автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Совершенствование методов расчета железобетонных конструкций на основе структурной теории деформирования бетона

Московский государственный строительный университет

На правах рукописи

ТАМРАЗЯН Ашот Георгиевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРНОЙ ТЕОРИИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ БЕТОНА

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Диссертация

на соискание ученой степ£

доктора техническйхшаук

(В 9

Научный консультант доктор технический наук, профессор А.В.ЗАЕЕГАЕЕ

СОДЕРЖАНИЕ

Введение......................................................................................................................6

Глава 1. Обзор исследований по структуре и теорий

деформирования бетона...................................................................... 19

1.1. Анализ гипотез о вязкости и ползучести бетонов в связи с их структурой..................................................................................................19

1.2. Современные представления о связи реологических свойств бетонов со структурными факторами.....................................................27

1.3. Методы дифференциации пористости с точки зрения вязкости бетонов........................................................................................................29

1.4. Влияние воды на структуру бетона.........................................................34

1.4.1. Влияние влаги на механические свойства и структуру бетонов..............................................................................................34

1.4.2. Влияние влаги на реологические свойства бетонов....................41

1.5. Теории деформирования бетонов............................................................47

1.5.1. Феноменологические теории деформирования............................48

1.5.2. Структурные теории деформирования..........................................52

1.6. Выводы по главе 1.....................................................................................58

Глава 2. Развитие структурной теории деформирования бетона...........60

2.1. Влияние структуры на деформативные свойства бетонов...................60

2.1.1. Исследование влияния структуры на реологические

свойства бетона...............................................................................60

2.1.2. Влияние параметров структуры на прочностные и деформативные свойства бетонов...........................................................67

2.1.3. Исследование прочностных и деформативных свойств бетонов с учетом структурного критерия....................................77

2.1.4. Исследование влияния структурных характеристик на трещиностойкость бетонов на основе теории механики разрушения...................................................................................... 82

-32.2. Теоретические положения о формировании структуры

цементного камня в бетоне......................................................................88

2.3. Влияние неоднородности микроструктуры на свойства цементного камня....................................................................................106

2.3.1. Влияние неоднородности микроструктуры на вязкость цементного камня в теории прочности и деформативно-

сти бетона.......................................................................................106

2.3.2. Влияние неоднородности поверхностей на силы статического трения в жидких фазах..........................................113

2.4. Структурный критерий вязкости бетонов............................................120

2.4.1. Влияние характеристик структуры бетонов на их

вязкость..........................................................................................120

2.4.2. Структурный параметр вязкости бетонов..................................129

2.5. Выводы по главе 2...................................................................................133

Глава 3. Структурные параметры порового пространства бетона......136

3.1. Методы определения параметров пористости бетона........................136

3.2. Характеристики размеров пор бетона...................................................149

3.3. Связь прочности цементного камня с характеристиками

порового пространства...........................................................................167

3.4. Степень завершенности порообразования...........................................180

3.5. Выводы по главе 3...................................................................................187

Глава 4. Влияние внутренней влаги на механизм

деформирования бетона....................................................................189

4.1. Воздействие жидкой фазы на напряженно-деформированное состояние бетона как капиллярно-пористого тела..............................189

4.2. Свойства и кинетика влаги в пористых телах......................................199

4.3. Физико-химия процессов массопереноса в бетоне.............................207

4.4. Массоперенос в структурообразующей системе в условиях трещинообразования...............................................................................220

-44.5. Влияние трещинообразования на скорость фильтрации....................223

4.6. Выводы по главе 4...................................................................................229

Глава 5. Деформирование бетона на основе учета

реологических свойств материалов.............................................231

5.1. Постановка задачи о построении общей модели деформирования бетона................................................................................................231

5.2. Основные уравнения реологического состояния бетона....................236

5.3. Деформирование бетона как упруго-вязкого тела...............................249

5.4. Выводы по главе 5...................................................................................254

Глава 6. Структурно-реологическая модель деформирования

бетона......................................................................................................256

6.1. Построение рабочей модели деформирования бетона........................256

6.2. Применение модели для определения длительной прочности

бетона........................................................................................................269

6.3. Анализ поведения структурно-реологической модели бетона

при динамическом нагружении.............................................................275

6.4. Исследование поведения модели при колебаниях с учетом внутреннего трения.................................................................................289

6.4.1. Одномассовая модель с элементами сухого и вязкого

трения.............................................................................................290

6.4.2. Анализ рассеяния энергии модели при установившихся колебаниях.....................................................................................297

6.5. Выводы по главе 6...................................................................................308

Глава 7. Методы расчета железобетонных конструкций на основе структурно-реологической модели деформирования

бетона......................................................................................................310

7.1. Определение прогибов изгибаемых железобетонных элементов

с одиночной арматурой при длительном загружении........................310

7.2. Деформирование железобетонных элементов при нелинейной ползучести бетона...................................................................................318

7.2.1. Влияние нелинейной ползучести бетона на напряженно-деформированное состояние изгибаемых железобетонных элементов.......................................................................................318

7.2.2. Влияние нелинейной ползучести бетона на центрально и внецентренно сжатые железобетонные элементы....................323

7.3. Деформирование изгибаемых железобетонных элементов с двойной арматурой при действии длительных статических нагрузок....................................................................................................329

7.4. Методы расчета рабочей модели для изгибаемых железобетонных элементов, работающих с трещинами..........................................337

7.5. Расчет железобетонных плит в условиях поперечного изгиба..........345

7.5.1. Определение жесткостных характеристик железобетонных плит при кратковременном действии нагрузки.................346

7.5.2. Дифференциальное уравнение изгиба железобетонных

плит при длительном действии нагрузки...................................351

7.5.3. Расчет прямоугольных железобетонных плит с трещинами.....353

7.6. Выводы по главе 7...................................................................................364

Основные выводы.................................................................................................366

Список использованной литературы................................................................370

-6-введение

Основной проблемой строительства является нахождение оптимального сочетания экономичности, надежности и долговечности сооружений. Эти требования удовлетворяются при условии проведения правильного расчета, реально отражающего работу материала во всех диапазонах рабочих режимов сооружения. Анализ применимости к бетону различных гипотез прочности и деформативности не может быть ограничен сравнением конечных результатов расчета и эксперимента. Решающее значение приобретает сопоставление исходных предположений теоретической модели и экспериментальных данных о физической сущности процессов, происходящих в бетоне. Тенденция построения при анализе экспериментальных данных физической модели (вместо абстрактной математической), в которой бы при определенных допущениях и условностях были бы отражены истинное строение материала и особенности его поведения под нагрузкой, вполне обоснована. Изучая поведение некоторого элементарного твердого тела, моделирующего реальную структуру материала и его характерные физические особенности при деформировании, устанавливают соотношения между напряжениями и деформациями. В последнее время для бетона создан ряд таких моделей, однако, можно выделить общий недостаток, не позволяющий применить их непосредственно без существенных изменений: классические гипотезы прочности не могут корректно характеризовать работу материала, не учитывая активных физико-химических процессов в структуре бетона при его деформировании. Причиной изменения физико-механических свойств бетона под влиянием силовых воздействий и среды являются определенные структурные изменения, которые происходят в бетоне при нагружении. В связи с тем, что в настоящее время при производстве бетонных и железобетонных конструкций используются различные бетоны, особое значение приобретает изучение взаимосвязи структуры бетона с показателями его прочностных и деформативных свойств.

В последние годы вопросы, связанные с исследованием напряженно-деформированного состояния при трещинообразовании наиболее полно изучены в механике разрушения. Однако до настоящего времени практически отсут-

ствуют исследования влияния микротрещин на поры и капилляры в структуре бетона и вследствие этого интенсификации массопереноса и адсорбционных явлений. Многие связанные с этим эффекты нуждаются в выяснении их физической сути. Так, например, не выяснена природа эффекта нового градиента массопереноса - потенциала новых поверхностей при образовании трещин. В детальном анализе и проработке нуждаются вопросы, связанные с нормированием новых констант бетона, характеризующих его свойства и структуру. Противоречивым является вопрос о работе бетона при нагрузках, зависящих от времени.

Одной из проблемных задач до настоящего времени продолжает оставаться вопрос о динамической прочности бетона. И, хотя, в решении этой проблемы достигнут заметный прогресс, все же многие важные теоретические вопросы остаются неизученными. В подавляющем большинстве экспериментальных исследований железобетонных элементов ставились задачи получения количественных данных об их сопротивлении и не затрагивались вопросы о физической природе происходящих при этом явлений. До настоящего времени практически отсутствует достаточно общая методика определения жесткост-ных характеристик железобетонных элементов с трещинами в условиях взаимодействия с внутренней влагой, что заметно сказывается на оценке деформа-тивности. Объединение усилий специалистов в области физико-химической механики, химии цемента и бетона, материаловедов и технологов позволило в значительной степени прояснить структуру и обусловливаемые ею свойства бетона. Вместе с тем проектировщики не могут пока использовать эту информацию из-за отсутствия приемлемых физико-механических моделей, отражающих упомянутые выше достижения.

Говоря об идеальной модели, воспроизводящей деформирование и разрушение материала и адекватно отражающий физическую сущность этих процессов, необходимо четко сформулировать предъявляемые к ней требования. Очевидно, такая модель должна, во-первых, достаточно правдоподобно воспроизводить реальную структуру материала, а, во-вторых, с необходимой точностью описать поведение материала на разных стадиях нагружения.

Наряду с моделями, описывающими поведение бетонов, огромное значение имеет моделирование массопереноса в теле капиллярно-пористого материала и влияние жидко-газовой фазы, поскольку эти характеристики микро- и макроструктуры существенно изменяют напряженно-деформированные состояния бетонов, определяющие его несущую способность и трещиностойкость.

Используемые в настоящее время модели, воспроизводящие работу бетона в условиях сжатия, можно разделить на феноменологические и структурные. Феноменологические модели являются наиболее широко используемыми, поскольку позволяют быстро обобщить результаты экспериментов и представить их в удобной для практических нужд форме.

Однако, их основным существенным недостатком является то, что они не дают представления о механизме деформирования и разрушения исследуемых материалов, а параметры, входящие в уравнение предельного состояния, не имеют ясного физического смысла. Структурные теории лишены указанных выше недостатков и позволяют отразить физическую сущность процесса деформирования бетонов. Вместе с тем сложность применяемого при этом математического аппарата не дает возможности их использования для решения практических задач и требует дальнейшего их совершенствования.

Для обеспечения выполнения указанной задачи необходимо всестороннее изучение работы железобетонных конструкций на всех стадиях их изготовления и эксплуатации с учетом реальных свойств материалов и длительности загружения изделий. Без учета этих свойств невозможен надежный и экономический расчет конструкций, необходимый в связи с устранением излишних коэффициентов запаса по действующим и подготавливаемым новым нормам их проектирования.

Таким образом, очевидна актуальность проблемы создания усовершенствованных моделей прочностных и деформативных свойств бетона на основе получения их обобщенных зависимостей от структуры, что способствует теоретическому углублению представлений о закономерностях деформирования и разрушения.

Решение этой проблемы может рассматриваться как новое крупное достижение в развитие теории и методов расчета железобетонных конструкций.

Цель работы: Развитие теории и совершенствование методов расчета железобетонных конструкций путем создания новых структурных моделей на основе анализа и обобщения экспериментов, синтеза гипотез физико-химической механики и механики твердого деформируемого тела с положениями структурной теории бетона, наиболее полно отражающих действительное напряженно-деформированное состояние материала. Цель работы заключается также в совершенствовании методики определения жесткостных характеристик железобетонных элементов во всем диапазоне загружения.

Для достижения указанных целей решены следующие задачи:

1. Выполнен анализ используемых в настоящее время моделей деформирования и разрушения бетонов в условиях сжатия, на основе которого показано, что наиболее предпочтительными являются структурные модели, позволяющие с единых позиций отразить механизм деформирования и разрушения.

2. Разработаны и апробированы линейная и нелинейная модели, воспроизводящие деформирование бетонов в условиях различных напряженных состояний.

3. Разработаны методики использования структурно-реологических моделей по совершенствованию расчета железобетонных конструкций на различные виды нагружения.

4. Изучено влияние факторов "состав-структура-свойство" на прочностные и деформативные свойства бетона.

5. Предложены структурно-реологические модели деформирования бетона, адекватно отражающие его работу при кратковременных, длительных, нелинейно-повторных, динамических нагружениях.

6. Обоснован структурный критерий, однозначно определяющий механические свойства бетона.

7. Установлена зависимость структурно-реологического параметра вязкости, определяющая меру ползучести бетона.

8. Установлены жесткостные параметры цементной матрицы с трещинами и без трещин.

9. Показано влияние параметра вязкости на жесткость изгибаемых, центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов.

-1010. Предложен способ определения внутренних усилий в изгибаемых пластинах в условиях трещинообразования при длительном действии нагрузки.

11. Даны предложения по совершенствованию структурно-реологической модели деформирования бетона при сжатии, отражающие его структурные изменения.

12. Обоснована необходимость разработки способа назначения составов бетона с заданной вязкостью. Показано, что разработка такого способа возможна на основе зависимостей вязкости бетонов от характеристик их макро- и микроструктуры.

13. Разработана методика расчета и приведены результаты численных исследований с использованием моделей, а также результаты их сопоставительного анализа с опытными данными и существующими методиками расчета.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

- установлены структурные факторы, влияющие на прочностные, де-формативные свойства бетона и проведены сопоставления с экспериментальными данными;

- предложена слоистая модель деформирования микроструктуры цементного камня с пластинами тоберморита и молекулами воды между ними;

- установ