автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Трещиностойкость кольцевых сечений железобетонных предварительно-напряженных труб

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ УЖ 621.643.255.666.97.033.1

Г ШЕПЕЛЕВИЧ Николай Иосифович

г- ■

ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ КОЛЬЦЕВЫХ СЕЧЕНИЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО-НАПРЯЖЕННЫХ ТРУБ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1999

Работа выполнена в Научно-исследовательском и экспериментально- проектном государственном предприятии - "Институт БелНИИС".

научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

A.A. Чече

официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

П.Б.Алявдин

кандидат технических наук, доцент В.В. Тур

оппонирующая организация - ГП "Научно-исследовательский и проектно-

технологический институт "Стройиндустрии" (НИПТИС)

Защита диссертации состоится наябРЯ 1998 года в /-М^асов на 1седании Совета по защите диссертаций Д.02.05.09 в Белорусской Государст-

-■нной Политехнической Академии по адресу: 220027 г. Минск проспект Ф. Зорины, 65, тел. 264-98-65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БГПА.

■ Автореферат разослан "_" октЯбРЛ 1998 г.

Ученый секретарь

Совета по защите диссертаций,

кандидат технических наук, доцент

Е.М. Сидорович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При проектировании железобетонных предварительно-напряженных труб необходимо произвести расчет трещиностойкости кольцевых сечений труб на действие нагрузок, возникающих на стадии их изготовления. Результатом данного расчета является определение требуемого количества продольных напряженных стержней - при спирально-продольном армировании или назначение необходимого продольного обжатия - при спирально-перекрестном армировании.

При изготовлении труб по трехступенчатой технологии расчет трещиностойкости кольцевых сечений производят на действие усилий, возникающих в стенке сердечника трубы в процессе навивки напряженной спиральной или спирально-перекрестной арматуры, а при изготовлении труб способом виброгидропрессования на действие усилий, возникающих в стенке трубы при ее распалубке (из-за недонапряжения арматуры на втулочном участке трубы).

В "Руководство по расчету и проектированию железобетонных напорных предварительно-напряженных труб М., Строй-издат, 1977, трещиностойкость кольцевых сечений труб проверяют расчетом на действие максимального изгибающегося момента, возникающего в стенке сердечника трубы от давления напряженной спиральной арматуры. Применяемый в Руководстве способ расчёта нуждается в совершенствовании, так как при проверке условия трещиностойкости в нем не учитывается фактическое напряженно-деформированное состояние стенки трубы. Для определения внутренних усилий использованы зависимости из теории тонких оболочек, тогда как их следует отнести к классу оболочек средней толщины. По Руководству невозможно рассчитать трубы со спирально-перекрестными каркасами.

Диссертационная работа выполнена в соответствие с заданиями 01.08.05 "Разработать и внедрить технологические процессы и оборудование для создания высокомеханизированного производства низконапорных труб диаметром 300-600 и 8001200 мм методом радиального прессования" целевой комплексной научно-технической программы 0.Ц.031, том II, подпрограмма 0.55.16.Ц, часть I, № ГР 01826003511; 7-12.13-2-87 "Разработать пособие по проектированию железобетонных напорных труб (к СНиП 2.03.01-84), выполненной НИИЖБ Госстроя СССР и БелНИИС Госстроя БССР по заказу Госстроя СССР.

Цель и задачи исследования. Цель работы - разработка

метода расчета кольцевых сечений железобетонных предварительно-напряженных труб на трещиностойкость, который позволил бы наиболее полно учитывать их напряженно-деформированное состояние при действии нагрузок, возникающее в процессе их изготовления, а также позволял производить расчет труб как со спирально-продольным, так и со спирально-перекрестным армированием. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: разработан .способ определения внутренних усилий в сердечнике трубы от давления напряженной арматуры, наиболее полно учитывающий их геометрические параметры, технологию изготовления и вид армирования; выполнены экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния сердечников труб от давления напряженной спиральной и спирально-перекрестной арматуры с использованием физических моделей и натурных образцов труб; проведен сравнительный анализ теоретических и экспериментальных значений напряжений и деформаций в стенке трубы.

Объект исследования - железобетонные предварительно-напряженные трубы. Исследуется напряженно-деформированное состояние стенки трубы и определяются {теоретически и экспериментально) геометрические и физические параметры, при которых исключается или образуется кольцевая трещина в стенке трубы.

Методология и методы проведенного исследования. Для решения поставленных задач применялись теоретические исследования, метод простого физического моделирования и экспериментальные исследования опытных образцов труб. Подробно методика проведения исследований изложена в соответствующих главах диссертации.

Научная новизна работы и значимость полученных результатов . Новым является то, что для определения внутренних усилий в сердечниках труб от давления напряженной арматуры впервые использованы зависимости, полученные в результате применения теории оболочек средней толщины, основанной на использовании сдвиговой модели С.П. Тимошенко.

Впервые разработана методика и экспериментальное оборудование для исследования напряженно-деформированного состояния бетонных круговых цилиндрических оболочек (физических моделей) при действии кольцевого давления на части их поверхности.

Впервые разработан метод расчета трещиностойкости

кольцевых сечений железобетонных предварительно-напряженных труб, позволяющий учитывать характер напряженно-деформированного состояния сердечников труб в процессе их изготовления как при спирально-продольном, так и при спирально-перекрестном армировании.

Практическая значимость полученных результатов. Разра-ботаннзй автором методика расчета трещиностойкости кольцевых сечений включена в окончательную редакцию "Пособие по проектированию железобетонных напорных труб (к СНиП 2.03.01-84)" - М., НШЖБ - 1989.

Результаты диссертационной работы использованы БелНИИС при разработке новых конструкций железобетонных напорных и безнапорных виброгидропрессованных труб со спирально-перекрестным армированием. В данных трубах предварительное обжатие кольцевых сечений составляет 0,6...1,2 МПа, что в 1,5...2,5 раза меньше требований "старой" методики расчета. Это позволило на 5...10 процентов уменьшить расход высокопрочной арматурной проволоки или от 7 до 15 кг/м3 труб.

Основные положения, выносимые на защиту. Автор защищает: - способ определения внутренних усилий в сердечниках железобетонных предварительно-напряженных труб от давления напряженной арматуры, основанный на использовании зависимостей из теории оболочек средней толщины;

- методику экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния и трещиностойкости кольцевых сечений бетонных круговых цилиндрических оболочек (физических моделей) при осесимметричной деформации;

- методику расчета трещиностойкости кольцевых сечений железобетонных предварительно-напряженных труб, учитывающую их реальное напряженно-деформированное состояние.

Личный вклад соискателя. Результаты работ, вошедшие в диссертацию, получены автором без участия других лиц, что подтверждается научными докладами и публикациями.

Апробация результатов диссертации. Результаты работ, вошедших в диссертацию, доложены на: Конференции молодых ученых и специалистов Прибалтики и Белоруссии по проблемам строительных материалов и конструкций (Рига-1984); Конференции профессорско-преподавательского состава Белорусского политехнического института (Минск-1989); Международном научно-техническом семинаре "Развитие технологии производства и применения железобетонных напорных и безнапорных труб"

(Минеральные Воды-1991).

Опубликованность результатов. Результаты выполненных работ опубликованы в 7 статьях. Общий объем опубликованного материала составляет 36 страниц машинописного текста.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из: зведения, общей характеристики работы, пяти глав, заключения и приложения. Объем диссертации составляет 179 страниц, з т.ч. 74 рисунка и 18 таблиц. Список использованных источников составляет 10 страниц из 103 наименований.

Особенностью конструирования железобетонных предвари-гельно-напряженных труб является то, что в них создают предварительное обжатие как в продольных, так и кольцевых течениях стенки трубы. При этом, предварительное обжатие сольцевых сечений необходимо для восприятия напряжений растяжения, возникающих в стенке трубы, вследствие неравномер-лого давления (по длине) напряженной арматуры в процессе ее навивки на сердечник трубы или недонапряжения ее на втулочном участке (при изготовлении труб способом виброгидропрес-r-ования) . Стенка трубы, при этом, находится в сложном двухосном) напряженном состоянии.

Исследованию шрещиностойкости кольцевых сечений железобетонных предварительно-напряженных труб на стадии их изготовления посвящены работы Р.И. Бергена, В.М. Васильева, 5.М. Когана, С.И. Корзуна, И.И. Кулика, Р.И. Медведского, З.Р. Скочеляса, B.C. Хабровицкого, Я.Ф. Хлебного, .A.A. Че-

Для сп¿деленпл изгибавшего момент => - вникающего . в тенке сердечника трусы от давления навиваемой напряженной лиральной арматуры попользуют выражения из решения диффе-анциального уравнения изгиба перемещений срединной поверхности тонкой круговой цилиндрической оболочки находящейся в .-словиях осе симметричной деформации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ia, Б. Фореса, Ж. Турацца и других.

(1) диус срединной поверхности и толщины стенки оболочки; q -радиальное давление арматуры;

12(1-и2)

Eh

-цилиндрическая жесткость оболочки ;

Е и и - соответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона материала оболочек.

Решение дифференциального уравнения(1)производят с использованием гиперболических функций, с учетом граничных условий, зависящих от технологии изготовления труб.

Величину изгибающего момента М1, возникающего в кольцевом сечении стенки трубы определяют по формуле

Ц= Б <121*Г/с1х2 ; (2)

До настоящего времени расчет трещиностойкости кольцевых сечений железобетонных предварительно-напряженных труб производили по специально разработанной методике (Руководство), в которой условие трещиностойкости имеет вид:

М^* < + Мя00 (3), .

где Иы, 1 - расчетное сопротивление бетона растяжению, обжатого в поперечном направлении, определяемое по специальному критерию прочности в зависимости от напряжения в продольном сечении стенки трубы СТ2.

Мяо6 - момент обжатия ядра сечения стенки трубы продольной напряженной арматурой;

Максимальный изгибающий момент Мтах1 определяют по графикам, в зависимости от параметров сердечника трубы и порядка навивки напряженной спирали. Графические зависимости получены по результатам расчета сердечников труб с использованием выражений (1) и (2).

Следует указать, что использование зависимостей из теории тонких оболочек, вносит в расчет погрешность порядка Ь/гга, что на практике составляет 10...20 процентов.

Второй, существенной, неточностью данного способа расчета является то, что при проверке условия трещиностойкости (3) , напряжения сжатия ст2 определяют по зависимостям, правомерным лишь при условии равномерного обжатия сердечника трубы по всей его длине, что не соответствует условиям, при которых возникает изгибающий момент М1тах.

О недоработанности расчета говорит то, что согласно Руководства, величину предварительного обжатия кольцевых сечений виброгидропрессованных труб должно быть не менее 1,5 МПа, независимо от расчета, что на практике приводило к неоправданному увеличению расхода металла (продольных на-

пряженных стержней) и трудоемкости изготовления труб. Существующий способ расчета трещиностойкости кольцевых сечений был разработан только для традиционного способа армирования труб и его невозможно применить при спирально-перекрестном армировании.

Таким образом, существующая методика расчета трещиностойкости кольцевых сечений железобетонных предварительно-напряженных труб нуждается в совершенствовании.

Основные задачи диссертационной работы следующие:

- разработать способ определения внутренних усилий в сердечниках труб от давления напряженной спиральной и спирально-перекрестной арматуры с использованием зависимости из теории оболочек средней толщины;

- разработать методику и провести экспериментальные исследования по проверке предложенного способа расчета на физических моделях и натурных образцах труб;

- разработать инженерную методику расчета кольцевых сечений железобетонных предварительно-напряженных труб, позволяющую быстро произвести проверку их трещиностойкости без выполнения громоздких вычислений при определении внутренних усилий, при этом должно быть учтено их реальное напряженно-деформированное состояние.

При разработке способа определения внутренних усилий в стенке сердечника трубы от давления напряженной арматуры использована деформационная модель С.П. Тимошенко, учитывающая деформации сдвига и получено дифференциальное уравнение изгиба срединной поверхности стенки трубы, выраженное относительно угла поворота нормали к срединной поверхности

Значения внутренних усилий в стенке сердечника трубы определяются по формулам:

(4)

¡1х

N - const

На рис.1 представлена расчетная схема и эпюры внутренних усилий в стенке сердечника трубы диаметром 600 мм армированного напряженной спирально-перекрестной арматурой

по первому классу на-порности. Расчет выполнен на ЭВМ по разработанной программе. Решение дифференциального уравнения (5) произведено с использованием гиперболических функций, которые для необ-жатого (фх) и обжатого (фг) участка сердечника трубы приняты в виде:

Рис. 1.

[аг —Ьг а

chax-cc&bx--———shax • sin ¿x + C¡ (shax- eos ¿x - — shax ■ sin ¿x); (6)

lab b

<рг = e ~" (C3 sin ¿x+Q eos bx), где а и b - коэффициенты, определяемые по формулам:

IBÍA . Щ--А , 1 + 5 „, 12(1-

Ч— > • в —ег

Граничные условия для данной задачи имеют вид:

9V) = Фт ' где М, Р и q - составляющие дав-

ления спирально-перекретсного ~Dcp т =—D<pm+М; (7) каркаса, зависящие от его параметров (шага и количества спира-~D<pHL) = ~D(pm + Р ; лей). При спирально-продольном

армировании М=Р=0.

-Dtp^^-Dcp'^+q;

Таким образом, в стенке сердечника трубы помимо изгибающего момента Mi, действуют еще и внутренние усилия Qi, M2,Ni и N2/ которые необходимо учитывать при расчете трещи-ностойкости кольцевых сечений, чего не было в действующей методике расчета.

С целью проверки разработанного способа определения внутренних усилий в сердечниках труб от давления напряженной арматуры была разработана методика и оборудование для экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния бетонных круговых цилиндрических оболочек при действии кольцевого давления на части их поверхности (физических моделей). Геометрические размеры оболочек приняты следующие: наружный диаметр - 390 мм, длина - 1000 мм и толщина стенки - 30 и 45 мм.

Оболочки были изготовлены из мелкозернистого бетона. В качестве вяжущего использован портландцемент М 500, а в качестве заполнителя - кварцевый песок с Мк 2,4...2,5. Отношение вяжущего к заполнителю составляло 1/2,5 при водоце-ментном отношении 0,44...0,45. Физико-механические характеристики бетона (прочности при сжатии и растяжении, модуль упругости и коэффициент Пуассона) определены путем испытаний бетонных призм 10x10x4 0 см, изготовленных из бетонной смеси рабочего состава.

Всего было изготовлено семь серий (по три штуки в каждой) оболочек. Четыре серии оболочек (по две на каждую толщину стенки) использованы для исследований их напряженно-деформированного состояния действием кольцевого давления, а три серии - при совместном действии кольцевого давления и продольного сжатия.

Давление на части поверхности оболочки создавали с помощью специального устройства и гидростанции (рис. 2). Ширина полосы давления составляла 30 мм, а положение её центра от торца оболочки принято 90 и 180 мм.

Давление поднимали ступенями по 0,5 МПа со скоростью 0,01 МПа/с с выдержкой не менее 10 мин. на каждой ступени, после чего измеряли продольные и кольцевые деформации на внутренней и наружной поверхности

оболочки. Измерение деформаций выполнено методом электротензометрии.

Рис. 2.

Оболочки с толщиной стенки 30 мм были доведены до разрушения. Разрушение происходило в результате образования кольцевой трещины на внутренней грани оболочки приблизительно на уровне центра полосы давления. При этом перед разрушением деформации растяжения продольных волокон внутренней поверхности оболочки в опасном сечении превосходили предельную растяжимость бетона при одноосном растяжении.

С целью сравнения результатов экспериментальных исследований с расчетными значениями напряженно-деформированного состояния оболочек был произведен их расчет по разработанной методике. Расчетные величины деформаций продольных ех и кольцевых е2 на внутренней и наружной поверхности оболочки определяли с использованием закона Гука для плоского напряженного состояния:

е^^^-Зсг,); ег = ^(сг.-Эст,); (8),

Напряжения в продольных Ог и кольцевых ст2 волокнах определяли по выражениям:

м^ (9)

1 ТГ0 ' 2 Л

Сравнение результатов эксперимента с результатами вычислений показало, что они хорошо согласуются в области упругой работы материала (70...80 процентов) от разрушающей нагрузки. В дальнейшем в эксперименте наблюдался быстрый рост деформаций растяжения, причем, учет пластических свойств бетона с использованием упругопластического момента сопротивления так же не позволяет существенно уменьшить расхождения результатов эксперимента с результатами вычислений. В данном случае на стадии, близкой к разрушению, в зоне действия максимального изгибающего момента Мг происходило образование своеобразного пластического шарнира.

Аналогичные исследования выполнены при совместном действии на оболочку кольцевого давления и продольного сжатия, которые показали хорошее совпадение экспериментальных и расчетных величин напряжений продольных и кольцевых волокон поверхности, расхождения не превышали 10...15 процентов.

Вторая часть экспериментальных исследований выполнена на натурных образцах железобетонных напорных труб с внутренним диаметром 300, 600 и 1000 мм, армированных спираль-

но~перекрестныш1 каркасами.

Трубы диаметром 300 мм были изготовлены по трехступенчатой технологии. Сердечники труб были изготовлены методом радиального прессования. Навивку напряженной спирально-перекрестной арматуры производили с помощью арматурно-навивочной машины, разработанной БелНИИС (рис. 3).

С целью определения напряженно-деформированного состояния сердечника трубы, после навивки напряженного спирально-перекрестного каркаса была произведена наклейка тензо-датчиков на бетон арматуру в ^различных его сечениях, а за-[тем осуществлена развивка ар-(матуры, определены деформации, а по ним напряжения в бетоне и арматуре.

Сравнение экспериментальных и расчетных значений напряжений в различных сечениях стенки сердечника трубы показало, что их величины хорошо согласуются на цилиндрической части сердечника трубы. Так, экспериментальные величины напряжений кольцевых сечений составляли 0,89...0,91 МПа при расчетном значении 0,96 МПа, а продольных сечений 4,8...5,1 МПа при расчетной величине - 5,6 МПа.

Существенные расхождения между экспериментальными и г>асче?к- зелнапр.-:.-;эчий зафиксированы во втулочной части сердечника трубы в зсн е знк-ссзки спирально-• перекрестного каркаса. Так, на данном уча<_.::о счетные величины деформаций продольных волокон внутренней поверхности сердэчь:::.. 30... 40 гцентов превышали их величи-

ны, полученные из эксперимента. Данное обстоятельство объясняется тем, что вследствие пластических деформаций бетона растянутой зоны, восстановление деформаций после развивки арматуоы происходит не полностью.

Напряжения в спирально-перекрестной арматуре составляли около 90 процентов на цилиндрической части сердечника трубы и 70.. .75 процентов в зонах анкеровки спирально-перекрестного каркаса, что объясняется ослаблением спиралей в зонах анкеровки при их повороте.

Два натурных образца трубы были испытаны внутренним

гидравлическим давлением на трещиностойкость с целью сравнения их фактической несущей способности с расчетной. Испытания показали, что при заданных параметрах спирально-перекрестного каркаса и отсутствия защитного слоя (не был нанесен вследствие отсутствия необходимого оборудования), фактическая трещиностойкость труб составила 2,3 и 2,4 МПа при расчетной - 2,6 МПа. При указанных давлениях произошло образование продольных трещин на цилиндрической части сердечника трубы, при этом трещиностойкость кольцевых сечений была обеспечена их предварительным обжатием.

Результаты исследований свидетельствуют о том, что прочностные характеристики продольных и кольцевых сечений труб обеспечивают восприятие нагрузок, возникающих при их изготовлении и эксплуатации. При этом расчетная величина предварительного обжатия кольцевых сечений сердечника трубы составляла 0,96 МПа.

С целью определения фактических величин предварительного обжатия кольцевых сечений железобетонных напорных труб, изготовленных по технологии виброгидропрессования и сравнения их с расчетными, были определены испытания труб диаметром 600 и 1000 мм (по две штуки каждого), армированных спирально-перекрестными каркасами. Испытание труб произведено по схеме ^балка на двух опорах". Трубы были изготовлены на Минераловодском заводе напорных труб. Изготовление спирально-перекрестных каркасов произведено на станке СМЖ-666а. Трубы диаметром 600 мм были армированы по первому классу (рассчитаны на рабочее давление 1,5 МПа), а трубы диаметром 1000 мм армированы по второму классу (1 МПа).

Параметры спирально-перекрестных каркасов были подобраны таким образом, что расчетные величины предварительного обжатия продольных сечений составляли 8,07 (7,09) и 11,09 (9,88), а кольцевых 0,72 (0,63) и 0,59(0,53) МПа соответственно, диаметром 600 и 1000 мм. В скобках указаны величины напряжений для труб с утолщенной стенкой, изготовленных в формах новой конструкции.

Испытание труб выполнено в экспериментальном корпусе БелНИИС. Нагружение труб производили двумя сосредоточенными силами, приложенными на расстоянии 1,8 м от опор. Пролет был принят равным полезной длине трубы (5м) . Нагрузку прикладывали снизу вверх, для чего трубы были уложены на две седлообразные опоры, расположенные на расстоянии 0,7 м от

середины трубы, которые в свою очередь были уложены на гидродомкраты, установленные на силовом полу, рис. 4. Перемещения труб вверх сдерживали при помощи двух рам, снабженных седлообразными опорами, расположенными по торцам труб и

закрепленными на силовом полу. Напряжения в бетоне определяли через продольные Si и кольцевые s2 деформации на наружной поверхности средней части трубы (в зоне чистого изгиба).

Измерение деформаций производили с использованием тен-зостанции ЦТМ-3. Тензодатчики были установлены цепочками в щелыге и лотке трубы в плоскостях, расположенных под углом 0°, 15°, 30° и 45° к вертикали. Нагружение труб производили ступенями, количество которых было принято равным не менее 10 (от расчетной нагрузки по трещиностойкости).

Разрушение труб носило хрупкий характер вследствие образования кольцевой трещины в середине трубы, при этом наблюдалось быстрое (почти мгновенное) увеличение ширины раскрытия трещины при одновременном снижении нагрузки (падения давления в гидродомкратах). Нагрузка уменьшалась на 30...4 0 процентов, после чего наступала стабилизация. Дальнейшее нагружение труб не производили, так как при незначительном 'подъеме давления наблюдалось быстрое увеличение ширины раскрытия трещины. Однако, после снятия нагрузки трещина практически закрывалась, ширина ее раскрытия не превышала 0,05 мм. Данное явление обусловлено большими углами наклона спирально-перекрестной арматуры к продольной оси трубы. Так, для труб диаметром 600 мм угол наклона спиралей составлял 63,8°, а для труб диаметром 1000 мм - 77,4° и при образовании кольцевой трещины они практически выключаются из работы

Предварительное обжатие кольцевых сечений труб спирально-перекрестным каркасом (Оо) было определено по формуле с учетом известных величин момента трещинообразования Mere, геометрических размеров сечения d„ и сЦ и прочности бетона при осевом растяжении Rbt.

лс. -

32 с1.

32^,

(Ю)

Сравнение фактической величины предварительного обжатия кольцевых сечений с его расчетными значением показало, что оно на 10...15 процентов превышает расчетное. Это объясняется тем, что при расчете предварительное обжатие определяют без учета деформаций растяжения в напряженной арматуре, расположенной в растянутой зоне бетона перед образованием кольцевой трещины.

Таким образом, экспериментальные исследования трещино-стойкости кольцевых сечений физических моделей и натурных образцов труб показали, что разработанный метод расчета может быть использован при разработке новых и совершенствовании существующих конструктивных решений труб. При этом величины предварительного обжатия кольцевых сечений труб, изготовленных способом виброгидропрессования, могут быть существенно снижены, чем это требовало Руководство (не менее 1,5 МПа).

В предлагаемом способе расчета условие трещиностойко-сти кольцевых сечений имеет вид:

{Т. [ст.* л

+ ; (11

где а 1 и тг>3 - нормальное и касательное напряжение в кольцевом сечении трубы или ее сердечника определяемые по формулам:

% м '

9 С|

ги =-7.4—Г

(12)

Кы:,зег, 1 ~ расчетное сопротивление бетона растяжению, обжатого в поперечном направлении, определяемое с использованием критерия прочности, полученного в БелНИИС по результатам экспериментальных исследований

3,145-1,206 1+ —

1 —

(13)

о2 - напряжение в продольном сечении стенки сердечника трубы, определяемое по формуле:

)

При изготовлении труб способом виброгидропрессования при определении напряжений 01 и х1(3 величину нормальной составляющей давления спирального или спирально-перекрестного каркаса следует уменьшить на величину данного давления на втулочном участке трубы, формуемом в неразъемном кольце.

Для определения внутренних усилий в "опасном" кольцевом сечении стенки разработаны (построены) графические зависимости максимального погонного изгибающего момента М1 и соответствующих ему значений продольных Ы2 и поперечных 01 сил для различных технологий производства труб, при д=1 МПа от длины обжатого или необжатого участка трубы 10- На рис. 5 представлены графические зависимости <2Х и N2 для труб

армированных спирально-перекрёстным каркасом.

Разработанный в диссертационной работе метод расчета трещиностойкости кольцевых сечений железобетонных предварительно-напряженных труб включен в окончательную редакцию "Пособие по проектированию железобетонных напорных труб (к СНиП 2.03.01-84)", разработанного НИИЖБ Госстроя СССР и БелНИИС Госстроя БССР.

,,кн-и/м па

М2;кя/мла

¿?„*и/МПа

о,' о,г 0,3 о,ч о 0,1 о, г о,з о,ч

Рис. 5 1 - 9 - соответственно для внутренних диаметров сердечников труб 300 - 1600 мм.

Материалы настоящей работы использованы при разработке альбомов рабочих чертежей "Трубы железобетонные напорные виброгидропрессованные диаметром 1000 и 1200 мм с утолщенной стенкой и спирально-перекрестным армированием", Минск, БелНИИС, 1993 (шифр 93-44-КЖ) и "Трубы железобетонные безнапорные виброгидропрессованные", Минск, 1995 (шифр 95-251-КЖ), производство которых налажено на Микашевичском заводе "Спецжелезобетон". Объём внедрения составил 1200 м3 труб в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования, выполненные в диссертационной работе позволяют решить важную прикладную задачу - обеспечение тре-щиностойкости кольцевых сечений железобетонных предварительно-напряженных труб. По результатам исследований можно сделать следующие выводы:

1. Для обеспечения трещиностойкости кольцевых сечений железобетонных предварительно-напряженных труб необходимо выполнить их расчет на действие внутренних усилий, обусловленных неравномерным давлением напряженной спиральной или спирально-перекрестной арматуры по длине трубы в процессе навивки напряженной арматуры иди недонапряжения арматуры на втулочном конце виброгидропрессованных труб. При этом, в кольцевых сечениях стенки трубы возникают изгибающие моменты, вызывающие образование трещин при недостаточном предварительном обжатии данных сечений /1,2/.

2. Для определения внутренних усилий в стенке трубы (или ее сердечника) при неравномерном давлении напряженной арматуры трубу следует рассматривать как круговую цилиндрическую оболочку средней толщины в условиях осесимметричной деформации. При этом, целесообразно использовать сдвиговую модель С.П. Тимошенко, с помощью которой можно получить математические выражения для определения внутренних усилий в стенке трубы, значения которых хорошо согласуются с результатами экспериментальных исследований /1,3/.

3. При неравномерном давлении арматуры стенка трубы находится в сложном напряженном состоянии. При этом, кольцевая трещина образуется на внутренней поверхности трубы в зоне действия максимального изгибающего момента Мх, вследствие превышения деформаций растяжения предельной растяжимости бетона, находящегося в условиях двухосного напряженного состояния (растяжения-сжатия) /3/.

4. Для расчета трещиностойкости кольцевых сечений железобетонных предварительно-напряженных труб достаточно знать максимальное значение изгибающего момента М1 и соответствующие ему значения поперечных 01 и продольных N1 и N2 усилий в стенке трубы. Данные внутренние усилия могут быть представлены в виде графиков, в зависимости от длины обжатого или необжатого участка трубы Ь0. Проверку трещиностойкости кольцевых сечений следует производить с учетом сложного напряженного состояния стенки трубы. При этом, расчет следует вести с использованием главного растягивающего напряжения /4,5/.

5. Трещиностойкость кольцевых сечений железобетонных предварительно-напряженных труб может быть обеспечена как их предварительным обжатием, так и конструктивно-технологическими приемами: выбором способа армирования (спирально-продольное или спирально-перекрестное), последовательностью навивки напряженной спирали (от втулки к раструбу или наоборот), выбором оптимальной длины втулочного (необжатого) участка Ь0 /4,5/.

6. В железобетонных напорных виброгидропрессованных трубах со спирально-перекрестным армированием напряжение спирально-перекрестной арматуры на втулочном участке трубы составляет 80 процентов от расчетного значения, в то время как у труб со спирально-продольным армированием лишь около 20 процентов. Предварительное обжатие кольцевых сечений виброгидропрессованных труб со спирально-перекрестным армированием, в большинстве случаев, может быть снижено до уровня 0,6...0,8 МПа /6,1/.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Шепелевич Н.И. К определению внутренних усилий во втулочной части бетонных сердечников труб от давления напряженной спирально-перекрестной арматуры// Строительные конструкции. - Минск, 1984. - С. 107-113.

2. Шепелевич Н.И., Чече А.А. Расчет кольцевых сечений бетонных сердечников труб на усилия, возникающие при навивке напряженной спирально-перекрестной арматуры// Рациональные строительные конструкции зданий и сооружений. - Минск, 1985. - С. 89-95.

3. Шепелевич Н.И. Экспериментально-теоретические исследования прочности бетонных круговых цилиндрических обо-

лочек при действии кольцевой радиальной нагрузки// Эффективные строительные конструкции производственных зданий. -Минск, 1986. - С. 59-65.

4. Шепелевич Н.И. Способ расчета трещиностойкости кольцевых сечений железобетонных напорных труб на давление напряженной арматуры// Вопросы строительства и архитектуры. - Минск, 1989. - Вып. 17. - С. 29-36.

5. Чече А.А, Шепелевич Н.И., Мелихов В.И., Шмурнов А.Е Расчет напорных труб на давление напряженной спирально-перерестной арматуры// Бетон и железобетон. - 1989.-№ 9. -С. 18-20.

6. Берген Р.И., Шепелевич Н.И., Девятов В.В. Результаты экспериментальных исследований железобетонных напорных виброгидропрессованных труб со спирально-перекрестным армированием/ / Развитие технологии производства и применения железобетонных напорных и безнапорных труб: Тез. докл. семин. - Минеральные Воды, 1991. - С. 12-13.

7. Шепелевич Н.И. Новое о спирально-перекрестном армировании// Архитектура и строительство Беларуси. - 1995. -№ 2. - С. 7-9.

РЕЗЮМЕ

Шепелевич Николай Иосифович, "Трещиностойкость кольцевых сечений железобетонных предварительно-напряженных труб".

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО-НАПРЯЖЕННЫЕ ТРУБЫ, ДАВЛЕНИЕ АРМАТУРЫ, ОБОЛОЧКИ, ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ, НАПРЯЖЕНИЯ, ДЕФОРМАЦИИ, КОЛЬЦЕЕЫЕ СЕЧЕНИЯ, ИСПЫТАНИЯ, ПРОЧНОСТЬ, ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ

Объектом исследований являются железобетонные предварительно-напряженные трубы, применяемые для строительства напорных и безнапорных водоводов. Цель работы - разработка способа расчета трещиностойкости кольцевых сечений труб на действие усилий, возникающих на стадии их изготовления.

Выполнены теоретические и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния стенки трубы от неравномерного давления напряженной арматуры. Получены математические выражения для определения внутренних усилий в стенке трубы, при этом впервые использованы зависимости из теории оболочек средней толщины. Произведена экспериментальная проверка полученных выражений на физических моделях и натурных образцах труб. Для испытания физических моделей разработано специальное оборудование. Деформации бетона и

арматуры определены методом электротензометрии. Разработан способ расчета трещиностойкости кольцевых сечений, в котором впервые учитывается фактическое напряженно-деформированное состояние стенки трубы. Приведены графические зависимости для определения внутренних усилий в опасном кольцевом сечении.

РЭЗЮМЭ

Шапялев1ч Мл.калай 1ос1фав1ч, "Трэщынастойкасць кальцавых сячэнняу жалезабетонных папярэдне-напружаных труб".

ЖАЛЕЗАБЕТОННЫЯ ПАПЕРЭДНЕ-НАПРУЖАНЫЯ ТРУБЫ, Ц1СК АРМАТУРЫ, АБА-Л0ЧК1, УНУТРАНЫЯ С1ЛЫ, НАПРУЖАНН1, ДЭФАРМАЦЫ1, КАПЬЦАВЫЯ СЯЧЭНН1, 1СПЫТЫ, ТРЫВАЛАСЦЬ, ТРЭШУНАСТОЙКАСЦЬ.

Предметам даследванняу з'яуляюцца жалезабетонныя, па-пярэдне-напружаныя трубы, ужываемые для будаун1цтва напорных i безнапорных вадаводау. Мэта працы - пабудова метаду разл.ку трэщынастойкасц1 кальцавых сячэнняу труб на сьлы, узнл.каючыя на стадаП ix вырабу.

Праведзены тэарэтычныя i эксперыментальныя даследван-hí напружана-дэфарм1раванага стану сценк1 трубы ад нерауна-мернага ц1ску арматуры. Атрыманы матэматычныя залежнасц1 для вызначэння унутраных с!л у сценцы трубы, пры гэтым у першыню труба разгледжана як абалочка сярэдняй та$Ьцыны. Зроблена экспериментальная праверка атрыманых залежнасцей на ф1з1чных мадэлях i натуральных узорах труб. 1спыт ф1з1чных мадэляу прыведзен з прымяненнем спецыяльнаствора-наго прыстасавання. Дэфармацьц. бетона арматуры атрыманы з прымяненнем метада электратэнзаметрьи.. Разпрацаваны спосаб ,разл1ку трэщынастойкасц1 кальцавых сячэнняу трубы, у як1м упершыню зроблены ул1к фактычнага напруджана-дэфармхраванага стану сценк1 трубы. Пабудованы граф1к1 для вызначэння унутраных с1л у небяспечным кальцавым сячэнн1.

ABSTRACT

Shepelevich Nikolai Iosiphovich, "Resistance to Cracking of Prestressed Reinforced Concrete Pipes Circular Sections".

PRESTRESSED REIN FORS ED-CONCRETE PIPES, REINFORCEMENT PRESSURE, SHELLS, INTERNAL FORCES, STRESS, DEFORMATION, CIRCULAR SECTIONS, TESTS, STRENGTH, RESISTANCE TO CRACKING

The subject of the investigation is the prestressed

reinforced-concrete pipe3 used for construction of pressure and non-pressure water conduits. The main objective of the study is the development of the procedure for calculation of the resistance to cracking of pipe circular sections towards force actions occurred at the stage of manufacturing.

The theoretical and experimental studies of the pipe wall in a stressed and deformed state due to the unsteady pressure of the stressed reinforcement were carried out. Mathematical expressions for determination of the internal forces in a pipe wall have been obtained, in addition the dependences from the theory of shells of medium thickness have been applied for the first time. Experimental tests were carried out on physical models and full-scale pipes using the expressions obtained. For testing physical models special equipment was developed. Deformation of concrete and reinforcement has been defined using electric strain measurement. The technique for computing the resistance to cracking of pipe circular sections has been developed taking into account, for the first time, actual stressed and deformed state of the pipe wall. Graphic dependences for determination of internal forces in a dangerous circular section are presented.