автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Теоретическое и экспериментальное исследование процесса возникновения, стабилизации и роста макротрещин в элементах железобетонных конструкций

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ЗАДАЧА О ВОЗНИКНОВЕНИИ И РОСТЕ МАКРОТРЕЩИН В ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ.

1.1. Постановка задачи о возникновении, стабилизации и росте макротрегцпн в элементах железобетонных конструкций.

1.2. Критерии роста макротрещнн в средах типа железобетона.

Глава 2. ПОСТРОЕНИЕ КРИТЕРИЕВ ХРУПКОЙ ПРОЧНОСТИ РЕГУЛЯРНО-НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД.

2.1. Дискретно-интегральные критерии роста макротрещин в пористых средах и средах типа бетона.

2.2. Достаточные критерии роста макротрещин в пористых средах и средах типа бетона.

2.3. Критерии роста макротрещин с учетом влияния армирующих элементов.

2.4. Экспериментальная апробация дискретно- интегральных критериев хрупкой прочности.

2.5. Выводы.

Глава 3. ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОК.

3.1. Аналитические аппроксимации диаграмм деформирования арматуры и бетона.

3.2. Трансформация эталонных диаграмм деформирования бетона при изгибе и внецентренном сжатии в состоянии предразрушения".

3.3. Численно-аналитический метод определения прогибов армированной балки из нелинейно-упругого материала.

3.4. Оценка параметров напряженно-деформированного состояния в сечении при возникновении трещины.

3.5. Определение напряженно-деформированного состояния в окрестности макротрещины в армированной балке

3.6. Экспериментальное исследование процесса возникновения и роста макротрещнн в армированных балках.

3.7. Выводы.

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОР

МИРОВАНИЯ ЗАБИВНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СВАЙ.

4.1. Ударное нагружение моделей железобетонных свай с различными типами косвенного армирования оголовков.

4.2. Ударное нагружение моделей оголовков свай из эпоксидной смолы с различными типами косвенного армирования

4.3. Экспериментальное исследование разрушения моделей оголовков железобетонных свай при статическом нагружен пи.

4.5. Выводы.

Глава 5. ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ЗАБИВНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СВАЙ.

5.1. Постановка задачи, методы решения.

5.2. Задача о продольном ударе по стержню с учетом дисперсии.

5.3. Задача о продольном ударе по стержню с учетом дисперсии и геометрической нелинейности.

5.4. Задача о продольном ударе по стержню с учетом дисперсии физической нелинейности.

5.5. Оценка напряженно-деформированного состояния в оголовках свай со специальными видами косвенного армирования.

5.6. Определение зоны мнкроповреждений предразрушения") при ударе по оголовку сваи.

5.7. Выводы.

Актуальность проблемы.

Один из основоположников российской школы исследователей железобетона А.А. Гвоздев неоднократно подчеркивал необходимость непрерывного развития теории железобетона. Представляя сложность задачи в полном объеме, он писал: ". Имея в виду разнообразие и сложность свойств железобетона, было бы нереально пытаться построить единую математическую модель, отражающую с достаточной полнотой все пх особенности, . придется теперь, как и прежде, продвигаться вперед путем частных решений . " . Структурная неоднородность бетона, наличие в конструктивных элементах двух резко различающихся по физическим свойствам материалов, дискретность армирования - вот далеко не полный перечень факторов, зачастую не позволяющий применить к расчету железобетонных конструкций мощный арсенал методов строительной механики. С другой стороны, железобетон - практически единственный конструктивный материал, эксплуатация которого допустима при наличии макротрещин в области деформаций растяжения. При этом невозможно не согласиться с автором работы [ 137 ], считающим, что ". схемы с "размазанными" характеристиками, не учитывающие по своей сути дискретный характер трещинообразования, не могут вскрыть истинную природу неравномерности деформирования по длине элемента".

Разнообразие типов и марок применяемых в железобетоне сталей и бетонов, неоднозначность их поведения под нагрузкой, влияние на работу конструкций технологи изготовления, а также стремление исследователей учесть множество других факторов осложнили построение общей теории железобетона и привели к использованию большого количества эмпирических зависимостей и коэффициентов. По этому поводу О.Я. Берг писал: ". целый ряд важных расчетов прочности и деформаций бетона и железобетона выполняется по эмпирическим и полуэмпирическим формулам, физический смысл которых неясен или просто неизвестен".

Невозможность преодолеть математические трудности при решении общих уравнений механики сплошных сред, привели к необходимости разделения основной задачи на задачи прочности, жесткости и трещиностойкости, которые решаются на основе различных гипотез и предпосылок, то есть к созданию "технической теории сопротивления железобетона", как ее назвал один из создателей В.И. Мурашов .

В последние десять лет сформировался новый подход к рассматриваемой проблеме в работах профессора В.М. Митасова, основанный на применении энергетических соотношений. Такой подход позволил отказаться общепринятой схемы предельных состояний п кинематических гипотез, необходимых для построения замкнутых математических моделей. Впервые была построена математическая модель, физически адекватная процессу перехода железобетонного изгибаемого элемента из состояния без трещин в состояние с трещиной. Стала реальной задача разработки алгоритма "сквозного" расчета железобетонных балок от начала нагружения до образования и стабилизации макротрещины и дальнейшего ее роста. К исследованиям в данном направлении автора диссертации привлек профессор В.М.Митасов.

Целью настоящего исследования является исследование возможностей построения и построение алгоритмов "сквозного" расчета элементов лселезобетонных конструкций. В качестве объектов исследований выбраны самые простые: армированные стержни. Задачи о деформировании железобетонных стержней можно классифицировать по видам нагружения:

1) балки, нагруженные поперечной статической нагрузкой;

2) колонны, испытывающие продольное статическое сжатие;

3) балки, нагруженные поперечной динамической нагрузкой;

4) сваи под действием продольной ударной нагрузки.

В диссертации рассматриваются задачи об изгибе железобетонного стерлсня поперечной нагрузкой и задача о деформировании железобетонного стерлсня под действием продольной ударной нагрузки. Выбор задач в значительной степени диктовался тематикой хоздоговорных работ, которые велись совместно НИИЖБ Госстроя СССР, и возможностью проведения экспериментальных исследований. В случае успеха в исследовании 1-й и 4-й задач методы, разработанные для этих задач, естественным образом могут быть развиты для задач 2) и 3). Исключение может составить задача о потере устойчивости колонной, так как решение задач устойчивости стержней основано на другой методологии.

Исследование процессов образования и распространении трещин в изгибаемых балках и в оголовках свай с необходимостью приводит к проблеме построения критериев возникновения и роста макротрещин для материалов типа бетона (имеющих выраженную внутреннюю структуру). Поэтому одной из важнейших целей диссертационной работы стала разработка и экспериментальная апробация необходимых и достаточных критериев хрупкой прочности сред с внутренней структурой. Исследования в этом направлении проводились в плодотворном сотрудничестве с профессором В.М.Корневым и его научной школой (Институт гидродинамики СО РАН), получившей мировое признание.

Автор защищает:

- новые критерии роста макротрещин в среда, имеющих регулярно-неоднородную структуру,(в том числе для бетона);

- метод применения трансформированных диаграмм бетона для расчета изгибаемых элементов в состоянии "предразрушения'1, основанный на энергетических соотношениях;

- численно-аналитический метод определения прогибов армированных балок из нелинейно-упругого материала (в том числе при наличии трещин);

- математическую модель процесса возникновения, стабилизации и подрастания макротрещин в изгибаемых железобетонных элементах;

- постановку и решение начально-краевых задач о формировании и распространении волн напряжений с учетом дисперсионных свойств среды;

- методику оценки напряжений в сваях при забивке и трещнностойкости свай.

Научную новизну работы составляют:

- новый подход к построению и экспериментальной апробации критериев хрупкой прочности материалов типа бетона (имеющих регулярную структуру);

- математическая модель процесса образования и развития макротрещпны в железобетонной балке, являющаяся основой для алгоритма "сквозного" расчета;

- постановка и аналитические решения начально-краевых задач для диспергирующих сред, формулы для расчета на прочность и трещиностойкость железобетонных свай;

- результаты нескольких циклов экспериментов по изучению волновых процессов в железобетонных сваях и разрушения свай. Практическое значение.

Разработаны основы для создания методики расчета железобетонных балок, физически адекватной процессу трещннообразования, позволяющей определять длину трещины и ширину ее раскрытия. Получены расчетные формулы для определения напряжений в сваях при забивке п определения зоны повреждений в оголовках свай. На основе экспериментальных и теоретических результатов получены рекомендации по рациональному косвенному армированию оголовков забивных свай.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались на ряде научных семинаров и конференций, в том числе:

- П-я международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы фундаментальных наук", Москва, 1994;

- International Conference "Mathematical Methods in Physics, Mechanics and Mcsomechanics of Fracture", Tomsk, 1996;

- Сибирская школа-семинар "Математические проблемы механики сплошных сред". - Новосибирск, 1997;

- V-tli International Conference "Computer Aided Design of Advanced Materials and Tehnologies". Irkutsk, 1997;

- 7-th International Symposium on "Fracture Mechanics of Ceramics" -Moscow, Iulv,1999;

- Международные конгрессы "Ресурсо- и энергосберегающие технологии в реконструкции и новом строительстве" (Новосибирск, 1998, 1999, 2000 гг.);

- научные семинары Отдела механики деформируемого твердого тела Института гидродинамики СО РАН (1987 - 2000 гг.);

- научные семинары и научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава НГАСУ (1987 - 2000 гг.).

Публикации.

Основные результаты выполненных по теме исследований изложены в 28 публикациях. В работе использованы результаты, полученные самостоятельно и совместно с сотрудниками кафедр железобетонных конструкций и высшей математики НГАСУ В.М.Мптасовым, В.В.Вдовиным, В.Б.Кардаковым (в ходе выполнения работ по хоздоговорам), а также с сотрудниками Института гидродинамики СО РАН В.М.Корневым и А.Г.Демешкнным (во время научных стажировок). Часть экспериментальных результатов получена совместно с сотрудником Оренбургского политехнического института В.М.Салиховым. Особую благодарность за творческую поддержку и систематические консультации автор выражает заведующему кафедрой железобетонных конструкций НГАСУ. д.т.н. профессору В.М.Мптасову и заведующему лабораторией механики разрушения Института гидродинамики СО РАН, д.ф.-м.н., профессору В.М.Корневу.

Основные выводы по диссертации можно сформулировать следующим образом.

1. Для регулярно-неоднородных сред типа бетона построены необходимые критерии роста макротрещпн нормального отрыва, поперечного п продольного сдвига и достаточный критерий для трещин нормального отрыва. Экспериментальные исследования подтвердили удовлетворительность разработанных критериев.

2. Разработан метод трансформации эталонных диаграмм деформирования бетона, позволяющий учитывать неоднородность напрялеенно-деформированного состояния при изгибе железобетонных балок.

3. Разработан численно-аналитический метод определения прогибов армированных балок из нелинейно-упругого материала (с трещинами и без трещин).

4. Построена математическая модель процесса возникновения, стабилизации и роста макротрещнны нормального отрыва при изгибе и внецентренном сжатии железобетонных балок.

•5. Проведенные экспериментальные исследования процесса трешино-образовання при поперечном нагружении армированных балок согласуются с теоретическими оценками, полученными с помощью предложенного в работе алгоритма.

6. Решен ряд начально-краевых задач о формировании и распространении волн напряжений в нелинейно-упругих диспергирующих средах. На их основе получены расчетные формулы для определения напряжений в сваях при забивке, а также для определения зон мнкроповрежде-ний в оголовках лселезобетонных свай.

7. Получены экспериментальные результаты по ударному нагруже-нпю моделей железобетонных свай и армированных стержней пз эпоксидной смолы. Опытные данные хорошо согласуются с теоретическими результатами и подтверждают, что одним из основных факторов при формировании динамического краевого режима и распространении волн напряжений является наличие дисперсии.

8. Получены экспериментальные результаты по динамическому и статическому нагруженпю моделей свай и оголовков свай с различными видами косвенного армирования. На основе опытных данных определены наиболее эффективные виды косвенного армирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Адищев В.В. Устойчивость развития макротрещин при наличии тормозных элементов // Труды II международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук". Москва, 1994. С. 83.

2. Адищев В.В., Вдовин В.Е. Постановка и решение задачи об ударе груза по стержню с учетом дисперсии и геометрической нелинейности // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1996. - № 5. - С. 15-19.

3. Адищев В.В., Вдовин В.Е. Распространение стационарных волн в диспергирующей физически нелинейной среде // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1999. - № 7. - С. 11-15.

4. Адищев В.В., Вдовин В.Е., Демешкин А.Г. Оценка зоны микроповреждений при ударном нагружении свай // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1994. - № 5, 6. - С. 13-16.

5. Адищев В.В., Вдовин В.Е., Кардаков В.Б. Формирование волн напряжений при ударе по стержню с учетом дисперсии // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1990. - № 6. - С. 35-40.

6. Адищев В.В., Митасов В.М., Пантелеев Н.Н. Проблемы высотного строительства в Сибири. // Изв. вузов. Строительство. 1999. - № 7. - С. 5-10.

7. Адищев В.В., Демешкин А.Г. Экспериментальное исследование динамического деформирования модельных образцов свай // Журнал "Физика горения и взрыва". 1994. - № 4. - С. 35-39.

8. Адищев В.В., ДемешкинА.Г., Корнев В.М., Козеко М.Е. Экспериментальная проверка интегрального критерия хрупкой прочности в пористых средах с подкрепляющими элементами. // Изв. вузов. Строительство. -1999,-№4.-С. 21-26.

9. Адищев В.В., Кардаков В.Б. Точное решение задачи об ударе по стержню с учетом дисперсии // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1992. -№ 4. - С. 46-48.

10. Адищев В.В., Корнев В.М. Достаточные критерии роста макротрещин нормального отрыва в среде регулярной структуры. // Изв. вузов. Строительство. 1999. - № 12. - С.4-9.

11. Адищев В.В., Корнев В.М. Подход к построению критерия хрупкой прочности трещиноватых пористых тел // Изв. вузов. Строительство. -1997.-№ 7.-С. 40-45.

12. Адищев В.В., Митасов В.М. К вопросу использования диаграмм деформирования бетона в расчете стержней, подверженных внецентренно-му нагружению и изгибу // Научные труды Общества железобетонщиков Сибири и Урала. Вып. 4. - Новосибирск, 1996. - С. 55-59

13. Адищев В.В., Митасов В.М. О применении энергетических соотношений в теории сопротивления железобетона // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1990. - № 4. - С. 33-37.

14. Адищев В.В., Митасов В.М. Построение диаграмм "напряжения-деформации" для бетона в состоянии предразрушения при изгибе // Изв. вузов. Строительство. 1990. - № 1. - С. 28-32.

15. Адищев В.В., Митасов В.М., Никифоров В.Н. Оценка напряженно-деформированного состояния в оголовке сваи при статическом нагруже-нии // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1995. - № 7-8. - С. 2326.

16. Адищев В.В., Митасов В.М., Никифоров В.Н. Экспериментальное исследование эффективности косвенного армирования оголовков свай. // Научные труды Общества железобетонщиков Сибири и Урала. Вып. 2. - Новосибирск, 1994. С. 15-17.

17. Адищев В.В., Салихов В.М. Экспериментальное исследование волновых процессов в модельных образцах железобетонных свай при ударном на-гружении // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1999. - № 2. - С. 143-149.

18. Ахенбах Дж.Д. Колебания и волны в направленно армированных композитах: В кн. Композиционные материалы / Под ред. Дж.Сендецки. М.: Мир, 1978.-С. 354-400.

19. Байков В.Н. Расчет изгибаемых элементов с учетом экспериментальных зависимостей между напряжениями и деформациями для бетона и высокопрочной арматуры // Известия вузов. Строительство и архитектура. -1981,-№5.-С. 26-32.

20. Байков В.Н., Горбатов С.В. Определение предельного состояния внецен-тренно сжатых элементов по неупругим зависимостям напряжения-деформации бетона и арматуры // Бетон и железобетон. 1985. - № 6. - С. 13-14.

21. Байков В.Н., Горбатов С.В. Димитров З.А. Построение зависимости между напряжениями и деформациями сжатого бетона по системе нормируемых показателей // Известия вузов. Строительство и архитектура.1977. -№ 6. С. 15-18.

22. Байков В.Н., Поздеев В.М. Определение напряженно-деформированного состояния железобетонных балок в предельной стадии по неупругим зависимостям "а-е" бетона и арматуры // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1985. -№ 1.-С. 1-5.

23. Бакиров P.O., Емышев М.В., Маистренко В.Н. Влияние скорости нагружения на границы микротрещинообразования высокопрочных бетонов // Бетон и железобетон. 1982. - № 9. - С. 32-33.

24. Бамбура А.Н. Диаграмма "напряжения деформации" для бетона при центральном сжатии // Вопросы прочности, деформативности и трещино-стойкости железобетона. -Ростов н/Д.: РИСИ, 1980. - С. 19-22.

25. Баранова Т.И., Мищенко С.А., Снежкина О.В. Методология моделирования сопротивления железобетонных балок действию поперечных сил // Вестник отделения строительных наук РААСН. Вып. 4. - М., 2000.

26. Баранова Т.И., Лаврова О.В., Васильев P.P. Методология моделирования сопротивления железобетонных конструкций // Вестник отделения строительных наук РААСН. Вып. 3. - М., 2000.

27. Барашиков А.Я., Поляков Л.П, Учет неупругих свойств материалов и условий эксплуатации при проектировании железобетонных конструкций // Прочность и деформативность железобетонных конструкций. Киев,1978,-С. 3-10,

28. Бачинский В.В., Бамбура A.M., Ватагин С.С. О построении диаграммы состояния бетона по результатам испытаний железобетонных балок // Строительные конструкции. Киев, 1985. - № 38. - С. 43-46.

29. Бачинский В.Я. Некоторые вопросы, связанные с построением общей теории железобетона // Бетон и железобетон. 1979. - № 11. - С. 35-36.36