автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Устойчивость двухшарнирных трубобетонных арок при кратковременном загружении

!> I) С .1 . . ■ „

На правах рукописи

2 Н 1.1 АР 1397

НУГУМАНОВ ДАНИЯР .ТОКТАРОВИЧ

УДК 624-.072.323.2.016.046.3

УСТОЙЧИВОСТЬ ДВУХШАРШРНЫХ ТРУВОБЕТОНННХ АРОК ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОМ ЗАГРУЖЕН®!

05.23.01 - Строительные конструкции,здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ ' диссертации на соискание ученой -степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1997,г.

Работа выполнена в Восточно-Казахстанском техническом унииер ситете.

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент

А.В.Хапин

Официальные оппоненты - доктор"технических наук, профессор

Д.О.Астафьев • - кандидат технических наук В.А.Шеховцов Ведущая организация - СПбЗНИШ . •

• Защита состоится -Ж- ЫйрТй 1997 Г. в ЖчЖ МЦ на заседании диссертационного совета К 063.31.01 при Санкт Петербургском государственном архитектурно-строительном универси тете по адресу: 1S8005,Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул. 4, вал заседаний. ¿JfJl/g) . '

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета,

Отзывы в двух экземплярах, с подписью, заверенной гербовс печатью,'просим направить по адресу•университета.

чл.-корр. АН ВШ Республики, Казахстан С.Г.Кусябгалиев

Автореферат разосла

марта 1997 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета доктор технических наук профессор

В.И.Морозов.

0Б111АЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Конструкции-из труб, заполненных бетоном, вляются эффективным типом строительных конструкций•и применяются-странах СНГ и Европы, а также в Японии и США. Кроме этого, тру-обетонные конструкции обладают высокой огнестойкостью и имеют яд положительных факторов, повышающих коррозионную стойкость, пецифика работы Сетона в стальной трубе позволяет увеличить его точность на осевое сжатие до 80 процентов при круглых и до 45 [роцентов при прямоугольных поперечных сечениях за счет явления трехосного сжатия в сбойме, а, .следовательно, увеличить несущую, способность конструкции в целом, .

Большие площади посевных и пастбивдых земель Казахстана, переход на новые формы хозяйствования на селе привели к большой потребности в сельскохозяйственных зданиях и сооружениях." А по прогнозам эта потребность будет возрастать по мере выхода страны из экономического-кризиса. Сельское строительство имеет ряд особенностей. Главные из них - большие транспортные расходы и высокие. требования к огне- и коррозионной стойкости, предъявляемые ко многим типам зданий.

Одним из путей решения этой проблемы является использование в качестве несущих конструкций зданий сельскохозяйственного назначения арок,' высокая конструктивная эффективность которых общеизвестна, из труб, заполненных бетоном.

Вопросам изучения лрочлости трубобетошшх конструкций посвящены многочисленные исследования , однако исследования устойчивости трубсбетокных арок прямоугольного сечения не проводились.

Целью диссертационной'работы является исследование иапряжен-ио-леаюрмированното состояния и устойчивости нового -вида строительных конструкций - двухшаркирных трубобетояных арок прямоугольного сечония в условиях кратковременного затруднения.

для достижении поставленной цели необходимо решение следующих ЗЭДОЧ: - - '

■ 1 Разработка методики исследования напряженно-деформирован^ гого состояния и устойчивости двухшарниркнх трубобетонных арок прямоугольного .сечения при кратковременном эагружетш с учетом до(Ьорк»5рставног6 состояния ее оси,

Я &у;перименг;!дьн0е исследование двухшарнирнвд тр/бобетонньи

арок'с целью получения опытных данных по величинам критичеся нагрузок и параметрам напряженно-деформированного состояния.

3 Разработка алгоритмов по исследования напряженно-дефори рованн'ого состояния и устойчивости, а также расчета сечения дв^ шарнирных трубобетонных арок на персональных компьютерах. ■

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработано новое конструктивное решение ; двухшарнир} трубобетонной арки прямоугольно)'о сечения;

- получены результаты экспериментальных исследований напр женно-деформированного состояния и величины критических нагрузс вызывающих потерю устойчивости арок при кратковременном загруя нии;

- предложена методика и алгоритм расчета устойчивости и ш ряженно-деформированного состояния двухшарнирных трубобетош арок прямоугольного сечения для раарабо?ки программных комплекс на персональном компьютере;

- разработан алгоритм подбора сечения двухшарнирных трубос тонных арок.

Практическое значение работы. Разработано эффективное ко^ ■ труктивное решение арочных конструкций. Предложена методика рг чета несущей способности двухшарнирных трубобетонных арок прямс гольного сечения в упругопластической стадии работы материало! учетом деформированного состояния оси, представлены алгоритмы í создания программных комплексов по их расчету, даны рекоменда! по изготовлению и практическому применению'

■ Результаты исследований использованы при проектировании } сущих конструкций выставочного павильона в' г.Зайсане Восточно-Ь вахстанской области. • "

Апробация работы. -Основные результаты исследований поклей вались и обсуждались на 50 международной научно-технической кс ференции молодых ученых, аспирантов, докторантов и студенч СПбГАСУ (г.Сайкт-Петер0ург,199б), на Алматинской городской нa^ но-технической конференции по строительным конструкциям (Кс гос.архит.-строит.акад.,г.Алматы,1996), на научно-практичен конференции Каэ.акад.трансп. и коммуникаций (г.Алматы,1996). XXX 1-й, XXX31-й, -XXXI11-й научно-технических конференциях проф« сорско-преподавательского состава Вост.-Казахстанского • те> ун-та (г.Усть-Каменогорск,1992-1995 гг.').

Публикации. Основное содержание диссертации освещено в четы-х печатных работах.

.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, ¡тырех глав, заключения, списка использованной литературы и лри-жений. Общий объем работы 127 'с., в "том числе 37 рисунков и б зблйц. '■

Автор выражает глубокую благодарность заслуженному деятелю ауки и техники Российской'Федерации, доктору технических наук, рофессору •Р.С.Санжаровскому а также научному руководители' л.-корр. АН ВШ Республики Казахстан, профессору С.Г.Кусябгалиеву • а ценные научные консультации и.неоценимую помощь при выполнении иссертации. t ..

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ '

'Во введении обосновывается актуальность темы исследовании, говизна и практическое значение работы. Дана общая характеристика заботы. - - ^

В первой главе приводится обгор применяемых в строительстве грубобетонных конструкций, анализируется современное состояние исследований прочности трубобетонных элементов прямоугольного сечения и устойчивости арочных систем; .

В области применения и расчета трубобетонных конструкций известны работы Н.Н.Аистова, Б.М.Броуде, А.А.Гвоздева, А.А.Должен-ко, А.Й.Кикина, О.Кебенко, С.Г.Кусябгалиева, З.М.Курлеутова, Л.К.Лукши, Л.З.Яопатто. ' -Р.С.Санжаровского, Л.И.Стороженко, ' В.А.Трулля, В.А.Шеховцова и др. Трубобетонные конструкции прямоугольного поперечногЬ сечения исследовали А.Д.Арсланханов, В.В.Дя-дюра, И.Г.Дюдковский, А.Л.Нестерович, П.Л.Плахотный, Р.И.Рабино-. вич, В.М.Фонов, Э.Д.Чихладзе,. H.Bode, F.Hofmn, O.Yoshlkawa, H.Nakai, Т.Kitacia и др.

Исследования напряженно-деформированного состояния трубобе- ' гона прямоугольного сечения, проведенные Э.Д.Чиоадзе, подтвержденные многочисленными опытными данными, показали, что прочность бетона в прямоугольной"обойме увеличивается в 1.1-1.43 раза в зависимости от отношения размеров сечения.

В настоящее время все большее распространение в практике,' .. строительства находят арочные конструкции. Обладающие экономич-

ностья к архитектурной выразительностью, -они. позволяют максималь но использовать полезный объем в зданиях различного назначения.

Большой вклад в теоркю расчета устойчивости арок внесл А.Н.Еинкик, И.В'.Карнаухов, А.Ш.Локган, С.П.Тимошенко. Характерно особенность» их исследований является решение-задач устойчивост. сжатых и лишь ебцж подход к решению скато-изогнутых арок. Сред: главных трудностей в их разч-с-ге А.Н.Дикиком называются перемеще-' ния из уже деформированного состояния \и связанная с этим нелиней ность полученных дифференциальных уравнений, а" тадже необходи мост?, учета изменения приложения сил и моментов при искривлени: арки. . '

С.А.Вернштейн отмечаем, что задача расчёта арки ' не мохе1 считаться разрешенной полностью, 'если не учитываются изменена формы оси аркл вед нагрузкой. Даже незначительные упругие перемещения оси создают заметное отклонение от кривой давления, -вызыва появление дополнительных изгибзэщ:х моментов. Трудности этой за дачи черегвькаико велики, так как она нелинейна и требует учет; изменения расчетной схеш под нагрузкой.

А.М.Гучмазоза, Р. С.Сачкаровский, Б.А.Ярцев используют мето-;ды, основанные на модели упругопластического тела, и .рассматривают устойчивость арочных систем с позиции устойчивого движения.

• Используя метод предельных равновесий, устойчивость арочны; систем рассматривали А.Р.Ржаницын, В.Г.Себешев, Е.Г.Мельников, А; В.Мищенко; В. А. Чаплинский и др. Однако, отмечается , 'что использование метода предельного равновесия для расчета аро«, загружённых комбинированными и непропорциональными нагрузками, возможно лишь- в некоторых случаях. Как правило,-, предлагается использовать'приближенное решение, основанное на переводе решения задачи к "типовым" схемам загружения.

В этом смысле, метод исследования напряженно-деформированно го состояния и усФойчивости строительных конструкций, разработан ный Р.С.Санжаровским,- позволяем рассчитывать- арки с любой найруз . кой, ■ очертанием и статической схемой, В нем используется совре менная модель упругопластйческого тела и рассматривается устойчи вость движения.- ■ ■ .

•Проведенный анализ nontjan, что в настоящее время достаточж подробно изучены вопросы прочности трубобетокных элементов прямоугольного сечения- и разработаны методы исследования устойчивост!

строительных конструкций применимые к арочных системах._Для ресе--тая поставленных задач исиольгуггся ые^од профессора С. Сакжаровского.

Бо второй главе приводится теоретическое решение ьадачи устойчивости двухшаршфжх трубооетонкых apoi-r г.р.шоугояьзого сечения при действии квазксгатлческол кратковременной нагрузки. Исследование выполнено на основе следугакх доауцгиий: усгойчкгогть кз плоскости арки обеспечена;' деформации в'сечениях арки распре-. делаются по линейному еакону, смесеазе нейтрал-згя- осей эпюр деформаций и напрякеаий отсутствует; с?гль и бетон удовлетворяю? вдеахиехровагшой диаграмме прандтля; бетон растгкутгй гскы сечения в работу ке вксючаесся. ' .

Рассматриваемся двуха&рнйряая трубсбётснк&я за;-:?, ярсизьагь-ксго очертания, подвергнутая Есздействлй проксволькьк квагнстати-ческих нагрузок, лркьедшш к сссредоточзнн:;:-; и лрк&окенных з расчетных сечекилх е соответствии с рисунком 1.

Ось арки йплрсксяяируется гатерлагаиковзым псгяксмда Лагран-жа для неравнсотстся1!у'!>; углов, Первач и вторая производные полинома з любом сечени;; арки с учетом того; что в оперных углах перемещения не могут принимать значения, 'стякдою от нуля', определяются по формулам

' (У'Ъ » СиУат^1У2+..-+СгиУп -ДСмУ!, (1)

(У"Ь = Dijyit-D2jy2+.. .•+Dnjyn=i£ DuVi, (2)

где'Ci j(х\),0и (xt) -. функции.определяем» Дй&^еренцкроБанием коздещлектов полинома Лагранжа, Выражение изменения хривигны- оси арки и деформации удлинения центра тяхести сечений приняты в виде '

d2v' ' 1 fju

+--( f3)

CS<- pjO dS

du . v

Sep = ---— , (4)

c,3 P>0

где v - а^ремецекпе сечения аркк вдоль радиуса кривизны; u - перемещение с ташчнуйбльнои направлении;

Рисунок 1 - Расчетная схема арки

/ Рзо - радиус кривизны, оси арки до реформации; ■ £ср - продольные деформации центра тяжести сечения.

Исходя из геометрических соображений- приняты следующие вь жения: "

<3и бу . ' ЙУ - <1у

17 " 1Г - 1Г .у - : х - .

УЗ-.((х^хЛо)г+(УгУло)г) -00+вю). •'•

УгУю

где У) - ордината оси арки в' процессе реформирования; УЮ - ордината недеформированной оси арки; хз абсцисса оси арки в процессе деформирования;

Х]0 - абсцисса недсформированной оси арки;

8ю - угол наклона касательной к горизонту о"-го сечения до

начала деформаций. Используя выражение связи кривизны с краевыми деформациями,, учетом (1).(2) 'й (5), (3) представляется в виде

£ с.т-' (б)

Ь • 1=2 . рзо^Озо Ы РзоЬйв^о

де еи.ег! - краевые деформации;

Ь >- наибольшая высота сечения арки в плоскости изгиба;

СзО=(-~-| Сио-Уш , Эцо-Ую "

^ Й '0 1=1 'О 1 = 1

Фоизводные полинома Лагранжа (!),(£) определенные для недеформи-эованной оси арки. '

Выражение (4) с учетом (1) и (5) принимает вид

, 1 Ё с11Уг : Л-м^гцумЪ.

г 1(16^0 1-1 Pj0

•51п(агс1с!' ■ -90+0^ о).

У:-У30 •' ' ,

• Главный момент и главьый-вектор зпюры нормальных напряжений

относительно оси,, проходящей через центр тяжести сечения арки,

определяется из соотношений:

мл®к [ бгй? -щ*н(в¡,тs); ' Р^вн - I бар -р^б,. (8)

где б^Т] - неизвестные'характеризующие напряженно-деформированное' состояние сечений (смотри рисунок 2).

Эпюра нормальных напряжений стали и бетона в поперечных сечениях ' арки по длине может принимать несколько вариантов очертания в соответствии с рисунком 2. При определении главного момента и главного вектора напряжения сжатия и внутренние моменты,.. направленные против часовой стрелки от.оситедьно центра тяжести сечения, считаются положительными. Толщина стенки стальной оболочки I, ширина сечения,арки в, нормативное сопротивление стальной оболочки бт и предел прочности бетона в трубе бт6 являются известными величинами. Параметр, с^ при помощи принятой гипотезы "плоских

Чг 7 Ъ6

с"гб £,2 '

(7!=(7г =81

Сг'

VI

Ст С^-Ст^

Е1

VII

4

С} - С>у ^

б!

Е*

Ь '

1+б-т-с

7' "о

б+Г

.рз-Ст

Г-2Й4Т

VIII

СгСт ~Ст

сг-ст

Рисунок 2 — Варианты расчетных схем агаор нормальных напряжений.и продольных деформаций в поперечных сечениях арки

сечений выражается через бз и т^.

Для отсеченных расчетными сечениями частей арки составляются '■ уравнения равновесия:

Рэ^в^в^в^]!!: (Ркхсоз8^)- £ (Ркуз1п9Л)-Р^вн-0, (9)

л^О . К-О

(Кэ+Рох)У1+(Роу-Ка)х^^'\Рк5!(УгУк))+ Ё!(Рку(хг*к))+М1вн-0. <10) к-1 . к»1

.. Дополнительно записываются уравнения равновесия всей арки в проекциях на оси координат • • 1

(гз-И?4+ "^Рк* - 0, "^Р^ = 0, (11) "

к=0 к=0 ■

где R1.R2.R3.R4 - реакции опор арки.

. Продифференцировав по времени уравнения (1), (6), (7),(8), (9), (10) и (11) получим

1 . • П 9Си . . Д ЭСг

---2а " Л 'я,- ^ + 'яГ " ■ (12)

соз^^ 1=1 от 1-1 оЬ

£Т . П бБи . ' й'.ЗОц . - —о— б^ - £ XI + .2 я Уз + .(13)

. б^ 1-1 31 г=1 81

1 ^ Зсц ; • 1 £ Зси ^ - ;

р/о Ы8;)о -Ы- 31 - pjо td8jo 1-1 Зt .

£т . .. £тТЗ . 1 ' П Эси . '1 п ЭСц

-ГгГ "Т^-Л—5Г- + „О . Л—5Г- ^

+

.61 1 бзг \ тл01-1 & ъавоо 1-1' 31 .

• + —[(2(Хг?<до)^+2(у^Уло)Уд)-51п(агсг<3 Х'3 -Хд0 ■ -90+8зО)+ РЗО1- УГУЭО :

+ ((х1-х3о)г+(УгУ^о)2)'СОз(агс1сЬ-1^—^--90+8^)

УгУзо .

о

(УгУю)ХЛ-(Ха-Х^о)Уа

■] ■

, Я 0^0 К ,2 • (Уз-Узо)2 . ---+ -

1 УгУзо '-2 180 / . . ' . .

'5 • • •

-Rзsin8jSj+cosejRз+RlCOs9jЙj+siгl6iRl+k¿o(-Pкxsin0,jSj)+ . (15)

1

+, £ (СО^Рк*)- £ (-РкУСО£Зв^',- ¿^(31П0^РкУ) к=0 ; К=0 к=0

и

эрзвн . ■ др1вн .

К-1 К--1

ам1вн . амзвн .

•

п+1 .

Яз+Я4+. , Е РкХ - о, (17

Мг?.- ^ Рку- » о; , (18

кИЭ

Заменяя для краткости дифференциальные уравнения (12)-(18 соответственно на Р1,...,Р7, представим их-в следующем, виде

и ' • ' ' '

4(х-1 ,е3,б3.гь,R2.R3.R4.Xi,yi.6j.6i.,Ьйкг,к3,к^лу-

~~ (XI .yi.0j.6j .61 .б^'.Т!.^ .Йг.Бз.ЦЛ)'

<3 ' '■ '

Гз(Х',У*,У1..Ьз,тз ,Й1,кг• Й?,дг. С

где ' -т'-яя^тся от 0 зз'||»1.*

Система линейных дифференциальных уравнений (19) описываэт движение арки под воздействием внешней нагрузки, изменения реакций опор и деформаций в сечениях по всей длине арки, позволяет производить шаговый расчет арки по деформированной схеме. Ее решение производится методом Рунге-Кутта по стандартным программам. Система уравнений (19) позволяет рассматривать арки с различными условиями опирания. Для двухшарнирной арки, как наиболее приемлемой к применению трубобетона благодаря наилучшему распределению изгибающих моментов по .длине • и наименьшим эксцентриситетам, необходимо учитывать . следующие граничные условия: хо=0; Хп+1= Х(п+1)о; Уо=" Уп-н-0; Мо= Мп+1=0.

Система уравнений в вариациях для исследования виртуального состояния трубобетонной 'арки примет следующий вид

—4г 8Х! + .2,-- О1 ■

СОЗ^в, 3 .1 = 1 ОХ, 3 1 = 1 ОУз 3

55, + г,у, ♦

^ J 1=1 Эх 1=1 оу 4 •

1 Я вСи .. 1 с

> Лжг.1~ Х-Чь*- ^ - О

р^аЛсЮ^о 1=1 Зх 3 . рзо 1с!8]0 1-1 Эу

_|т_ щ 5б.+ е - 1__. е _зсц_ б б, -1 б/ 1 1сЗе^о.1=1 дк, - . 3 -1=1 ЗУ4..

+ ((xrxio)2+(УrУiOJ)2)•c.os(aгctd-~^if- -30+в10)'

1_■ (У.-гУзО^Хд-(Хд-Х^буз j

УГУэО

. (у*-......у

и < п вЮ Я у* (УгуТоГ

\ Уз-УзО -2 180 >

ЯззШО; т> + со59,5!?з+Н1Соз9}5В; Ыпв; (-Рк^Зпв;,- ) +

ч яр.ВИ • Яр вн .

^(-Рк^созе^) - - Ю, =0

' 1 -1 • '

1п-^Кз+Ро*^' IН'оу5хг Я-Зх^-х,№г+' ¡\Е и^й'/гР^вук) +

I к 1

-йхк) С -гхг- 8г, ♦ 56, - о

I ' - .

! -I 5Кл -- 0'' '

+ и!:2 = 0. . • '

Для выполнения критического состояния необходимо наличие ш нулевого ' решения системы (20), ' т.е. , наличие ненулевого векто[ приращений координат Xj,уj, углов поворотов 8j, характерисп напряженно-деформированного состояния расчетных сечений ар; Cj.Tj, а также приращений опорных реакций Ri,R2,R3ÍR4. Уто во; . можно, при равенстве нулю определителя составленного из коэффищ ентов при вариациях. Нагрузка, соответствующая такому состояния является критической нагрузкой вызывающей потерю устойчивое, i . двухшарнирной трубобетонной арки прямоугольного сечения наход! щейся, в условиях. кратковременного загружения.

Система уравнений описывающая варьированное состояние трубе бетонной арки (20) полностью соответствует системе дифферс.циалз ных уравнений движения (19). Следовательно решая систему (19) определяя напряженно-деформированное состояние арки при фиксирс ванной нагрузке, не. возникает трудностей с одновременной прове[ кой условия потери устойчивости.

Кроме анзлиза устойчивости, на-каждом шаге расчета автомап чески проверяется- потеря несущей способности трубобетонной api по прочности. За исчерпание прочности в сечениях арки принимаете достижение деформаций стальной оболочки значений текучести ет i .всему сечению, либо достижение деформациями бетона сжатой ллоща! сечения - деформаций текучести бетона в трубе £тб-

Разработанная методика -при корректировке главного, момента главного вектора эпюры нормальных напряжений (8) может. быть и< пользована при исследовании и расчете арок изготрвленш'Г; из любе г го материала. . •

В третьей главе изложена методика и результаты экспериме! т&иьных исследований двухшарнирных трубобетонных арок прямоугол1 ного сечения при кратковременном: загружении. Целью экспериме! тальных исследований являлась проверка теоретических положений i определению критической нагрузки потери устойчивости и чнапряже1 но-деформированного состояния арок.

Для испытания были изготовлены шесть трубобетонных арок одна стальная, не заполненная бетоном. Габариты aptyr принимали« исходя из масштаба.1/5-1/8 от реальных размеров. Пролет арок, 1 принят равным 3000"мм, стрела подъема, f, 1500 мм, высота сеч( ния, h, .100 мм, 1гарина сечения, Ь, 60 мм и толщина стальной обе .лочки, t, принята равной 2 мм. Площадь поперечного сечения ста;

оставила 6.4 сьг, бетона ~ 53.6 см2, коэффициент армирования и 1авен 0.12. Арки собирались из двух полуарок, состоящих в свою >чередь из трех гнутосварных прямолинейных элементов. 'Заполнение юлуарок бетоном производилось в вертикальном положении с вибрированием на виброплощадке. ' '

Механические характеристики' заполнителя и обоймы определялись испытанием стандартных образцов стали и бетона. В результате испытаний получено: предел упругости стали бу равен 233.4 МПа; предел текучести стали'бт, равен 239.6 МПа; деформации, соответствующие пределу упругости £у и текучести ет равны' 1.11-10"3 и 2.07-10"3; модуль-упругости стали Е равен 2.1-105 МПа; прочность бетона на сжатие Иьп равна 11.2 МПа; начальный модуль упругости бетона Еь равен 23.1 МПа.

Для определения предела прочности бетона в трубе и с целью сравнения его с теоретическим значением,- найденным по методике Э.Д.Чихладэе, испытаны пять коротких образцов с отношением длины 1 к меньшей стороне сечения в, равным 5. Размеры сьчения и материал образцов такие же, как у экспериментальных арок. Длина образцов равна 300 мм. После статистической обработки данных испытания коротких трубобетонных образцов получены следующие результаты: предел прочности бетона в трубе 6тб равен 17.1 МПа; максимальные напряжения в стали достигали 244.5 МПа; критическая нагрузка в среднем составила- 395 кН при ее "теоретическом значении, равном 370 кН; ■ разница между теоретическими и экспериментальными значениями критической ^нагрузки составила 7 процентов; прочность бекона в трубе повысилась'в. 1.48 раза.'

Загружение производилось по расчетной ёхеме двухшарнирной арки, нагруженной четырьмя равными вертикальными силами в соответствии с рисунком 3. . .

Трубобетонные арки разделены натри серии. Четыре арки .первой серии испытывались в виде одиночных конструкций, раскрепленных в узлах и на опорах из плоскости при помощи закрепленных к неподвижным упорам распорок, имеющих шаровые шарниры в месте соприкасания с аркой. Две арки второй серии для имитации их'.работы.в системе каркаса здания испытывались в. виде блока, из двух арок, •скрепленных' между собой системой связей. Раскрепление арок иа плоскости при помощи упоров не проводилось. Стальная арка третьей серии, не'заполненная бетоном, испытывала» аналогично аркам пер- -

Рисунок 3 - Расчетная схема экспериментальной

арки

вой серии. ' .

При испытании трубобетонных арок создавались условия их работы, отвечающие теоретической постановке задачи/ Для обеспечения плоской формы изгиба арки тщательно выверялись по нанесенным на них заранее рискам и серединам пуансонов домкратов, вертикальность также контролировалась с помощью геодезических приборов.

Для определения критических нагрузок, вызывающих потерю устойчивости, арки загружались до полной потери несущей способности. Нагружение экспериментальных арок осуществлялось ступенями, равными 10 процентам от предполагаемой критической нагрузки. Ступень загружения ■ принята равной 30 кН. После каждого загружения для стабилизации деформаций делалась пауза в течение 15 минут, после чего снимались отчеты по приборам. При достижении продольными деформациями стальной оболочки предельных деформаций упругости, равных 1.11-Ю-3, ступень нагружения уменьшалась до 5 кН,

а выдержка увеличивалась до полного затухания роста деформаций. За критическую экспериментальную нагрузку, характеризующую предельное состояние трубобетонной арки, принималась нагрузка, при которой начинался интенсивный рост прогибов и деформаций.

Для измерения продольных и поперечных деформаций стальной оболочки использовались тензодатчики омического сопротивления'с .базой 10 мм и чувствительностью, равной 2.07. Величины перемещений узлов арки определялись при помощи прогибомеров Аистова ЛАО-6 с ценой деления 0.001 мм.. Для контроля перемещений опорных.частей,, арки применялись индикаторы часового типа с базой 10 мм, ценой деления 0.01 мм. Схема расположения измерительных приборов и тен-зорезисторов экспериментальной арки показана на рисунке 3. Снятие отчетов по приборам-и тенйорезисторам производилась после каждой . ступени загружения. Информация о деформациях снималась при помощи измерительной системы СИИТ-3 с выводом на- печатающее устройство.

Основным результатом экспериментального исследования являют- . ся величины критических-нагрузок, при которых трубобетонные.арки теряли устойчивость. Величины критических нагрузок, а также соот-. вегствующие•им изгибающие моменты и продольные силы в, сечениях ■ 1-1 и 2-2 в соответствии с рисунком 4,, где" произошла потеря ус- тойчивости, приведены в таблице 1.;

Теоретическое значение критической нагрузки определялось, по■ методике, изложенной в предыдущей главе. Для этого разработаны программы по формированию Полинома Лагранжа и системы дифференци- . альных уравнений (19)/'а/также использованы стандартные программы решения систем' дифференциальных уравнений методом. Рунге-Кутта и . определению производных от многочленов. , • ° .

Как видно из таблицы 1, расхождение между теоретическим и экспериментальными критическими нагрузками находится в пределах 10 процентов. Различие в ' результатах первой и второй серии не наблюдается. Несущая способность грубобетонных арок в сравнении со стальной', не заполненной бетоном,- увеличилась примерно- в'В.6 • ' раза. •

Разрушение трубобетонных арок происходило после потери общей устойчивости по симметричной форме в.виде трех полуволн синусби-'

•да- '-... ' - -

Проведенные испытания "позволили получить результаты в виде величин относительных продольных и поперечных, деформаций,, величин

прфгибомёры Апстова

Е^я-И

' | | - индикаторы часовйго типа г??

Рисунок 4 - Схема, расположения измерительных

приборов

200 150

150 200

Рисунок. 5 — Зависимости нагрузка— продольны?, деформации нагрузка-поперечные деформации в сечении 1-

'аблица 1 - Критические нагрузки

Марка Экспери- Теорети- Расхож- Изгиб. Продоль. Эксцент-

арки ментам. . ческая , ■ дение, момент сила риситет,'

FsKcru^H Ртеор.кН '% М, кНм N, кН м-10"2

AI -I ОС1 с* 304.5 5.8 " 4,32 191.3 • 2^26

А2-] 330 . 304.5 8.3 4.37 196.1 2.23'.

A3-1 334 304.5 9.7 4.41 193.2 2.23

A4- I ' 325 ■ 304.5- , 6.8 4.34 193.2 2.25

AI-И 329 304.5 8.0 4.36 195.9 . 2.23

А2- 11 321 304.5 5.5 4.31' 190.4 2^26

AI-III ' 128 -

абсцисс и ординат расчетных сечений деформированной оси арок в ! процессе загружения. . . • '••.''

Полученные измерения после .их обработки методами математической статистики, позволили построить графики зависимостей нагрузка-продольные деформации и ,нагрузка-поперечные деформации в сечениях ,• где устанавливались т'ензорезисторы. Зависимости для сечения 1-1 (2-2), где деформации достигли своего максимального, значения для арок первой и. второй серии, приводятся на рисунке 4. j Зависимости показывают, что до нагрузки. 280 кН деформаций сталь- j ной оболочки малы. После этого начинается интенсивный рост/про-, дольных деформаций на вогнутой- и выпуклой части сечения арки.' За последующие 40 кН возрастали.: нагрузки продольные деформации дос- ' тигают пластической стадии, после чего наступает потеря, устойчи-- j вости трубобетонных арок. - . >

По.данным испытаний к теоретическому расчету построены эпюры продольных. деформации в процессе возрастания нагрузки в сечении,• где они достигли наибольшего своего значения. Сравнение экспериментальных и теоретических продольных деформаций показало'их ;

удовлетворительное совпадение. .

Анализ экспериментальных ' и теоретических значений абсцисс и ординат узлов арок в процессе деформирования, а также их- приращений показал, что до нагрузки порядка 280-кН прогибы малы. После этого .происходит их резкое возрастание '• в расчетных Сечениях 1, 5 и 9 , что характерно для непологих двухшарнирных арок при симметричной форме загружения ввиду искривления их реи по трем полуволнам синусоиды. Поэтому в двухшарнирных трубобетонных арках наблюдается такое же явление. Сопоставляя экспериментальные и теоретические величины перемещений сечений, можно сделать вывод об их хорошей сходимости. Сравнивая нагрузку, при которой происходит интенсивный рост прогибов и нагрузку, с которой начался р&т продольных деформаций, можно сделать вывод, что рост продольных деформаций происходит ввиду нарастания прогибов.

" В четвертой главе приведены блок-схема и .алгоритм исследования напряженно-деформированного состояния и устойчивости двухшар-. нирных Трубобетонных арок, блок-схема и алгоритм подбора размеров поперечного сечения двухшарнирной•трубобетонной арки для составления программных комплексов • на персональных компьютерах. Даны рекомендации по изготовлению и практическому применению результатов исследований.

г1

•ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 На основании проведенных исследований предложе!'''новый вид строительных конструкций -' двухиарнирные трубобетонные арки • прямоугольного сечения. . % ' .

2 Разработка методика исследования устойчивости и напряженно-деформированного состояния двухшарнирных трубобетонных арок, учитывающая деформированное состояние ее оси.

3 Получены опытные данные по величинам критических 4 нагрузок й напряженно-деформированному состоянию двухша! мирных трубобетонных арок.

• 4 Сравнение теоретических и экспериментальны*, результатов исследований показали их хорошее совпадечие.

5 Разработаны алгоритмы исследования напряженно-деформированного состояния д устойчивости, а также подбора сечений двухшарнирных .трубобетонных арок.

б Предложены практические рекомендации по изготовлению,, и применению двухшарнирнцх трубобетонных арок.

Основные .положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Нугуманов ДЛ. Устойчивость упругоПластической двухшар-нирной трубобетснной арки при кратковременном .загружении//50-я междунар.науч.-техн.конф. молодых ученых с участием докторантов, аспирантов и студентов/С. -пегерО. тос, архитекгурно-строит.ун-г.-СПб,, 1996.'-С. 34-38; . '

2 Нугуманов Д. Т. .Устойчивость упругопластической Двухшар-нирной трубобетонной арки при кратковременном загружении с учетом, деформированного -состояния/Вост.-Казахстанский техн.ун-т. -Усть-Каменогорск, 1996.-15 е.- Дел', в Каз.гос'.ин-те науч.техн.информ. 23.10.96,N7223-На 96; . ■

3 Кусябгалиев С.Г., Нугуманов Д,Т. Экспериментально-теоретическое исследование .несущей способности арок из трубобетона //Проблемы науч.-техн.прогресса в развитии региона и отраслей нар. хоз-ва:Тез.докл. XXXI, XXXII науч. - техн. конф./Усть-Каменогорский строит.-дорож.ин-т.-Усть-Каменогорск,1993.-Ч.II.-С.18-19; •

• 4 Кусябгалиев С.Г., Нугуманов Д.Т. Несущая способность бе&-моментных арок из трубобетона/ЛТроблемы ' науч.-техн.прогресса в • развитии регибна и отраслей нар.хоз-ва:Тез. докл.XXXIII науч.-техн. конф./Усть-Каменогорский строит.-доролс. ин-т. -Усть-Каменогорск, 1993.-С. 29-31. .''■..