автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Составные железобетонные оболочки покрытий в условиях длительной эксплуатации и сейсмических воздействий

Л10СК0ВСКИИ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ им. В. В. КУЙБЫШЕВА

РГ6 ОД Правах рукописи

2 6 ДПР ШЗ

РАЗЗАКОВ Сайидмахсуд Рахманович

СОСТАВНЫЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ОБОЛОЧКИ ПОКРЫТИЙ В УСЛОВИЯХ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ И СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

(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 им. В. В. Куйбышева и Самаркандском государственном архитектурно-строительном институте им. М. Улугбека.

Научный консультант Официальные оппоненты

Ведущая организация

—доктор технических наук, профессор Попов Н. Н.

—доктор технических наук, профессор Лужин О. В.,

—доктор технических наук, профессор Саргсян А. Е.,

—доктор технических паук, профессор Шугаев В. В.

— Центральный научно-исследовательский и проектно-э кс пер и-ментальный институт .комплексных проблем строительных конструкций и сооружений им. В. А. Кучеренко (ЦНИИСК).

Защита диссертации состоится « . . . ».......1993 г.

в «... » часов на заседании специализированного совета Д.053.11.01 в Московском инженерно-строительном институте им. В. В. Куйбышева по адресу: Москва, Ш Л Ю 3 О В а я наб., д. 8, ауд. №... .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

■Просим на,править Ваш отзыв по автореферату в двух экземплярах по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, МИСИ им. В. В. Куйбышева, Ученый совет.

Автореферат разослан « . . . »....... 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета профессор, канд. техн. наук

А. К. Фролов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время теория и практика строительства железобетонных оболочек получила высокий уровень развития, о чем свидетельствует применение этих конструкций во воем мире. Из многих типов большепролетных покрытий наиболее широкое распространение получили железобетонные оболочки, очерченные по единой геометрической поверхности. Составные оболочки, очерченные по сложным пересекающимся поверхностям, получили применение только в последнее врет. Между тем, проведенный анализ' проектирования и строительства с применением таких оболочек, выполненный МНВДТЭП и НШЕБом показали , что они обеспечивает наименьший объем сооружений, экономичны по расходу материалов и затратам труда на возведение.

В районах Средней Азии начало возведения оболочек для покрытий общественных зданий относится к глубокой древности. В ХШ веке там возведены оболочки ез местных материалов типа куполов, составных и сопряженных оболочек пролетами от 10 до 36,н н более. Сохранение этих ансамблей на сегодняшний день является символом развития уникальной архитектуры зданий древнего Востока и свидетельствует о долговечности и надежности применения составных систем для районов высокой сейсмичности о резкими континентальными климатическими условиями.

В последние годы в результате эксперимзнтально-теоретичес-кнх исследований разработаны методы расчета оболочек в упругой п пластической стадиях на статические и сейсмические нагрузки, в которых, однако,нэ учитываются реальные условия эксплуатации конструкций. В действуют* нормативных документах "Строительство в сейсмических районах" и "Руководство по проектирований железобетонных пространственна конструкций покрытий и перекрытий" не в полной мере отражён учёт реальных эксплуатационных условий. Не учитываются многочисленнее факторы, связанные со старением и наследственностью бетона, условия работы конструкции в различных климатических условиях.

Поэтому для падёжной эксплуатации конструкции развитие инженерных методов расчета с учетом изменяшчхся свойств железобетона и динамических параметров оболочки во времени является актуальной проблемой.

В связи о развитием индустриальной базы, с расширением жилищного строительства в регионах с неблагоприятными клгкда-

тическими условиями и повышенной сейсмоактивностью, решение проблемы перекрытия зданий больших пролетов, внедрение архитек- . турно-выразительных форм оболочек, обеспечение вопросов их экономичности и эксплуатационных качеств, приобретает важное народнохозяйственное значение. Настоящая работа выполнена в СамГАСИ им.М.Улугбека (1978-1989 гг.) и в МИСИ им.В.В.Куйбыше-ва в докторантуре (1989-1992 гг.), в соответствии о координационным планом НИИНБ Госстроя СССР (шифр УП,7, Б 2), комплекс- ! ной целевой программой "Сейсмодинашша" АН УзССР (шифр 88888; 1.10,5.4) на 1986-1990 гг.* планом важнейшей тематики НИР Министерства высшего и среднего специального образования Узбекис- ' тана и научным направлением МИСИ "Разработка новых эффективных конструктивных решений зданий и сооружений, экспериментально- . теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния конструкций с учетом их эксплуатации, качества изготовления и монтаяа'Ч

Теоретические исследования выполнены автором диссертации. Экспериментальные исследования выполнены при участии соискателей и сотрудников научно-производственной лаборатории "Пространственные конструкции и сейсмостойкость сооружений", руководимых автором: Б.К.Жавлиева, Д.М.Батирова, Т.К.Касимова, У.А.Жумабаева.

В испытаниях оболочки на сейсмические воздействия приняли участие сотрудники кафедры "Строительной механики и основ сейсмостойкости" ТашПИ: д.т.н.,проф. К.С.Абдурашидов, инженеры З.Абдукарпмов, М.Шодиэв.

Автор выражает Ескрепнга благодарность д.т.н..проф.Н.Н.Попову за научные консультации в процессе выполнения данной диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является. .,' Проведение комплексных экспериментально-теоретических ис-' следований железобетонных составных оболочек с учетом региональных особенностей районов строительства. Оценка их напряженно-деформированного состояния при длительном действии нагрузок, и сейсмических воздействиях с учетом нелинейных дефор-.мативных-: свойств материалов и специфических особенностей железобетона. Развитие методики расчета оболочек с учетом изменяющихся свойств железобетона - снижения жесткости и динами-

ческих параметров по времени. Разработка рациональных конструктивных решений железобетонных составных оболочек для сейсмических районов.

Научную новизну работы составляют:

- экспериментальные данные, полученные при кратковременных, длительных статических и динамических испытаниях составных оболочек покрытий, охватывающие все стадии работы конструкций от изготовления и монтажа до разрушения;

- теоретические исследования железобетонных составных оболочек на статические и динамические нагрузки с учетом изменяющихся свойств железобетона во времени при реальных эксплуатационных воздействиях;

- разработанные новые рациональные конструктивные решения железобетонных составных оболочек и рекомендации по их проектированию;

- оценка сейсмостойкости разработанных конструктивных решений покрытий.

На защиту выносятся;

- обоснование нового научного направления принятого на основе проведенного анализа современных состояний исследований поведения железобетонных оболочек в эксплуатационной стадии с учетом длительности загрузхенйй и сейсмических воздействий;

- результаты экспериментально-теоретических исследований длительно загруженных составных оболочек с учетом влияния климатических условий районов строительства;

- результаты экспериментально-теоретических исследований длительно загруженных оболочек при сейсмических воздействиях;

- развитие метода расчета кратковременно и длительно загруженных составных оболочек в физически п геометрически нелинейной постановке. Оценка их напряженно-деформированного состояния и несущей способности с учетом длительности эксплуатации а климатических условий;

- айализ практических методов раочета прострапствепппх конструкций на сеЁсшгчэскио воздействия я продлогоппл по расчету составной оболочки с учетом измешшцих 1 динамических параметров при длительной, эксплуатации;

- предложения по конструктивному реионна составних оболочек для сейсмических районов;

- рекомендация по проектированию составных оболочек с учетом длительности загружений и сейсмических воздействий.

Практическое значение. :

Проведенные комплексные экспериментально-теоретические исследования позволили решить ряд важнейших вопросов проектирования и совершенствования сборно-монолитных железобетонных ооотавных оболочек для регионов с неблагоприятными климатическими условиями, подверженных сейсмическим Воздействиям низкой и высокой интенсивности. Разработанные методики расчета позволяют; оценить нацряженно-дефорыированное состояние и несущую способность составных оболочек при длительном загружении, сейсмических воздействиях с учетом эксплуатационных состояний конструкции и климатических условий районов строительства. В диссертации разработанные алгоритмы расчета оболочек обладают высокой эффективностью, надежностью и относительно небольшим временем счета на ЭВМ, позволяют применять стандартные программы при вычислении отдельных операций. Полученные результаты исследований, разработанные расчетные рекомендации и конструктивные решения будут способствовать дальнейшему развитию инженерных . методов расчета пространственных конструкций, открывая реальную возможность широкого внедрения эффективных конструктивных . решений составных оболочек для строительства в различных регионах, включая высокосейсмические районы.

Достоверность научных положений и выводов.

Расчетные предпосылки и принятые нелинейные законы деформирования основаны на обширных экспериментальных данных о по-, ведении материалов и конструкций.

Экспериментальные данные, полученные законы деформирования подвергнуты оценке методами математической статистики. Расчетные схемы и принятые модели (в рамках теории расчета) отражают специфику поведения конструкций и их элементов, учиты- . вают все основные особенности их работы при длительных статических и кратковременных динамических загружениях..Расчетные зависимости.получены в результате строгого решения задач в со-' ответствии с принятыми предпосылками и моделями.

Достаточная точность расчетной методики подтверждена удовлетворительным совпадением теоретических и опытных результа- • тов. ;

Реализация работы. Результаты исследований использованы

. - 5 - .

при разработке следующих инструктивных документов:

"Рекомендации по проектированию железобетонных составных оболочек покрытий с учетом длительности эксплуатация в сейо-мичесцрх воздействий".

СНиЛ 2.05,03-84 "Мосты и трубы", в разделах по учету влияния условий климатической зоны 1У-А при расчетном определении ползучести и усадки,

"Рекомендации по проектированию бетонных и железобетонных конструкций для паркого климата", НИИЖБ, М.: Стройиздат, 1988.

"Рекомендация по учету ползучести и усадки бетона при расчете бетонных и яелезобетонных конструкций" НИИ2Б. Ы.: Стройиздат, 1988.

"Рекомендации по расчету бетонных и нелезобетснных конструкций на изменение климатической температуры и влаяности". П.: ГОШБ, 1991.

Результаты исследований будут использованы при дальнейшей переработке "Руководства по проектированию яелезобетонных пространственных конструкций покрытий и перекрытий" в соответствии с новой редакцией СНиП.

"Каталог рекомендуемых типов сборных железобетонных пространственных конструкций общественных и производственных зданий" Ы.: МНИИТЭП. 1982, 82 о.

Результаты исследований использованы при проектировании и строительстве, зданий зрелищного, спортивного, торгового, транспортного и сельскохозяйственного назначения с применением оболочек покрытий различных геометрических форм с пролетами зданий 12-54 м.

С участием автора организовано промышленное производство сборных элементов оболочек:

- в г.Джамбае на базе треста Агропромстрой й I,

- научно-производственной . лабораторией "Пространственные конструкции и сейсмостойкость сооружений".

- в г.Ддаыбае на полигоне завода железобетонных конструкций Производственного объединения строитель**^ материалов $ 3, в содружестве с ТалШШЭПом организован выпуск сборных панелей составных оболочек п панели для сводчатых конструкций пролетом 18-21 м;

-. в г.Самарканде на полигоне Домостроительного комбината организован выпуск элементов оболочек для малых архитектурных форм.

Результаты исследований внедрены в учебном процессе: -при чтении лекций по общему и специальному курсу в разделе "Железобетонные тонкостенные пространственные покрытия"; -при выполнении дипломных и курсовых проектов с элементами НИРС; - на основе результатов диссертационной работы разработаны 3 методических указания.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и получили одобрение на: ежегодной сессии национального комитета Международной Федерации по предварительно-напряженному железобетону (ФИЛ) (г.Самарканд, 1981); региональных семинарах-совещаниях "Эффективные пространственные конструкции в практике проектирования и строительства" (Ташкент, 1983), (Фрунзе, 1989); У1 Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Ташкент, 1986); Всесоюзном координационном совещании "Нелинейные методы расчета железобетонных пространственных конструкций" (Белгород, 1986); 71 Всесоюзной конференции "Экспериментальные исследования инженерных сооружений" (Новололоцк, 1986); республиканской научно-техничоской конференции "Сейсмология и сейсмостойкость строительства в Узбекской ССР" (Ташкент, 1988); координационном совещании "Расчет башенных сооружений и пространственных конструкций с - учетов технологии их возведения" (Донецк, 1990); 47-й научно-технической конференции МИСИ (1991); ХХ1У международной конференции по железобетону и бетону (Кавказ - 1992); ежегодных (XI -ХХП) научно-технических конференциях СамГАСИ (Самарканд,1978-1988); заседаниях кафедры "Еелезобетонных конструкций" МИСИ (1987, 1989, 1992).

Ряд результатов исследований были представлены в виде научных докладов п сообщений на: Международных конгрессах ИАСС по пространственным конструкция?.! (Москва, 1985, Мадрид, 1989); X Международном конгрессе ФИП (Дели, 1986), Международном кол-. локвиуме по пространственным конструкциям для спортивных сооруч жений (Пекин - Китай, 1987); Международном симпозиуме по пространственным конструкциям (Осака - Япония, 1986); Международном . симпозиуме по пространственным и структурным конструкциям (Дрезден - Германия, 1990); Международном симпозиуме ИСОСА

по архитектуре спортивных сооружений (Пекин - Кйтай,1990).

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 25 работах.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Общий объем работы 442 стр., она содержит 300 отр. машинописного текста, 70 рисунков (69 стр.), 16 таблиц (18 стр.), списка литературы из 374 наименований (38 стр.) и приложения (17 стр.).

СОДЕРЗАНЖ РАБ0Т1]

Проведенный анализ применения различных конструктивных схем оболочек,'очерченных как по единой геометрической поверхности, так и составных, показал;!, что последние, вследствие высокой архитектурной выразительности, возможности создания большепролетных зданий любой конфигурации в плане, являются одним из наиболее перспективных типов пространственных покрытий. Возведение их в комплексе с всемирно известными сооружениями, являю-дамся памятниками архитектуры Х!!-Х1У вв., будет способствовать приданию города;,: Орепней Азии и городам, расположенным в высокосейсмических районах и отлнчаюдхлея резкоконтинентальными климатическими услов/лми, современного неповторимого облика.

Составные оболочки, облазал высокой пространственной жесткостью при небольшой собственной массе конструкций, позволяют применять экономичные проектные решения в высокосейсмических районах. Эти оболочки, представляющие собой конструкции, имеющие сложную Поверхность, образуемые из оболочек разных типов, получили развитие в 50-50-х годах для покрытий общественных зданий. Внедрение их за рубежом осуществлено благодаря работам ввдающихся ученых и инженеров, 5.Д:гленгера, Г.Ислера, Ф.Кан-дела, Л.Нерви, А.Падюара, Г.Рюле, м.Цубои, Л.Хана, П.Чонки п других.

В республиках б.СССР составные оболочки применяются только в последние годы. Исследованию напряженно-деформированного состояния составных оболочек и их оптимизации посвящены работы В.Н.Байкова, Э.З.Жуковского, А.В.Лебедева, И.Е.Милейковско-го, В.Д.Райзера, Н.Н.Складнева, Я.Ф.Хлебного, Ю.В.Чиненкова и других. Значительную роль в развитии исследований и конструи-

рования таких покрытий сыграли Международные конгрессы по проблемам взаимосвязи проектирования и возведения оболочек для производственных и общественных зданий, прошедшие в Ленинграде 1966 г. и в Москве 1985 г. Развитие конструктивных форм составных оболочек, сопровождающихся усложнением расчетных схем, стало возможш^м в связи с появлением ЭВМ, что привело к применению новых подходов к решению задач на базе современного аппарата численных методов строительной механики. Здесь следует отметить вклад ученых А.В.Александрова, В.З.Власова, А.С.Городецкого, А.Ф.Смирнова, В.А.Смирнова, А.С.Сахарова, А.П.Фшшна, Н.Н.Шапошникова, Б.Я.Ляащенкова, О.В.Лужина, П.А.Лукаша, В.И.Мя-ченкова, Г.И.Пшеничнова, Р.А.Хечумова, О.Зенкевича, С.Сцкларда, С.П.Тимощенко, Р.Фенвера и других авторов в развитие -численных

■ методов расчета стержневых конструкций и оболочек.

В последние годы получили значительное развитие разработка и конструирование геометрических форм сложных сопряженных оболочек с минимизацией перекрываемых гага поверхностей, в исследованиях В.П.Гуляева, С.Н.Кривошапко, В.Е.Михайленко, А.Л. Подгорного и других. Эти работы дают возможность разработать и оптимизировать оригинальные геоштричэскиэ форма оболочек с

■ произвольным очертанием в шганэ с применением автоматизированного проектирования. Здесь необходимо таюхе отиотить эначлтель-

. ную роль проведенных исследований в последнее • время в ШИИТЭпэ под руководством Э.З.Жуковского, давших толчок к внедрению се-лезобетонных составных оболочек для строительства крупных общественных зданий в Москве и ряде других городов.

Несмотря на имеющееся определенное количество разработок некоторых конструктивных решений составных оболочек, их применение дан различных районов с неблагоприятными климатическими условиями, и в том числе для районов Средней Азии, не представляется возможным и требует проведения специальных исследований с учетом их региональных особенностей.

. В связи с' отсутствием данных экспериментально-теоретических исследований составных оболочек при длительном загружения. с учетом влияния климатических условий также и на сейсмические воздействия, в рамках проведенного обзора ограничивались только анализом'имеющихся исследований оболочек, очерченных по единой геометрической поверхности. Эти результаты в дальнейшем исйользовались для анализа и обобщения исследований составных оболочек как его отдельных составляющих элементов.

Поведение отдельных еидов оболочек в частности: двоякой, кривизны цилиндрических и некоторых других форм с учетом длительности загружений посвящены работы В.М.Бондаренко, А.С.Воль-ми ра, А.А.Гвоздева, Г.С.Григоряна, В.С.Здоренко, Н.И.Карпвнко, А.П.Новоселова, И.Е.Прокоповича, Ю.Н.Работного, М.И.Розовского, Р.С.Санжаровского, К.Л.Сурова, И.Г.Терогулова, С.А.Тима-шева, Т.Ш.Ширинкулова, В.В.Шугаева, Г.К.Хайдукова, Е.А.Яцешсо и других. В этих работах решены отдельные задачи влияния ползучести бетона на прочность, устойчивость н деформативность оболочек, очерченных по единой геометрической поверхности.

Немногочисленные исследования проведенные в настоящее время, позволили составить некоторые представления о поведении железобетонных оболочек при длительном действии нагрузки. Для оценки их напряженно-деформированного состояния обычно пользуется широко известными законами'теории ползучести батона, разработанными С.В.Александровским, Н.Х.Арутюняном, В.Ц. Бондаренко, А.Б.Голышевым, И.Е.Прокоповичем, А.Р.Ржаннцнным и И.И.Улицким,

Трудности применения современных теорий ползучести в практических расчетах привели к разработке для нормальных климатических условий ряда предложений по определению величин деформации усадки и ползучести бетонов при н;:зких и средних' уровнях сжатия. Наиболее полно обоснованы предложения И.И.Улнцкого, И.Е.Прокоповича н М.М.Зэставы, а также Е.Н.Щербакова.

Для оценки работы стержневых конструкций, эксплуатируемых в условиях сухого и жаркого климата Е.Н.Щербаковым и Р.К.Мама-зановым разработаны расчётные рекомендации, в которых влияние климатических условий учитывается только фактором влажнооти окружащей среды.

Дм расчета стержневых, плоских конструкций и оболочек, эксплуатируемых в условиях сухого а жаркого климата, нами на основе проведенного многофакторного эксперимента на 20 составах тяжелого бетона с прочностью 30-110 Ша и анализа результатов опытов, взятых из отечественной и зарубежной технической литературы, с применением метода матеыатической статистики, разработаны практические рекомендации по расчетному определению величины деформации усадки, линейной и нелинейной ползучести бетонов.

Эти результаты в последупцем были использованы НИИЖБом в ЦНШСом для разработки рекомендаций и норм проектирования долезобетоиных конструкций в разделе расчета конструкций при длительном загружении в учета влияния сухого и жаркого климата и рекомендаций по проектированию железобетонных оболочек при длительном загружении.

На основе проведенного обзора исследований влияния длительности загружений и климатических условий на работу железобетонных оболочек следует отметить, что длительное деформирование этих конструкций при высоких уровнях загружения исследовано недостаточно. Б немногих опубликованных работах учитываются юдновременно нелинейные свойства и специфические особенности железобетона, при этом использование их в расчетах требует определенного числа экспериментально обоснованных нормированных параметров. Исследованию несущей способности и устойчивости оболочек при длительном загружении с учетом нелинейных деформаций ползучести посвящено весьма ограниченное количество . работ. Работы, затрагивающие проблему исследования напряженно-деформированного состояния оболочки с учетом влияния климатических условий, практически отсутствуют. Особенно шло результатов экспериментальных исследований. Отсутствуют экспериментально-теоретические исследования, посвященные изучению напряженно-деформированного состояния составных оболочек при длительном загружении с учетом влияния климатических условий районов строительства. /

Вышесказанное позволяет сделать вывод, что проблема исследований прочности, деформатшэности и убтойчпвости составных оболочек при длительном загружении с'учетом оценки влияния климатических условий, нелинейных свойств п трещинообразова-ния в бетоне, а также разработка простой и удобной методики для численной реализации, является актуальной задачей.

Современные методы расчета оболочек положительной в отрицательной гауссовой кривизны и ряда других конструктивных форм оболочек, очерченных по единой геометрической поверхности па . сейсмические воздействия, базируются на исследованиях В.З.Власова, А.С.Вольмира, И.Л.Корчинского, А.Лява, О.В.Дужина, О.Д.Ониашвили, Р.И.Рабиновича, Д.Рэлея, М.Т.Уразбаева, В.Флю-ге, А.П.Филипова, Й.Цубои к других.

В предельном состоянии напряженное состояние оболочки при динамических воздействиях исследованы в работах Н.В.Ах-вледиани, М.И.Ерхова, Л.Ш.Исхакова, Н.Н.Попова, Б.С.Расторгуе- , . ва и других. ; ■ _______

Для расчетного определения сейсмических нагрузок по дей-струвдим нормам предполагается, что колебания всех точек сооружений происходит в одной фазе. Оддако, с увеличением количества пролетов оболочек, могут проявиться несинхронные колебания опор. Этому вопросу посвящены исследования И.Л.Корчипского н А.А.Грилль, Т.Н.Корцивадзе, К.Кубо, А.А.Лосзберздзе, Дж.Хауз-нер и других.

Надекность и достоверность теоретических разработок по расчету оболочек на сейсмические воздействия обеспечивается результатами экспериментальных исследований, что позволяет осуществить их широкое внедрение з лракгаку проектирования а строительства. Экспериментальному исследованию динамических параметров яелззобетонннх оболочек очерченных по единой геометрической поверхности посвящены работы Ф.В.Боброва, Т.Ч. Байниетова, А.С.дива, Т.2Лунусова, Я.И.Исхакова, В.П.Кривиц-кого, Е.К.Нурмаганбетова, Д.Д.Нурпенсова, О.Д.Ониашвили, М.Ы.Сабалакова и других.-

В работе также проанализировано поведение железобетонных оболочек покрытий построенных в сейсмических районах н причины их разрушения при землетрясениях высокой интенсивности.

Резюмируя анализ исследований поведения яе лез о бе тонных оболочек покрытий в эксплуатационной стадии при длительном загруженни и сейсмических воздействиях следует /отметить, что в существупшс методах динамического расчета в упругой постановке не достаточно отражается работы конструкции в эксплуатационной стадии. Экспериментальные данные, учитывавдие изменения динамических параметров при длительном загружениио учетом изменяющихся свойств железобетона и региональных особенностей районов строительства практически отсутствуют. Исходя из этого, сделан вывод, что для обеспечения сейсмостойкости составных оболочек покрытий о необходимости проведения спецгалышх исследований с учетом длительности эксплуатации и разработки специальных конструктивных решений для сейсмических районов.

- 12 -

На основании проведенного критического обзора делается заключение, что проблема, вынесенная в заглавие диссертации, кокет рассматриваться как самостоятельное направление в исследовании поведения составных железобетонных оболочек покрытий в условиях длительной эксплуатации и сейсмических воздействи- . ях и нуждаемся в экспериментальном и теоретическом обосновании. Все это послужило основой дам проведения настоящего исследования. Процесс выполнения его обуславливался задачами, решение которых определило также новизну, актуальность и практическую значимость работы (см.выше).

Для решения поставленных задач проводились экспериментальные исследования на моделях составных оболочек в масштабе М 1:10 + М 1:20 с последу щкм испытанием крупноразмерных моделей М 1:4 и М 1:5. Пролет моделей оболочек составил 1,8-12 м. На крупноразмерных моделях оболочек решались конкретно поставленные задачи, а именно - проектирование оболочек, работающих в условиях сейсмических воздействий с учетом длительности эксплуатации и разработка рекомендаций для широкого внедрения их в строительстве.

Эксперименты проводились на 15 моделях, результаты исследований апробировались для 7 конструктивных решений натурных оболочек различных геометрических форм. Для учета влияния климатических условий параллельно допытывались эталонные модели оболочек и стандартные образцы. /

Размеры моделей оболочки назначались исходя из возможности их изготовления при сохранении подобая/изучаемых конструкций, задач статических и динамических испытаний для получения достаточно надежных опытных параметров с использованием существующих приборов и геофизической аппаратуры, а также условий передачи внешней нагрузки на поверхность оболочки и размещения приборов. Вследствие этого масштабы моделей были приняты не менее 1:20, частота собственных колебаний не более 50 Гц.

Испытания проводились на гладких и ребристых (сборно-монолитных) оболочках. Поля «одели оболочек армировались сетчатой арматурой, контурные элементы и продольные ребра сборных . плит, предложенным автором способом армирования криволинейных элементов. Для изготовления модели оболочки в сборных элементов на мелкозернистого и тяжелого бетона применялись железобе-

тонные матрицы п металлические формы.

Параметры напряженно-деформированного оойтоягшя оболочка при кратковременной, длительном и динамических нагружензях определялись приборами и аппаратурой применяемыми в современных исследованиях.

Испытания моделей оболочки проводились в специальных стендах в шде пространственной рамы. Крупноразмерные модели пега-тывалпсь в эксплуатационном (рабочем) состоянии. Длительное загружение создавалось с помощью рычажных установок.

Вынужденные колебания от динамических, типа сейсмических нагрузок в вертикальном и горизонтально?^ направлениях создавались вибромашиной направленного действия В-2. Дистанционное управление скоростью вращения валов вибромотора, которая достигла 3000 оборотов/мин, позволило получить работу конструкции в резонансных режимах. В целях имитации землетрясения вибромашина располагалась в середине пролета оболочки на уровне фундамента. Вертикальные вынужденные воздействия на оболочку передавались через металлические пространственные рамы, закрепленные к контурным диафрагмам в середина их пролета. Горизонтальные вынужденные воздействия от вибромашины на оболочку передавались по верху колонн с помощью трубчатых распорок.

Для оценки сейсмостойкости статически пригруженпых оболочек в эксплуатационных стадиях определялись динамические параметры при свободных и вынужденных колебаниях, а также в момент резонанса, соответствупцего на пряже нко-дефоршрова иному состоянию конструкция с интенсивностью 7, 8 и 9 баллов.

Проведенные испытания моделей оболочки при кратковременном действии нагрузки при различных уровнях загружения позволили выявить нелинейные зависимости, характеризующие работу конструкций при нагружении и разгрузке, проследить характер образования и развития трещин, а также получить схемы разрушения оболочек. Характер деформирования зависит от продолжительности загружения и от вида исследуемых типов оболочек (рис. I). Установлено, что наиболее деформативными из испытанных конструкций являются модели составных и секториальных оболочек отрицательной кривизны, наименьшей деформативностью обладают секториальные оболочки положительной кривизны и конические купола. Так величины остаточных прогибов, измеренные после разгрузки перед последним (разрупащим) этапом нагружения, для

а. (9и=30*н/„т) 6. Сди=34,ЗкН/мг)

02. ал 0.6 Ц8 /.о С. (ди = ¿4.7кНМ2)

0,2 0,4 0.6 0.8 Ф (/. {Чи=НЛкН/м1)

Ч! иш н 5Г

г

Г

О 0,2 0,4 0.6 0.8 10 3. А (Цив24,57кН/м?)

7< АI 1 ■■ —■ I _ ■■ _ >

оЖЖЖЖТО О 0,1 0.4 0,8 Ю

Начальный относительный уроЗень загружвний

Рис. I. Зависимость прогибов ободочки от равномерно распределенной нагрузки.

а,в - составные оболочки о боковыми элементами отрицательной и положительной гауссовой едивизвн; с,Л- то же векториальные оболочка; е, £ - конический купол н составляющие паноли ободочек; , , - продолжительность загрухенкя по 10 шш; , - то же по 45 шш; 13- расчет в линейной в , , 3^- нелинейной постановке ( — - - )

составных оболочек с боковыми элементами отрицательной и положительной кривизны составили соответственно 14 и 10% от полннх, для секториальных оболочек отрицательной и положительной кривизны 9,7 и 7,5%. для конического купола и составляющих его сборных панелей 2,5 и 3,7%. Аналогичный характер наблюдался при загруженли и разгрузке для фибровых деформаций на внутренней и внешней поверхностях оболочки. Следует отметить, что остаточные деформации после разгрузки на 10...20% больше, чем оо-таточный прогиб оболочки. Это объясняется частичным закрытием трещин, особенно при высоких уровнях загружения.

В результате проведенных испытаний выявлены характерные схемы разрушения моделей оболочек. Модели оболочки разрушались с образованием вмятин, в поле и угловых зонах оболочки. Кроме того, наблюдалось разрушение по натровой и балочной схемам, в последнем случае разрушение происходило с достижением предела текучести в затяжках контурных элементов. Наибольшей несущей способностью обладали составные я секториалыше оболочки положительной гауссовой кривизны и конический купол.

Испытанием моделей оболочек на действие длительных нагрузок различных уровней установлены нелинейные зависимости, характеризующие деформирование конструкций во времени, при нагружении и разгрузке, выявлено существенное влияние климатических факторов (температуры и влажности) на их напряженно-деформированное состояние. При этом напряженно-деформированное состояние оболочки, установившееся в момент загружения, получило значительное развитие в результате роста неупрутих деформаций. При длительном загружения моделей оболочки уровнями 0,42 и 0,72 от кратковременных разрушающей нагрузки прогибы оболочки через 907 сут наблюдения увеличились 1,4 и 1,7 раза соответственно: Интенсивный их рост наблюдался в течение 30...60 сут посла загруяеижя а зависимости от начального уровня загружения, затем они стабилизировались. Дальнейшее их изменение сопровождалось влиянием теыпературно-влажностного воздействия. Так при длительности наблюдений 596 сут уменьшение температуры на 12°С и уволичеино влажности на 30? привели к снижению прогиба моделей оболочек соответственно на 23 и 27%, что соответствует прогибам разгруженной оболочки уровнями (0,2-0,25) от кратковременной разрушающей их величин. Дальнейшее повышение температуры и сниже-

вив влажности привели к возрастанию прогибов длительно загруженной оболочки.

При длительной загружении напретенно-дефоршгрованное соо-тояггае оболочки качественно соответствовало по овоему характеру полученному при кратковременной испытании только в начальный период затруженгя. В дальнейшем развитие деформаций в контурных конструкциях, образование новых трещин в приконтурных зонах и контурных элементах не замеченные ранее на предшествующих этапах гатружения оболочки при кратковременном испытании, привели х оущаотвеиному снижению жеоткооти и неоущей опособ-нооти оболочек.

Установлено, что в процессе длительного деформирования яря постоянном уровне нагрузки предельные прогибы в наиболее напряженных зонах оболочки увеличились в 1,7 раза (рио. 2), фибровые деформации в 2,75 раза, шрина раокрытия трещин до 2 раз. В процессе длительного деформирования оболочек при уровнях нагрузки до 0,75 от кратковременной разрушающей наблюдалооь . уменишение и в последующем стабилизация скороотей деформаций ползучеоти. При высоких уровнях нагрузки перед разрушением скорость развития деформации ползучеоти увеличивается, развиваются зоны пластических деформаций в больших перемещений. Продолжительность той или другой стадии данного процосоа завиоит, в основном, от уровня загружений, возраота бетона в моменту нагружеюш конструкций, влияния климатпчеоких/уоловий, прочностных и дефорштивннх свойств материала. Разгрузка длительно нагруженных моделей оболочки позволила ваявпть нелилейпнз законы воостановления деформаций и перемещений, а также изменение их во времени. Интенсивное вооотановленно наблюдалось в течение 5...10 сут. Через 60 сут посла разгрузка обратишо прогибы и деформации увеличились на &%. Длительное загружение моделей оболочек привело к увеличению остаточного прогиба и деформаций для исследованных типов оболочек в 1,7-2,2 и 3-4,25 раза по сравнению с кратковременными испытаниями. Экспериментами установлено, что остаточные прогибы и деформации зависят от начального относительного уровня и длительности загружеши, от конструктивных типов исоледуемых оболочек, а также от теи-пературно-влажноотного воздействия. При этом влияние последнего фактора было несущественным по оравнению о длительным загруженной оболочки.

^ 0,6 ^ 0,6 44 0.2-

а)

'У 53 Ч Ч)

•Ч 55

У Ьу у: Г

'У

/V / Упг им

/ 4 1

С)

ч Л 1-

/' А А

// А / 111 П1

-<С г 1

У<а

г! Г\

> Г "

04 оа а <0 цо о 04 ц <б в/)

Относительный. проешГ (¡¿Галочки, V/а-ъ

Рис. 2 Графики зависимости прогибов оболочки при загруаоши, длительном наблвдении, и разгрузка в зависимости от уровня нагрузки:

а,- а - для различных типов оболочки; / - то го сравпеппо пх прогибов; 1,3 - начальное У/(Т) п ¿лительноо относительно к начальным прогибам; 2,4 - то аэ восстановление прогибов после разгрузки.

-18-

При длительной дейотвив нагрузок в составной оболочке происходит перераспределение усилий в контурных элементах. Положительное включение приконтурных зон оболочек в работу контурннх арок г ферм привело к незначительному увеличению до 1,2 раза ■вгибающего момента и нормальных оил в составных оболочках о квадратным планом, по сравнению с отдельностоящими оболочка-га, очерченными по единой геометрической поверхности. Усилия в затяжках в опорных контурах увеличивались до 22%.

Длительно загруженные модели оболочек показали, что полученные сгеиы разрушения при кратковременной действия нагрузок сохраняются, однако исчерпание нвоущей опособнооти происходит ври значительно меньших нагрузках на 15—25?£ в зависимости от вида оболочек, ори условии достижения в плаотическнх шарнирах предельных оочетаний изгибающего момента в нормальной сшш. Так для соотавных оболочек пролетом 1,8 и с боковыми элементами отрицательной и положительной кривизны при кратковременной (в числителе) г после длительного загруженин одинаковой интенсивности и продолжительности (в знаменателе) разрушающие нагрузки (яооле догружения) составили 30/20,9х в 34,3/25,7 кй/м2, для составных оболочек о боковыми элементами отрицательной вдн-визнн пролетом 3,2 ы составили 10,6/8,6 кН/м2, для составных оболочек с боковыми элементами отрицательной и положительной кривизны пролетом 12 м составили 17,5К/ГЗ,7К и 23,35Л7,3Ж кЦ/м2, для секториальных оболочек отрицательной и положительной кривизны пролетами 3,0 и 1,8 и составили 16,8/14,3 и 24,7Л8,3* кН/м2, для конического купола 27,5ж/22,4г кй/м2.

Для длительно загруженных моделей составных оболочек о боковыми элементами положительной кривизны пролетом 1,8 м начальными уровнями загружений 0,42 и 0,72 разрушающие нагрузки составили соответственно 27,3 и 25,7 кН¡гг. Для длительно загруженных сборных панелей конических ободочек с начальными уровнями загружений 0,390; 0,586 и 0,781 разрушающие нагрузки составили 25,1; 23,7 и 19,5 кН/к?.

Проведенные экспериментальные исследования оболочек свидетельствуют о необходимости учета напряженно-деформированного состояния возникающего в отадии возведения при оценке работы

ж)

- расчетные данные.

конструкции в эксплуатационной стадий. Для монтажа сборно-монолитных составных ободочек больших пролетов о квадратными, полигональными и крутлыми планами использовали метод укрупнитель-ной сборки. Последовательным снятием монтажных оснасток и затяжек, а также осуществлением начала раскружаливания от средних оболочек (I вариант) и боковых оболочек (2 вариант) разработаны рациональные способы раскружаливания, с применением которых возникают минимальные усилия перед эксплуатационным состоянием конструкции. Так, если для составной оболочки с боковыми элементами отрицательной кривизны пролетом 12 м находящейся в эксплуатационном состоянии в течение 5,5 лет условно принято прогибы за 100$, то в процессе монтажа арочных элементов и их нахождения до Эаыоноличивания стыков в течение 40 сут. замеренные прогиби.:'. составили 26,6 и 28,4%. Загружение оболочки полезной нагрузкой 2,9 кН/м^ и наблюдение в течение 230 сут до снятия монтажных затяжек (раскружаливаоте) показало увеличение прогибов на 59,2 и 12%. Это свидетельствует о существенной значимости учета стадийности возведения пространственных конструкций.

• После раскружаливания оболочки в период длительной эксплуатации развивались неупругие деформации от случайных снеговых нагрузок и изменения температурно влажностных воздействий, что-сказалось на снижении длительной жесткости и трещиностойкости оболочки. В период эксплуатации конструкции образование снеговых мешков не привело к повреждению более напряженных зон оболочки. Это свидетельствует о благоприятном восприятии составной оболочкой случайных односторонних загружений. Проведенные исследования в стадии монтажа и длительной эксплуатации с учетом влияния климатических условий показали такаэ достаточную прочность, г.есткооть и трещиностойкость, которыэ обеспечивают им нормальное эксплуатационное состояние.

В испытаниях на динамические типы сейсмического воздействия создание истинного напряженно-деформированного состояния оболочки находящейся в эксплуатационной стадии (с контролем прогибов, деформаций, остаточных деформаций и трещинообразо-вания), очень сложно. Поэтому эксперименты проводились на моделях оболочек загруженных ранее длительной статической нагрузкой и находящиеся в эксплуатации крупноразмерной модели оболочки. Длительное эксплуатационное напряженно-деформированное состояние оболочки создавалось путем перегрузки с контролем

прогибов конструкций на этапах аагружания с использованием установленных нелинейных законов деформирования (рис, 2. ).

В результате исследований выявлена закономерность изменения динамических параметров в зависимости от длительности вагружения. р качестве характеристшси динамической жесткости оболочки пришли изменение частоты основного тона колебаний (рис. 3). Для длительно загруженных моделей оболочек с увеличением уровня загружений динамическая жесткость оболочки снижалась в зависимости от принятого типа конструктивных решений. Если в начальных стадиях загружения от собственного веса оболочки частотные характеристики при длительном загружении уменьшались до 1,25 раза, то при высоких уровнях загружения - до 1,50 раза.

Сравнение; динамической жесткости составных оболочек с квадратным и долигональным планами и коническим куполом при различных уровнях загружения позволило выявить закономерности изменения их параметров в зависимости от исследуемых конструкций оболочек (рис. 3). Наибольшими весткостными характеристиками обладают секториальные ободочки и конический купол. Наименьшие значения наблюдались в составной оболочке с квадратным планом в защемленной с четырех сторон пологой оболочке с квадратным планом. Их частотные характеристики были близки между собой. При атом для защемленной и свободно опертой пологой оболочки частотные характеристики существенно отличаются.

' Для всех типов оболочек на различных этапах загружения наблвдалась высокочастотные вертикальные колебания. Выявлен- ' ные низкочастотные колебания на начальных этапах загружения при уровнях меньше 0,3 от статической разрушащей нагрузки росли незначительно. С увеличением уровня до 0,7 и длительности загружений низкочастотные колебания существенно изменяется. Для различных конструктивных решений дальнейшее увеличение нагрузки привело к стабилизации изгибных колебаний (динамической жесткости), которая позволяет прогнозировать приближения момента разрушения оболочки. Проведенные исследования показали,' что применение различных конструктивных решений составных оболочек приводит к созданию неразрезной пространственной системы и повышению динамической жесткости оболочки. Оно тем значительнее, чем больше составляющих элементов оболочки и защемленных краев.

<0

0,75 0,50 025

/<3>\ 11 и' 11

(

1—( ---- >т-«

•

«г — ' ' а

— -- -—< о >—-3

0.1 02 03 04 05 06 0,7 0,д

Начальный, уровень загрул-се^ий,

Рис. 3..- Изменение частоты вертикальных колебаний оболочек в зависимости от уровня и длительности з'агрунений и • граничных условий закрепления

I. 2 - при кратковременном и длительном загруженли; 3.4,5 -для конического купола, секториальной и составной оболочки, 6 7- для закрепленной и свободно опертой пологой оболо.чки.

Анализом вынужденных колебаний воей пространственной системы, проведенным на крупноразмерной модели составной оболочки, установлено, что сейсмоприемники, расположенные на уровне верха колонн, в центре контурной диафрагмы и оболочки зафиксировали_наибольшие амплитуды колебаний в вертикальном и горизонтальном направлениях по сравнению с амплитудами на уровне грунта (фундамента). Отношение амплитуды вертикальных колебаний оболочки, контурной диафрагмы и верха колонн к амплитудам колебаний на уровне грунта составили 4, 2,7 и 1,05. При горизонтальном колебании это соотношение составило в среднем 2.

Результаты исследований показали, что при землетрясениях колебание пространственной системы происходит по случайному закону. Периоды и амплитуды колебаний оболочек могут существенно отличаться от спектра колебаний грунта. Колебания исследованных типов оболочек носили упорядоченный гармонический характер с низким коэффициентом затухания, обладая фильтрующей способностью и пропуская только те частоты, которые близки к ее собственным. При этом преобладавшие периоды колебаний верха колонн и грунта были равны.

Изменение напряженно-деформированного состояния длительно-загруженных оболочек при динамических воздействиях можно рассматривать характеризующимся в зависимости от модуля деформации, изменения первоначальной кривизны и нагрузки. Таким образом на каждом уровне загружения, изменение напряженно-деформированного состояния приводит к рассмотрению колебаний оболочки, происходящей каждый раз вокруг нового статического состояния со своими физическими и геометрическими характеристиками. По данным исследований показано, что хотя деформация оболочки от динамических воздействий двухзначные, с увеличением нагрузки характер образования трещин, их месторасположение, развитие остаточных деформаций можно считать аналогичными длительным статическим загружениям. Деформации оболочки накапливаются с одним знаком в том же направлении, что и деформации от вертикального статического загружения. Это исклшает образование двузначных пластических шарниров и повреждение отдельных зон. Сейсмические воздействия, вызывая инерционную нагрузку, только могут ускорять возникновение зоны повреждения и локальные разрушения, которые ожидались при длительном статическом загруже-нии. Это приводит к совпадению формы разрушения статически

загруженной составной оболочки с оболочкой подверженной сейсмическим воздействиям. Развитие неупругих деформаций при многократно (до 20 раз) динамических воздействиях различной интенсивности приводит к увеличению начальных периодов их колебаний. Для составных оболочек пролетом 4,8 и 12 м периоды вертикальных колебаний увеличивались соответственно на 20 и 1%, для конического купола на 14%. При горизонтальных воздействиях начальные периоды колебаний существенно не изменились. Длительное пагружение оболочек, развитие трещин не оказывало существенного влияния на формы колебаний и на коэффициент затухания полученные при кратковременных загружениях.

Динамические параметры исследованных оболочек зависели от аесткости контурных элементов и колонн; Выявлено, что раз-ватпе неупругих деформаций (податливости) в контурных элементах во времена приводит к снижению частот вертикальных колебаний до 1,5 раз.

Увеличение гестхости колонн для составной оболочки и конического купола в 2,25 и 5,85 раза привело к повышению частот горизонтальных колебаний от собственного веоа на 64 и 74,3$. С ростом нагрузки влияние аесткости колонн на изменение частотных характеристик ослабевает. Так, увеличение нагрузки в четыре раза снизило влияние жесткости колонн на частоту колебаний для составной оболочки и конического купола до 42,7 и 38,7$. Увеличение жесткости колонн привело к незначительному (до 5$) возрастанию вертикальных частот колебаний.

Применение дискретно расположенных ребер (сеток) повысило динамическую жесткость в вертикальном направлении до 25% по сравнению о гладкими оболочками. При этом направление их расположения относительно контурных конструкций и контурных ригелей при одинаковых размерах сечений влияет незначительно. Для оценки состояния составной оболочки в резонансных зонах изменяя частоты, возмущающей силы от 3 до 40 Гц, выявлены особенности работы оболочек при вертикальных и горизонтальных колебаниях. В этом промежутке изменения частот, независимо от краевых условий закрепления и жесткости диафрагм, на всех эта-, пах эагружеиия для исследованных типов оболочек наблвдались два резонансных режима конструкций. С увеличением нагрузки на резонансных участках наблюдалось плавное снижение часотот колебаний. Выявлен характер изменения амплитуды колебаний в мо-

мент образования и развития трещин, также изменение коэффициента затухания колебаний. Для составных оболочек после отключения анергии вибромашины резонапсные колебания средней оболочки быстро затухли, вследствие наложения сопротивления колебаний боковых оболочек. Здесь необходимо отметить, что применение составной оболочки, повышая динамическую жесткость конструкции, способствует выходу из резонансного состояния всей пространственной системы. Что касается оценки работы оболочки в резонансных состояниях в горизонтальном направлении, следует отметить, что хотя оболочка в этом направлении работает как жесткий пространственный диск, обеспечивая совместную работу всех поддерживащих колонн, для восприятия сейсмических воздействий необходимо уделять особое внимание,-приянтию конструктивных мероприятий, исключающих одновременность резонанса конструкции в вертикальном и горизонтальном направлениях и позволяющих выйти из него. Обеспечить включение оболочки в работу для восприятия горизонтальных сейсмических воздействий, передавая реакцию этих воздействий непосредственно на фундаменты конструкции.

Для оценки напряженно-деформированного состояния оболочки при кратковременном загрукевии, с учетом неупругих свойств железобетона, используя решения, базирующиеся на общих положениях расчета изгиба пологих оболочек в смешанной форме, получена разрешающая система уравнений в физически и геометрически нелинейной постановке

(Р, 301) + ¿2 2>:) + руу + и&х) + Гхл ( Кй + иГуу) -

- 2.РХуи?ху + ер(сс,д) = О; ¿3 + Ц иГхх^уу-(иГху)й+К^уу + Кги£х -

- иЯ>,хх 1Йг,уу +(иУо, осу)2- К{СЛ,уу-К2 хх = О, (I)

где ¿/(^йь;, Лг (иГ*2>0 МЬ£:), - дифферен-

циальные операторы, содержащие производные жесткостных коэффициентов , и функций усилий р , прогибов иГ по координатам Л? и у .

ЦГЛ= 1&-- цГо • К{ • - главные кривизны оболочки.

Систему (I) следует решать с использованием итерационной процедуры метода переменных параметров упругости, применяя на каждом ваге приближения метод Бубнова-Галеркина.

Для оценка напряженно-деформированного состояния оболочки при длительном загружегши с учетом влияния климатических условий, получим разрэпаицую систему уравнений деформирования пологих оболочек в условиях нелинейной ползучести аналогично выводу системы (I), дифференцируя во времени все используемые соотношения и принимая нелинейно-наследственный закон ползучести в дифференциальной форме:

h (F, 3>¿J+U № ®Ó -i" Fyy (К< + U^sccc) + FKK + +FM¿&Z+ FxxuTyy -¿FxyÚT^^-hiCF, 9¿f£)J-Aj> (urf&ítt))', h(Fj¿) + S¿) + íJy_'/) i¿?a:¿>z -

-ZU&yliby ~ -Ц (F, B¿(é)) - Ц (uff Si (tí), (2)

Здесь hi-hj, - дифференциальные операторы, аналогичные (I), только вместо ".есткостных козф&диентов S>¿ , B¿ подставляется коэффициента 8tlé)~ характеризуйте свойства нелинейной ползучести железобетонного сечения, а вместо F и ¿if соответственно ях производные F и ¿i?' .

В системе (2) в качество физических уравнений нелинейной ползучести бетона лрлачты зависимости предложенные НЛ.Арутго-няном и В.М.Бондаренко, многофакторные параметры которых нормированы в расчетной рекомендации, разработанной нами.

Применение пх позволяет оценить и прогнозировать напряженно-деформированное состояние оболочш! в эксплуатационном состоянии в произвольный момент времени.

Функции усилий и прогибов принимаем: т п

F(cc, y,£)=2LZ: (ft. Ш Cp¿; (X, У) i

где tP¿¡(X,y) и Wyfcy) определяется из граничных условий опирания оболочки по контуру.

После применения процедуры метода Еубнова-Галеркина к системе (2) с применением зависимостей (3) получим нормальную систему дифференциальных уравнений:

%(*) М, ¿с. ^ - , • ' О.

УтМ=и/у&•• '> ¿с, - • ') • ('4>

Для оценки устойчивости оболочки с учетом нелинейного деформирования бетона получена разрешапцая система уравнений варьированного состояния, выведена по аналогии с системой (I):

А/ (РТЗ>:*) + + ЬзСР*®*) + ¿да +

+ РуцИХхх ¿^хх + рхх

Л3 +¿4 (и^вг) + (Р*В?) + А/г ((¿1*6 + +

+ Щу иГхос + К( иГу* + Кг иГях - 2Л^у иъ* - й . (5) где Р* , футсции усилий и прогибов варьированного сос-

тояния.

В работе дается предложение по расчету составных оболочек на совместное действие длительных статических и сейсмических нагрузок.

Результаты проведенных исследований показали, что длительное загружение оболочек, учет образования и развития трещин и податливости контурных конструкций приводит к снижении частот собственных колебаний и следовательно, к уменьшению расчетной сейсмической нагрузки, действующей на сооружение. Эти факторы также приводят к снижению динамической жесткости конструкций, находящихся в эксплуатационном состоянии. Для обеспечения сейсмостойкости конструкции с учетом этих особенностей разработаны:

- Предложения по определению частоты собственных колебаний составных оболочек с учетом длительности нагружения, податливости контурных элементов, наличия дискретно размещенных ребер (сеток) и переломов поверхности. Частота свободных колебаний составных оболочек'при решении рассматриваемых задач определялась путем выполнения ряда разрезов, при этом вместе

составной оболочки рассматривалось несколько оболочек простых типов (сферических, конических, цилиндрических оболочек о квад-

' ратными, прямоугольными, тра<.'пециедальными и треугольными планами и т.д.). В линиях разрезов вводятся усилия (нормальные силы, моменты), изменящиеся гармонически с неизвестной часто-

- 27 -

I

той. Далее решались задачи о вынужденных колебаниях каждой из оболочек под действием краевых усилий. Используя закон равенства усилий и условия совместности деформации в зонах сопряжения оболочки, получаем уравнение для определения частот собственных колебаний составных оболочек. В расчетах податливость контурных элементов учитывалась с использованием предложения В.С.Бартенева;

- Предложения по определению коэффициента пространственной формы колебаний с учетом возможности проявления симметричной п кососимметричной форм колебания опор в зависимости от протяженности и длины сейсмических волн;

- С использованием методики расчета В.В.Шугаева разработаны предложения для оценки несущей способности гладких и ребристых составных оболочек различных геометрических форм при локальном разрушении от совместного действия длительных статических и сейсмических нагрузок;

- С использованием существующих норм проектирования и предложений по их корректировке, высказанных Н.Н.Складневнм, 0.0.Андреевым и В.И.Ойзерманом, а также результатов, проведенных экспериментально-теоретических исследований, разработаны предложения по определению величины сейсмической нагрузки на оболочку с учетом ддаельностн эксплуатации.

Для предотвращения хрупкого разрушения оболочек, находящихся в эксплуатационном состоянии, подвергаемых сейсмическим воздействиям различной интенсивности, в целях управления механизмом разрушения, разработаны критерии, ограшгшвашцие величины предельной статической и сейсмической нагрузки, прогиба конструкции и максимальных напряжений в наиболее напряженных сечениях элементов.

Для численной реализации разработанных методов расчета составлены алгоритмы и блок схемы. С применением которых получено удовлетворительное соответствие экспериментальных и расчетных данных для составных оболочек различных геометрических форм, йсхозденпя составила 15-30% для прогибов, 15-25% для нормальных усилий, 20-305? для изгибакцего момента, 10-20$ для величины кратковременной л длительной разрушающей нагрузки.

На основе анализа сейсмостойкости сущеотвугщих конструктивных решений составных оболочек и результатов проведенных

а)

к

Рис. 4. .Конструктивные схемы составных оболочвк с пространственными элементами жесткости:

а,в,с - оболочки с квадратным,,, полигональным:: и вытянутым планами ; I - составляющие элементы оболочки; 2 - пространственные элементы жесткости.

экспериментально-теоретических исследований предложены рациональные конструктивные решения оболочек для сейсмических районов, собираемые из унифицированных элементов о введением пространственных элементов жесткости (рис. 4). Пространственные элементы жесткости могут располагаться с двух, трех и болев сторон оболочки в зависимости от формы плана пролета, они благоприятствует уравновешиванию реактивных сил мевду отдель-шш частя™ и "препятствует возникновению резонансных колебаний. Усовершенствованы принципы конструирования элементов оболочки, разработаны предложения по их армированию.

Разработаны рекомендации по проектированию железобетонных составных оболочек о учетом длительности эксплуатации и сейсмических воздействий, позволявшие назначить оптимальные параметры конструкций, обеспечнвавдие эксплуатационные качества в сроки службы.

Таким образом в диссертации рассмотрен комплекс основных вопросов, необходимых душ решения проблеки, вынесенной в заглавие. Автор надеется, что предложенные решения могут послужить основой для дальнейших работ в этой области и открывают широкую возможность массового внедрения составных оболочек в различных регионах с неблагоприятными климатическими условиями и в районах, подвергаемых землетрясениям различной интенсивности.

ОЩЙЕ ВЫВОДЫ

1. В результате проведенных исследований показано, что конструктивные решения покрытий с составными оболочками является ращгопалышш как с точки зрэшш статической ж динамической работа, так и с позиций технологичности возведения и функционального предназначения при решении проблемы перекрытия здашй больших пролетов для районов с неблагоприятными клика- . гическиш условиями п подвергаемых землетрясениям различной интенсивности.

2. В результате испытаний моделей оболочки на действие кратковременных л длительных нагрузок различных уровней установлены нелинейные зависимости, характеризуете деформирование, конструкций во времени, при нагружении и разгрузке, выявлено существенное влияние климатических факторов (температуры и влажности) на напряженно-деформированое состояние оболочки.

При этом напряженно-деформированное состояние оболочка

пви длительном нагружении качественно соответствует по своему характеру, полученому при кратковременном испытании, только в начальный период загрукения. В дальнейшем развитие деформаций контурных конструкциях, образование новых трещин в приконтур-ных зонах и контурных элементах не выявленных ранее при кратковременном испытании, приводит к существенному снижению жесткости и несущей способности оболочек.

Установлено, что в процессе длительного деформирования при постоянном уровне нагрузки предельные прогибы в наиболее напряженных зонах оболочки увеличились в среднем в 1,7 раза, фибровые деформации - 2,75 раза, ширина раскрытия трещин до 2 раз.

В процессе длительного деформирования оболочек даблвда-лось уменьшение и в последу идем стабилизация скоростей деформаций ползучести. При высоких уровнях нагрузки перед разрушением скорость развития деформаций ползучести увеличивается, развиваются зоны пластических деформаций и больших перемещений, Продолжительность, той или другой стадии данного процесса зависит, в основном, от относительного уровня нагрузки, возраста бетона к моменту нагружения конструкции, влияния климатических факторов (температура, влажность), прочностных и деформа-тивных свойств материала конструкций.

При длительном действии нагрузки происходит перераспределение усилий в оболочке и в контурных элементах. Усилия в затяжках и опорных контурах оболочек увеличивались до 22$.

3. Установлено, что наиболее дефорнативными из испытанных конструкций являются модели составных и секториальных оболочек отрицательной кривизны, наименьшей деформативностью обладают секториальные оболочки положительной кривизны и конические купола. Так значения остаточных прогибов, измеренные после разгрузки перед последним (разруша гадам) этапом нагружения для составных оболочек с боковыми элементами отрицательной и положительной кривизны составили соответственно - 14% и 10% от полных, для секториальных оболочек отрицательной и положительной кривизны - 9,7% а.7,5%, для конического купола - 2,5?. Аналогичный характер,деформирования выявлен для фибровых деформаций на внешних и внутренних поверхностях оболочек, однако в процентном отношении ю. величина больше остаточного прогиба на 10-20?.

Разгрузка длительно нагруженных моделей оболочки привела к увеличению оотаточннх перемещений и деформаций соответственно 1,7-2,2 и 3-4,50 раза.

4. При испытаниях были выявлены балочные, шатровые и локальные схемы разрушения. Наибольшей несущей способностью обладали составные и секториальные оболочка положительной гауссовой кривизны и конический купол по сравнению с другими вида-Iа оболочек.

Разрушение длительно загруженных моделей оболочки показало, что полученные при кратковременном действии нагрузок схемы разрушения сохраняется. Однако исчерпание несущей способности происходит при значительно меньших нагрузках, при условии дос-тнгзния в пластических шарнирах предельных сочетаний изгибающего момента з нормальной силы.

,5. Проведенные экспериментальные исследования оболочек показала, что напряженно-деформированное состояние, возникшее в стадии возведения, необходимо учитывать при оценке работы конструкции в стадии эксплуатации. Для снигекня усилий при переходе оболочка в эксплуатационное состоянло разработаны рациональные способы раскрулаливашхя конструкций.

6. Развит метод расчета зелезобетоншх составных оболочек-па действие кратковременных н длительных нагрузок с учетом нормированных параметров нелинейного деформирования.' Для расчета оболочек на действие кра?г,овре.'.'знпо5 нагрузки получека разре-шанзая система уравнений э смешанной форме, позволяющая учитывать физическую а геометрическую шлпнейпость, изменения жест- . посгяшс параметров, связанных с образованием' п развитием трещин на различных уровнях нагрукения.

На основе теория гпбких пологах оболочек и нелинейных за-1 Еисямостез наследственной теорш ползучести получены разрешаю-щиз уравнения, оппснвавдие квазпстатическсе движение конструкции рассматриваемого класса. Эти уравнения позволяет оценивать а прогнозировать напряязнно-дефоршроЕаппое состояние оболочки в эксплуатационной стадии в зависимости от климатических условий районов строительства.

Получены уравнения для определения длительной критической нагрузки, а также критического времени, о достпаевзем которых происходит разругаете оболочки.

. Для оценки неоущей способности гладких и ребристых состав-

- 32 7.

них оболочек различных геометрических форм при мастном (локальном) разрушении от 1фатковреыевной и длительной нагрузки, использован известный метод предложенный раяее для раочета пологих железобетонных оболочек по деформированной схеме.

Для прогнозирования и оценки напряженно-деформированного состояния и несущей способности ободочек в стадии эксплуатации на основе проведенного ыногофакторного эксперимента и статистического анализа опытных давних других авторов разработаны практические рекомендации по определению расчетных величин деформаций усадки, линейной и нелинейной ползучести обычных и выоокопрочных тяжелых бетонов в условиях нормального и сухого жаркого климата,

7. Разработан алгоритм расчете железобетонных составных оболочек на действие кратковременных и длительных нагрузок о % учетом нормируемых параметров нелинейного деформирования. Проанализировано влияние нелинейной ползучести и климатических факторов (температура, влажность) на напрязенно-деформирован-ное состояние оболочек" в стадии эксплуатации, а так же на их несущую способность при длительном действии нагрузки с учетов начальных несовершенств.

Получено хорошее соответствие экспериментальных данных о расчетными параметрами, вычисленными с использованием предложенного метода расчета для составных оболочек различных в плане конфигураций.

8. Обобщена и усовершенствована методика исследований длительно загруженных железобетонных составных оболочек при динамических (типа сейсмических) воздействиях на моделях и натурных образцах. Проверена возможность решения широкого 1фуга вопросов расчета, изготовления,1 конструирования и монтажа с использованием моделей оболочек, которые использовались неоднократно при проведении исследований различного назначения.

9. Впервые исследована сейсмостойкость составных оболочек с учетом эксплуатационного состояния конструкций. В результате испытаний длительно нагруженных моделей оболочек на дошамичео-кве (типа сейсмических) воздействия выявлены закономерности изменения динамических параметров в зависимости от уровня отати-ческих нагрузок, геоме.рических форы, граничных уоловий опира-ния, жесткости контурных и поддерживающих конструкций.

Установлено, что длительный характер нпгружэнип для ио-

следованных типов оболочек привел к снижении динамической жесткости 1,2-1,5 раза.

Учет податливости контурных конструкций привел к снижению собственной частоты колебаний до 1,5 раз.

1 Развитие неупругих деформаций при многократных (до 20 раз) динамических воздействиях различной интенсивности привело к увеличений начального периода их колебаний на 7-20$. Длительный характер нагружения различных уровней не оказывает существенное влияние на формы и затухания колебаний оболочек.

Увеличение жесткости поддерживающих и контурных конструкций приводит к увеличении динамической жесткости оболочек соответственно в. горизонтальном и вертикальном направлениях. С увеличением интенсивности нагрузок влияние жесткости поддерживающих и контурных конструкций уменьшается.

10. На основе проведенных исследований и анализа существующих методов расчета оболочек на сейсмические воздействия, разработаны предложения по расчету составных оболочек, находящихся в эксплуатационном состоянии, работающих в линейной и нелинейной области деформирования конструкции с учетом влияния факторов:

- жесткости поддерживающих и контурных конструкций,

- наличия дискретно расположенных ребер а переломов поверхности,

- проявления симметричных и кососпмметричных пространствен-^ных форм колебаний в зависимости от протяженности зданий и длины сейсмических волн.

С учетом этих факторов выполнена оценка несущей способности при локальном разрушении оболочки от совместного действия эксплуатационных и сейсмических нагрузок и показана возможность предотвращения хрупкого разрушения.

11. Разработаны практичеerais рекомендации по проектированию железобетонных составных оболочек с учетом длительности эксплуатация и сейсмических воздействий, позволяющие назначать оптимальные параметры конструкций, исключающие возможность разрушения оболочки в процессе длительной эксплуатации зданий и . сооружений при заданном значении нагрузок.

12. В результате проведенных исследований и анализа сейсмостойкости существующих конструктивных решений составных оболочек разработаны рациональные конструктивные решения оболочек

для сейсмических районов, собираемых из унифицированных элементов с применением пространственных элементов жесткости с усовершенствованием принципов их конструирования. Разработаны предложения для армирования их элементов. Применение результатов цроведенных исследований открывает широкие возможности дальнейшего расширения внедрения железобетонных составных оболочек покрытий в различных регионах с неблагоприятными климатическими условиями подвергаемых землетрясениям различной интенсивности с целью снижения их веса и получения существенной экономии расхода материалов и стоимости.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Мельник P.A., Раззаков С,Р. Исследование в условиях сухого климата усадки, условно-линейной и нелинейной ползучести бетонов прочностью 90 и 100 ШЗа для предяапряженных железобетонных конструкций среднеазиатского региона. Сообщение на УШ Международном Конгрессе ФИЛ, Ы., ФИЛ, НК СССР, 1978. - 14 с.

2. Раззаков С.Р. Исследование физико-механических свойств выоокопрочных тяжелых батонов путем многофакторного эксперимента.// Сб.научн.тр.ТашПЛ. - Ташкент, 1978. - С. 17-29.

3. Раззаков С.Р. Учет влияния нелинейной ползучести бетонов на работу железобетонных оболочек. // Сб.научн.тр. ТашПИ. -Ташкент, 1982. - С.80-87.

4. Раззаков С.Р., Кавлиев Б.К. Изучение работы составных оболочек с учетом неупрутих свойств железобетона.//Тезисы докладов на IX Всесоюзной конф. по бетону и железобетону. - Ташкент, 1983. - С.55-56.

5. Ширинкулов Т.Ш., Раззаков С.Р. Учет неупругих свойств железобетона при изучении работы составных оболочек на сейсмические воздействия и осадки опор.//Сб.научн.тр.ТашПИ. Ташкент, 1985. - С.3-8.

6. Ширинкулов Т.Ш., Раззаков С.Р., Еавлиев Б.К., Каои-мов Т.К., Ботиров Д.М. Исследование нелинейного деформирования составных оболочек. Доклад на X Международном Конгрессе ФИЛ, Нью-Дели 16-20 февраля 1986. - М.: Ш, НК СССР, 1986. -74 с.

7. Раззаков С.Р. Особенности работы составной оболочки при длительном загружении // Нелинейные методы расчета прост-

ранственных конструкций: Тезисы докладов Всесоюзной координационного совещания. - Белгород, 1986. - С.103-104.

8. Раззаков O.P. Экспериментальные исследования работы составных оболочек при длительном загружении. Тезисы докладов Всес.конф.//Испытания инженерных конструкций. - Новополоцк. 1986. - С.217-219.

9. Раззаков O.P., Ботиров Д.М. Исследование составных железобетонных оболочек при кратковременной монтажной нагрузке"// Сб.научн.тр. ТашПИ. - Ташкент, 1987. - С.73-77.

10. Раззаков С.Р., Исиаилов А. Составные оболочки // Сельское строительство. - 1990. - № II. - С.47-48.

11. Раззаков С.Р. О длительной прочности бетонов при динамических воздействиях. // Эксплуатационная надежность инже-нернах сооружений при сложных пагружэниях и воздействиях внешней средн. Тезисы докладов Всесоюзной координационного совещания. - Ташкент, 1990. - С.76-77.

12. Раззаков O.P. Нелинейное деформирование железобетонных составных оболочек при длительном действии пагрузок // Прострапственнпе конструкция зданий и сооружений. Исследования, расчет, проектирование: Сб.статей. Вып.7. - НИИНБ, ЦНИЙСК -П., - 1991. - С.54-58.

13. Раззаков С.Р. Анализ длительного деформирования ла- ■ лезоботошшх состаззшх ободочек в нелинейной.постановке. // Эксплуатационная надежность инженерных сооружений. Межвузовский сборник научных трудов. Вш. 221/59. - Тааквпт, 1991. -С.95-97.

14. Раззаков С.Р., Ботиров Д.М. Напряженно-деформирован-ноо состояние сборно-монолитных железобетонных составных оболочек с учетом условий монтажа. // Пространственные конструкции зданий и сооружений. Иослодования, расчет, проектирование: Сб. статей. Вал. 7. M., - 1991. - C.III-II7.

15. Раззаков С.Р., Рахманов A.A. Анализ длительной устойчивости железобетонных составных оболочек в нелинейной постановке // Материалы ÏXI7 Межд.конф.по бетону и железобетону. -М.: Стройиздат, 1992. - С.332-333.

16. Раззаксв С.Р. Поведение составных оболочек при высоких уровнях загружения с учетом предистории нагружения // Бетон и железобетон. - 1992. -fi 9. - С.22-25.

- 36 -

17. Раззаков O.P. К расчету частот свободных колебаний составных ребристых оболочек о учетом изменяющихся динамических параметров // Зксплуатадаонная надежность инженерных сооружений. Межвузовский сб.научн.тр. Вып. 222/60, -Ташкент. 1992. - С.46-49. ' . ' '

18. Раззаков O.P. К вопросу об учете длительности эксплуатации при оценке сопротивления1 составной оболочки покрытий сейсмическим воздействием , // Динамика железобетонных конструкций и сооружений при ннтацсквних кратковременных воздействиях. Сб.научн.тр. - М.: МИСИ. 1992, - С.189-194.

19. Раззаков O.P. К вопросам сейсмостойкости составных оболочек с учетом длительности эксплуатации. // Материалы ХХ1У Международ.конф.по бетону и железобетону. - М.: Стройиз-дат, 1992. - С.330-331.

20. Раззаков С.Р. Вопросы проектирования составных оболочек покрытий на сейсмические воздействия. ЦНИИпромзданий: Сб.тр. й 6. - 1992. - С,78-83.

21. Раззаков O.P. К определению частот свободных колебаний железобетонных составных ребрлстыхоболочек с учетом переменных динамических жесткостей. // Узбекский журнал проблемы механики. - 1992. - № 5-6. - С.67-79.

22. Раззаков .O.P. Динамические параметры составной оболочки с учетом длительности загружений. // Бетон в железобетон. - 1992. - » II. - С.10-14.

23. Раззаков O.P. Разрешающая система уравнений железобетонных пологих составных оболочек при нелинейной ползучести. // Узбекский журнал проблемы механики. - 1992. - # 5-6. -

С.27-30.

24. Раззаков С.Р. Эффективные железобетонные составные оболочки покрытий для общественных и производственных зданий // Маокан, Архитектура и строительство Узбекистана, Казахстана, Азербайджана, Кыргиэстаяа, Таджикистана, Туркменотана. -1992. - » 7-8. - С.32-33. '

25. Shlrinkuloy T.8h. and Eazzakov 8.R. Investigation of stresBed-strained state of prefabricated monolithic rolnforood conorete composite shells in erection and long-term exploitation stages. Bolence Press, PsijlnSi China, Elsevier Applied Boienoe, London- 1987, p.p. 212 - 219