автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Влияние различных режимов многократно-повторного статического нагружения на свойства бетона и работу железобетонных колонн

Pro од

РбсТОЭЙ'АЙ-ШГ-ДОНУ ГОСУДАРСТВЕННЛЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА

На правах рукописи

ХАЛИЛЬ АЕДЕПЬ-ХЛКК!.! АБ^ЛЬ-ХАЛИХ

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ РЕЗШОВ НКЖГОКРАШО-ПОВТОРНОГО СТАТИЧЕСКОГО нлшетсй НА СВОЙСТВА БЕТОНА И РАБОТ/ liEJEoOESТОННЫХ ШЮНН

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции,

здания я сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону - 1993

Работа выполнена на кафедре железобетонных и каменных конструкций Ростовской-на-Дону государственной академии строительства.

Научные руководители - заслуженный деятель науки и техники

PCQCP, доктор технических наук, профессор 1.1АИШН Р.Л. кандидат технических наук, старший научный сотрудник МАШИН Д.Р.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор ПЕРЕСШКИН E.H. кандидат технических наук ЧУБАРОВ В.Е.

Ведущая организация - институт "СевкавНИПИагропром".

Защита состоится " 25 " мая_1993 года в 10 часов 15 мин. на заседании специализированного Совета Д.063.06.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Ростов-ской-на-Дону государственной академии строительства по адресу: 344022, г.Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, ауд. 232.

С диссертацией иояно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан " " апреля 19ЭЗ г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ специализированного Совета кандидат технических наук, доцент

10,А.ВЕСЕЛЕВ

Актуальность тети Для повшешш эффективности капитального строительства и снижения его стоимости необход шло дальнейшее совершенствование методов расчета и проектирования строительных конструкции. Это в первую очередь относится к железобетонным конструкциям, являющимся основой современного строительства.

Ряд железобетонных конструкций в процессе эксплуатации подвергается различным сложным режимам нагружения. Зто могут быть повторные нагружения напряжениями одного знака; нагружения, разгрузки я повторные нагружения другого знака и т.д. В таких условиях могут работать колонны промышленных и гражданских зданий, стойки бункерных сооружений, мостов, эстакад и др. конструкций. Очевидно, что отмеченные режимы нагружения будут оказывать существенное влияние на свойства бетона и характер его диаграммы деформирования, что в свою очередь отражается на работе конструкций в целом. Ыезду тем в действующих нормах проектирования указания на этот счет отсутствуют.

Следует отметить немногочисленность исследований влияния режимов статического нагружения на работу сжатых конструкций. Кроме того,они в основном посвящены установлению влияния немногократно повторных сжимающих напряжений на после дущую работу при сжатии, т.е. охватывают только небольшую часть проблемы.

В последние годы существенно возрос интерес исследователей к методам расчета железобетонных конструкций с учетом полной ( с нисходящей ветвью) диаграммы деформирования бетона. Такие методы расчета в отличие от нормативных позволяют в ряде случаев (переармированные изгибаемые элементы, сжатые элементы с небольшими эксцентриситетами внешней силы) вскрыть дополнительные резервы экономии арматуры и бетона, а в других случаях - повысить надеж-

ность расчета. Для разработки методов расчета железобетонных конструкций с учетом фактических диаграмм деформирования бетона необходимо располагать аналитической зависимостью, связывающей напряжения и деформации бетона при сложных режимах нагружений. Такт предложения в настоящее время отсутствуют. Не разработана программа расчета на ЭВМ гибких железобетонных колонн при сложных режимах нешогонратно повторного статического нагружения, удобная для использования в проектной и исследовательской работе.

Исследованию этих малоизученных вопросов посвящена настоящая диссертационная работа. Решение поставленных в работе задач тлеет существенное значение для надежного и рационального проектирования гибки:: железобетонных колонн, подверженных различны.! режимам неглногократно повторного статического нагружения.

^посертациотг'п работы: исследование влияния различных режг: ■з немногократно повторного статического нагружения на диа-г;... . деформирования бетона, несущую способность, трещиностой-...зть я деформативность железобетонных стоек и разработка методов их расчета на основе полных с нисходящими ветвями диаграмм деформирования бетона, трансформированных в зависимости от режима и параметров нагружена.

Автот) защищает:

- результаты экспериментальных исследований несущей способности, деформативности и трещиностойкости гибких железобетонных колонн при различных режимах немногократно повторного статического нагружения;

- полученные корреляционные зависимости по учету влияния раз^ личных режимов немногократно повторного статического нагружения на свойства и диаграмму деформирования бетона при сжатии и растяжении;

- приближенную методику оценки влияния режимов повторного ст

тического нагруженпя на параметры диаграммы деформирования бетона при скати;: п растяжении, удобную для использования в инженерных расчетах;

- итерационно-шаговый метод расчета прочности, трещиностойкос-ти и деформаций гибких железобетонных колонн при сложных режимях нешогократно повторного статического нагруженпя, в котором использованы полные с нисходящими ветвями диаграммы деформироваши бетона при сжатии и растяжении с учетом их трансформации в зависимости от ренама и параметров нагруженпя; метод реализован в программе расчета на ЭШ.

Научная новизна таботн:

- разработан итерационно-шаговый метод расчета прочности, тре-щиностойкости и деформации колонн при сложных режимах немногократ-нс повторного статического нагруженпя с учетом полных с нисходящими ветвями диаграмм деформирования бетона при сжатии и растяжении, трансформированных в зависимости от режима и параметров нагруже-ния; составлены алгоритм и програша расчета на ЗБГЛ;

- получены новые экспериментальные данные о несущей способности, деформатпвнссти п трещиностойкостп гибких железобетонных колонн при различных режшлах немногощзатно повторного однозначного и знакопеременного нагруженпя;

- выявлено существенное влияние различных режимов немногократно повторного однозначного и знакопеременного нагруженпя на свойства и диаграмму деформирования бетона при сжатии и растяжении; установлена зависимость механических характеристик бетона от уровня повторных сжимающих или растягивающих напряжений, коэффициента ассиматрии цикла; получены корреляционные уравнения, учитывающие влияние основных факторов;

- разработана упрощенная методика приближенной оценки влияния

различных режимов статического нешогократно повторного нагрунения на параметры диаграммы дефорлирования бетона при сжатии и растяжении, удобная для использования в инженерных расчетах.

Достоверность предложенных методов расчета и разработанных рекомендаций подтверждается статистической обработкой опытных данных автора, выполненной с использованием метода математического планирования эксперимента, а также результатов численного эксперимента.

Практическое значение, и внедрение результатов работы

Разработана программа расчета на ЭВМ гибких железобетонных колонн при сложных режимах нешогократно повторного однозначного и знакопеременного нагрунения, удобная для использования в проект ной и исследовательской работе. Разработаны практические рекомендации по учету влияния различных режимов повторного нагрунения не параметры диаграммы деформирования бетона.

Использование разработанных автором рекомендаций позволит бс лее точно оценивать несущую способность, десдормативность и трещи-ностойкость гибких нелезобетонных колонн при сложных режимах нешогократно повторного нагрунения.

Разработанные рекомендации используются консультационным и» ненерныи центром при университете г. Танта (Египет), фирмой "АЛЬ ЗТИХАД" (Йемен) при проектировании производственных зданий.

Рекомендации по проектированию и расчету нелезобетонных колонн при сложных режимах немногократно повторного нагрунения переданы и используются институтом "СевкавНШПагропром" в проектной работе.

Результаты исследований автора внедрены также в учебный прс цесс в Ростовской-на-Дону государственной академии строительстве они включены в програмцу общего и специального курсов железобетонных конструкций для студентов строительных специальностей.

Апробация тэаботн п публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 2- . научных статьях.

Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на совещаниях Ростовского областного правления НТО Стройивдустрии, на научно-технических конференциях Ростовской-на-Дону государственной академии строительства в I99I-IS93 гг.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 112 наименований и двух приложений. Она содержит 103 страницы машинописного текста, 42 таблицы, 38 рисунков.

Диссертационная работа выполнена в Ростовской-на-Дону государственной академии строительства под руководством заслуженного деятеля науки и техники РСоСР, доктора технических наук, профессора Р.Л.йаиляна и кандидата технические наук, старшего научного сотрудника Д.Р.иаиляна.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние зотэоса. Изучении влияния режимов немногократно повторного нагружения на свойства бетона и работу железобетонных колонн посвящены исследования Бабича Е.1Л., Гвоздева A.A., Карпенко Н.И. ,Казачека Б.Г., Токарева А.Н., ::1апляна Д.Р., Шкаренко Л. П., ¡.¿'хаметдиева Т.А., Пецольда Т.:.!., Сухайля Н.::;., Чистякова Е.А., Пейкина А.Е. и др.

Основная масса выполненных исследований относится к режиму немногократно- повторного сжатия с последующим сжатием до разрушения. Остальные режга.и исследованы крайне недостаточно. Не разработана достоверная и удобная для практического использования методика учета различных режимов немногократно повторного нагружения на свойства бетона и характер его диаграммы деформирования. Пало данных о несущей способности деформатпвнссти и трещиностойкости колонн после малоцикловых знакопеременных нагружений, а также при изменении

на последнем цикле нагружения знака эксцентриситета внешней силы. Методы расчета и проектирования сжатых элементов при немногократно повторных однозначных я знакопеременных нагружениях требуют совершенствования.

Влияние различных режимов немногокпатно понтонного однозначного и знакопеременного нагружения на изменение свойств и диаграмм реформирования бетона. Объектом исследования являлись призмы из тяжелого бетона прочностью 40 Ша, размерами 100x100x400 mi.i.

Рассматривается шесть режимов нагружения призм: нешюго1фатно повторное сжатие с последующи испытанием на сжатие (п.сжатие -сжатие); немногократно повторное сжатие с последующим испытанием на растяжение (п.сжатие - растяжение); немногократно повторное растяжение с последующим испытанием на сжатие (п. растяжение - сжатие); немногократно повторное растяжение с последующи:.! испытанием на растяжение (п.растяжение - растяжение); немногократно повторное растяжение, затем немногократно-повторное сжатие с последующим испытанием на сжатсе (п.растяжение-п.сжатие) - сжатие; немногократно повторное сжатие, затем немного1фатно повторное растяжение с после' дующим испытанием на растяжение (п.сжатие-п.растяжение) - растяжение .

В качестве основных варьируемых факторов приняты уровень не-глного1фатно повторных напряжений (сжимающих или растягивающих)

Istu) = 0,3; 0,55; 0,8; коэффициент ассиметрии цикла P«(8t) = = (Ä /Ж '= 0; 0,3; 0,6.

1{оличесгво циклов предварительных немногократно повторных на-гружений (без учета последнего нагружения - до разрушения) составило п = 25...50. Призмы испытывались также на однократное воздействие сжимающей и растягивающей нагрузки.

Испытание призм производилось на прессе и разрывной машине.

Анализ результатов испытаний опытных бетонных призм показал,

что предварительные немногократно повторные однозначные ;г знакопеременные нагруженгл существенно изменяют прочностные и деформат::в-ные свойства бетона и вид диаграмм " (Эа - Се " и " (Уч - <5«t ".

Режим "п.сжатие - сжатие". Установлено, что после немногократ-

п ^^

но noBTopifflx сжимающих нагружений при U « 0,55 существенно возрастает призменная прочность бетона (до 32 %), модуль упругости бетона при сжатии Е» (до 34 %) и снижается предельная сжшлае-мость ¿вя (до 21 %). Наиболее значительное влияние на изменение характеристик бетона оказывает уровень повторных нагружена; 1« . При увеличении П^а с 0,3 до 0,55 наблюдается наибольший положительный эффект увеличения Rs и Ев , при дальнейшем повышении П/а до 0,0 отмеченные характеристики бетона снижаются по сравнения с максимальными значениями. Увеличение коэффициента ассиметрии. цикла с 0 до 0,6 снижает эффект влияния повторного нагруженпя на свойства бетона при сжатии.

Режим "п.сжатие - растяжение". Опыты показали, что после не-

п

многократно повторных сжимающих нагружений при Let 0,8 снижается прочность бетона на растяжение Ret (до 30 %), предельная растяжимость (jsw. (до 28 %) и повышается модуль упругости бетона Est (до 22 %). При увеличении уровня повторного сжатия U с 0,3 до 0,55 наблюдается наибольшее увеличение Est , при дальнейшем возрастании до 0,8 значения Est снижаются по сравнению с максимальными значениями. Снижение значений Rs и CeRt происходит тем интенсивнее, чем больше уровень повторных нагружений и меньше коэффициент ассиглетрии цикла.

Режим "п.растяжение - сжатие". С увеличением уровня повторив

него растяжения 1 Let до 0,8 наблюдается уменьшение прпзменной прочности бетона f\« (до 24 %), модуля упругости Еа (до 15 %) и предельной сжимаемости Csr. (до 19 %). Повышение коэффициента ассиглетрии цикла JV с 0 до 0,6 сникает эффект влияния повтор-

novo растяжения на свойства бетона при сжатии - коэффициенты, учитывающие изменение свойств бетона стремятся к единице.

Режим "п.растяжение - растяжение". Уровень повторных растяжений a,t оказывает неоднозначное влияние на свойства бетона, при е: увеличении с 0,3 до 0,55 наблэдается повышение прочности бетона на растяжение R«t(до 15 %) и предельной растяжимости CsRt (до 28 %). При дальнейшем повышении U до 0,8 указанные характеристп кп бетона снижаются и становятся меньше аналогичных характеристик исходного бетона. После повторных растяжений модуль упругости бета на Еиь снижается на всем диапазоне изменения П/и> . Увеличение J3«* снижает эффект влияния повторного растяжения на свойства бетона.

Режим "п.растяжение - п.сжатие - сжатие". При невысоком уровне начального немногократно повторного растяжения Let = 0,3 возрастает призменная прочность бетона Rs (до 10 %), предельная сжимаемость CtK (до 6 %), модуль упругости Es (до 5 %).

nw

При дальнейшем увеличении Let эти характеристики диаграммы бетона снижаются по сравнению с исходными диаграммами соответствен но до 14 %, 10 % и 9 %. С увеличением уровня последующего повторного сжатия 'Le все характеристики бетона при кратковременном ежа тип - Re , <j8r , Ее повышаются.

Режим "п.сжатие - п.растяжение - растяжение". При увеличении

п**

уровня начального повторного сжатия Lb наблюдается снижение проч ностп бетона на растяжение R«t (до 34 %), предельной растяжимости бвчь(до 35 $) и повышение модуля упругости Est (до 26 %). С увеличением уровня последующего повторного растяжения lit проис-

р. LP

ходит возрастание Rst и 6sRt . Величина Est при повышении lit с 0,3 до 0,55 возрастает до 25 %, а при дальнейшем повышении Let до 0,8 - снижается до II %.

Для расчетной оценки влияния различных режимов немногостатно

повторных однозначных п знакопеременных нпгруг.отй на свойства бетона были составлены планы трехуровневых двухфакторны:: экспериментов. Основное уравнение трехуровневого двухфакторного плана записывается следующим образом:

Ш = В0 + В1Х1 + 6bXa+ 6nX? + Огг Xj + Ota-XiXa • (I)

В качестве основных варьируемых факторов для рассматриваемых примеров приняты: уровень немногократно повтор:шх ежгглающих напряжений и коэффициент ассиметрии цикла J3! (для первых четырех режимов) и уровни немногократно повтори: ежпмаищш: U и рас-тягпвающих П/к напряжений (для пятого и шестого режима), а в качестве функций У^ приняты следующие параметры:

fC/R«; R

St

/R tt , СГ/С. ; би /6st E« / Es; Est / En .

Обработка опытных данных с помощью методов математического планирования эксперимента позволила получить значения коэффициентов Би для всех рассматриваемых режимов повторного нагрупения.

Значения Si , относящиеся к Ri , ¿8 , С«* , Ее , Est f приведены в диссертации.

- Влияние немногократно повторных нагружений на механические свойства бетона может быть учтено использованием при расчете железобетонных конструкции новых изменившихся характеристик бетона, которые могут быть получены умножением параметров, определяющих характеристики бетона, на коэффициенты, учитывающие изменение этих параметров после немногократно повторных нагруженпй.

Наряду с регрессионными зависимостями типа (I),'дающими "точное" решение задачи, была разработана "приближенная" методика оценки влияния режимов однозначного и знакопеременного повторного на-гр,ужения на свойства бетона при сжатии и растяжении. За основу принята методика, разработанная Д.Р.Шпляном, согласно которой при немногократно повторном нагруженпй параметры диаграммы деформирования бетона следует корректировать, умножая на соответствующие

коэффициенты:

гу iip А zip

i r»(6sr, еа) = i+o^cwjcca (а^г- б is ), (2)

где коэффициенты cCi , сСг <¿4 учитывают влияние соответственно класса бетона, относительную прочность бетона к моменту на-гружения, продолжительность выдержки под начальной нагрузкой, количество циклов повторного сжатия при начальном нагружещщ сжатием и определяются по формулам:

as _ .

0 ' (з)

об. = 1+ ; . оц- .

c¿, - 1 + К-. (i -35-) ; 0ÍS-1-K3¿9 t.tl

Используя полученные новые экспериментальные данные, вышеописанная методика распространена на.другие исследованные режимы не-мнсгократно повторного нагружения. В этом случае исходное уравнение примет следующий вид:

(al1

8(8« 51ч«Ч ) » ^^

где oíi , oí* , сСз. , сС* определяются по формуле (3), a ¿s и Л учитывающие соответственно влияние коэффициента ассимегрии цикла .

JW) (для первых четырех режимов) и уровня последующего пов-. торного нагружекия Iscbd (для пятого и шестого режима определяются по формулам:

c¿s = 1 - iWscet) ; oís = кЛв^Г . (5)

«

Значения параметров к формулам (3)...(5) получены в результате статистической обработки опытных данных и приведены в диссертации,

Для проверки применимости предложенных формул "точного" и "приближенного" способа для каждого режима нагружения и каждой исследуемой характеристики бетона вычислялись критерии Фишера Fp и коэффициенты множественной корреляции R . Расчетные значения 1фитерия Фишера для "точного" метода оказались существенно меньше чем для "приближенного". Вместе с тем и те и другие значения немн!

кратно • меньше расчетного f> , что говорит о применимости полученных формул обоих методов для оценки влияния различных режимов повторного нагружения на свойства бетона.

Испытано 8 железобетонных колонн, из которых 2 однократной, 2 повторной с доведением до разрушения на последнем цикле, 2 повторной с изменением знака эксцентриситета относительно центра тяжести сечения на последнем цикле нагружения до разрушения и 2 знакопеременной повторной нагрузкой. Количество циклов повторного нагру-кения составило 25. Опытные образцы изготавливались из тяжелого бетона прочностью 40 Ша и армировались одинаково: сталью класса А-Iil диаметра 12 ш по углам сечения. Размеры сечений образцов 200x120 мм, длина 2500 мм (гибкие) и 800 мм (короткие). Поперечное армирование в виде замкнутых хомутов ¿5Вр-1 устанавливалось по всей длине опытных железобетонных колонн.

. .При испытании образец сперва нагружали до заданного уровня повторной нагрузки, который для коротки и гибких стоек составлял соответственно МгьР= 250 кН и 190 кН, затем разгружали и повторно нагружали в соответствии с заданным режимом повторного нагру-жения.

На каждой ступени загрунения измерялись горизонтальные перемещения (прогиби) в пяти точках с помощью прогибомеров. Продольные деформации измерялись на двух противоположных гранях колонн в семи сечениях, а также на боковых поверхностях в различных точках по высоте среднего сечения с помощью цепочек тензодатчиков, подключенных к 20-канальному осциллографу.

Прочность копоткой колонны КК-2. подвергнутой неыногократно повторным воздействия:,! и испытанной на последнем цикле до разрушения без изменения знака эксцентриситета, оказалась на 17 % выше аналогичной контрольной колонны. Причина этого в повышении прочности бетона сжатой зоны, подвергнутого повторным нагружениям. Проч-

ность колонны КК-3, подвергнутой повторным нагружениям, а затем испытанной монотонно возрастающим усилием с изменением знака эксцентриситета относительно центра тяжести сечения, наоборот, несколько снизилась по сравнению о контрольной. При этом сжатая зона бетона была подвергнута предварительному повторному растяжению, что снизило прочность бетона. Несущая способность колонны КК-4, подвергнутой знакопеременным нагрунениям, оказалась почти равной контрольной. Причина этого в небольшом новышении прочности волокон бетона,, находящихся вблизи нейтральной оси, для которых уровень-повторных нагружений относительно невысок, и, наоборот, уменьшении прочности волокон, испытывающих повторные знакопеременные на-гружения высокого уровня (у.крайнего сжатого волокна), что приводит в целом к нейтральному влиянию повторных знакопеременных нагружений на прочность колонн. Степень снижения несущей способности конструкций при увеличении гибкости с "Аь = 7 до "Хь = 21 зависела от режимов малоциклового нагружения, предшествовавшего кратковременному нагрукеншо до разрушения. Так, прочность гибкой колонны ГК-2, испытанной на последнем цикле без изменения знака эксцентриситета, оказалась только на 8 % выше контрольной. Прочность колонн Гй-3 и ГК-4 практически совпала с прочностью контрольных колонн.

Установлено, что приращение продольных относительных деформаций лбви в колоннах, испытанных после повторных нагрунений без изменения знака эксцентриситета, несколько снизилось, а кривизны X и прогибы f возросли. Более существенно снижение дбви , а также Ж п $ , наблюдается в колоннах, испытанных на последнем цикле с изменением знака эксцентриситета относительно центра тяжести сечения. Предварительные знакопеременные нагружения практически не изменили А ¿ей и снизили Ж и | по сравнению с аналогичными характеристиками у контрольных колонн.

Трещины в опытных железобетонных колоннах образовывались в процессе последующего кратковременного нагружения до разрушения.

После предварительных малоцикловых повторных нагружешгй с разрушением без изменения знака эксцентриситета происходит возрастание Ncrc и снижение A6st , причем с увеличением с 7 до 21 этот эффект несколько снижался. Отмеченное явление вызвано ростом прочности на растяжение волокон бетона, испытывающих предварительные повторные растягивающие нагруненпя. В колонках КК-3 и ГК-З, испытанных после повторных малоцикловых нагружений кратковременным усилием с изменением знака эксцентриситета относительно центра тяжести сечения Ncrc ц hCtuu , оказались пике соответствующих значений контрольных колонн. Это происходит из-за снижения прочности на растяжение волокон бетона, испытывающих предварительные сжимающие напряжения. После предварительных знакопеременных нагружений Nux и AÖst.u также несколько снизились. .Причина этого явления снижение прочности на растяжение волокон бетона после предварительных знакопеременных воздействий.

Разработан итерационно-шаговый метод расчета прочности, тпе-шпностойкости ¡г деформаций гибких железобетонных колото, основанный на следующих предпосылках:

- напряжения б» ( ©"et ) и деформации ( 6«t ) каждого отдельного волокна бетона на высоте сжатой X« или растянутой Хн зон изменяются по закону деформирования трансформированных, в зависимости от параметров и режима повторного нагружения диаграмм "(Djcw - Свс«о ";

- в качестве исходной принимается диаграмма деформирования бетона, рекомендованная ЕКБ-чЩ, которая в данном случав принима-

где ТУ и ГГ - коэффициенты, учитывающие изменение свойств бетона после повторных нагружений.

- диаграмма (§) принимается справедливой для сжатых и для растянутых волокон;

- сечения при деформировании остаются плоскими, т.е. принимается справедливой гипотеза плоских сечений;

- нейтральные оси эпюр деформаций и напряжений совпадают. Алгоритмы и программы расчета составлены для двух рассматриваемых случаев: первый - повторное нагруженпе с разрушением на последнем цикле без изменения знака эксцентриситета или с изменением знака эксцентриситета относительно центра тяжести сечения, на после, нем цикле и второй - повторные знакопеременные нагружения.

До начала итерационного расчета элемент условно делится на Lnp участков, определяются характеристики эпюр моментов от единич ной силы. Задаемся начальным значением внешнего усилия N , составляющим 5-10 % от заданного верхнего уровня повторной нагрузки Ита* . При силе N* ц заданном эксцентриситете решается система уравнений статики без трещин. В общем виде система уравнений статики записывается в следующем виде:

X» XI*Xst

B[&dx-5j<o.tdx + &A»,-<0sAs- N = 0 ; (7)

о

я» xi + xgt.

5|ffixdx-b|ff»txdx+^Aia'-0'.A«h.± Ne - о , (8)

где Xs и Хи - соответственно высота сжатой и растянутой зон сече нпя, (Э&(х) и 6"ttCx)- выражаются формулой (6).

На каждом этапе нагружения определяется усилие, воспринимаемое растянутой зоной бетона: _ _

Net = 6 J <эн d.x ; M.i-Bj6"«ixdx (9)

X! XI

и проверяется условие

Mstn- Met(n-D < 0 или ¿Мл / d£»t = О (Ю)

Пока условие не выполняется элемент работает в стадии до образования трещин, когда выполняется - в элементе появились трещины. В этом случае фиксируются параметры сечения в момент трещино-образования: ¿et,и_ предельная растяжимость бетона и Xet - высота растянутой зоны и определяется глубина развития трещин.

Далее производится определение кривизн, прогибов:

= ; ¡fto-2 эекьМ«-^- (II)

Хзкй 11 1-1 ип1"

и новых значений эксцентриситета. После чего происходит переход к следующей итерации - определяются прогибы при новых значениях моментов внешней силы. Итерационный процесс на данном шаге заканчивается при выполнении условия сходимости для среднего участка элемента (.fiun- |м(п-о )/ f^n^oi , где п - номер итерации, et - критерий .сходимости ( сС = 0,001).

Для первого варианта расчета при выполнении сходимости по прогибам ПРОИЗВОДИТСЯ-проверка rij < Птах , где nj - текущий цикл "нагружения-разгрузка", а Птэх. - заданное количество повторных нагрунений. При выполнении условия производится переход к следующему шагу - расчету при силе Na - Ni+ aN . Расчет повторяется при каждом новом возрастающем усилии Мл до достижения внешней нагрузкой верхнего значения повторного усилия Nm=* .

После чего производится разгрузка элемента до нижнего уровня повторной нагрузки Nmfn . при этом на каждом этапе разгрузки решается система уравнений (7)...(8) с диаграммами " (оест - Скя)" при разгрузке. При построении диаграмм " ftcw - С«с«о " при разгрузке начало координат располагается в точке исходной диаграмш

~ (-ZLP

с координатами üs.ma* и Gs.max ( öst.max ц G8t.max ). Диаграмма бетона при разгрузке в новых осях описывается уравнением (6) при этом продельное значение напряжений при разгрузке О* Описанное распространяется лишь на восходящую ветвь диаграмш

" (эти - 6^81) " в новых координатных осях, нисходящая ветвь не описывается.

Далее элемент вновь нагружается, разгружается, на каждом этапе диаграмма " бквч _ 6кеч " трансформируется, так гак с каждым циклом нагруженпя происходит изменение параметров диаграмм. После выполнения заданного количества циклов нагружения-разгрузки производится последнее нагружение до разрушения. При этом учитывается режим повторного нагружения. Если повторное нагружение без изменения знака эксцентриситета на последнем цикле, то последнее нагружение до разрушения начинается с МшГп + дМ , в другом случае - при изменении знака эксцентриситета последнее нагружение начинается с N1 . Изменение знака эксцентриситета учитывается при трансформации параметров диаграмм деформирования различных волокон бетона.

Расчет при возрастающем усилии Ик продолжается до выполнения условия <1К /с1£в = 0, т.е. до достижения экстремума функции " N -

Для второго варианта -расчета после полной разгрузки осуществляется переход к блоку-счетчику циклов и 'полуциклов. Полуциклы Пи , Пи , Пал и т.д. означают приложение повторной нагрузки с одной стороны сечения, а Пи , Пгг , Пзг н т.д. - соответственно с другой стороны. После прохождения первого полного цикла нагружения-разгрузки, нагружения с другой стороны сечения, разгрузки производится трансформация диаграмм " Сн - Св "и " (эл - Се-ь' Трансформация диаграмм производится после каждого полного цикла повторного нагружения, при этом для каждого волокна бетона используются уровни повторного нагружения Т/в^^бв^/ ; ^«."©«и/К^, полученные на предыдущем ццкле.

После выполнения заданного количества повторного знакопеременного нагружения (при невыполнении условия П-^Пта* ) элемент

доводится до разрушения монотонно возрастающей внешней нагрузкой. Расчет повторяется до выполнения условия cLN / oULs = О,

На основе предложенных методов расчета гибких сжатых элементов на повторные однозначные и знакопеременные воздействия составлены алгоритмы и программы итерационного расчета на ЭВМ.

Выполнены расчеты опытных железобетонных колонн в соответствии с методами, составленными на основе нормативного подхода; в качестве базовых приняты расчет по деформированной схеме и приближенный метод определения несущей способности колонн, методы определения усилий трещинообразования по методике ядровых моментов и по двум уравнениям статики.

Анализ точности рассмотренных методов расчета показал, что наиболее близкая сходимость опытных и теоретических значений несущей способности усилий трещинообразования достигается при использовании разработанных итерационно-шаговых методов с учетом полных диаграмм деформирования бетона и влияния на них различных режимов повторного нагруження. Расчет железобетонных колонн методами, основанными на нормативном подходе, показал существенно худшую сходимость опытных и теоретических данных. Неучет влияния повторных нагружений на изменение свойств и диаграмм деформирования бетона снижает точность расчета.

Для оценки влияния режимов малоциклового нагружения на работу железобетонных колонн был проведен обширный "численный эксперимент" По разработанной автором программе итерационного расчета на ЭШ, дающей близкую сходимость теоретических и опытных значений несущей способности, трещиностойкости и прогибов, были просчитаны 180 "условных" железобетонных колонн. В программе " численного эксперимента" в широких пределах варьировались режимы и уровни повторного нагружения, гибкость колонн, относительные эксцентриситеты

внешней силы, проценты армирования.

Анализ результатов "численного эксперпмента" показал значительное влияние повторных нагру;;;ений на несущую способность железобетонных колонн. Так, повторные нагружения с разрушением на последнем цикле без изменения знака эксцентриситета, как правило, повышают несущую способность. Наибольший эффект достигается в образцах небольшой гибкости = 10...20 при эксцентриситетах 6о/ЬйО,3. Повторные нагружения с изменением на последнем цикле знака эксцентриситета относительно центра тяжести сечения, наоборот, приводили к снижению несущей способности. При этом степень снижения возрастает с ростом гибкости и относительного эксцентриситета внешней силы. Повторные знакопеременные нагружения неоднозначно влияют на несущую способность, повышая ее в элементах невысокой гибкости

= 10...20 п при 6а/h = 0,15. С увеличением Ак и Во/Ь усиливается отрицательны:! эффект снижения прочности колонн, которая достигает минимальных значений при TlK = 30 и So/h =0,5.

ОСНОВНЫЕ вывода

1. Выполнены экспериментально-теоретические исследования несущей способности, деформат'.шности и трещпностойкости железобетонных колонн различной гибкости при малоцикловых повторных однозначны::

и знакопеременных нагружениях. Установлено, что несущая способность колонн, подвергнутых немногократно повторным воздействия!,i с уровнем NÎLV Nu = 0,6 и испытанных на последнем цикле до разрушения без изменения знака эксцентриситета, оказалась на 8...I? % выше аналогичных контрольных колонн. В других случаях - при изменении знака эксцентриситета относительно центра тяжести сечения на последнем цикле и при знакопеременном повторном нагружении с М^/ Nu =0,5 прочность колонн практически не изменилась.

2. При кратковременном нагружении после повторных воздействий

с N8"/ Nu = 0,6 без изменения знака эксцентриситета кривизны и прогибы j возрастают, а приращения продольных относительных деформаций крайнего сжатого волокна бетона Дбги - снижаются. При изменении знака эксцентриситета на последнем цикле наблюдается снижение 3& , j- и Л беи . Предварительные повторные знакопеременные нагружения практически не изменили a6su по сравнению с аналогичной характеристикой у контрольных колонн и, наоборот, снизили и ju .

3. После предварительных повторных кагружений без изменения .знака эксцентриситета на последнем цикла наблюдается повышение усилий трещинообразования Nm , приращений деформаций крайнего растянутого волокна бетона A¿st п снижение ширины раскрытия трещин CLcre . При изменении знака эксцентриситета на последнем цикле повторного нагружения и после предварительных знакопеременных повторных нагруженш происходит снижение N« и и повышение 0-с.т-с . С увеличением гибкости с "Хь = 7 до "Хь = 21 отмеченные эффекты несколько снижаются.

4. Получены новые экспериментальные данные о влиянии различных режимов однозначного и знакопеременного немногократно повторного нагружения на параметры диаграмм деформирования бетона при сжатии и растяжении. Установлено, что основными факторами, влияющими на этот процесс, являются уровень немногократно повторных сжимающих или растягивающих нагружений 1s(k) = (Dtuo.ma*. / Rs(et>

и коэффициент ассиметрии цикла >Pt(«t) = бвсн).™/(эдиктах. С увеличением и уменьшением Лея.) процесс изменения свойств бетона происходит интенсивнее.

5. Установлено увеличение прпзменной прочности Ri и модуля упругости бетона Es после повторных сжимающих нагружений при

'L, s 0,55 (до 32 % и до 34 %) и повторных знакопеременных

а-г LP

Btst) == 0,3 (до 10 % и до 5 %)

и снижение этих характеристик после повторных растягивающих напря-п ^^

жений при Lei 0,3 (до 24 % и до 15 %) и повторных знакопеременных нагружений с П/«(«о > 0.3 (до 14 % и до Э %). Предельная сжимаемость бетона (jsr возрастает после повторных знакопеременных нагружений с 1в(е^ « 0,3 (до 6 %) и снижается после повторных сжимающих (до 21 %) или растягивающих (до 19 %) напряжений, а также повторных знакопеременных нагружений с П/eCet} 0,3 (до 10 %).

6. Установлено снижение прочности бетона на растяжение Ret и предельней растяжимости Cest после предварительных повторных

________________________в « 0,8 (до 30 % и до 28 %), повторных знакопеременных нагружений (до 34 % и до 35 %) и повторных рас-

II Hi

тягпвающих нагружений с Let = 0,8 (до 6 % и до 9 %) и повышение этих характеристик после повторных растягивающих нагружений с

1st 0,55 (до 15 % п до 26 %). Ыодуль упругости бетона Est

повышается после предварительных повторных сжимающих (до 22 %) и повторных знакопеременных (до 26 %) нагружений и снижается после повторных растягивающих нагружений (до 15 %).

7. Применение метода математического планирования эксперимента позволило с высокой степенью надежности установить регрессионные зависимости коэффициентов, учитывающие изменение характеристик бетона прочностью 40 Ша прп сжатии и растяжении ( Re , Re*. , Ее ,

£st , Csk. , <j!».t ) от параметров и различных режимов однозначного и знакопеременного немногократно повторного нагружения.

8. Разработана упрощенная методика приближенной оценки влияния различных режшлов однозначного и знакопеременного неыногократ-но повторного нагружения на параметры диаграммы деформирования бетона при сжатии и растяжении, удобная для использования в инженерных расчетах.

Э. Разработаны предложения по назначению численных значений коэффициентов, учитывающих изменение свойств бетона при сжатии и

растяжении,подвергнутого немногократно повторнш однозначны:,! и знакопеременным погружениям, которые рекомендуется использовать при проектировании железобетонных конструкций. Учет изменения свойств бетона рекомендуется производить умножением параметров, определяющих характеристики бетона, на коэффициент, учитывающие изменение этих параметров после немногократно повторных нагруже-®ш.

10. Разработаны итерационно-шаговые методы расчета прочности, трециностойкости и деформативности гибких железобетонных колонн при немногократно-- повторных однозначны:: и знакопеременных нагруже-ниях с учетом полны:: с нисходящими ветвями диаграмм деформирования бетона при сжатии и растяжении, трансформированных в зависимости от режима и параметров повторного нагружения, составлены алгоритм и программы расчета на 33.1.

11. Анализ точности рассмотренных методов расчета показал, что наиболее близкая сходимость опытных и теоретических значений несущей способности, усилий трещпносбразования достигается при использовании разработанных итерационно-саговых методов с учетом полных диаграмм деформирования бетона и влияния на них различных режимов повторного кагрукения. Расчет железобетонных колонн методами, основанными на нормативном подходе, показал существенно худшую сходимость опытных и теоретических данных. Неучет влияния повторны:: кагружешш на изменение сеойств и диаграмм деформирования бетона снижает точность расчета.

12. Проведены обширные численные эксперименты с использованием разработанной программы итерационного расчета на 331.1, з которых широко варьировались гибкость конструкций, относите льни:! эксцентриситет внешней силы, процент армирования, параметры и режимы повторного нагружения. Проведен подробный анализ влияния различных

факторов на прочность железобетонных колонн после повторных однозначных к знакопеременных нагрукений.

СсноЕНые положения диссертации нашли отражение в следующих работах:

1. Халиль A.A., Ыаняш Д.Р. Работа бетона при знакопеременных малоипкловых нагружениях/Совершенствовапие проектирования и расчет железобетонных конструкций.-Ростов-на-Дану: -РГАС. I-93 (в печати) .

2. Халиль A.A., ;.!аилян Д.Р. Методы расчета железобетонных колонн при немногокрагно повторных однозначна: it знакопеременных кагружениях/Совершенствование проектирования и расчет железобетонных конструкций. -Ростов-на-Дону:РГАС. IS93 (в печати).

Подписано в печать S.04.93. Формат 60x84 I/I6. Бумага газетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж ICO экз. С. 300

Ротапринт Ростовской-на-Дону государственной академии строительства.

344022, Ростов н/Д, ул.Социалистическая, 162.