автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Влияние конструктивных факторов на перераспределение усилий в стержневых железобетонных конструкциях

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КХАНАТИ БАШАР

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ФАКТОРОВ НА ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЙ В СТЕРЖНЕВЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции,

На правах рукописи

здания и сооружения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ доктор технических наук, профессор

Л.Л. ПАНЫ1ШН

Москва - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ ......................................... 3

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ........................................... 7

2Л. Перераспределение усилий как основной фактор, определяющий напряженно - деформированное состояние железобетонных конструкций............................... 7

2.2. Нелинейные свойства бетона........................... 14

2.3. Нелинейные свойства арматуры......................... 23

2.4. Нелинейные свойства железобетона...................... 30

2.5. Методы расчета железобетонных конструкций с учетом пластических свойств железобетона...................... 41

2.6. Формулировка целей, задач и методов диссертационного исследования..................................... 49

3. ЖЕСТКОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ........50

3.1. Диаграмма момент — кривизна...........................50

3.2. Экспериментальная проверка метода, реализованного в программе АРКАН .'.....................................66

3.3. Сопоставление расчетов параметров напряженно - дефор-рмированного состояния сечения, выполненных по программе АРКАН, и действующих норм проектирования железобетонных конструкций............................ 89

4. ИТЕРАЦИОННЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА СТЕРЖНЕВЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СИСТЕМ...........................101

4.1. Основные положения метода............................ 101

4.2. Экспериментальная проверка метода..................... 107

5. ИССЛЕДОВАНИЕ СТЕПЕНИ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ УСИЛИЙ В ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ КОНСТРУКТИВНЫХ ФАКТОРОВ...... 121

6. ВЫВОДЫ.............................................. 170

7. ЛИТЕРАТУРА.......................................... 172

-3 -

1 . ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В соответствии с действующими строительными нормами [ 100 ] железобетонные конструкции следует расчитывать и проектировать с учетом перераспределения усилий в результате неупругих деформаций бетона и арматуры и наличия трещин.

В настоящее время в исследованиях и в проектировании для оценки перераспределения усилий в железобетонных конструктивных системах применяют два основных подхода: метод предельного равновесия и различные методы, учитывающие постепенное изменение жесткостных характеристик конструктивных элементов в процессе нагружения.

Метод предельного равновесия получил широкое распространение благодаря относительной простоте и достаточной для практических целей точности при определении разрушающих нагрузок. Вместе с тем этот метод имеет существенные ограничения. т. к. его основная предпосылка об идеальной пластичности материала далеко не всегда соответствует реальности и для некоторых вариантов конструктивных решений может привести к невполне адекватным количественным оценкам.

Вторая группа методов использует расчетные схемы и алгоритмы, точнее отражающие действительный характер напряженно - деформированного состояния конструкций на различных стадиях их работы, что позволяет получить более точные результаты для широкого диапазона конструктивных решений. Однако в настоящее время применяемые методические подходы и алгоритмы отличаются большим разнообразием, а выработка единых подходов и рекомендаций еще далека от завершения.

В этой связи представляется актуальной задача научного обоснования возможности использования в практике прикладных исследований и проектирования статически неопределимых железобетонных конструкций методами расчета, учитывающих близкие к действительности закономерности из-

менения жесткостных характеристик элементов в процессе нагружения. Представляется также целесообразным анализ влияния некоторых конструктивных факторов на характер и степень перераспределения усилий на основе количественных оценок, полученных в результате многофакторного численного эксперимента. Аналогичные исследования выполнялись различными авторами, однако имеющихся данных еще не достаточно, принимая во внимание новизну этих методов, возможность их применения наряду с методами, предусмотренными нормами, а также существующие тенденции к закреплению основных расчетных положений в нормативных документах.

Целью настоящей работы является выполнение дополнительных научных обоснований возможности и целесообразности использования в практике прикладных исследований и проектирования статически неопределимых железобетонных конструкций методов расчета . учитывающих реальные особенности изменения напряженно - деформированного состояния конструкций при нагружении, пополнение доказательной базы адекватности используемых расчетных моделей и алгоритмов, а также количественная оценка влияния некоторых конструктивных факторов на интенсивность процессов перераспределения усилий в элементах стержневых железобетонных конструктивных систем.

Для доетижния поставленной цели решены следующие задачи :

- выполнен анализ современных методов учета перераспределения усилий в стержневых железобетонных конструкциях и выбраны наиболее эффективные методы расчета;

- выполнена оценка точности теоретического определения жесткостных характеристик железобетонных сечений на основе выбранных методов. опирающихся на описание физико - мехнических характеристик бетона и арматуры с помощью полных диаграмм деформирования. путем сопоставлений с результатами экспериментов и с нормативными требованиями;

- проверена точность оценки закономерностей перераспределения усилий в стержневых железобетонных конструкциях с помощью сопоставления теоретических оценок с результатами экспериментов;

- исследовано влияние наиболее существенных конструктивных факторов на степень перераспределения усилий и разработаны рекомендации по проектированию.

Научная новизна работы заключается в следующем :

- установлены новые дополнительные объективные оценки степени точности выбранных методов расчета напряженно - деформированного состояния и жесткостных характеристик железобетонных конструкций на различных стадиях их работы путем сопоставления с результатами экспериментов и нормированных требований;

- установлены новые дополнительные объективные оценки степени точности выбранных методов расчета железобетонных стержневых конструктивных систем с учетом нелинейных деформаций бетона и арматуры и наличия трещин путем сопоставления с результатами экспериментов ;

- определено влияние жесткости опорных закреплений железобетонных элементов стержневых несущих систем на степень перераспределения усилий ;

- определено влияние схемы и количественных параметров армирования сечений на степень перераспределения усилий.

На защиту выносятся :

- результаты новых выполненных автором сопоставлений теоретических оценок степени точности выбранных методов расчета напряженно - деформированного состояния и жесткостных характеристик сечений железобетонных конструкций на различных стадиях их работы путем сопоставления с экспериментальными данными и нормированными требованиями;

- результаты новых выполненных автором сопоставлений теоретических оценок степени точности выбранных методов расчета железобетонных стержневых систем с учетом перераспределения усилий в результате нелинейных деформаций бетона и арматуры с экспериментальными данными ;

- количественные результаты расчетных исследований перераспределения усилий в стержневых железобетонных, конструктивных системах с учетом жесткости опорных закреплений и схемы армирования элементов .

Практическое значение работы связано с достаточно всесторонней и объективной оценкой точности рассмотренных методов расчета железобетонных конструкций с учетом нелинейного их деформирования и формулировкой на этой основе конкретных рекомендаций по применению исследованного расчетного аппарата при проектировании железобетонных конструкций с учетом перераспределения усилий.

Апробация работы : диссертация рассмотрена и одобрена на заседании кафедры железобетонных и каменных конструкций МГСУ 15 января 1999 г.

Объем и структура работы : диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы . Общий объем работы 185 страниц , в том числе страниц текста - 92 , таблиц - 23 , рисунков - 56. Список литературы содержит 130 наименований .

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ. 2.1. Перераспределение усилий как основной фактор, определяющий напряженно - деформированное состояние железобетонных конструкций .

К настоящему времени накоплен большой экспериментальный и теоретический материал в направлении изучения перераспределения усилий и несущей способности статически неопределимых конструкций с учетом пластических свойств арматуры и бетона.

В СССР первые исследования по изучению перераспределения усилий в железобетонных стержневых конструкциях произведены в 1932 г. в ЦНИИПС В.И. Мурашевым и И.М. Котеликовым [ 62 ]. Было испытано шесть трехпролетных балок прямоугольного сечения .

Испытания показали, что прочность балок при неизвестной моментной кривой не зависит от соотношения предельных опорных и пролетных моментов, обусловленных армированием . Пластические деформации арматуры, возникающие при ее текучести, вызывают перераспределение усилий. В отношении перераспределения усилий до появления текучести арматуры каких - либо выводов сделано не было .

Г. Казинчи ( Венгрия, 1933 г.) в результате испытаний двадцати двух-пролетных балок пришел к выводу, что лишь текучесть арматуры вызывает перераспределение усилий в статически неопределимых железобетонных конструкциях [ 52 ] .

В 1936 г. В.Х. Гленвилем и Ф.Дж. Томасом [ 52 ] были испытаны шесть неразрезных двухпролетных балок и две рамы . Целью исследований было изучение перераспределения усилий не только за счет текучести арматуры, но и вследствие пластических деформаций сжатой зоны бетона. Постановка вопроса о перераспределении усилий за счет пластических деформаций сжатой зоны явилось новой и несомненно интересной проблемой, но в

опытах остался вне поля зрения этап работы балок и рам от момента появления первых трещин до текучести арматуры.

Обработка опытов Гленвиля и Томаса над неразрезными балками и рамами , содержащими армированные сечения, показала, что в них к моменту разрушения за счет пластических деформаций сжатого бетона произошло значительное, но неполное перераспределение усилий. Для полного перераспределения усилий, очевидно, не хватало пластических деформаций бетона сжатой зоны, которые собирались с короткого участка над средней опорой неразрезных балок и вверху колонн рам. Испытание рам и балок проводилось при молодом возрасте бетона и низкой его прочности [ 52 ] .

В 1936 — 1937 гг. в ЦНИИПС A.C. Щепотьевым и B.C. Булгаковым [ 109 ] было проведено испытание двух железобетонных неразрезных трех-пролетных балок таврового сечения и двухпролетной железобетонной рамы. Целью исследований являлась проверка теоретической величины разрушающей нагрузки, определенной с учетом перераспределения усилий и выявление картины постепенного разрушения статически неопределимых систем с момента появления первого пластического шарнира до полного разрушения . Попутно имелось в виду выявить , как влияет местное снижение жесткости, вызванное образованием и развитием трещин на перераспределение усилий в статически неопределимых системах .

При проведении испытаний опытных балок не было зафиксировано влияние образования трещин на распределение усилий. Это явилось следствием того, что в опытных балках трещины появились непосредственно перед образованием пластического шарнира и имели незначительное раскрытие .

Исследования на Г — образных рамах, проведенные А.Е. Кузьмичевым и С.М. Крыловым [ 52 ] имели целью проверить способность сжатой зоны

бетона допускать перераспределение усилий при достаточно высокой его прочности и старом возрасте .

Три рамы первой серии (РГ1— РГЗ) испытывались в возрасте 1,5 — 2 месяца, а две рамы этой же серии ( РГ4 — РГ5 ) — в годовом возрасте .

На развитие пластических деформаций в бетоне, необходимых для перераспределения усилий, существенную роль может сыграть время приложения нагрузки. Исчерпание прочности статически неопределимых конструкций при быстром приложении нагрузки может произойти при незначительном перераспределении усилий из - за недостатка времени для развития пластических деформаций сжатого бетона, а потому и при меньшей величине нагрузки по сравнению с медленным ее увеличением. Для изучения этого вопроса была испытана вторая серия рам (РГ6 - РГ9 ).

Второй случай внецентренного сжатия в колонне рамы создавался следующим образом. Посредством гидравлического домкрата в колонне центрально прикладывалась сжимающая сила N = 0,8 N где N - предельная теоретическая нагрузка при центральном сжатии. Затем с помощью рычага загружался ригель сосредоточенной нагрузкой. По мере роста сосредоточенного на ригель груза внутренняя грань колонны догружалась и доходила до своего предельного состояния . Дальнейшее повышение нагрузки на ригель становилось возможным только в следствие перераспределения усилий с колонны на ригель за счет пластических деформаций сжатого бетона колонны .

Опытные разрушающие нагрузки определяли по графикам прогибов ригеля под грузом, который распологался на расстоянии 600 мм от оси колонны . Нагрузка, при которой происходил перелом кривых прогибов, указывающий на усиленный рост деформаций при небольшом увеличении нагрузки , принималась за опытную разрушающую нагрузку. С ростом нагрузки на ригель происходит рост как опорных, так и пролетных моментов . По

достижении нагрузки на ригель некоторой величины (для рамы РГ1 2160) рост опорного момента прекращается и происходит более интенсивный рост пролетного момента. С ростом нагрузки опорный момент больше не возрастает , иногда наблюдается даже некоторое его падение. К прекращению роста момента в узле надпорная арматура ригеля была далека от текучести и перераспределение усилий происходило лишь за счет повышенной деформативности бетона наиболее сжатой грани колонны. Образовался своеобразный пластический шарнир, допускающий значительные деформации при практически постоянной величине опорного момента. Образование такого шарнира существенно повышает несущую способность рамы, что не учитывается при расчете рамы как упругой системы.

Разрушение опытных рам характеризовалось разрушением сжатой зоны бетона в пролетном сечении ригеля под нагрузкой и разрушением более сжатой грани колонны. Наиболее сжатая грань колонны разрушалась лишь после достижения пролетной растянутой арматурной текучести. Это говорит о том, что бетон колонны еще был способен дополнительно деформироваться и допускать дальнейшее перераспределение усилий.

Обобщая результаты эксперимента, С.М. Крылов делает следующий вывод : деформации колонны за счет пластических свойств бетона не приводит ее к разрушению или существенному ослаблению сопротивления к силовым воздействиям вплоть до исчерпания несущей способности рам. В проведенных испытаниях реализовалось полное перераспределение усилий: в узле рамы и в пролетном под грузом сечении моменты достигли своих предельных значений. При этом увеличение пролетного момента после достижения колонной предельного состояния составило примерно 70 % от расчетного по упругому состоянию. Деформации сжатого бетона колонны собирались с участка достаточной протяженности и колонна вела себя не как хрупкий, а как пластический элемент, следовательно, для расчета не-

сущей способности ( рам) можно использовать метод предельного равновесия .

A.M. Козловский [ 50 ] исследовал перераспределение усилий в статически неопределимых двухпролетных железобетонных рамах с шарнирно-закрепленными стойками при кратковременных нагружениях. За разрушающую принималась нагрузка, при которой в пластических шарнирах напряжения арматуры достигали предела текучести. При уровнях напряжения , превышающих 0,5 от разрушающих, сравнение опытных значений узловых моментов с расчетом как в упругой системе показало, что расхождение составляет от 10 % до 42 % .Отмечается , что с образованием трещин проходит резкое и наиболее значительное изменение усилий в элементах рамы, которое может привести к разрушению конструкции в тех сечениях, где расчет как упругих систем не дает максимального напряженного состояния . Предлагаются приближенные способы определения несуще�