автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Усиление железобетонных колонн предварительно напряженными элементами и методы их расчета

РГ6 ОД

/ О М » >4 '"Л1

I л !,;,ы I. :..;]

Р0СТ01ЮКЛН-НЛ-Д0НУ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЛДЕ:.2Е1 СТРОИТЕЛЬСТВА

На правах рукописи

АЫЛН ЭЛЬ-ДИН 1АА1Ш ДЛУД

УСИЛЕНИЕ 1ЕЛЕ30ЕЕТ0ШЫХ КОЛОШ! ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НЖЖЕННКШ ЭЛЕШШАШ И 1.1ЕТ0ДЫ ИХ РАСЧЕТА

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции,

здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Доиу - 1993

Работа выполнена на кафедре железобетонных а каменных кои-струзд'-Ш Ростовской-на-Дону государственной академии строительства.

Научные руководители - заслукенннй деятель науки и техники

РСуСР, доктор технических наук, профессор Р.Л.ШИШШ кандидат технически:-: паук, старший научный сотрудник Д.РЛ.1АИЛЯН

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор ДУРОВ И.О. кандидат технических наук, старший научный сотрудник ШИЛОВ В.А.

Ведущая организация - Ростовский ПромстройШИпроект.

Защита состоится " 25 " мая 1993 года в .на

заседании специализированного Совета Д.063.64.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Ростовской-на-Дону государственной академии строительства по адресу: -344022, г.Ростов-на-Дону, ул.Социалистическая, 162, ауд. 232.

С диссертацией г.гогшо ознакомиться в библиотека академии.

Автореферат разослан " " апреля 1993 года.

УЧЕНШ СЕКРЕТАРЬ специализированного Совета, кандидат технических наук, доцент

Ю.Л.ВВСЕЛЕВ

ОБЩАЯ ХЛРЛлТЖЮТШСЛ РАБОТЫ

Актуальность теш. Нелезобетонные колонны-весьыа ответственный элемент конструкций зданий и сооружений, на который опираются вышележащие этажи, перекрытия, подкрановые балки ц др. Их надежная работа обеспечивает на только возможность нормально!! эксплуатации зданий и сооружений, но нередко и само существование последних. Однако в период эксплуатации, а иногда и в процессе строительства колонны могут получать повреждения, существенно сникающие их проектную несущую способность. К этовд могут привести: неблагоприятное воздействие окружающей среды (попеременное замораживание - оттаивание, химическая агрессия и пр.), усадочные и технологические трещины, коррозия арматуры и бетона, использование бетона и арматуры с пониженными механическими свойствами, недоброкачественное изготовление конструкции (плохое формование изделия, отклонения от проектных размеров, несоблюдение толщины защитного слоя и проектного расположения арматуры и т.п.). В этих случаях фактическая несущая способность колонн может оказаться существенно ниже требуемой. Такая ситуация может возникнуть и при высококачественных железобетонных колоннах, отвечающих всем требованиям ТУ, при незапланированном увеличения нагрузок, например при реконструкции зданий н сооружений, установке нового, более тяжелого оборудования, повышении грузоподъемности щэанового оборудования и в других случаях.

В связи с этим возникает необходимость либо замены колонн, либо усиления существующих. Последнее, как правило, более предпочтительно, так как позволяет обойтись меньшим расходом дефицитных материалов. При этом следует учитывать общую приведенную стоимость и трудоемкость конструкции " в деле".

Строительной наукой и практикой накоплено немало способов

усиления железобетонных колонн, процесс их обновления и усовершенствования продолжается непрерывно, поскольку актуальность рассматриваемой проблеш не снижается.

В последние годы выполнен ряд работ, посвященных совершенствованию способов усиления железобетонных колонн предварительно напряженными элементами, использование которых при определенных условиях монет значительно снизить уровень напряжений в сечении, уменьшить прогиб усиленной конструкции, повысить прочность бетона за счет "эффекта обоймы".

Вместе с тем работы, рассматривающие способы усиления железобетонных колонн предварительно напряженными элементами,разрознены, как правило, не доведены до конструктивных и технологических решений, касаются лишь частных случаев, не учитывают многообразия эксплуатационных условий и приемов усиления. Нет общего метода расчета усиленных железобетонных колонн, в СНиП отсутствуют указания по проектированию таких конструкций. Не разработаны практические рекомендации, позволяющие проектировщику в зависимости от параметров колонн и условий эксплуатационного нагружения выбирать наиболее рациональный и экономичный способ усиления железобетонных колонн.

Исследованию этих актуальных вопросов посвящена настоящая диссертационная работа. Решение поставленных в работе задач имеет существенное значение для рационального и надежного проектирования конструкций усиления железобетонных колонн.

Цель диссертационной •работы: создание универсального метода расчета железобетонных колонн, усиленных предварительно напряженными элементами, учитывающего полные диаграммы деформирования бетона, трансформированные при одно-, двух- и трехосном сжатии и различные способы и технологические приемы усиления; конструктивные и технологические разработки различных приемов усиления желе-

зобетонных колонн и их экспериментальная проверка.

Автор защшдаот:

- конструктивные и технологические разработки различных приемов усиления железобетонных колонн предварительно напряженными элементами на базе а.с.СССР й 1557302 и 1463320;

. - результаты экспериментальных исследований несущей способности, деформативности и трециностойкости железобетонных колонн, усиленных предварительно напряженными элементами;

- универсальный метод расчета железобетонных колонн, усиленных предварительно напряженными элементами, который учитывает полные с нисходящими ветвями диаграммы деформирования бетона, трансформированные в зависимости от параметров одно-, двух- и трехосного сжатия бетона и упругопластическую работу конструкций усиления, распространенный на различные способы и технологические приемы усиления железобетонных колонн;

- методы определения прочности и трециностойкости железобетонных колонн, усиленных предварительно напряженными элементами, основанные на нормативном подходе;

- результаты обширного численного эксперимента, позволившие установить экономическую эффективность различных способов усиления при различных параметрах железобетонных колонн;

- рекомендации по назначению способа основных параметров усиления железобетонных колонн предварительно напряжеиными элементами в зависимости от их гибкости, эксцентриситета внешней силы, прочности бетона, процента армирования.

Научная новизна работы:

- разработан универсальный метод расчета железобетонных колонн, усиленных предварительно напряженными элементами с учетом полных диаграмм деформирования бетона, трансформированных в зависимости от уровня одно-, двух- и трехосного сжатия бетона,

упругопластпческой работ арматуры конструкций усиления. ¡Летод расчета распространен на различные способы и технологические прие-ш усиления железобетонных колонн;

- усовершенствованы методы определения прочности и трещино-стойкости железобетонных колонн, усиленных предварительно напряженными элементами, основанные на нормативном подходе;

- разработаны конструктивные и технологические приемы усиления железобетонных колош предварительно напряженны:!® элементами на базе а.с. СССР Д. 1557302 и 1463890;

- получены новые экспериментальные данные о несущей способности, деформативностн и трещиносгойкости железобетонных колонн, усиленных предварительно напряженными элементами, и установлено влияние различных конструкций усиления на их работу; .

- на базе обширного численного эксперимента разработаны рекомендации по усилению железобетонных колонн предварительно напряженными элементами в зависимости от параметров колонн и у словий эксплуатационного нагрукения.

Достоверность разработанных рекомендаций и предложенных методов расчета подтверждается статистической обработкой опытных данных автора, а также результатов численного эксперимента со значительно расширенными границами варьирования изучаемых факторов.

Практическое значение п внедрение результатов работы

Разработаны рекомендации по проектированию усиления железобетонных колонн предварительно напряженными элемента!®. Использование разработанных автором рекомендаций позволит в зависимости от параметров усиливаемых колонн и условий эксплуатационного на-гружения проектировать конструкции усиления наиболее рационально и экономично.

Разработана программа расчета железобетонных колонн, усиленных предварительно напряженными элементами, пригодная для различ-

ных способов и технологических приемов усиления железобетонных колонн и реализованная на ЭШ. Программа используется в проектной практике института "Ростовский ПромстройНИИпроект". Результаты исследований использованы при реконструкции пансионата "Молния" в п.Небуг Краснодарского края.

Результаты исследований автора внедрены также в учебный процесс в Ростовской-на-Дону государственной академии строительства -они включены в программу общего и специального курсов железобетонных конструкций для студентов строительных специальностей.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на совещаниях Ростовского областного правления НТО СИ, на научно-технических конференциях Ростовской-на-Дону государственной академии строительства в I99I-I993 гг.

Основные положения диссертации опубликованы в двух статьях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 127 наименований и двух приложений, содержит 90 страниц машинописного текста, 46 рисунков и 10 таблиц.

Диссертационная работа выполнена в Ростовской-на-Дсну государственной академии строительства под руководством заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, доктора технических наук, профессора Р.Л.Маиляна и кандидата технических наук, старшего научного сотрудника Д.Р.Маиляна. ,

- . СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние вопроса. В начала 50-х годов под руководством проф. Онуфриева Н.М. начали развиваться способы усиления железобетонных колонн, основанные на предварительном напряжении стальных элементов усиления. К настоящему времени разработано немало способов усиления железобетонных колонн. Это работы Галахина Б.А., Голосо-ва В.И., Захарова С.Т., Захарова В.О., Крылова A.B., Коренева

Ю.В., Петрова А.Н., Реброва И.О., Рабиновича Е.А., Соколова БД.

и др.; .... .. . - ...........-

. Наиболее перспективными. являются..способы. усиления- колонн, с использованием предварительно сжатых-или растянутых элементов (а.с. й 1557302 и - 1453890)» Вместе с тем..следует отметить отсутствие в.ряда случаев.дксдариментальной-проварки-.предложенных способов усиления». Не выполнен .анализ..эффективности различных способов при варьировании параметров колонн и-условий их эксплуатационного на- ■ груженая.. Не. разработаны-методы. расчета прочности .и трещиностойкос-ти, .учитывающие полные .диаграммы .деформирования батона, трансформированные в.зависимости от-напряженного состояния, .создаваемого . злшекташ~усиленая-.Требую1. совершенствования, методы, расчета у си-ленных, железобетонных-колонн, .основанные-на нормативном, подхода.

. - . Усиление колонн глэе^атэптельно сжатой, продольной ашатурой (а.с. СССР й 1557302) состоит в создании предварительного растяжения усиливаемого участка.колонны с помощью сжатия стержней 4 из . высокопрочной..стали .(рис.1,а). Последние.с помощью стальных.пластин 6 крепятся к основной .рабочей арматуре колонн.-Противоположные концы стержней. 4 ..пропускаются..через стальные уголковые .упоры-7, .. также .привариваемые, .к..продольной арматуре .колонн.-Для обеспечения устойчивости отдельных - стержней_-4 лри-.нх предварительном, сжатии. . они объединяются в .пространственный каркас с. помощью закрытых хомутов 5.г.к. углам, которых.старжни 4.крепятся .вязальной .проволокой. Предварительное сжатие стержней 4 осуществляется с помощью завинчивания гаек.8. .. . .................. - - -- . --. .

.....При одинаковом усилии обжатия всех. 4-х .стержней суммарное

контролируемое значение усилия обжатия составит

Рс.ссп = Рс - Авт , (I)

гда _ (2)

Гс — Абт'Зсро ,

Агса = А+о^Аа + о^Дьт ; (3)

а

Лч

О !

5!

V. г

кцп.

Ж-

Ча

трЬА-Е

[ г оз I, з-з

С )

ГУ £

У У

с, - о

01 I

©I

®

"И

Рис. I. Опытные колонны, усиленные предварительно сжатыми элементами (а,б), затяжками с двухосншл обжатием бетона (в) и предварительно растянутыми элементами 1г,д). I и 2 - продольная и поперечная арматура колонны; 3 - сетки; 4 -

предварительно снимаемые элементы усиления; 5 - закрытые хомуты; 6 - стальные пластины; 7 - уголки (упоры); 8 - гайки; 9 - сварка; 10 - тяги; II - муфты.

8. ...

. .©¿рс. - значение предварительного -сжатне стержней 4; Ав и А&т -- соответственно площади сеченая продольной арматуры I и .элементов., усиления.4; . . Ав - площадь, сечения бетона; и - коэффициенты приведения для арматуры . Аь и Аат .. . .

Напряженное .состояние,, вызванное предварительны:.! сжатием стержней 4 (до погашения упругих деформаций-внешней нагрузкой): в арматуре .арматуре.. . ..Да - растяжение-б^с^Сэ^ . .....

-----После, погашения..упругих деформаций растяжения, бетона-внешним

сжимающим усилием, напряжения в .арматуре.. Азт. .становятся равными

6»гс , а.-в.арматуре - в.батоне.- нулю.________-- ____________

. При_исзерпании прочности усиленного участка колонны разрушающее усиление

«т. л..,................-.(4)-..

,.. .В.колоннах.,...работающих,л .односторонним эксцентриситетом, равно-действущей внешних продатьнызс-усплий.Лстойкц-эстакад,, .путепроводов, мостов-.и-Др.)1..а.такне лри .повреждении колонн, только с.одной. стороны»_усиленив-колонн, жжет потрабоваться. лишь..драни,. ..бдиаай- .. шей к-равнодейстдулцвй внешних, усилий, или. .расположенной, .с поврежденной, стороны-колонны».-В.-этих.хлу чаях.-предварительно сжатые. элементы 4 могут-быть-умановлены-только.около-одной-здзани.(ршз.-1,б)..- .

. ..-Усиление. колонн путем .двухосного поперечного обжатия бетона. Создание .двухосного-обжатпя .батона .в.направлении,-перпендикулярном, динии-двйатвия-внешнвго-дрододьного.сжимащего-уоилия,. повышает сопротивление-элемента. -поперечному, расширенны.. .Это..приводит к "эффекту обоймы" и повышению несущей.способности элемента. ------ На .у силиваемом .участке-с. определенным шагом в обоих направлениях, устанавливаются, .тяги (рис. 1,а)т имеющие'на одном конце высаженную головку-или гайку 8. На. другом .конце размещается муфта I и гайка 8Г при. завинчивании которой создается растягивающее усилие в тяге. Реактивное сжимающее усилие через стальные пластины 6 переда-

ется на тело колонны. ... . ... . .......

Предварительное сжатие в каждом из двух поперечных направлени-

--В&ГЧ+ 0САз»Зь/5- ' - • • • - (5)

где -значение .предварительного напряжения в тягах; пло-

щадь поперечного.сечения.одной, тяги;.. 6 - размер стороны, нопереч- . ного сечения колонны,, перпендикулярной направлению напряжений ;

шаг.подеречной_арматуры_колонны на.участке усиления; А&и> -■- площадь сечения..поперечной арматуры колонны в одной нормальной к

оси элемента плоскости;------------------------ —................

____Усиление, колонн предварительно растянутой диагональной арматурой» Усиление .колонн (а*с. СССР.^'в 1463890) осуществляется предварительным растяжением, диагональных, .тяг .10,. передающих-.через стальные- пластины-6-и вилочные-упоры 7 сжимающие .усилия, на.батон.и продольную .арматуру-колонн. (рис.-1,г)... Тяги попарно-располагаются на всех.четырех-.гранях..-Тяги на одном конце, снабжаются высаженными головками или гайками. 8 .с_шайбами, ..а на другом..-, муфтами II и.гай-ками_8. С. помощью.закручивания доследних. создается усилие.растяжения. .в. тягах—Для-фиксации положения.тяг к продольной арматуре привариваются вилочные .упоры... (ограничители)отличающиеся лишь высотой,. что .вызвано, необходимостью.расположения тяг двух направлений

на различном.расстоянии от.граней колонн. ... . - .............

„При .растяжении диагональной..арматуры..бетон. подвергается сжа-тию-.в трех взаимно перпендикулярных, направлениях, а продольная и поперечная арматура. - сжатию-вдоль, своих .осей,__________...

.....Разрушающее.усилие элемента при воздействии внешней сжимающей

нагрузки составит

- N = Кв.гсгс!Аз.-+- + (6)

где Кв,г«с1- приведенная.призменная прочность бетона с учетом эффекта обоймы, вызванного двухосным поперечным обжатием бетона и изменением свойств бетона, подвергнутого трехосногду предварительному

.......10. . ..

сжатию; Rsc,i«d - .приведенное расчетное сопротивление арматуры сжатию с.учетом повышенной сжимаемости бетона; <3м>,;пс- значение предварительного растяжения.диагональной арматуры; 8 - угол наклона диагональной арматуры; Av,nc - площадь сечения всех диаго-нальных.отержней (при их перекрестном расположении на всех четырех

гранях-^.плоцадь-сеченця.8.стержней)-_______________________ _.... _

......Усиление .колонн предварительно .растянутой диагональной арма-..

т.урой. расположенной в. .разных уровнях. В целях упрощения..конструк-. ции усиления, и .снижения, расхода металла,, а .также.трудозатрат . предварительно-растянутые диагональные-тяги могут- быть -расположены.в- -разных, уровнях (рас- 1,д). При таком .решении уровень трехосного обжатия, уменьшится , но для определенных условий и он может оказаться достаточным.-----...—-------------- ------- - ...........

_______Программа и методика исследований- Для .опытной.проверки..эффективности, .рассмотренных, способов усиления колонн.было изготовлено . и-.испытано 18 .опытных образцов, .которые были-разбнты-на-9 .групп по два-образца-близнеца.,-12.образцов.были, испытаны.на центральное сжатие, а 6..- на внецентренное с относительным эксцентриситетом

внешней силы .-8a/.h . 0,3------------------- ------- ------- .

...... Опытные .нелезобетонные-.колонны изготавливались, из..тяже лого бетона прочностью 30.Ша. .и.имели, .квадратныа..сечения..размером 200x200 мм-И_длпну 1000 мм. Все образцы.имела .симметричное продольное армирование по 2fil4A-JL.y .двух противоположных граней колонн. Поперечное армирование устанавливалось в виде замкнутых хомутов ¿5Вр-1 с

шагом 150 мм. . .... ....... ......

.. Порядок испытания, колонн был принят. следующиеi. Сперва колонна устанавливалась в прессе ПС-250, одевались металлические оголовни-ки. Затем .до приложения внешней нагрузки колонна усиливалась одним из рассматриваемых способов. Далее проводилось испытание колонны до разрушения. Нагрузка на опытный образец прикладывалась поэтапно. Измерения продольных и поперечны:-: денюрмации бетона производились

посредством цепочки тензодатчнков" сопротивления с базой 50 ш, наклев нних на.грани элемента в середине-его длины. Параллельно с этим регистрировались деформации на уровне арматуры индикаторами -децзормометрамп с базой 300 ил. Индикаторы устанавливались также на стальных .элементах усиления. .

.. ...Степень превышения несущвЛ способности усиленных колонн над контрольными зависела от способа усиления. Так, при усилении колонн предварительно сжатыми элементами наблюдается повышение несущей способности па 17,6 % (при одностороннем расположении) и. 35,2^(при двухстороннем расположении). При усилении затяжками с двухосным предварительным обжатием бетона наблюдалось увеличение несущей способности. на 30,6 %. Наибольшие .значения превышения несущей способности. усиленних.колонн над.контрольными наблюдалось при усилении затяжками-с диагональными тягами, расположенными..в одном уровне . (.44 %) ...Несколько меньший, эффект дало усиление затяжками с диагональными тягами в разных уровнях (34,4./а)............

.При. внецентренном..сжатии несущая. способность..колонн,- усиленных -затяжками- .с диагональными, тягами в. разных уровнях,..оказалась . существенно .(на_42,1%) выше_контрольных Несколько.меньший эффект вызвало усиление колонн.предварительно сжатой односторонне распо- ... ложенной арматурой.. В этом случае.повышение.несущей способности усиленных, колонн по .сравнению с контрольными, составило 16,8 %. .... .Представляет .интерес, сопоставить, изменение параметра Д М/С*, представляющего, собой отношение, приращения.несущей способности усиленной колонны-по отношеншо..к. контрольной к. расходу стали на конструкции усиления в.железобетонных колоннах, усиленных различными способами. .Так, этот параметр (размерность.кН/кг) имеет наиболее-высокие значения в колоннах, усиленных затяжками с диагональными, тягами в одном уровне - 122,7. Несколько меньшие, но также высокие значения (ДМ/С= ПО) в колоннах, усиленных предварительно сжатыми элементами. Наименьшие значения Л N / С/ в колоннах, ус::-

ленных затяжками с диагональными тягами. в .разных уровнях (53,8). При вяецентрекком сжатии значения параметра aN/С существенно снижаются. .. . .... ....... .. . . ......... . ..

... Опыты.показали,-чта.усиление. железобетонных колонн существенно повышают усилия трещинообразования. Так, в колонне, усиленной предварительно скатыми односторонне.расположенными стержнями, N«î» увеличилась на. .51.$, а.з колонне, усиленной затяжками с диагональными..тягами,, расположенными в разных уровнях,- на 94 /2„.При этом.

. !.. exf

наблюдается увеличение Na-c/JNv. в.усиленных колоннах. Наибольшие значения.приращения деформации крайнего..сжатого волокна бато-. на наблюдаются.у..колонн, усиленных затяжками a диагональными тягами. в-разных уровнях ( .ô.m = 296* 10"?.).. .-Меньшие. значения .б»и. у. образцов,- у с пленных-за тяжками п затяжками с диагональными тягами в-одком. уровне соответственно-- ¿0и..= .2О2.МО--.и 2Q8'IQ"^-£ отмеченных конструкциях деформации, драйнего сжатого..волокна.оказались выше,-чам-аналогичные-харакгеристшш-контрольных образцов. —

—.....Для аналитического описания.диаграмм-" S>8 - .¿t. ".с.учетом .

нисходящей .ветви предложено. много_эширических зависимостей. .Наи-.. бодее.лростойло своему .виду—и .вместе с-тем.наиболее .полно дтража-ющей_изменение свойств.бетона является зависимость, предложенная Саргеном и принятая нормами ЕКБ-ФШ:

JL _ ,7) '

V" м^к-кУ' -.....

где 0я.-®КвК/Е; R и . <5*.- максимальное сопротивление бетона и со-ответствующая..ему деформация бетона при сжатии или растяжении; Kg -.коэффициент, характеризующий упруго пластические свойства бетона. ...

По данным испытания контрольных (неусиленных) железобетонных колонн на центральное сжатие на каждом этапе были определены напряжения в бетоне по формуле

6-8L „ N* , (8)

где Ni и . Hv. - текущие, значения внешнего продольного усилия и усилия в продольной арматура.

. Анализ полученных диаграмм " ©'s - ".показал, что описать их удобно формулой (7) .при значении =.2,3. В этом случае достигается близкая сходимость опытных.и теоретических диаграмм.

При разработке методов расчета усиленных железобетонных ко-, лонн. необходимо учитывать влияние-напряженного состояния .сечений, создаваемое.првднапряженными,элементами усиления,на изменение диаграмм деформирования бетона. - ... ----

_____.Так.г при усилении .колонн, предварительно, сжатыми выносными..

стержнями.бетон_испытывает воздействие.растягцвающих-напряжений... При..одностороннем..уснлении-.в бетоне возникает напряженно-деформированное схостояние, характеризуемое переменным,по высоте сечения .. уровнем напряжений или в бетоне железобе-

тонных, конструкций в..общем-случае.может реализовываться.один из четырех. случаев..напряженно-деформированного, .состояния, вызванного,- -предварительными..и. последующиш-эксплу атационныш. силовыми..воздей-. ствиями:-сжатие.т.сжатие; сжатие.- растяжение^-растяжениа.-.сжатие; растяжение.- .растяжение— Для у.чега-этого.явлания_предлагается--кор-ректировать параметры. диагра\5мы. деформирования бетона ( Rec*o ■ и &n(«ui>, умножая. их.на-соответствущие.козффициенгы .Тмсш. и . У.еtcto . . Ые- . тодика учета .влияния..предварительных .нагружений.на диаграмму "<5г(к>-- <5sc«ii " разработана в исследованиях Л.П.Макаренко, Д.РЛЛаиляна

и др. . .... . .... ......... ..... . ......

......При. усилении железобетонных,колонн затяжками бетон испытывает

двухосное, предварительное .сжатие. Такие воздействия .создают "эффект обоймы", что существенно повышает прочность бетона.

Для учета этого явления была использована методика норм, от-

ч ..

носящаяся к косвенному армированию. В соответствии с измененной для нашего случая методикой норм новые, более высокие значения проч-

ности бетона при успленшГ затяжками определяются по формуле

К» = К» + , (9)

а • 4( дпл- спа + ЬсЫ) ,тпч

^ -бГгв- -- ' ■ (10)

где. /Их» -.коэффициент.-армирования .затяжками; . Ам . и А ¿.-площади сечения соответственно планок.и затяжных стержней в сечении колонны; . бпл п _С<1 .- длины, соответственно .планок .и затяжных стержней;..--3 ..- расстояние между затяжками; Кб - расчетное сопротивление стали затяжек. .... .............. _ .......

.-.Значение коэффициента эффективности затяжек предлагается определять по формуле.

К - б.а + оСз (II)

1 1 + 4,7 оС* '

сД = Л" ^ _ (12)

. ... Предельные..деформации, бетона .также возрастают, их новое значение может быть определено по формуле:

___¿«Я = 1.1-¿81 --------------- -- - ■ ________ (13)

„ ..Предлагаемая методика трансформации диаграмм деформирования. бетона при.усилении затяжками может быть.использована при предварительном, саатии в бетоне б'ар« ..= .1,6...2 Ща. . . .

I

... При.усилении колонн затяжками с диагональными тягами (в одном или-разных.уровнях) бетон испытывает., трехосное предварительное, .сжатие,. которое способно.изменять параметры его.полной диаграммы деформирования. .Как показали наши опыты, учет этого явления можно производить по формуле•

Кв,«с( = к» + ко^т ... (м)

- -. При-этом коэффициент эффективности.бокового давления К = 5,7. Изменение предельных деформаций выражается зависимостью:

бГк = 1.15 ¿8* • (15)

Предлагаемая методика может быть использована при

<э»р*= (Э8РЗ = = 3,8.. .4 ЛЛаГ

. метод расчета-железобетонных колонн, усиленных предварительно напряженными элементами с .учетом полных трансформированных диаграмм деформнрозанпя бетона. Рассматриваются три варианта расчета, описывающие три-технологдческих приема усиления. Первый - элементы усиления.монтируются.на- еще ненагруженную колонну и работают с начала нагружения конструкции с б^.ь*' = 0 или , Ф 0 (рис. 2,а). Второй.'- нагружение колонны до эксплуатационного уровня нагрузки, выдержка, монтаж элементов, усиления при эксплуатационной нагрузке,, затем нагружение до разрушения (рис. 2,6). Третий - нагружение дсолонны до эксплуатационного уровня, выдержка, разгрузка (полная или частичная), усиление, нагружение до разрушения (рис. 2,в). ....

Рассматриваются три основных способа усиления. Усиление выносными предварительно сжатыми стержнями (односторонними или двухсторонними); усиление затяжками с. .созданием двухосного сжатия бетона и усиление . затяжками с. диагональными., тягами (в одном или разных уровня::). В общем случае основные расчетные уравнения тлеют вид (рис. 3): л»

2х «= В] (о.re.(x)]dx- ßj (08t[6Bt(x)]cLx + (Os(Cs)As +

О *l

+ &(£s)As+(Dsi(CsV)Aii_+ (Ou^Ast-tDs.me^mc) kinc-N

XU Xi+xit

2Mo = 6 [бе [c> (x)}dx - &J_(3k[önM]xcLx + Si'(6l)Aiai+

(16)

uv;

st hCGSd-

-Ne - o.

При усилении выносными предварительно сжатыми стержнями з расчетных уравнениях (16) и (17) принимают As,;nc = 0. Кроме того диаграмм " 6*8 - С в " п " (Sei- 6 et " трансформируются а зависимости от режима работы волокон бетона при монтаже усиления и при эксплуатационной нагрузке.

Рис. 2. Вариант нагруження усиленных колонн.

Kit NU

As

к.

..inc -

Ni

Ns

Ms.uic _ Л^-.. Xu

«as

Ait &6t 6 5t

Рио. 3. Схема действующих усилий в сечении железобетонной колонны, усиленной преднапряженными элементами.

При усилении затяжками с двухосным сжатием бетона в уравнениях (16) и (17) принимают Ast = 0; A«. = 0; Аь,шс= 0. Диаграммы деформирования бетона трансформируются в соответствии с (9)... (13).

При усилении затяжками с диагональными тягами принимают

Ast. = 0; A*'t = 0.

Диаграммы " 6"s - 6в " и " ©"к - Cet" трансформируют в зависимости от режима трехосного сжатия (14)...(15).

Для описания диаграмм деформирования высокопрочной арматуры усиления использована методика Р.ЛлЛаиляна и Б.Х.Мекерова.

При расчете по разработанной методике при прямом ходе нагрузки задаются деформации крайнего сжатого волокна бетона Св с оп-

ределенным шагом. При разгрузка задаются ¿8 , при этом на парвом шага сохраняются значения высоты сжатой зоны Х& из предыдущего шага счета.

При первом варианте расчета усиление работает с начала нагру-жения с = 0 или (эм.(и' 4 0. При возрастающем на каждом ша-

ге расчета б» с помощью основных расчетных уравнений определяются N и Х8 . На каждом шаге расчета определяются значения N8^ по формуле.

Мп - 8 \ <эи:(хм.)си (18)

О

и проверяется условие

Иш.- Нпам) > 0 . (И)

Пока условие (19) выполняется,в элементе трещин нет и

Хи; *" Ь~Хе . Как только условие (19) не выполнится, фиксируют- - — —

ся , которое связывает в дальнейшем X» и Хв*. :

к *

Хн = X» . (20)

На каждом шаге расчета проверяется условие:

N1- К 1-л > о . - (21)

Если условие выполняется, прочность элемента обеспечена, в противном случае - элемент разрушился.

При втором варианта расчета осуществляется нагружение неусиленной колонны, выдержка под нагрузкой. Затем при эксплуатационной нагрузке производится монтаж усиления. До этого фиксируются б"» ,

6« , 0"«. , С ч . Для каждого волокна бетона производится трансформация диаграмм " (Те - б в " и " - ". Далее задается эшора приращений деформаций Дбе по закону плоских сечений. Затем производится расчет, но уже с новыми диаграммами

- 6»(н)" по уравнениям, учитывающим работу элементов усиления.

При третьем варианте расчета производится нагружение, выдержка, разгрузка (полная или частичная), усиление и нагружение до

разрушения. После разгрузки диаграммы трансформируются и при дальнейшем нагружении с элементами усиления отличаются по высоте сечения колонны.

Для каждого из рассмотренных технологических приемов усиления составлены алгоритм и программа расчета на ЭШ.

Усовершенствованы нормативные методы расчета прочности и тре-шиноотойкооти усиленных железобетонных колонн. При расчете прочности в расчетных формулах учитывается изменение свойств бетона при одно-, двух- и трехосном сжатии и фактические диаграммы деформирования высокопрочной арматуры усиления. Определение усилий тре-щинообразования по методике ядровых моментов приводит к существенные (до 45 %) отклонениям опытных и теоретических данных из-за неучета влияния продольной силы на положение нейтральной линии и упруго пластический момент сопротивления. Предложены расчетные уравнения, составленные для железобетонных колонн, усиленных предварительно напряженными элементами - и основанные на эпюрах напряжений в момент трещинообразования, предложенных В.И.Мурашевым.

Результаты расчета опытных колонн показали, что наиболее близкую сходимость опытных и теоретических данных обеспечивает разработанный метод расчета усиленных железобетонных колонн, учитывающий полные с нисходящими ветвями диаграммы деформирования бетона, трансформированные в зависимости от его одно-, двух- и трехосного сжатия и фактические диаграммы дефорлирования высокопрочной арматуры усиления. При расчете опытных железобетонных колонн по методике норл расхождения опытных и теоретических данных приобретают существенные значения. Учет в нормативной методике изменений прочности бетона и фактических диаграмм деформирования высокопрочной арматуры усиления сближают опытные и теоретические данные. Вместе с тем их расхождения остаются еще достаточно велики, по сравнению с итерационной методикой.

По разработанной программе расчета усиленных железобетонных колонн на ЭВМ были рассчитаны 2976 "условных" элементов, усиленных различны:.«: способами.

Проведение численного эксперимента позволило проанализировать влияние различных параметров стоек и условий эксплуатационного нагружения на эффективность различных способов усиления конструкций. В качестве критерия эффективности усиления был принят параметр был, определяемый по формуле

5„.с =(ДN/N0/00/0) , (22)

где ДЙ=1Ни~Ми - приращение несущей способности усиленной железобетонной колонны по сравнению с контрольной; Л С _ расход стали на конструкции усиления; С - расход стали на продольную арматуру колонн. Величины Л С и С принимаются приведенными к стали класса А-1.

При усилении колонн предварительно сжатыми элементами увеличением прочности бетона, процентов армирования внешних (усиливающих) и внутренних стержней, уровня преднапряжения повышается эффективность усиления - значения параметра бк.е возрастают. С увеличением уровня эксплуатационного нагружения, при котором происходит усиление, эффективность усиления снижается.

Увеличение относительного эксцентриситета внешней силы с О до 0,3, как правило, повышает эффективность усиления. Вместе с тем при 6»/Ь > 0,4 влияние относительного эксцентриситета на эффективность усиления заметно снижается.

При усилении колонн предварительно растянутыми элементами эффективность усиления повышается со снижением прочности бетона и ростом процента армирования усиливающих элементов.

Уровень эксплуатационного нагружения, при котором происходит усиление колонн, и относительный эксцентриситет внешней силы оказали слабое влияние на эффективность усиления. Повышение уровня

предварительного растяжения затяжек с бм» = 400 Ша до ОЧр = 800 Ша при Аь^ 15 снижает, а при Ль > 20 повышает эффективность усиления и параметр 5"м,с .

На основании результатов численного эксперимента разработаны таблицы рекомендуемых способов усиления железобетонных колонн в зависимости от параметров конструкций и условий их эксплуатации, которые приведены в диссертации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выполнены конструктивные и технологические разработки различных приемов усиления железобетонных колонн предварительно напряженными элементами на базе а.с. СССР й 1557302 и 1463890. Доказана расчетным путем эффективность рассмотренных способов усиления колонн.

2. Проведены экспериментальные исследования работы под нагрузкой железобетонных колонн, усиленных предварительно напряженными элементами. Установлено, что наибольшее повышение несущей способности по сравнению с контрольными образцами (44 %) в элементах, усиленных затяжками с диагональными тягами в одном уровне. Несколько меньший эффект (повышение несущей способности на 31...35 %) дало усиление колонн затяжками с двухосным предварительным обжатием бетона, затяжками с диагональными тягами в разных уровнях и предварительно сжатыми выносными стержнями.

3. Наиболее высокие значения параметра А.Н/С , представляющего собой отношение приращения несущей способности усиленной колонны по сравнению с контрольной к расходу стали на конструкции усиления в колоннах, усиленных затяжками с диагональными тягами в одном уровне, а наименьшие значения - в колоннах, усиленных затяжками с диагональными тягами в разных уровнях. При внецентренном сжатии колонн ( ео/Ь> = 0,3) значения параметра аИ/С значительно снижаются.

4. Усилия трещинообразования в железобетонных колоннах, усиленных предварительно напряженными элементами, значительно (на

51...94 %) выше, чем в контрольных образцах, повышаются также отел* ...ехг

носительные уровни трещинообразования Исгс/1чи • Приращения деформаций крайнего сжатого волокна бетона дбви в усиленных колоннах выше аналогичных величин контрольных образцов.

. 5. Даны предложения по трансформации диаграмм деформирования бетона в усиленных железобетонных колоннах в зависимости от его одно-, двух- и трехосного сжатия, создаваемого предварительно напряженными элементами усиления. Установлено, что зависимость "па-пряжения - деформации" тяжелого бетона прочностью 30 Ша может быть выражена формулой'ЕКБ-аШ с рекомендуемыми значениями 1^=2.3.

6. Разработан универсальный метод расчета железобетонных колонн, усиленных предварительно напряженными элементами с учетом полных с нисходящими ветвями диаграмм деформирования бетона, транс-.формированных в зависимости от параметров одно-, двух- и трехосного сжатия бетона и упругопластической работы конструкций усиления. Ыетод распространен на различные способы усиления, включающие усиление выносными предварительно сжатыми стержнями, затяжками с двухосным обжатием бетона, затяжками с диагональными тягами в одном или разных уровнях и различные технологические приемы усиления: усиление конструкций до эксплуатационного нагружения; нагружение, выдержка, усиление; нагружение, выдержка, разгрузка (полная или частичная), усиление.

7. Даны предложения по совершенствованию Нормативных методов расчета прочности и трещиностойкости усиленных железобетонных колонн, учитывающие изменение прочности бетона в зависимости от его одно-, двух- и трехосного сжатия, фаютические диаграммы деформирования высокопрочной арматуры элементов усиления, влияние продольной силы усилия трещинообразования.

8. Сопоставление опыгных и теоретических данных несущей способности и трещиностойкости железобетонных колонн, усиленных предварительно напряженными элементами, показало, что наилучшую их сходит,юсть обеспечивает разработанный метод расчета с учетом полных трансформированных в зависимости от способа усиления диаграмм деформирования: бетона и упругопластической работы конструкций усиления. При расчете прочности усиленных железобетонных колонн по СНиП расхождение опытных и теоретических данных существенно увеличивается, учет предложений автора, касающихся определения свойств бетона и фактических диаграмм деформирования стали несколько улучшает точность расчета.

9. С помощью разработанной программы расчета на ЭВМ выполнены обширные численные эксперименты (2976 "условных" колонн), в которых в широких пределах варьировались прочность бетона, процент армирования внутренней сталью, процент армирования конструкций усиления, уровень преднапряжения конструкций усиления, гибкость колонн, относительный эксцентриситет внешней силы, способы усиления железобетонных колонн. Установлено, что при усилении железобетонных колонн выносными предварительно саатыми элементами, эффективность усиления, характеризуемая параметром

повышается при увеличении процентов армирования внутренней и внешней стали, уровня преднапряжения стержней усиления, относительного эксцентриситета внешней силы, снижении прочности бетона, уровня эксплуатационной нагрузки, при которой происходит усиление.

10. Установлено, что при усилении железобетонных колонн предварительно растянутыми элементами эффективность усиления и параметр

би.с снижаются с повышением прочности бетона и снижением процента армирования усиливающих тяг. Уровень эксплуатационного нагруже-нея, при котором происходит усиление, и относительный эксцентриситет внешней силы практически не оказали заметного влияния на его

эффективность. Повышение уровня предварительного растяжения тяг при

невысоких гибкостях 15 снижают эффективность усиления, а

при ^ь > 20 - наоборот, увеличивают ее.

II. Разработаны рекомендации по назначению способов и технологических параметров усиления железобетонных колонн в зависимости от гибкости, процента армирования, прочности бетона железобетонных колонн и условий эксплуатационного нагружения. Использование разработанных рекомендации позволяет для каждого случая выбрать наиболее эффективный способ усиления железобетонных колонн.

Основные положения диссертации нашли отражение в следующих работах:

1. Аман Эль-дин М.Д., Машин Д.Р. Методы усиления железобетонных колонн и их эффективность.//Совершенствование проектирования и расчет железобетонных конструкций/ Ростов-на-Дону; Ростовская госуд. акад.стр-ва, 1993 (в печати).

2. Аман Эль-Дин М.Д., Майлян Д.Р. Итерационный метод расчета железобетонных колонн, усменных предварительно напряженными элементами/Дам же.

Подписано в печать 12.04.93г. . Формат 60x84 1/16. Бумага газетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. С.ЗО?

Ротапринт Ростовской-на-Дону государственной академии строительства.

344022, Ростов-на-Дону, ул.Социалистическая, 162.