автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Сопротивление железобетонных конструкций с комбинированным армированием статическим и аварийным динамическим воздействиям



№

„•Л

\ ^'МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ им. В. В. КУЙБЫШЕВА

На правах рукописи

Ч А Р Ы Е В Мухамметмырат

УДК 624.012.45 : 072.02 : 044

СОПРОТИВЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С КОМБИНИРОВАННЫМ АРМИРОВАНИЕМ СТАТИЧЕСКИМ И АВАРИЙНЫМ ДИНАМИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ

(05.23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружения)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва — 1993

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительном институте имени В. В. Куйбышева.

Научные консультанты:

доктор технических наук, профессор Лужин О. В., доктор технических наук, профессор Попов Н. Н.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Попов Г. И.,

доктор технических наук, профессор ЖарниЦкий В. И., доктор технических наук, с. н. с. Мухамедиев Т. А.

Ведущая организация: Центральный научно-исследовательский и проектно-экспериментальный институт комплексных проблем строительных конструкций и сооружений им. В. А. Кучеренко (ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко).

Защита состоится « .1. . » июня 1993 г. в « "Й^"» час. в аудитории № 412 на заседании специализированного совета Д.053.11.01 при МИСИ им. В. В. Куйбышева по адресу: Москва, Шлюзовая набережная, дом 8.

Просим Вас принять участие в защите и направить свой отзыв в двух экземплярах по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, дом 26, МИСИ йм. В. В. Куйбышева, Ученый Совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « » 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета профессор, к. т. н.

А. К. Фролов

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Несмотря на все усилия, направленные на предупреждение аварийных взрывов при проектировании взрывоопасных производств, как показывает практика экспуатации подобных производств, устранить полностью возможность аварийных взрывов газо, -паро, -пылевоздушных смесей не удается. Взрывы различных взрывоопасных веществ характерны для предприятий химической, газовой, нефтехимической и других отраслей промышленности, связан-ник с горючими газами и жидкостями. Аварийные взрывы могут прис-ходить и в помещениях сооружений, непосредственно не связанных о производственными процессами (например, в хранилищах, отстойниках и т.п.), а также в жилых зданиях вследствие взрывов бытового газа при его утечке.

Разрушение конструкций взрывоопасных производств при аварийных взрывах приводит не только к значительным материальным потерям, но могут быть причиной травм и даже гибели людей. Поэтому, решение проблемы обеспечения надежности конструкций при агчрийных нагрузках имеет весьма важное не только экономическое, но и социальное значение.

Особенностью расчета на динамические нагрузки, рассматриваемые как аварийные, является то, что при их воздействии в конструкциях доцускаются значительные остаточные деформации, не приводящие однако к обрушению конструкции. В настоящее время нормативные документы ограничивают применение эффективной высокопрочной арматуры в конструкциях, подверженных аварийным динамическим воздействиям, из-за опасности ее обрыва и вследствие этого и возможного обрушения конструкции. Для исключения обрушения конструк-

ции нами предложено применение комбинированного армирования, состоящего из высокопрочной арматуры (из стали или стеклопластика) и мягкой арматурной стали. В этом случае, даже при обрыве высокопрочной арматуры, обрушения.конструкции не произойдет вследствие того, что деформативность малоуглеродистой арматуры на будет исчерпана. Это позволяет проектировать сооружения, удовлетворяющие условиям надежности и экономичности, так как используются полные запасы несущей способности конструкции. Разработка и внедрение экономичных и надежных конструкций имеет важное народнохозяйственное значение и способствует ускорению научно-технического прогресса во всех.областях народного хозяйства.

Представленная работа не исчерпывает всех вопросов и проблем,. связанных с динамической прочностью железобетонных конструкций, которые несомненно требуют дальнейших исследований. Однако, они закладывают основы и дают решение для нового круга задач- задач по оценке прочности и деформативности железобетонных конструкций с различной высокопрочной арматурой в условиях воздействия кратковременных динамических нагрузок аварийного характера.

Целью диссертации является исследование возможности, целесообразности и условий применения железобетонных конструкций с комбинированным армированием (высокопрочная и мягкая арматура) в сооружениях, рассчитываемых на аварийные взрывные воздействия, разработка метода расчета этих конструкций во всем диапазоне прочностных свойств, включая разрушение бетона и обрыв части арматуры и рекомендаций по их применению.

Научную новизну работы составляют:

- дашше о прочностных и деформативных характеристиках стек-лопластиковой арматуры ( СПА ) при различных скоростях деформирования;

- основные закономерности в сопротивлении железобетонных элементов с различными видами комбинированного армирования, полученные из экспериментальных исследований;

- особенности напряженно-деформированного состояния статически неопределимых келезобетонных элементов о комбинированным армированием при действии статических и динамических нагрузок малой продолжительности;

- данные,о деформировании балочных плит и рам в стадии больших пластических деформаций;

- предложения по нормированию предельного состояния 1в для различных желвзобетоных элементов и методика определения величины импульса, вызывающего это состояние;

- метод расчета железобетонных конструкций с различным комбинированным армированием нв действие статических и динамических нагрузок с учетом стадии снижения несущей способности, а для балочных плит - работы как вантовой системы.

На защиту выносятся:

<

- результаты экспериментальных исследований прочностных и деформативнных свойств стеклопластиковой арматуры при различных скоростях деформирования;

- предложения по оценке влияния скорости деформирования на прочностные характеристики СПА;

- б -

- результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния свободно опертых и статически неопределимых железобетонных элементов с различным комбинированным армированием при статических и динамических нагрузках;

- результаты экспериментальных исследований несущей способности и деформативности балочных плит, балок с ограниченным деформированием концов и рам с комбинированным армированием при статических нагружениях;

- методы динамического расчета отдельных железобетонных элементов с комбинированным армированием (балок, балочных плит, рам) на аварийные динамические воздействия, учитывающие работу материалов в стадии больших пластических деформаций и возникновение вантовых усилий.

Практическое значение. В результате проведенных исследований была выявлена целесообразность и эффективность, а также пути использования высокопрочной стальной и стеклопластиковой арматуры в конструкциях, подвергаемых воздействиям статических и аварийных динамических нагрузок, позволяющие получить экономию арматурной стали до 15$. Разработаны методы динамического расчета железобетонных конструкций для практического применения в проектировании сооружений, подверженных аварийным взрывным воздействиям.

Достоверность результатов. Экспериментальные исследования проведены на современных испытательных оборудованиях с высокой точностью, обработаны на ЭВМ. Предпосылки методов расчета основаны на обширных экспериментальных данных поведения материалов и конструкций.

- ? -

Расчетные схемы конструкций учитывают все особенности их работы при аварийных взрывных воздействиях. Расчетные зависимости получены в результате строгого решения задач в соответствии с принятыми предпосылками и схемами.Точность расчетной методики подтверждена сравнением с результатами экспериментов.

Реализация работы. Результаты исследований включены в "Рекомендации по расчету железобетонных конструкций на особые воздействия" Госстроя Турменистана, использованы НИИКБом при разработке нормативных документов и разработке конструкций с применением СПАдля предприятий Минэнерго.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и получили одобрение на республиканской конференции "Молодые ученые Туркменистана,- большой науке" (Ашхабад,1984), всесоюзной конференции "Теплообмен, деформирование..." (Ашхабад,1985), всесоюзной конференции "Дифференциальные уравнения и их приложения" (Ашхабад, 1986), всесоюзном совещании " Экономичное армирование железобетонных конструкций" (Фрунзе,1990), а также на международной конференции "Сейсмика, взрыв, удар" (Англия, Манчестер,1991).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 19 -ти статьях и одной монографии.

Обьеы работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и списка литературы. Общий обьем работы 302. стр., в том числе 207 стр. машинописного текста, рисунков( 73 стр), библиография из 205 наименований (22 стр.).

- 8 -СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние вопроса. Исследования, посвященные динамическим воздействиям, можно найти еще в трудах В Сен-Венана, Похгачмэра и др., относящихся к проблеме удара. Фундаментальные разработки в этой области, являющиеся основой современных исследований заложены С.П.Тимошенко, А.Н.Крыловым, А.А.Гвоздевым и И.М.Рабиновичем. Большую роль в развитии методов расчета конструкций не действие динамических нагрузок сыграли исследования ученых Я.М.Айзенберга, Н.И.Безухова, В.В.Болотина, Н.П.Галина, Г.И.Глухова, И.И.Гольден-блата, Ю.Г.Горева, Н.Н.Давидэнкова, И.Л.Диковичв. И.И.Ерхова, В.И.Жарницкого, Т.К.Щунусова, А.В.Забагаева, Ы.А.Задояна, В.Н.Караваева, А.П.Кириллова, О.А.Коковина, К.Л.Комарова, Б.Г.Коренава, В.Ф.Кузнецова, О.В.Лужина, Н.А.Школаенко, А.Ы.Овечкина, Г.Й.Ео-пова, Н.Н.Попова, Б.С.Расторгуева, А.П.Сдницина, Е.С.Сорокинв, Г.Н.Ставрова, В.П.Тамуж, Б.И.Теренина, Ю.Я.Тюкалова, А.И.Цейтлина, Ю.Т.Чернова, В.Г.Чудновского, Дг.Аугусти, Р.Клафа, М.Кон-роя, Н.Перроне, В.Томсона и др.

Благодаря этим исследователям и работам их учеников к настоящему времени разработаны различные методы расчета железобетонных конструкций - жестко-пластический и упруго-пластический метода и различные их варианты - упрощенные, приближенные и точные метода.

Наряду с теоретическими исследованиями проведены также и обширные и экспериментальные исследования работы железобетонных конструкций при действии кратковременных динамических нагрузок. К ним следует отнести работы И.К.Белоброва, Н.Н.Попова и их учеников, Г.И.Попова, В.А.Рахманова и их сотрудников и др.

Исследования последних лет наметили новые направления совершенствования железобетонных конструкций, связанные с появлением новых видов материалов и конструкций, одним из которых является применение высокопрочной стальной или неметаллической арматуры. Оба этих вида арматуры существенно отличаются по своим свойствам, имеют высокую прочность и малую деформативность. Исследования показали, что механические свойства этих типов арматуры изучены достаточно полно при статических режимах нагружения; высокопрочная арматура используется в преднапряженных конструкциях, а неметаллическая арматура (СПА) находит применение в основном в конструкциях, эксплуатируемых в агрессивной среде. Успешное применение этих видов арматуры в конструкциях при обычных статических нагрузках позволяет поставить вопрос о возможности и условиях их использования для армирования конструкций, предназначенных для восприятия еще и особых воздействий, в частности, аварийных взрывных нагрузок.

Высокие прочностные характеристики этих видов арматуры позволяют снизить материалоемкость конструкций взрывоопасных зданий за счет экономии арматурной стали. Особенностью расчета на динамические нагрузки, рассматриваемые Как аварийные, является то, что при их воздействии в сооружениях допускаются большие пластические деформации. Поэтому применение малодеформируемой высокопрочной арматуры ограничивалось опасностью обрыва арматуры и обрушением конструкции. Это обстоятельство и является одной из основных причин, препятствующих применению высокопрочной арматуры в сооружениях, подверженных аварийным динамическим воздействиям. Для исключения обрушения конструкции нами предложено применение

комбинированного армирования, состоящего из высокопрочной арматуры и мягкой арматурной стали. В этом случае даже при обрыве высокопрочной арматуры обрушение конструкции не произойдет, т.к. де-формативность мягкой арматурной стали не будет исчерпана.

Из анализа исследований следует, что к настоящему времени изучено напряженное состояние, разработаны динамические метода расчета железобетонных конструкций в упругой и пластической стадиях до начала разрушения бетона сжатой зоны. Метод расчета конструкций в стадии больших пластических деформаций, сопровождающихся разрушением бетона сжатой зоны, а в ряде случаев обрывом части арматуры не разработан. В атом состоянии, особенно в статически' неопределимых системах ( неразрезные балки, рамы) происходит изменение расчетной схемы и возникают новые задачи, связанные с учетом работы бетона на нисходящих ветвях и арматуры как Байтовой системы.

Кроме того, динамические свойства СПА и возможность ее применения для армирования конструкции при взрывных воздействиях не изучались.

Приведенный критический обзор позволил сделать вывод о том, что проблема исследования сопротивления железобетонных конструкций с различной высокопрочной арматурой (комбинированным армированием) при действии статических и аварийных динамических нагрузок, решение которой дает возможность перейти от массивных конструкций к более рациональным, экономичным по содержанию стальной арматуры, работающим при полном использовании материальных ресурсов может расматриваться, как самостоятельное направление в динамике железобетонных конструкций и нувдается в экспериментальном и

теоретическом обосновании.

Поэтому на первом этапе экспериментальных исследований было изучено влияние скорости деформирования на механические свойства стеклопластиковой арматуры.

Были испытаны образцы стеклопластиковой арматуры диаметром 6 мм в режиме постоянной скорости деформирования на машине фирмы "БЛепк" (ФРГ). Средняя скорость деформации при статическом нагру-кении составила £1=0.23хЮ"3с."1, при скоростном нагружении ¿2= О,. 181 сГ1, ¿з=0.628 сГ1 и ¿4=2.36 сГ1. Результаты испытаний обработаны с использованием ПЭВМ. На рис.1 показаны усредненные диаграммы деформирования СПА при различных скоростях деформирования. Отклонение индивидуальных значений напряжений от средних не превышает 10%. Коэффициент вариации прочностных и деформатив-ных характеристик составил 3...51.

Испытания показали, что максимальные деформации при разрыве практически не зависят от скорости деформации и составляют 2.57...2.8%. При увеличении скорости деформаций увеличиваются до 30% модуль упругости и напряжения СПА, соответствующие ее разрыву .

При широком диапазоне изменений влияние скорости можно учесть по предложенной в диссертации зависимости

бй - б81( 1-22 + 0.07 1в6 ) . (I)

Выполнен также анализ исследований влияния скорости деформирования на механические свойства арматурных сталей по многочисленным работам В.А.Котляревского, Г.И.Попова,"В.А.Рахманова и др.

На втором этапе экпериментальных исследований изучено сопротивление свободно опертых и неразрезных (защемленных) железобе-

б. МПа

Рис.1. Усредненные диаграммы деформирования С ПА при различных скоростях деформаций

тонных балок с различным комбинированным армированием. Всего испытано 58 опытных образцов. В восьми сериях в качестве напрягаемой арматуры использованы высокопрочные стальные стержни класса А^р-У, а в семи сериях - стержни СПА. Испытания статической и динамической нагрузкой проведены на специальных установках, позволивших в отличив от традиционных, изучить'все стадии сопротивления исследуемых образцов, включая стадию снижения несущей способности и получить зависимость "М-у" или "М-1/г" от начала загружена до полного разрушения (рис.2). При этом время разрушения образцов при динамических испытаниях составляло 0.06...0.12 с.

На основании выполненных экспериментов автором предложена расчетная диаграмма деформирования балочного железобетонного элемента, включапцая стадию снижения его несущей способности. Оота-точную несущую способность, соответствующую предельному состоянию 1в, предложено нормировать по отстаточному изгибающему моменту в зависимости от величины ^

«"Г0"016 ^е"2-183*, <2>

где Мпа^д - изгибающий момент в нвчале разрушения бетона сжатой зоны;

5 - относительная высота сжатой зоны.

Анализ результатов испытаний показал, что характер разрушения при статических и динамических нагружениях зависит от общего процента армирования, от соотношения количества высокопрочной и малоуглеродистой арматуры в сечении и величины преднапряжения. В балках со свободным опиранием концов о ^ <»0.2 при развитии значительных прогибов (1/60 пролета и более) происходит разрыв мало-

M. кН-u

40

30

20

10

-10 -7.5

Ï -- N *

i f

— Кн—IV-2c

i 1 Бн-ХП-Зд Бн-IV-IA 1 1 У.

0 7.5 15 22.5 30 37.5

Рис.2. Опытные диаграммы деформирования

i

ьн

г 15 -

деформируемой высокопрочной арматуры (А^-У или СПА), что ведет к обрушению балки, если она армирована только высокопрочными стержнями. В балках с комбинированным армированием наличие малоуглеродистой стали препятствует обрушению частей балок и обрыв высокопрочной арматуры ведет к снижению несущей способности на 25...40%. Снижение несущей способности балок происходит более резко от разрушения сжатого бетона при § >0.2, при атом несущая способность может уменьшиться в 4..".6 раз. Эксперименты показали, что после обрыва части 'арматуры и раздробления бетона сжатой зоны балочные элементы продолжают сопротивляться внешним воздействиям, находясь в так называемой стадии снижения несущей способности. Эту стадию работы целесообразно учитывать при расчете на аварийные воздействия. -

Установлено, что в статически неопределимых железобетонных балках о комбинированным армированием при действии однократной статической нагрузки происходит перераспределение усилий в процессе их деформирования. Динамическая прочность балочных элементов оказалась выше статической на 10...20*, что подтверждает влияние фактора скорости на упрочнение материалов.

Предельное состояние железобетонных конструкций по прочнооти наступает с достижением в бетоне или арматуре напряжений, равных соответствующим расчетным сопротивлениям. Предельное состояние может наступить либо в пролетном, либо в опорном сечениях - в зависимости от закрепления концов, армирования и прочнооти бетоне. Однако, как показали эксперименты, наступление указанных предельных состояний не вызывает обрушения конструкций, а лишь меняет его расчетную схему из балочной в механизм.

Поэтому, целью третьего этапа экспериментальных исследований было изучение сопротивления железобетонных элементов, рабочая арматура которых после разрушения бетона сжатой зоны еще способна воспринимать внешнюю нагрузку как гибкая нить, то есть ванта. Бы-' ли испытаны три типа опытных образцов - плитные, балочные и рамные, всего 12 образцов.

По результатам экспериментов получены диаграммы деформирования железобетонных элементов, армированных высокопрочной проволокой Вр-11 и мягкой арматурной сталью А-1, А-Ш (рис.3), установлено влияний высоты сечения, условий закрепления на опорах, вида и типа армирования на деформирование по вантовой схеме.

Железобетонные конструкции, рассматриваемые в диссертации, предназначены для восприятия аварийных динамических нагрузок при одном условии, чтобы не произошло обрушение конструкции. При атом в конструкциях допускаются любые остаточные деформации: разрушение сжатого бетона и обрыв части арматурных стержней. Поэтому, с 1 точки зрения расчетных схем, эти конструкции являются физически и геометрически нелинейными. Экспериментальные исследования, проведенные автором, показали, что характер их работы зависит в основном от следующих факторов: состава комбинированного армирования; относительной толщины (11/1); жесткости закрепления концов относительно поворота и горизонтальных перемещений опорных сечений. При этом, • в*зависимости от относительной толщины конструкции, возможны качественно различные расчетные схемы: изгибаемые элементы, изгибаемые элементы с продольными силами от распора и изгибаемые элементы с распорными и вантовыми усилиями.

Существуйте и развиваемые в настоящее время методы динами-

ческог'о расчета железобетонных конструкций можно разбить на две группы. К первой группе относятся методы, основанные на использовании диаграмм деформирования б-£ материалов. Исследования поперечного изгиба балок таким методом приведены в работах H.H. По-' пова, Б.С.Расторгуева, В.Ф.Кузнецова, О.Г.Кумпяка и др. Однако, в них были приняты частше случаи закрепления концов и не учитывалось комбинированное армирование. Вторая, наиболее распространенная группа методов, основана на использовании зависимости "момент-кривизна". В этих методах процесс движения разбивается на отдельные стада и в каждой стадии конструкция рассматривается как система, с одной.степенью свободы 'заданием формы прогибов. Опубликованше в различных источниках приближенные методы не позволяют применить их к расчету рассматриваемых конструкций и, особенно, в стадии разрушения. Поэтому, автором создан математический аппарат и разработан единый метод расчета железобетонных конструкций, позволяющий оценить несущую способность и деформатив-ность на всех стадиях работы, включая стада разрушения, а для некоторых случаев и изменение расчетной схемы.

Диаграммы деформирования исследуемых конструкций, полученные экспериментально, показывают, что весь процесс деформирования при всех случаях армирования можно разделить на две качественно различные стадии:

- упруго-пластическая ствдия, продолжающаяся до начала развития пластических деформаций в одной из групп стержней арматуры или до начала разрушения бетона сжатой зоны;

- стадия разрушения, включающая различные подстадии, характеризующие процесс разрушения бетона сжатой зоны, развития плас-

тических деформаций в арматуре, изменение состояния конструкции при обрыве части стэршюй арматуры, процесс деформирования арматуры как "ванты".

Реализация этих подстадий зависит от указанных выше факторов и особенно, как показал! исследования, от относительной толщины элемента, в зависяноста от которой все конструкции 1 приближенно предлагается разделить на высокие (1-й класс), средние (11-й класс) п тонкие {Ш-й класс) со следующими значениями относительной толщины:

Ш > 1/10 ;

1/10 > Та/1 > 1/20 ; (3)

11/1 С 1/20 .

Надо отметить,что существенные отличия в деформировании конструкций принятых классов как раз наблюдаются при их работе в пластической стадии при ограничении горизонтальных перемещений опорных сечений.

В коиструкщт 1-го класса прогиби при работе во всех стадиях мала, э еэтягость их больная, поэтому можно не учитывать до-полнителвпзо' шгеетв, Еозташагхсге от распора вследствие прогибов элемента и етеслэшэ горлзошачьннх перемэщегшй. В конструкциях 11-го класса» шоФгодпгл учетт этаж дояолпательшх моментов, но продольные пероглещэшет влеиоото® спрвдаяшяся только в зависимости от удлинений ншзжг волокоэ Свэ утзтз влияния прогиба. В конструкциях Ш-го класса скэствз-пно© вуизйшу нз продолыше поронеще-ния оказывает прогиб и поэтам? прэ ст&спешш горизонтальных перемещений возникают растягиващш продольные сила.

Комбинированное армирование конструкций принимается, как и в

экспериментальных исследованиях, состоящим из стержней класса А-Ш, высокопрочных стержней класса А^-У или СПА либо высокопрочной проволоки Вр-11.

Для арматуры класса А-Ш использована трилинейная диаграмма, включающая стадию упрочнения, для А^-У и Вр-11 диаграмма принимается состоящей из двух линейных участков, т.е. билинейной, а стеклопластиковая арматура вплоть до разрыва работает линейно.

При расчете конструкции 6 стадии разрушения используется нисходящая ветвь диаграммы сжатия бетона.

При разработке метода динамического расчета конструкций использована универсальная кусочно-линейная аппроксимация их диаграмм деформирования. При аналогичной аппроксимации закона изменения во времени динамической нагрузки расчетные зависимости на каждом участке аппроксимации получаются в довольно простом виде. Координаты узловых точек 1-го участка аппроксимации обозначаем соответственно ЭС^р ; М^ , а касательную жесткость -В^. Тогда для 1-го участка

ы = м1_1+в1(эе--ае1_1)= + в^ , (4)

где м^ = м1и - в1эе1_1. (5)

При формулировке граничных условий для отдельного элемента учтено, что при его работе в составе сооружения соседние элементы приводят к ограничениям перемещений опорных сечений. Монолитные или сборные стыки элементов вызывают заделку концов ригелей, при которой ограничиваются повороты опорных сечений и их горизонтальные перемещения, приводя к возникновению опорных моментов и про-

дольных сил.

В общем случае граничные условия для элемента с одинаковыми закреплениями обоих концов будут:

где е - расстояние от центральной продольной оси Ох элемента до точки приложения распора Н;

и - горизонтальное перемещение точки опорного сечения, к которой приложен распор, положительное премещение направлено вдоль оси Ох;

В,С - коэффициенты жесткости опорных закреплений относительно поворота и горизонтального смещения.

При решении уравнений движения балки или балочной плиты принимаем разные условия при деформировании сечений на восходящей и нисходящей Еетвях диаграммы "М -эсп. Первую ветвь определяем обобщенно, как пластическую стадию, а вторую - как стадия разрушения,1 в тачонш которой происходит разрушение сжатого бетона и возможен разрыв отдельных стершей арматура.

П£я рабчете конструкций 1-го класса в упруго-пластической стадии при равномерном распределении нагрузки по пролету уравнение движения конструкции в момент времени ^ (к»1,2,...1) представляется в виде:

(ЗУ

при х=0, у=0, М = — + Не; N = 04,

(б)

бУ

при х=1, у=0, М = g — + Яе; N = -С II,

с1х

где Р(г)+ ' Ь 1 1 - В< 111

йЬс'

(8)

(9)

Граничные условия для уравнения (7) при х-0, у«О, В^у"» е*у + ;

при х=1, у=0, В^у"» -8*у' t .

Для решения уравнения (7) применен способ, основанный на задании формы прогибов, приняв

у1(х,г) - Р1(х)т1(г) :

<>г «1<Ч-1> -?<*1-1> ] '

в1-1

Продольная сила N (распор) будет равна ,3

N - -С*е

Г Тк1) 13

ог т^г) - 11

24В«

2В4

а1 "1-Время конца стадии определяется из уравнения

И(Ч) в д 0

-§-Зг,<1)>т1а1) -Мг

(10)

Т^) - О^Ш )+С1соа о1(1-Т1_1 )+Р(1)-а1_1, (11.)

где - Т1(^_1) - Р(^_1) + а^;

(12)

(13)

(14

Перемещение конструкции в стадии разрушения определяется

углом поворота V ее половин, тогда полный прогиб равен

УСМ) = у(п1)(х1гп1)+У(г)х, 0 < х < ^ . (15)

Уравнение движения конструкции в к-том состоянии стадии разрушения имеет вид

24

У» + В У = - . (16)

Вид решения уравнения (16) зависит от знака В = С*е2 - 2\.

При В>0

У (г) = Ск81п ^(^к-Р + ^сов *к<*_1;к-1)+ с[к *

при В<0

9 (Ю - окаЛ ^(^к-и) + г^сь. ) - *

где '

V У(гк-1> + [ —^--2Мк-1

Если В>0 , то перемещение конструкции всегда будет конечным, то есть формально обрушения ее не произойдет; это обьясняэтся тем, что сопротивление примыкающих, конструкций, обуславливающих развитие сил распора компенсирует снижение внутренних моментов конструкции в стадии разрушения. Если же В<0, то возможен, неограниченный рост угла У(t) и обрушение конструкции.

При расчете конструкций 11-го класса необходимо учитывать дополнительные изгибающие моменты вследствие прогибов, то вот)ь расчет проводится по деформированной схеме и уравнение движения имеет вид

Для уравнения (19) справедливы граничные условия (6), но р переменным распором.

Кроме этого мы имеем нелинейное уравнение и для функции динамичности

Т1 + «12Т1 - х^^цт! - + Ър^ , (20)

где

*1(1)- [ I пЫ / [ ■ } ;

р о

1 1 41)- [ м1-11 / [ в1т \ •

О 1 О

При расчете в стадии разрушения уравнение движения конструк-

щш будет нелинейным

-го1 У» + А У - 0.5С*е1У2 - - 2Р*

24 8

2М;

к-

+ Нп1(е-у(п1>). (21)

где

А = С*е(е-у(п1)) - + .

Нелинейный член уравнения (21) с У ^ характеризует снижение сопротивляемости конструкции. Изменение функции У(г) существенно зависит от знака А. При А<0 происходит ускоренный рост угла V (1), что может привести к обрушению конструкции.

Экспериментальные данные показывают, что весь процесс деформирования конструкций Ш-го класса можно разбить на следующие качественно различные стадии:

1) упруго-пластическая стадия, продолжающаяся до начала разрушения бетона сжатых зон в пролетном и опорном сечениях;

2) стадия разрушения бэтона сжатых зон, з конце которой полностью исчерпывается прочность сжатого бетона;

3) стадия деформирования арматуры как вантовой системы,воспринимающей всю нагрузку.

'Из экспериментальных диаграмм *Р-:Р, "Р- £ 0" видно, что деформации в упруго-пластической стадии составляют малую часть полных деформаций конструкций. Поэтому расчет конструкций Ш-гокласса в этой стадии можно производить согласно методике расчета конструкций средней толщины.

Нелинейное уравнение движения конструкции в стадии разрушения имеет вид

+

-ё- ^ * ЕвАв 2 0-5у3) + 2( ми- к^ - '

-к^2 ) = МрГ(1;) . (22)

Уравнение (22) справедливо при V < V р и учитывает изменение сопротивления конструкции, обусловленное разрушением бетона сжатой зоны и развитием в арматуре деформаций как вантовой системы.

Стадия работы арматуры балочных плит как вантовой системы осуществляется при Здесь возможны следующие случаи:

а) вся арматура работает в области упругих деформаций; при У < ,

-?у + /|+2(£уо-

где У>„ - -Гу + /ф2(£уо-6ву) . (23)

Уравнение движения имеет вид:

+ Ъ'вкв \ (ГуГ2 + 0.5¥>3) - МрГ(1) ; (24)

б) арматура класса А-Ш работает в области площадки текучести, то есть £ уо< £в<- £у1 и Уо < V <- ,

^Г"?У+ /?+2(£уГ£8у) . (25)

Уравнение движения имеет вид

+ К8ш2^ + Е8Авп2 " У <*>: (26)

в) арматура класса А-Ш работает в области упрочнения и уравнение двишния будет (при V 1 < ^ <= V 2)

+0.5У3) = МрГа) ; (27)

г) арматура класса А-Ш работает в области упрочнения, арматура высокопрочная отсутствует вследствие ее обрыва и уравнение движения имеет вид

■ЗЙ ++ \\tfW2 + - Мр1^'

(28)

причем Ч> г < Ч> < 7>3 ,

Ч>2 и Уд - углы, отвечающие обрыву-соответственно

высокопрочной и мягкой арматуры. Дифференциальные уравнения (22), (24), (26), (27) и (28) решаются на ГШ.! с использованием стандартных программ.

В диссертации автором предлагается методика расчета тонкой балочной плиты-ригеля.

При действии кратковременных динамических нагрузок общего

вида полученные дифференциальные уравнения движения могут быть <

решены лишь численными методами. Среди динамических нагрузок имеются нагрузки двух предельных видов: с малым временем действия, когда нагрузка может быть представлена мгновенным импульсом, и с достаточно большим временем действия, когда нагрузка может считаться постоянной по времейи. Для этих нагрузок в работе предла-

гаются частные случаи динамического расчета тонких балочных плит.

Все предложенные методы расчета подтверждены экспериментально.

Заключение. В результате проведенных исследований были сделаны следующие основные выводы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

I. В связи с раишфением класса конструкций, работающих в условиях интенсивных кратковременных воздействий аварийного типа, проблема экономии арматурных сталей в твких конструкциях представляет значительный интерес. Проведенные экспериментальные и теоретические исследования железобетонных элементов показали, что данная проблема может быть решена путем полной или частичной замены сталей классов А-П, А-Щ не высокопрочную стальную или неметаллическую арматуру.

В случав применения в качестве армирующих только высокопрочных материалов( стальных или неметаллических), обладающих недостаточными деформативными свойствами, следует обеспечивать соблюдение условий, исключающих обрушение конструкций вследствие обрыва высокопрочной арматуры. Это достигается ограничением перемещений конструкций или наложением дополнительных ограничений на величину минимального количества арматуры.

При невозможности соблюдения этих условий автором предложено комбинированное армирование, когда высокопрочные армирующие материалы используются в сочетании с мягкими арматурными сталями классов А-Н, А-Ш. В этом случав даже при обрыве высокопрочной арматуры конструкция не обрушится.

2. Анализ результатов испытаний различных балочных конструкций с комбинированным армированием показал, что характер их разрушения зависит от систеш и процента армирования, вида оттирания и соотношения высота элемента к его пролету:

а) в гелезобэтонных свободно опертых и защемленных балках, аршрованнх только высокопрочными сталями лли СПА с соблюдением условия § <= 0,2 , при больших перемещениях может происходить обрыв высокопрочной арматуры, приводящий к обрушению конструкции;

б) в ггелезобетонных свободно опертых и защемленных балках с комбинированным армированием (СПА или сталь класса Ат-У, Вр-11 и мягкая арматурная сталь А-Ш), когда $ <= 0,2 при развитии значительных прогибов { 1/100 пролета и более) также возможен обрыв каяодеформируекой высокопрочной аргатурц, по при этом обрушения частей балок не наблюдалось, чему препятствовало наличие малоуглеродистой стали.

в) с повнпениеы общего содержания комбинированной рабочей арютури (5= 0,2...О,4) обычно происходило раздробление бетона ска той зоны, приводящее к сншэннв несущей способности балки без ео обрусения.

3. Установлено, что в проведенных автором испытаниях характер разрушения свободно опертых и защемленных балок в основном подобен; в том я другом случаях раздробление бетона сжатой зоны в пролетных' сечениях и обрыв высокопрочной арматуры (при £ < 0,2) приводит к снижению несущей способности при значениях прогибов, не превышающих (1/3-1/2) высоты сечения элемента.

При испытания защемленных на опорах балочных плит (1/11 =1/20) было выявлено, что после разрушения бетона сжатой зоны и

снижения несущей способности с достижением значительных прогибов, сопоставимых с высотой сечения конструкции, возможно изменение расчетной схемы последней. В этом случае конструкция работает аналогично висячей системе, роль пластических вант'в которой выполняет арматура.

' 4. Предложен метод динамического расчета изгибаемых железобетонных элементов ( балок и балочных плит, рам) с разными условиями опирания, позволяющий с единых позиций получить оценку динамической прочности данного класса консугрукщш. Метод базируется на использовании полных диаграмм сопротивления и дает возможность производить расчет элементов железобетонных конструкций во всем диапазоне их деформативных свойств. ' ■

5. Проведенные экспериментальные исследования с СПА показали, что ее работа при растяжении может быть представлена моделью вязко-упругого материма, где стеклянные волокна являются упругим, а смола- вязким составляющим, характеристики последнего зависят от скорости деформирования. Установлено, что увеличение прочностных и деформативных характеристик СПА. достигается за счет упрочнения связукщего полимера, который составляет около 2055 по массе арматуры. Предложены аналитические зависимости, описывающие диаграмму деформации СПА при скоростном нагружении.

6. Временное сопротивление стеклопластиковой арматуры при скорости деформаций СПА £ - 0.181; 0.628 и 2.362 с-1 увеличилось соответственно на 8, 12 и 19 процентов.

Из деформативных характеристик СПА с увеличением скорости деформации увеличивается модуль упругости. При этом максимальная деформация при разрыве практически не зависит от уровня скорости

и остается постоянной (£тах = 2.57...2.7Ж).

7. Наиболее эффективно следует применять комбинированное армирование в случае, когда время действия динамической нагрузки не превышает времени, необходимого для разрушения конструкции. Расчеты балочных конструкций с комбинированным армированием на действие мгновенного импульса показали, что учет работы конструкции в стадии разрушения, включая ниспадающую ветвь и вантовые усилия, позволяет выявить резервы несущей способности и повысить величину действующего на балку импульса до двух и более раз (без обрушения конструкции).

8.Экономические расчеты показывают, что конструкции с комбинированным армированием являются надежными и экономичными. По сравнению с традиционными такие конструкции позволяют уменьшить расход стали на 7...15% и расширить область безопасного применения высокопрочной арматуры в железобетонных конструкциях.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Усилия в стержневых элементах при вынуаденных осевых деформациях// Бетон и железобетон.-1982.-Н7.-с.44 (в соавторстве).

2. Расчет защемленной железобетонной плиты на действие кратковременной динамической нагрузки // Республиканская конференция: Тезисы докл.- Ашхабад: Ылым,1984.^с.437-438.

3. Проблема случайных нагрузок и "прогрессирующего" разрушения. // Рекомендации по расчету и проектированию СК в ТССР.-Ашхабад: Ылым, 1985.- с. 24-28.

-324. К расчету железобетонных стен на действие динамических нагрузок // Теория сооружений и расчет строительных конструкций в зонах Каракумского канала : Тематич. сборн.- Ашхабад: Ылым,1985.-с.187-189.

5. Сейсмостойкость конструкций из частично преднапряженного железобетона // Всесоюзное совещание " Теплообмен, деформирование..." . Тезисы докладов. - Ашхабад: Ылым, 1985.-с.114.

6. Динамическая реакция конструкций со смешанным армированием // Научно-технический прогресс и общество. Сборник трудов -Ашхабад:1986.- с.374-375.

7. К расчету конструкций со смешанным армированием на действие динамических нагрузок // Всесоюзная конференция "Дифференциальные уравнения и их приложения"! Тезисы докладов - Ашхабад: 1986.- с.157. . -

8. Динамика балки с защемленными 'концами // Известия АН ТССР. Серия физ. -тех., хим.и геол. наук.-1987.-И 6.-с. 8-14 (в соавторстве).

9. К вопросу расчета зданий на сейсмические воздействия // Динамическая прочность и долговечность железобетонных конструкций: Сборник трудов.- М.:ВНИИЖелезобетон,1989.~ с. 95-99 (в соавторстве ).

10. Полные диаграммы деформирования железобетонных конструкций со смешанным армированием // Всесоюзное совещание:Тезисы докладов.- Фрунзе.-1990.-т. 1.-е.56-57. .

11. Разрушение железобетонных балок со смещаным армированием при динамических нагружениях // Бетон и железобетон.-1991.- N II. с.10-12 (в соавторстве).

12. Динамический расчет железобетонных конструкций со смеша-1шм армированием // Известия АН Туркменистана. Серия фиэ.-техн., хим. и геол. наук.-1992. -Н I. с. 61-67. ■

13. Экспериментальные исследования деформирования железобетонных балок со смененным армированием // Известия АН Турмениста-на. Серия флз-тох., хим. и геол. наук.- 1992.-Н 2. с. 94-97.

14. О дефоряпфоваяии кэлэзобетонных изгибаемых элементов -со смешанным армированием при действии кратковременных динамических нагрузок // Исследование строительных конструкций и технологии их изготовления: Сборник трудов.- Тверь, ПИ, 1992.- с. 22-27 ( в соавторстве ).

15. Динамические свойства стальной и стеклопластиковой арматуры // Известия ЛИ Туркменистана. Серия физ.-тех.хим.и геол.на-yit.-I992.-N З.-с. 101-104 (в соавторстве).

16. Исследование сопротивления железобетонных балок со смешанным армированием// Динамика железобетонных конструкций и сооружений при интенсивных кратковременных воздействиях: Сб.трудов.-М.:ШСИ.-1992.- с.153-159 (в соавторстве).

17. Несущая способность балок со стеклопластиковой арматурой при кратковременных динамических нагрузках. - ЦНИИПромзданий: Сборник трудов, N 5 - 1992.- с. 94-97.

18. О прочности железобетонных балок со смешанным армированием при действии динамических нагрузок.- ЦНИИПромзданий: Сборник трудов N 5.-1992.-с. 97-99 (в соавторстве).

19. О нормировании предельных состояний изгибаемых элементов со смешанным армированием при кратковременных нагрузках// Известия АН Туркменистана. Серия фга.- техн., хим и геол. наук.-1992-