автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Резервы несущей способности железобетонных конструкций, армированных высокопрочной сжатой арматурой

Московский институт коммунального хозяйства и строительства

МИКХиС.

На правах рукописи.

БОРОВСКИХ АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ.

УДК 624.073:721.

РЕЗЕРВЫ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ, АРМИРОВАННЫХ ВЫСОКОПРОЧНОЙ СЖАТОЙ

АРМАТУРОЙ.

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и

сооружения.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Назаренко В.Г.

Москва 1999.

ЦШШа

Содержание

Введение 3

1. Состояние исследований поведения сжатой зоны

железобетонных конструкций. 8

1.1.Проблема оценки поведения высокопрочной сжатой арматуры в железобетонных конструкциях. 8

1.2.Физико-механические свойства бетонов. 21

1.2.1.Прочность бетонов. 21

1.2.2. Деформативность бетонов 23

1.2.3.Диаграмма деформирования бетонов с учетом ниспадающей ветви. 24

1.2.3.Диаграмма деформирования бетонов с учетом

ниспадающей ветви. 32

2. Задача о несущей способности железобетонных элементов, армированных высокопрочной арматурой, при

неоднородном напряженном состоянии 38

2.1. Физико-математическая модель задачи. 38

2.2. Возможности и метод решения задачи. 45

3.Результаты расчета и их анализ. 53

3.1. Влияние величины предельной меры ползучести

на несущую способность Ne при различной интенсивности

армирования и различной величине эксцентриситета

продольной силы. 54

3.1.1. Арматура класса A-VI. 54

3.1.2. Арматура класса A-V. 62

3.1.3. Арматура класса A-IV. 68

3.2. Влияние интенсивности армирования и величины эксцентриситета приложения продольной силы на предельный момент Ne и на развитие напряжений в

менее сжитой и сжатой арматуре. 75

3.2.1. Арматура класса A-VI. 75

3.2.2. Арматура класса A-V. 85

3.3. Влияние масштабного фактора на развитие напряжений

в менее сжитой и сжатой арматуре. 95

4. Некоторые аспекты реализации полученных результатов. 105 Выводы. 108 Список использованной литературы 111

Введение.

Несущая способность железобетонных конструкций в значительной степени определяется ее сжатой зоной. Особенно это относится к сжатым элементам конструкции. Степень влияния сжатой зоны за несущую способность конструкции возрастает по мере перехода от чистого изгиба к центральному сжатию, в процессе которого напряженно-деформированное состояние трансформируется от неоднородного к однородному. В последнем случае растянутая зона вовсе отсутствует и сжатая зона полностью ответственна за несущую способность. Вскрытие резервов несущей способности, особенно этих конструкций, таким образом, напрямую связано с реализацией их в сжатой зоне.

В стесненных условиях проекта, когда нельзя увеличить размеры поперечного сечения изгибаемых элементов конструкции, а сжатой зоны бетона недостаточно для восприятия действующих усилий, сжатую зону армируют. Внецентренно сжатые элементы армируют сжатой арматурой как правило. Арматура интенсивно упрочняет сжатую зону.

Стремление к реализации резервов несущей способности диктуется экономическими соображениями. Известно, что удельная к прочности стоимость арматуры с ростом прочности падает и- применение высокопрочной арматуры экономически выгодно. До настоящего времени накоплен богатый экспериментальный материал, который показывает то , что при определенных условиях напряжения в высокопрочной сжатой арматуре железобетонных элементов перед их разрушением значительно превышают величины, регламентируемые нормами. Определить в полной мере эти условия экспериментально пока не удается, вряд ли удастся в обозримом будущем и нецелесообразно с экономической точки зрения. Таким образом, решение задачи о снятии ограничений на применение высокопрочной сжатой арматуры актуально и возможно сейчас только на пути

теоретических построений с проверкой их на существующих экспериментальных материалах.

Работа планировалась как естественное продолжение работы, проделанной под руководством проф. Назаренко В.Г. его аспирантом Аль-Каддах-Махомадом. В ней теоретически исследовалось поведение высокопрочной арматуры в центрально сжатых железобетонных элементах, которых, согласно действующим нормам среди реальных строительных конструкций не существует. Тем не менее полученные результаты позволили получить весьма полезные для практики выводы. Разработан метод оценки поведения высокопрочной арматуры в центрально сжатых железобетонных конструкциях на основе нелинейной теории железобетона. Составлены алгоритмы и отлажены программы расчёта центрально сжатых железобетонных элементов на ПЭВМ , позволившие количественно оценить обсуждаемое явление. Полученные результаты не противоречат многочисленным опытам отечественных и зарубежных исследований.

Учитывая практическое значение полученных результатов, актуально было распространить их на реальные железобетонные конструкции, испытывающие неоднородное напряженно-деформированное состояние.

Непосредственная работа над поставленной задачей привела к очевидной в результате, хотя в начале и не лежащей на поверхности, истине, что нельзя ограничиться изучением поведения арматуры без рассмотрения сжатой зоны конструкции в комплексе. Действительно, система «арматура-бетон» является внутренне статически неопределимой системой. В результате влияния времени и внешних воздействий напряженно-деформированное состояние системы непрерывно меняется, в результате чего происходит перераспределение усилий между арматурой и бетоном. За счет реализации процессов ползучести и ниспадающей ветви диаграммы деформирования бетона происходит увеличение усилий, воспринимаемых арматурой. Напряжения в ней растут и могут достичь

величины, близкой к пределу сопротивления при растяжении. В бетоне картина напряженного состояния не так однозначна, как в арматуре. Во первых, так называемая длительная прочность бетона в различных условиях может как уменьшаться со временем, так и увеличиваться. Во вторых, при неоднородном напряженном состоянии разные волокна бетона будут сопротивляться разрушению в соответствии с диаграммой деформирования по разному, при этом напряжения в них будут как равны длительной прочности, так и меньше. Причем, последних будет тем больше, чем полней проработана ниспадающая ветвь диаграммы. В результате несущая способность бетона будет всегда меньше посчитанной в предположении прямоугольной эпюры напряжений с ординатой Яь и тем меньше, чем выше напряжения в арматуре. Следовательно, будет неправильным закладывать в расчет величины напряжений в арматуре, полученные в эксперименте, не корректируя несущую способность сжатой зоны бетона, вычисленную традиционными способами.

Цель работы состоит в исследовании резервов несущей способности железобетонных конструкций, обусловленных особенностью работы сжатой зоны железобетонных конструкций, армированных высокопрочной арматурой, и разработка предложений по расчету таких элементов с учетом реальных свойств, присущих железобетону: нелинейности деформирования, ползучести, полной диаграммы деформирования бетона, режимов нагружения и т.д.

Теоретические исследования направлены на решение следующих задач:

- изучение условий, способствующих развитию запредельных деформаций бетона , на ниспадающей ветви диаграммы деформирования;

- изучение степени проработки ниспадающей ветви диаграммы деформирования бетона, величина которой прямо связана с величиной

напряжений, развивающихся в сжатой арматуре перед разрушением элемента;

- изучение влияния ползучести бетона на его деформации на всех этапах работы, вплоть до разрушения;

- изучение влияния формы поперечных сечений изгибаемых, внецентренно сжатых и внецентренно растянутых с большими эксцентриситетами элементов и величины эксцентриситета на формирование напряженно- деформированного состояния железобетонной конструкции и его трансформацию в зависимости от режима нагружения на всех этапах работы конструкции;

- разработка алгоритмов и программ расчета железобетонных элементов, работающей в условиях неоднородного напряженного состояния, армированных высокопрочной сжатой арматурой.

Научную новизну работы составляют:

теоретические зависимости, необходимые для оценки сопротивление разрушению железобетонных элементов, армированных высокопрочной сжатой арматурой при неоднородном напряженно-деформированном состоянии;

-закономерности влияния интенсивности армирования, величины эксцентриситета приложения сил, ползучести и режимов нагружения на сопротивление разрушению железобетонных элементов, армированных высокопрочной сжатой арматурой;

- алгоритмы и программы на ЭВМ для расчета нормальных сечений железобетонных элементов армированных высокопрочной сжатой арматурой при неоднородном напряженно- деформированном состоянии.

Практическое значение работы заключается в том, что результаты проведенных исследований позволят существенно повысить надежность оценки напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций , сжатая зона которых армирована

высокопрочной арматурой, на стадии их проектирования, основанную на математически строгих и точных теоретических решениях, что, в свою очередь, позволяет при одинаковых затратах проектировать более надежную конструкцию, или при заданной надежности снижать затраты на создание конструкции.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации опубликованы в трех научных статьях.

1. Состояние исследований поведения сжатой зоны железобетонных конструкций.

1.1 .Проблема оценки поведения высокопрочной сжатой арматуры в железобетонных конструкциях.

Известно, что применение высокопрочной арматуры для армирования железобетонных конструкций эффективно с экономической точки зрения, т.к. величина стоимости арматуры, отнесенная к ее прочности, с повышением прочности заметно падает. Ее применение часто целесообразно так же при необходимости обеспечить высокую несущую способность при стесненных условиях развития размеров поперечных сечений конструкции. По этой причине в передовых технологиях производства железобетонных конструкций высокопрочная сталь находит широкое применение в качестве растянутой предварительно напряженной арматуры. Однако применение высокопрочной сжатой арматуры сдерживается отсутствием теории оценки ее поведения в конструкциях несмотря на то, что многочисленные экспериментальные исследования показывают достаточно высокую степень реализации ее физических свойств при определенных условиях.

Достаточно подробный анализ экспериментальных и теоретических исследований, посвященных затрагиваемой теме, проделан под руководством проф. Назаренко В.Г. его аспирантом Апь-Каддах-Махомадом [6]. Ими также разработан способ теоретического описания поведения высокопрочной сжатой арматуры для случая центрального сжатия, разработаны алгоритмы и программы компьютерного и ручного расчета, которые хорошо совпадают с имеющимися экспериментальными данными. Численные исследования с помощью этих программ позволили сформулировать условия, при которых физико-механические свойства высокопрочных арматурных сталей реализуются в сжатых зонах железобетонных конструкций полностью или хотя бы в значительно большей степени, чем это

согласуется с действующими нормами. Являясь существенным вкладом в развитие понимания сущности рассматриваемой проблемы, цитируемые исследования представляют больше теоретический, чем практический интерес, т.к. касаются только центрального сжатия, которого, как это трактуют действующие нормы, в природе не существует. Развитие исследований в направлении общего случая внецентренно сжатых, изгибаемых и внецентренно растянутых со сжатой зоной железобетонных элементов несомненно имеет теоретический и практический интерес, т.к. отсутствие достоверных способов описания этих ситуаций является упомянутым ранее сдерживающим фактором применения высокопрочной сжатой арматуры.

Рассмотрим существо затронутой проблемы с точки зрения физической сущности явления. Арматура, расположенная в сжатой зоне железобетонной конструкции, может сопротивляться сжатию только совместно со сжатым бетоном. После нарушения сплошности бетона арматура теряет устойчивость из за большой гибкости и выключается из работы. Поэтому за предельное сопротивление арматуры принимается наименьшее напряжение, при котором реализуется физический или условный предел текучести или деформации в бетоне достигают предельного значения. По современным понятиям эти деформации соответствуют максимуму напряжений на диаграмме «а - ¿-» бетона, полученной из одноосного испытания бетонных образцов при кратковременном нагружении. Величину их приято называть предельной сжимаемостью бетона и обозначать^. Считается, в частности нашими нормами, что для всех бетонов она имеет примерно одинаковое значение и в угоду упрощениям расчетов принимается =0,002. Для сталей относительно низкой прочности их деформации у предела текучести не превышают эту величину и расчетное сопротивление сжатию принимается равным расчетному сопротивлению при растяжении. Деформации высокопрочных сталей на пределе текучести превышают предельную сжимаемость бетона и расчетное сопротивление арматуры сжатию обуславливается ее величиной.

Вместе с тем, экспериментальные исследования А.В.Яшина, Е.А.Чистякова, А.А.Артемчука. В.В.Сурина. Н.Н.Попова, Н.Г.Маткова, А.А.Гончарова и других показывают, что величина предельной сжимаемости зависит от вида напряженного состояния, формы поперечного сечения, интенсивности армирования, прочности бетона, режима нагружения и, как следствие, степени проработки полной диаграммы «а-е», получаемой в экспериментах при постоянной скорости деформаций. Опорными точками такой диаграммы являются обсуждаемая величина деформаций еи, соответствующая пределу прочности бетона Rh, и деформации бетона в <снце нисходящей ветви диаграммы su.

Согласно экспериментальным данным [15] величина £ц апроксимируется (см. рис. 1.1) зависимостью

ек = (I 10 + Л„)*10 \ (1.1)

а величина еи [40;55]-б; = (4.6-0.02/?,)*[0 ; . (1.2)

Рис. 1.1. Зависимость предельной деформативности бетона от его прочности ¿:н по 1.1 (ряд 1) и .. по 1.2 (ряд 2).

Если величина eR возрастает с увеличением прочности бетона, то еи - уменьшается.

Мы видим на рисунке 1.1, что согласно этим зависимостям величина предельной сжимаемости не достигает предельной величины, равной 0.002, принимаемой в расчетах железобетонных конструкций даже при высоких прочностях бетонов .

По Е.А.Чистякову [88] и П.Ф. Вахненко [27] при центральном сжатии на рассматриваемую величину ек оказывает влияние степень насыщения бетона продольной и косвенной арматурой. Это влияние они оценивают зависимостью

ея = (2.4 + 14^)*! (Г3 , (1.3)

где

я

§ 0,005 т н

о

^ 10 20 30 40 50 60

Прочность бетона

К = »

а 8 - коэффициент, зависящий от класса продольной арматуры.

»

Заметим, что в предельном случае, когда /^=0, или /^=0

выражение(1.3) не переходит, как это должно было случиться, в выражение (1.1). Мультипликативная зависимость £япо (1.3) от и

отражает влияние косвенного и продольного армирования только при наличии косвенной арматуры. При ее отсутствии у/ =0 и второй член в (1.3) пропадает, исключая оценку влияния продольной арматуры, что противоречит экспериментальным данным.

На самом деле, в этом вопросе происходит подмена понятий. Величины ея и еи характеризуют диаграмму «а-е», получаемую в опытах при сжатии эталонного бетонного образца со свободными боковыми поверхностями с постоянной скоростью режима деформаций, т.е. в фиксированных стесненных условиях и фиксированном режиме деформирования. Принятый режим испытаний и условия стеснения, как

Ряд1 Ряд2

эталонные, позволяют получить, так называемую полную, эталонную диаграмму деформирования с фиксированными значениями <<;,,, ви и Яь.и. Если изменять условия деформирования - закон деформирования. и условия стеснения деформаций, то будет реализована диаграмма. отличная от эталонной с уже другими значениями , Рь, ¿\, и Рь.и.

Упоминаемое в [27.88] влияние продольной и косвенной арматуры обусловлено вносимыми изменениями в условия работы бетона при центральном сжатии. Бетонный элемент при центральном кратковременном сжатии может реализовать диаграмму только до точки, соответствующей максимальным напряжениям, равным Рь. При введении в бетон продольной арматуры появляются связи, стесняющие деформации в продольном направлении, которые создают условия частичной реализации участка ниспадающей ветви полной диаграммы. Эти рассуждения можно распространить и на неоднородное напряженно-деформированное состояние. В этом случае сдерживающие связи для волокон бетона с большими деформациями образуются волокнами с меньши�