирования, %

Ю

Прогиб, мм "—диаметр 8 мы ■■"диаметр 14 мм

15 20

■ диаметр 10 мм

0 5

•диаметр 6 мм 'диаметр 12 мм

— 150 х

я 100 м

а.

3 50

Рис. 3. Графики прогибов в зависимости от процента армирования опорного сечения

В третьей главе изложены теоретические основы исследования напряженно-деформированного состояния неразрезных балочных систем с комбинированным армированием на всех этапах загружения, включая стадию исчерпания несущей способности. Формирование расчетной модели построено на изучении диаграмм деформирования бетона, стальной и базаль-топластиковой арматуры (далее АБК) при растяжении и сжатии.

На первом этапе для описания деформирования бетона принят вариант линеаризации диаграммы в виде трехлинейного графика с тремя параметрическими точками.

' Деформирование стальной арматуры с физическим пределом текучести принято в виде четырехлинейной (кусочно-линейной) диаграммы связи

«as-es», то есть в дополнение классической диаграммы Прандля учитывается работа материала в зоне самоупрочнения. График деформирования ба-зальтопластиковой арматуры принят прямолинейным от начала загружения до разрушения.

Рассмотренные виды диаграмм использованы при анализе напряженно-деформированного состояния элементов (сечений), армированных стальной и композитной арматурой.

Метод расчета нормальных сечений основан на следующих предпосылках:

1) при определении НДС нормальных сечений используется нелинейная деформационная модель. Диаграмма описания состояния бетона принята согласно СП 63.13330, диаграммы описания стальной и композитной арматуры приняты по предложению автора;

2) деформации бетона и арматуры по высоте сечения распределяются по линейному закону (гипотеза плоских сечений);

3) неравномерное распределение продольных деформаций в растянутой и сжатой зонах по длине участка элемента учитывается по методике СП 63.13330.

При использовании криволинейной диаграммы «въ~£ъ» бетона уравнения равновесия нормального сечения записываются в интегральной форме:

ХЬ УЫ

J CTb[Eb(x)]b(x)dx- J CTbt[ebt(yt)]b(yt)dyt + ctsc0£)A's -

-as(es)As = 0 (1)

Xb ybt

м = J <Tb[eb(x)]b(x)xdx+ J <rbt[Ebt(yt)]b(yt)ytdyt +

+(E;)A's(x-a;) + CTs(Es)As(h0-x). (2)

При использовании кусочно-линейных диаграмм уравнения равновесия нормальных сечений изгибаемых элементов имеют вид

£CTbiAbi+crscA's - 2>btjAbtj - ctsAs = 0; (3)

М = £crbiAbizbxi + 5]abtjAbtjzbtyi + CTsAs(h0 - x) + <JscA's(x - a!,). (4)

Цель расчета - получение диаграмм «А/-///Э» и «М-D» («момент - кривизна» и «момент - жесткость»). Для получения объективной информации по НДС опорного и пролетных сечений указанные зависимости определяются по параметрическим точкам диаграмм деформирования материалов с дополнительной разбивкой участков на дискретные отрезки.

Для реализации расчета была разработана программа на алгоритмическом языке «Visual Basic 6.0». Программа расчета составлена так, что она позволяет принимать три типа диаграмм «сть-£ь» бетона - по В.Н. Байкову,

по «ЕКБ-ФИП» и трехлинейную зависимость по СП 63.13330. Для стальной арматуры с физическим пределом текучести пролетного сечения возможны два типа диаграмм <.<о-е3» - четырех- и двухлинейная, работа ба-зальтопластиковой арматуры оценивается линейной зависимостью «ву -£/» в опорном сечении неразрезной балки.

Характерные диаграммы «М-1/ру> для опорного и пролетного сечений представлены на рис. 4.

Рис. 4. Характерные диаграммы «момент - кривизна» для сечения, армированного стальной арматурой (а) и базапьтопластиковой арматурой (б)

Для определения характера распределения моментов в опорном и пролетном сечениях неразрезных балок разработан алгоритм расчета, учитывающий полученные диаграммы «момент - жёсткость». Расчет выполняется методом сил. Нагрузка в виде сосредоточенной силы прикладывается ступенями величиной АР = (0,05... 0,1 )/•„„. Наиболее напряженным является опорное сечение, поэтому основной системой метода сил является введение шарнира в указанном сечении, т.е. за неизвестное усилие X, принимается момент М в этом сечении.

Расчет ведется в следующем порядке.

Балка разбивается по длине на п участков. На первом этапе выполняется расчет для балки с постоянной жесткостью £>=£7. При появлении трещин в сечениях жесткости участков по длине балки меняются. Для балки с переменной жесткостью канонические уравнения записываются в виде:

м2-

«и- 227-1-^; (5)

л - 7 уп МУМР1

Решение реализуется в виде итерационного процесса по заданной сходимости значений распределения моментов, полученных на предыдущем и последующем этапах.

По вычисленным значениям кривизны расчетных сечений определяется прогиб неразрезной балки в зоне действия сосредоточенной силы, обусловленный деформацией изгиба:

(7)

Дополнительно на основе получаемых значений напряжений в арматуре на этапах загружения вычисляется ширина раскрытия нормальных трещин в опорном и пролетном сечениях.

В четвертой главе приведены характеристики опытных образцов и методика проведения экспериментальных исследований. Были изготовлены и испытаны три серии образцов с комбинированным армированием, одна серия образцов с традиционным армированием в виде двухпролетных неразрезных балок прямоугольного сечения с размерами 100 х 160 (К) мм и общей длиной 3,5 м (расчетные пролёты по 1,65 м). Всего были изготовлены и испытаны 9 образцов с комбинированным армированием и 3 обычных образца (армированных стальной арматурой).

Во всех образцах в качестве продольной нижней рабочей арматуры использовалась обычная сталь класса А400 со следующими характеристиками: физический предел текучести ау = 460 МПа, временное сопротивление разрыву аи - 640^-700 МПа, относительное равномерное удлинение при разрыве 8р = 16-48%. Характеристики композитной арматуры опорного сечения: временное сопротивление разрыву <jf = 1270 МПа, относительное удлинение при разрыве 8Р = 3-^-5%. Поперечная арматура балок представляла собой замкнутые хомуты 05 мм класса В500, установленные с шагом 75 мм в приопорных зонах.

В балках первой серии (условное обозначение БТ-1,2,3) пролетное и опорное армирование выполнено из мягкой стальной арматуры 2010 мм класса А400. Во второй, третьей и четвертой сериях использовано комбинированное армирование: нижняя арматура (пролетная) выполнена из стальных стержней 2010 мм класса А400; верхняя (опорная) - из базальто-пластиковых стержней 206 мм (серия БК-4,5,6), 208 мм (серия БК-7,8,9) и 2010 мм (серия БК-10,11,12) производства ООО «Гален» (г. Чебоксары).

Для приготовления бетонной смеси применялся портландцемент марки 500, гранитный щебень крупностью зерен до 20 мм и песок с модулем крупности 2,12,35.

Изготовление опытных образцов балок производилось в металлической опалубке. Уплотнение бетонной смеси осуществлялось на вибростоле. Одновременно бетонировались контрольные кубы размерами 100x100x100 мм и призмы размерами 100x100x400 мм.

Балки испытывались как двухпролетные неразрезные, загруженные двумя сосредоточенными силами, расположенными симметрично относительно средней опоры на расстоянии 1/3 пролета. Схема испытательной установки и размещения приборов приведена на рис. 5.

Рис. 5. Схема расположения приборов и испытательной установки: 1 - опытная балка; 2 - динамометр ДОС-50; 3 - винтовой домкрат; 4 - траверса;

5 - индикаторы на арматуре ИЧ-10 в пролетном сечении; 6 - мессура на арматуре в опорном сечении; 7 - электротензодатчики для измерения деформаций бетона и арматуры; 0-1 - индикаторы для измерения осадки опор; Д-1 - образцовые динамометры ДОСМ-3-5; П-1...П-8 - индикаторы ИЧ-10

Загружение балок осуществлялось винтовым домкратом поэтапно ступенями величиной 0,1 от контрольной разрушающей нагрузки по 10 кН до разрушения. Показания механических приборов и электротензодатчиков на каждом этапе фиксировались два раза: сразу после приложения нагрузки и после 10-15-минутной выдержки в соответствии с ГОСТ 8829-94.

При испытании опытных образцов измерялись деформации арматуры и бетона, ширина раскрытия трещин, прогибы балок и реакции крайних опор. Кроме того, определялись моменты образования трещин и характер развития трещин по высоте сечений образцов. Деформации крайних волокон бетона сжатой зоны в опорном и пролетных сечениях измерялись с помощью индикаторов часового типа ИЧ-10 на базе 100 мм и электротензодатчиков с базой 20 мм по высоте сечения, наклеенных на боковой поверхности балки.

Деформации растянутой рабочей арматуры измеряли на участках действия максимальных отрицательных и положительных моментов с помощью индикаторов часового типа ИЧ-10 (с ценой деления 0,01 мм) на базе 100 мм и электротензодатчиков с базой 20 мм. Прогибы балок в пролетах измерялись прогибомерами системы "Максимова", а осадки крайних опор -

индикаторами часового типа ИЧ-10 (с ценой деления 0,01). Измерение ширины раскрытия трещин производили переносным микроскопом МПБ-2.

По измеренным реакциям крайних опор были вычислены опытные моменты и построены графики «Р - М» зависимости опорных и пролетных моментов от величины приложенной нагрузки. На рис. 6 представлены результаты по прочности и предельному прогибу для испытанных балок.

а) б)

■ Серия -1 ■ Серия - 2 ■ Серия - 3 ■ Серия - 4 ■ Серия -1 ■ Серия - 2 | Серия - 3 ■ Серия - 4

Рис. 6. Зависимости: а - несущая способность - нагрузка; б - нагрузка-прогиб

В пятой главе представлен анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований и определена экономическая эффективность.

Для оценки достоверности разработанной методики расчета выполнено сравнение расчетных и экспериментальных данных. Кроме того, проведено сравнение с результатами компьютерного моделирования.

Анализ прочности опытных образцов показал, что разрушение балок 1-й, 3-й и 4-й серий происходило по нормальным сечениям от разрыва металлической арматуры и раздробления бетона сжатой зоны в пролетных сечениях. В балках 2-й серии зафиксировано одновременное разрушение опорного и пролетных сечений. Данные аналитического и компьютерного расчетов подтвердили характер разрушения. Сравнение значений прочности балок по сериям приведено в таблице.

Сравнение опытных и теоретических данных по прочности

Вид исследования Разрушающая нагрузка 2Р, кН

Серия 1 % Серия 2 % Серия 3 % Серия 4 %

Эксперимент 140,0 120,0 135,0 150,0

Компьютерное моделирование 155,0 + 10,7 137,5 + 14,5 152,5 +12,9 165,0 + 10,0

Аналитический расчет 130,0 -7,1 105,0 -12,5 120,0 -11,1 145,0 -3,33

Разработанная методика аналитического расчета позволяет получить значения изгибающих моментов в неразрезных балках на всех стадиях за-гружения. На рис. 7 и 8 приведены результаты сравнения экспериментальных и расчетных значений изгибающих моментов в опорном и пролетных сечениях. Представлены данные по балкам 1-й серии с армированием опорного и пролетных сечений металлической арматурой и балкам 3-й серии с комбинированным армированием.

Момент, кН*м

.......Упругий расчет (пролет) Опыт (пролет) Расчет (пролет)

-Упругий расчет (опора) -Опыт (опора) Расчет (опора)

Рис. 7. Сравнение значений изгибающих моментов в опорном и пролетных сечениях образцов первой серии при загружении

Момент, кН-м

.....— Упругий расчет (пролет) —О^Опыг (пролет) Расчет (пролет)

-Упругий расчет(опора) —О—Опыт (опора) —Расчет (опора)

Рис. 8. Сравнение значений изгибающих моментов в опорном и пролетных сечениях образцов третьей серии при загружении

Для принятой схемы загружения в балках с «классическим» армированием стальной арматурой отношение опорного момента к пролетному по расчету до момента образования трещин равно Моп/М„р=1,88. После образования трещин в опорном и пролетных сечениях отношение моментов уменьшилось и составило 1,50. В стадии разрушения после начала текучести арматуры в расчетных сечениях (образование пластических шарниров) отношение моментов вновь уменьшается и стремится к 1,0.

В образцах с комбинированным армированием отношение опорного момента к пролетному после образования трещин также уменьшается до значений 1,13 -г 1,50 в зависимости от процента армирования опорного сечения АБК. В предельной стадии, после начала текучести пролетной стальной арматуры, проявляется важная особенность систем с комбинированным армированием: соотношение моментов вновь увеличивается до значений 1,20 -г 1,90. Рост опорного момента при постоянном значении пролетного происходит до момента разрушения системы по пролетному сечению. Результаты изменения теоретических значений соотношения Мог/М„р в процессе загружения показаны на рис. 9.

2'5 2

у

| Г 5

I

I 1

о

о 0'5 0

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Нагрузка, кН

——— Упругий —— Первой серии ——— Второй серии

" Третьей серии Четвертой серии

Рис. 9. Расчетное соотношение значений изгибающих моментов в опорном и пролетных сечениях образцов в процессе загружения

Теоретические данные достаточно хорошо совпадают с опытными на всех стадиях загружения.

Анализ и сравнение данных по деформативности опытных образцов показали, что результаты аналитического расчета имеют лучшую сходимость с экспериментальными данными по сравнению с компьютерным моделированием.

Полученные экспериментальные данные позволили подтвердить достоверность разработанной методики расчета.

В заключении представлены рекомендации по применению разработанного варианта комбинированного армирования для конструктивных решений сборно-монолитных каркасов, монолитных балочных и безбалочных каркасов, а также для неразрезных плитных и балочных систем перекрытий. Для оценки экономической эффективности проведен технико-экономический анализ на примере возведения балочного монолитного каркаса здания. Расчет показал снижение трудоемкости выполнения работ на стройплощадке на 34% и стоимости арматуры на 7,8% при устройстве монолитных балок.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Обзор научной и технической литературы, выполненный по тематике работы, показал, что при существенном увеличении объемов производства композитной арматуры на современном этапе её практическое применение остается узконаправленным. В развитии направления по расширению областей применения неметаллической арматуры разработан принцип комбинированного армирования для статически неопределимых изгибаемых систем, позволяющий заменить стальную арматуру на композитную в зонах действия отрицательных моментов. Предложено комбинированное армирование для конструктивных решений сборно-монолитных, монолитных балочных и безбалочных каркасов, которые подтверждены четырьмя патентами Российской Федерации.

2. Многофакторное компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния неразрезных бетонных балок с комбинированным армированием позволило выявить влияние на их работу уровня нагружения, процента армирования опорных сечений композитной арматурой, пролетных сечений металлической арматурой, прочности бетона конструкций. Определена прочность, деформативность опытных балок, степень использования пролетной металлической и опорной композитной арматуры при варьировании расчетных факторов.

3. Испытания опытных образцов двухпролетных балок с комбинированным армированием на действие сосредоточенной нагрузки позволили получить новые данные о НДС неразрезных конструкций при постоянном пролетном армировании стальной арматурой и варьировании интенсивностью армирования опорных сечений базальтопластиковой арматурой.

4. Разработана методика расчета неразрезных балок с комбинированным армированием с использованием диаграммного метода анализа нормальных сечений. Диаграмма описания состояния бетона принята кусочно-линейной согласно СП 63.13330. Для описания диаграмм деформирования стальной и базальтопластиковой арматуры предложены четырехлинейная и прямолинейная зависимости. Расчет выполняется методом сил и позволяет устано-

вить распределение изгибающих моментов в конструкции при действии нагрузки.

5. При сопоставлении опытных данных с теоретическими, полученными с использованием разработанной методики, получена сходимость результатов по прочности в пределах 3,33-11,1%, по величине максимального прогиба — 1,47-10,39%. Аналитический расчет достаточно точно отражает распределение усилий в опытных балках в процессе загружения.

6. Технико-экономический анализ применения комбинированного армирования для монолитного балочного каркаса показал снижение трудоемкости выполнения работ на стройплощадке на 33,9% и стоимости арматуры на 7,8% при устройстве монолитных балок.

Основные положения диссертационной работы нашли отражение в следующих публикациях:

издания, входящие в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий:

1. Рахмонов, А.Д. Предложения по применению композитной арматуры в каркасах зданий / А. Д. Рахмонов, Н.П. Соловьев // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. -2013. -№ 5. - С. 69-74.

2. Рахмонов, А.Д. Исследование напряженно-деформированного состояния балок с комбинированным армированием / А.Д. Рахмонов // Современные проблемы науки и образования. -2013. -№ 6. - С. 183-189.

3. Рахмонов, А.Д. Компьютерное моделирование для исследования напряженно-деформированного состояния балок с комбинированным армированием / А.Д. Рахмонов, Н.П. Соловьев, В.М. Поздеев // Вестник МГСУ. -2014. -№ 1.-С. 187-195.

4. Рахмонов, А.Д. Экспериментальные исследования неразрезных бетонных балок с комбинированным армированием / А.Д. Рахмонов, Н.П. Соловьев, В.Г. Котлов И Приволжский научный журнал. - 2014. -№ 1 (29).-С. 69-75.

5. Рахмонов, А.Д. Предложение по расчету изгибаемых элементов с комбинированным армированием на основе нелинейной деформационной модели / А.Д. Рахмонов, В.М. Поздеев // Вестник Таджикского технического университета. -2013. -№ 2 (22). - С. 97-101.

патенты РФ:

6. Пат. 134965. Российская Федерация, МПК Е04С 3/20 Ш. Балка монолитного железобетонного междуэтажного перекрытия / Рахмонов А.Д., Соловьев Н.П.; заявитель и патентообладатель Поволж. гос. технол. ун-т. -№ 2013125602/03; заявл. 03.06.2013; опубл. 27.11.2013, Бюл. № 1.-2с.

7. Пат. 124278. Российская Федерация, МПК Е04В 1/38 Ш. Узел сопряжения монолитной железобетонной колонны и ригеля / Соловьев Н.П.,

Рахмонов А.Д.; заявитель и патентообладатель Поволж. гос. технол. ун-т. -№ 2012133064/03; заявл. 01.08.2012; опубл. 20.01.2013, Бюл. №2.-3 с.

8. Пат. 137041. Российская Федерация, МПК Е04В 5/43 U1. Безбалочное монолитное перекрытие / Рахмонов А.Д., Поздеев В.М., Соловьев Н.П.; заявитель и патентообладатель Поволж. гос. технол. ун-т.

№ 2013132097/03; заявл. 10.07.2013; опубл. 27.01.2014, Бюл. №2.-3 с.

9. Пат. 135337. Российская Федерация, МПК Е04В 1/20 U1. Узел соединения сборной колонны и сборно-монолитного ригеля железобетонного каркаса здания с комбинированным армированием / Рахмонов А.Д., Поздеев В.М., Соловьев Н.П.; заявитель и патентообладатель Поволж. гос. технол. ун-т. - № 2013125601/03; заявл. 03.06.2013; опубл. 10.12.2013, Бюл. №2.-3 с.

10. Пат. 148118. Российская Федерация, МПК Е04С 5/07 U1. Элемент композитной арматуры для испытания на растяжение / Рахмонов А.Д., Поздеев В.М., Соловьев Н.П., Федеров В.Н.; заявитель и патентообладатель Поволж. гос. технол. ун-т. - № 2014110558/03; заявл. 19.03.2014; опубл. 27.11.2014, Бюл. №2.-3 с.

другие издания:

11. Рахмонов, А.Д. Перераспределение усилий в неразрезных балках, армированных металлической и композитной арматурой / А.Д. Рахмонов, Н.П. Соловьев // Исследования, технологии, инновации: ежегодная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и сотрудников ПГТУ. - Йошкар-Ола: ПГТУ, 2012. -С. 151-153.

12. Рахмонов, А.Д. Прочность изгибаемых элементов с комбинированным армированием на основе нелинейной деформационной модели / А.Д. Рахмонов, Н.П. Соловьев // Новое в архитектуре, проектирование строительных конструкций и реконструкции: материалы I международной (VII Всероссийской) конференции. - Чебоксары: ЧГУ, 2012. - С. 101-106.

13. Рахмонов, А.Д. Влияние комбинированного армирования на напряженно-деформированное состояние изгибаемых железобетонных элементов / А.Д. Рахмонов, Н.П. Соловьев // Труды Поволжского государственного технологического университета. Серия. "Технологическая": сборник статей,- Йошкар-Ола: ПГТУ, 2013. - С. 271-277.

14. Рахмонов, А.Д. Использование компьютерных технологий при исследовании НДС статически неопределимых систем с комбинированным армированием //Человек, общество, природа в эпоху глобальных трансформаций. Шестнадцатые Вавиловские чтения: материалы постоянно действующей международной междисциплинарной научной конференции: в 2 ч. / под общ. ред. проф. В.П. Шалаева. - Йошкар-Ола: ПГТУ, 2013. -Часть 2.-С. 237-239.

15. Рахмонов, А.Д. Экспериментальные исследования работы балок, армированных композитной и металлической арматурой / А.Д. Рахмонов, М.В. Загайнова, Е.С. Григорьевых, Н.П. Соловьев // Человек, общество, природа в эпоху глобальных трансформаций. Шестнадцатые Вавиловские чтения: материалы постоянно действующей международной междисциплинарной научной конференции: в 2 ч. / под общ. ред. проф. В.П. Шалаева. -Йошкар-Ола: ПГТУ, 2013. - Часть 2. - С. 239-241.

16. Рахмонов, А.Д. Экспериментальные исследования неразрезных бетонных балок с комбинированным армированием / А.Д. Рахмонов // XVI Международная межвузовская научно-практическая конференция молодых учёных, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности». - М.: МГСУ, 2013. - С. 204-206.

17. Рахмонов, А.Д. Трещиностойкость и жесткость двухпролетных балок с комбинированным армированием / А.Д. Рахмонов, Н.П. Соловьев // Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов». - Йошкар-Ола: ПГТУ, 2013. -С. 239-241.

18. Рахмонов, А.Д. Характер трещинообразования, ширина раскрытия трещины неразрезных балок с комбинированным армированием / А.Д. Рахмонов // Международная молодежная научная конференция по естественным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых», Йошкар-Ола, 19-20 апреля 2013 г. - Йошкар-Ола: ПГТУ, 2013,-Часть 3.-С. 124-125.

19. Рахмонов, А.Д. Напряженно-деформированное состояние статически неопределимых балочных конструкций с комбинированным армированием / А.Д. Рахмонов, Н.П. Соловьев, В.М. Поздеев // III Всероссийская (II международная) конференция «Бетон и железобетон - взгляд в будущее». -М., 2014. - С. 343-350.

Подписано в печать 02.03.2015. Формат 60*84 '/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 5559.

Отпечатано в редакционно-издательском центре ПГТУ 424006, Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17