автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Железобетонные конструкции равного сопротивления с комбинированным преднапряжением и смешанным армированием

На правах рукописи ХУРАНОВ ВАЛЕРИИ ХАСАНБИЕВИЧ

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ РАВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ С КОМБИНИРОВАННЫМ ПРЕДНАПРЯЖЕНИЕМ И СМЕШАННЫМ АРМИРОВАНИЕМ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов - на - Дону - 2004 г.

Работа выполнена в Ростовском государственном строительном университете.

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники

РФ, доктор технических наук, профессор Рафаэль Левонович Маилян

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники

РФ, доктор технических наук, профессор Потапов Юрий Борисович кандидат технических наук, старший научный сотрудник Пиневич Сергей Сергеевич

Ведущая организация: проектный и научно-исследовательский

институт "СевкавНИПИагропром"

Защита состоится Ч "декабря 2004 г. в 10 часов 15 минут на заседании диссертационного совета Д.212.207.02 в Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, в аудитории

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан октября 2004 г.

Л.И.Касторных

Ученый секретарь диссертационного совета канд.техн.наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Железобетонные изгибаемые элементы - балки и плиты являются основными конструкциями при строительстве зданий и сооружений различного назначения. Их конструктивные решения отличаются формой поперечных сечений, пролетами, видами армирования и преднапряжения, классами арматуры и бетона и др.

Учитывая огромные объемы применения изгибаемых элементов в современном строительстве, даже небольшое сокращение расхода материалов, особенно арматурной стали, при совершенствовании конструктивных решений приводит к значительной экономии материальных и денежных затрат.

В связи с этим задача дальнейшего развития и повышения эффективности железобетонных балок и плит является весьма актуальной.

В изгибаемых железобетонных элементах, как правило, усилия вдоль оси распределяются неравномерно. В однопролетных свободно опертых балках и плитах изгибающие моменты на приопорных участках обычно существенно меньше, чем на средних. Однако предварительно напряженная высокопрочная арматура в таких элементах, подобранная по усилию в среднем сечении, протягивается на всю его длину от одного торца до другого. В результате на приопорных участках образуется излишний запас, который снижает экономические показатели конструкций. Более того, при таких решениях снижаются и технические свойства элемента, т.к. могут привести к раздроблению бетона на торцах и образованию не закрывающихся трещин на верхней грани от усилия обжатия.

Наиболее рациональным видом конструкции, как известно, являются элементы равного сопротивления, во всех сечениях которых отношения момента от внешних нагрузок к моменту от внутренних усилий является постоянным - в них нет излишних запасов прочности. Такие элементы наиболее рентабельны и экономичны, по крайней мере по расходу материалов.

Создание элементов равного сопротивления из железобетона, особенно при наличии предварительно напряженной высокопрочной арматуры, проблематично. Тем не менее, приблизиться к такому решению возможно, и к этому надо стремиться.

Решению этой актуальной задачи и посвящена данная диссертационная работа. Она выполнялась по общероссийской программе "Архитектура и строительство" на 2003-2004 годы по теме № 211.03.01.357 "Разработка новых эффективных конструктивных решений стропильных и междуэтажных железобетонных балок с комбинированным преднапряжением".

Работа выполнялась на кафедре железобетонных и каменных конструкций Ростовского государственного строительного университета под

руководством заслуженного деятеля науки и техники России, Почетного члена Российской академии архитектуры и строительных наук, доктора технических наук, профессора Р.Л. Маиляна.

Цель диссертационной работы:

- разработка новых конструктивных решений железобетонных балок и плит равного сопротивления с комбинированным преднапряжением и смешанным армированием, отличающихся высокой эффективностью;

- установление степени влияния основных факторов на сопротивление изгибу предварительно напряженных железобетонных элементов со смешанным армированием.

Научная новизна работы:

- предложено новое конструктивное решение железобетонных балок с комбинированным преднапряжением, имеющих в продольном направлении ступенчатый профиль, позволяющий обрывать предварительно растянутую высокопрочную арматуру растянутой зоны и предварительно сжатую арматуру сжатой зоны в пролете в соответствии с эпюрой моментов, что максимально приближает балки к наиболее рациональному решению - к элементам равного сопротивления (патент России № 30372);

- предложены новые конструкции железобетонных предварительно напряженных плит покрытия пролетом 12 м типа "П" и "2Т" со ступенчатыми продольными ребрами и обрывами преднапряженной арматуры в пролете;

- разработана конструкция стропильной предварительно напряженной железобетонной балки равного сопротивления двутаврового сечения с полигональным верхним поясом;

- разработана предварительно напряженная железобетонная балка с параллельными поясами со смешанным армированием и обрывами высокопрочной ненапрягаемой арматуры в пролете;

- эффективность использования продольной рабочей арматуры в железобетонных элементах предлагается оценивать коэффициентом

- площади эпюры моментов соответственно от внешних сил и внутренних усилий (эпюры материалов);

- в предложенных конструктивных решениях железобетонных балок снижение расхода основной рабочей арматуры составляет от 8... 10% до 18...30%, а в плитах - от 9 до 14% в сравнении с существующими конструкциями. Коэффициент эффективности использования основной арматуры Ц повышен в балках с 0, 58 до 0,8, а в плитах - с 0, 64 до 0,83;

- для уточнения расчета железобетонных изгибаемых элементов ступенчатого профиля с комбинированным преднапряжением и смешанным армированием по прочности и деформациям даны рекомендации по определению граничной

высоты сжатой зоны бетона для элементов с предварительно сжатой арматурой, по вычислению коэффициента смешанного армирования Кр, по определению прогиба при ступенчатом профиле элемента и др.;

- на основе математического планирования 5-ти факторного полного трехуровневого численного эксперимента получены регрессионные зависимости прочности, деформативности и трещиностойкости предварительно напряженных железобетонных изгибаемых элементов от классов арматуры и бетона, процентов армирования растянутой и сжатой зон и коэффициента смешанного армирования;

- установлена степень влияния каждого из указанных факторов на технические характеристики железобетонных балок.

Автор защищает:

- предложенные конструктивные решения железобетонных балок и плит с комбинированным преднапряжением, смешанным армированием, со ступенчатым профилем вдоль пролета и обрывами преднапряженной арматуры в пролете, с ломаным верхним поясом, которые обеспечивают максимальное приближение конструкций к элементам равного сопротивления;

- рекомендации, уточняющие расчет по прочности и деформациям железобетонных изгибаемых элементов с комбинированным преднапряжением и смешанным армированием;

- регрессионные зависимости прочности, деформативности и трещиностойкости преднапряженных железобетонных изгибаемых элементов со смешанным армированием от основных факторов;

- данные о степени влияния классов арматуры и бетона, процентов армирования сечения и коэффициента смешанного армирования на прочность, трещиностойкость и прогибы железобетонных преднапряженных балок со смешанным армированием.

Достоверность выводов и рекомендаций обеспечена высоким уровнем статистической надежности результатов, полученных при обработке большого количества данных численных экспериментов с изменением в широких пределах варьируемых факторов.

Практическое значение и внедрение результатов работы. Разработанные новые конструктивные решения железобетонных балок и плит с комбинированным преднапряжением и смешанным армированием, приближающимся к элементам равного сопротивления, отличаются высокими технико-экономическими показателями. Их широкое внедрение в строительную практику позволит сэкономить значительные объемы материалов, особенно дорогостоящую высокопрочную стальную арматуру.

Предложенные конструктивные решения и рекомендации приняты и внедряются в практику Северокавказским научно-исследовательским и проектным институтом "СевкавНИПИагропром", Кабардино-Балкарским проектным институтом ОАО РЦП «КАББАЛКЦЕНТРПРОЕКТ».

Результаты исследования внедрены в учебный процесс в Ростовском государственном строительном университете, Ростовской государственной академии архитектуры и искусств, Кабардино-Балкарском государственном университете, Кабардино-Балкарской сельскохозяйственной академии.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 статьях автора.

Материалы диссертации доложены на III Международной научно-практической конференции "Бетон и железобетон в третьем тысячелетии" (2004 г.), Международной научно-практической конференции "Строительство-2003" (г. Ростов-на-Дону, 2003 г.), Международной научно-практической конференции "Строительство-2004" (г. Ростов-на-Дону, 2004 г.), научно-технической конференции Кабардино-Балкарского государственного университета (г. Нальчик, 2004 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка литературы (135 наименований) и

приложений.

Диссертация изложена на 126 страницах, включая 28 рисунков и 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние вопроса. Повышение эффективности строительных конструкций связано в основном с уменьшением расхода материалов. Идеальными в этом отношении являются конструкции равного сопротивления, в которых все сечения имеют одинаковый запас прочности.

Наиболее трудно этой цели достичь в железобетонных конструкциях, особенно в предварительно напряженных.

Здесь можно идти различными путями. Один из них создание изгибаемых железобетонных элементов (балок, плит, консолей), приближающихся к элементам равного сопротивления. Другой путь заключается в использовании эффективного армирования: смешанного армирования и комбинированного армирования.

Изучению особенностей смешанного армирования посвящены работы Артемьева В.П., Бердичевского Г.И., Гвоздева А.А., Головина Н.Г., Гущи Ю.П., Дмитриева С.А., Калашникова НА., Клименко Ф.Е., Маиляна Р.Л.,

Санникова К.В., Стасюка М.А., Трифонова ИА и др. В дальнем зарубежье этот вопрос рассматривался в работах Абелеса П., Бахмана X., Босса Д., Думитриеско Д., Иноматы С, Леонгарда Ф., Окады К. и др.

Следует отметить, что в проведенных исследованиях имеется еще ряд недостаточно изученных вопросов, которые ждут своего решения.

В существующих железобетонных балках предварительно напряженная арматура, подобранная из расчета наиболее нагруженных сечений, как правило, протягивается на всю длину балки - от одного торца до другого, что нерентабельно. Предлагается новое конструктивное решение, при котором балка имеет ступенчатый профиль (рис. 1 и 2), позволяющий обрывать напряженную арматуру в пролете в соответствии с эпюрой материалов. Такое решение позволяет максимально приблизиться к балке равного сопротивления.

В предлагаемых решениях, в отличие от типовых, принято комбинированное преднапряжение, при котором высокопрочная арматура растянутой зоны подвергается предварительному растяжению, а сжатой зоны - предварительному сжатию. Это позволяет не только повысить трещиностойкость растянутой зоны, но и увеличить напряжения в арматуре сжатой зоны перед разрушением сжатого бетона до значений

В первом предлагаемом решении (рис. 1) обрывы высокопрочной продольной арматуры класса А-VI предусмотрены как в сжатой, так и в растянутой зонах, а во втором (рис. 2) - только в растянутой.

Железобетонная балка 1 имеет бетонные уступы 2, создающие ступенчатый профиль. Изготовление балки производится в обычном порядке - сборка арматурного каркаса, его установка и закрепление в форме -опалубке, предварительное растяжение и сжатие арматуры с передачей реактивных усилий на упоры стенда или на торцы силовой формы - опалубки, бетонирование балки, передача преднапряжений с арматуры на бетон по достижении бетоном передаточной прочности, распалубка балки.

Для получения конкретных технико-экономических данных предлагаемого решения и сравнения с типовыми балками, последние перепроектированы в соответствии с указанным предложением.

Для сравнения принята типовая предварительно напряженная железобетонная балка двутаврового сечения с параллельными поясами -серия 1.462.1 - 1/88 (балка БСП-12-4АУ1), разработаная Промстройпроектом и НИИЖБом. Продольное армирование типовой балки постоянно по всей длине. Основная рабочая преднапряженная арматура - Бетон

тяжелый класса ВЗО.

Оценка эффективности использования арматуры может быть выполнена с помощью определения коэффициента, равного отношению площади эпюры моментов от внешних сил (11 на рис. 1) к площади эпюры

моментов от внутренних усилий (эпюры материалов) 12 - для предложенной балки и 13 - для типовой, равному Г1=АУА«„. В идеальной балке равного сопротивления это отношение равно 1. В реальных балках оно меньше 1. С его уменьшением эффективность использования материалов балки, в частности арматуры, снижается.

В типовой железобетонной балке 1 БСП-12-4А-У1, как и в других железобетонных балках с параллельными гранями и с преднапряженной арматурой, сечение которой вдоль балки постоянно, коэффициент эффективности использования арматуры минимален, в рассматриваемой

Рис. 1. Железобетонная балка равного сопротивления с комбинированным преднапряжением с обрывами арматуры растянутой и

сжатой зон.

балке г]=0,58. Его значение можно существенно повысить с помощью обрывов преднапряженной арматуры в пролете балок, имеющих ступенчатый профиль.

В балках с обрывами продольной преднапряженной арматуры в растянутой и сжатой зонах (рис. 1) коэффициент т/=0,8, а в балке с обрывами преднапряженной арматуры только в растянутой зоне (рис. 2) г]=0,77. Расход продольной высокопрочной арматуры при обрывах арматуры в растянутой и сжатой зонах в сравнении с типовым решением уменьшается на 12,5%, а при обрывах арматуры только в растянутой зоне - на 9%. Общий расход продольной арматуры в обоих решениях снижается на 18 ... 21%.

Для выполнения "численных" экспериментов составлена специальная

_ 1196_

' __117? __

=39 кН/м

Рис. 2. Железобетонная балка равного сопротивления с комбинированным преднапряжением с обрывами арматуры только растянутой зоны.

программа для ЭВМ, в которой учтены особенности расчета железо бетонных элементов, содержащих предварительно сжатую арматуру. К таким особенностям относятся изменения во времени преднапряжений сжатия, вызванные в частности быстронатекающей и длительной ползучестью растянутого бетона, усадкой бетона (повышающей преднапряжения сжатия) и др.

Из рис. 3, на котором представлены результаты расчетов типовой и предложенной балок пролетом 12 м, рассмотренных выше, видно, что отношение момента, воспринимаемого сечением, к моменту от внешней нагрузки по мере приближения от среднего сечения однопролетной

балки к опоре в предложенной балке (кривая 2) возрастает в значительно меньшей степени, чем в типовой (кривая 3). Это относится также к отношению момента трещинообразования Мсгс к внешнему моменту М.

На рис. 3 видно, насколько кривая 2, относящаяся к предложенному решению, ближе к идеальному (кривые 1), чем кривые 3, характеризующие типовое решение. Области, заштрихованные между кривыми 2 и 3, свидетельствуют о значительном излишнем запасе прочности и трещиностойкости типовой балки в сравнении с предлагаемой.

Основные технические характеристики предложенной балки (рис. 1): прочность нормального сечения - 674 кНм, что больше требуемой (670 кНм) при расчетной нагрузке д=39 кН/м;

Момент образования трещин на четырех участках от середины балки к опоре - Мсгг/М = 350/670=0,52; 284/506=0,56; 229,1/406=0,56; 157,2/233=0,67 (см. фиг. 3); Ширина раскрытия трещин на тех же участках при нормативной нагрузке <?„=31,2 кНм: асгс=0,139; 0,21; 0,13; 0,10лш.

Прогиб по середине с учетом выгиба при нормативной нагрузке /=4,22 см;//М/287<[/Ч/250].

Таким образом, предлагаемая железобетонная балка ступенчатого профиля с комбинированным преднапряжением при полном удовлетворении всех технических требований одновременно имеет наилучшие экономические показатели.

Для создания более экономичных плит, приближающихся к элементам равного сопротивления, предлагается использовать тот же принцип, что и в преднапряженных балках. С целью уменьшения расхода высокопрочной арматуры продольным ребрам плит рекомендуется придавать ступенчатый профиль, что позволяет обрывать преднапряженную арматуру в пролете в соответствии с эпюрой внутренних усилий (эпюрой материалов) и заанкеровать ее в уступах ступенчатого профиля.

Для количественной оценки эффективности предлагаемых решений железобетонных преднапряженных плит выполнен полный расчет плит предлагаемой конструкции по обеим группам предельных состояний с учетом особенностей, связанных со ступенчатым профилем элементов и переменным

усилием преднапряжения вдоль пролета.

При перепроектировании железобетонных ребристых преднапряженных плит для сравнения в качестве эталона принята типовая плита размерами 3x12 м марки 1ПГ12-4АТ-У1 серии 1.465.1 - 15 (Москва: ЦИТП.-1990г.).

Расчетная равномерно распределенная нагрузка с учетом собственного веса плиты - 7 кПа, нормативная - 5,5 кПа. Напрягаемая арматура в типовом решении - 2025А,-У1 на весь пролет, бетон тяжелый класса ВЗ5. Преднапряжение арматуры растянутой зоны ацР=920 МПа.

При перепроектировании плиты принято два варианта армирования растянутой зоны. В первом варианте в каждом из двух ребер располагается по одному стержню 020А-VI и по одному стержню 016А-\'1, общей площадью сечения Л5=10,3 см2, во втором варианте в каждом ребре размещается по 2018А-У1 (Л=10,18 см2). Обрывы преднапряженных стержней в первом варианте 2016A-VI и во втором 2018А-\'1 в соответствии с эпюрами

Рис. 3. Изменение вдоль пролета балок значений отношения момента Мсеч, воспринимаемого сечением, к внешнему моменту М (а), отношения момента

образования трещин к

моменту М (б) и ширины раскрытия трещин асгс при М„=0,8 М (в), 1 - в балке равного сопротивления, 2 - в предложенной балке, 3 - в типовой.

внутренних усилий произведены в первом варианте на расстоянии от торца, равном 156 см, а во втором - 120 см. при этом во всех сечениях прочность обеспечена. Отношение площади эпюры моментов от расчетной нагрузки к площади эпюры моментов внутренних сил в типовом решении равно а в предложенных решениях - в первом варианте 0,83, а во втором - 0,8, что свидетельствует о более рациональном использовании арматуры.

Перепроектирование преднапряженных двухконсольных

железобетонных плит "двойное Т" пролетом 12 м с канатной арматурой на основе предложенных принципов позволило получить еще больший технико-экономический эффект в сравнении с традиционным решением. На рис. 4, а,б,г показано существующее традиционное решение. В рассматриваемой плите, основная продольная рабочая арматура в каждом из двух ребер принята по 609К-7 в растянутой зоне и Й0К-7 в сжатой. Вся указанная арматура подвергается предварительному растяжению, равному ег^=1300 МП а.

В предлагаемом решении армирование и преднапряжения приняты такими же, однако предварительно напряженная арматура растянутой зоны в отличие от существующих решений обрывается в пролете в двух сечениях в соответствии с эпюрой моментов (рис. 4, в, г, д).

Оба типа двухконсольных плит рассчитаны на равномерно распределенную нагрузку - расчетную, равную 4,67 кПа и нормативную 3,73 кПа. На рис. 4, д представлены эпюры расчетных моментов от внешней нагрузки (сплошная линия) и моментов внутренних сил (пунктир). На рис. 4, е даны эпюры нормативных моментов от внешней нагрузки (сплошная линия) и моментов трещинообразования (пунктир). На рис. 4, ж показаны эпюры кривизн на всех участках балки ступенчатого профиля, по которым вычислены прогибы.

Сравнение технико-экономических показателей двухконсольных преднапряженных железобетонных плит традиционных и предлагаемых подтвердило безусловное преимущество последних. Как и в других, ранее рассмотренных видах конструкций, создание условий, приближающих элементы к конструкции равного сопротивления, значительно повышает их экономическую эффективность. В данном случае достигается экономия высокопрочной арматуры на 14% и существенное повышение коэффициента использования рабочей арматуры.

Одним из путей создания изгибаемых конструкций, приближающихся к элементам равного сопротивления, является изменение размеров поперечных сечений элемента вдоль пролета в соответствии с эпюрой моментов от внешней нагрузки.

Применительно к стропильным железобетонным балкам поставленная цель может быть достигнута путем придания верхней грани

полигонального (ломаного) очертания вдоль пролета.

Покажем на примере стропильной преднапряженной балки степень эффективности такого решения. Геометрические размеры предложенной балки , показанные на рис. 5, а,б отличаются от существующих аналогичных балок тем, что благодаря ломаному очертанию верхней грани получена балка практически равного сопротивления.

Балка в растянутой зоне армирована преднапряженными канатами (60 14 К-19).

Балка загружена сосредоточенными силами в местах опирания железобетонных ребристых плит размером 3x6 м. Полная расчетная нагрузка на балку составляет

По заданным значениям изгибающих моментов от внешней нагрузки были определены высоты балки в сечениях под грузами и в наиболее опасном сечении на расстоянии 0,37 =655см. Значения моментов внутренних сил при принятых высотах сечений(рис. 5, а) даны в скобках на рис. 5, в. Значения отношений моментам от внешней нагрузки (рис. 5, г) колеблются в пределах от 0,995 до 1,007, т.е. практически это отношение остается постоянно равным 1 по всей длине балки. При принятом профиле балки практически одинаковым вдоль пролета является также сопротивление трещинообразованию - отношение момента трещинообразования к предельному моменту во всех сечениях изменяется в пределах от 0,73 до 0,77 (рис. 5, д), а ширина раскрытия трещин - от 0,17 до 0,18 мм (рис. 5, е). Приведенные данные свидетельствуют о том, что предложенная балка является балкой равного сопротивления - в ней нет излишних запасов прочности и трещиностойкости.

Прогиб балки по середине пролета, вычисленный по эпюре кривизн (рис. 5, ж), составил 4,42 см, т.е. 1/400.

В сравнении с существующими стропильными двухскатными железобетонными балками при одинаковых классах бетона, арматурной стали и нагрузке предлагаемая благодаря более совершенному профилю является наиболее экономичной - в ней ниже расход стали на 8-10%, расход бетона и масса балки - на 15... 27%.

Граничная высота сжатой зоны железобетонного элемента определяется по формуле:

(1)

СО

со

и

Предварительное напряжение и его знак оказывают существенное влияние как на значение напряжений так и на граничное значение При предварительном растяжении арматуры кривая зависимости поднимается, а при предварительном сжатии, наоборот, опускается в

сравнении с элементами без преднапряжения Это в первом случае приводит к увеличению ^ а во втором - к уменьшению

Для получения выражения для условного упругого напряжения aSR при предварительном сжатии арматуры рассмотрим как изменяется зависимость ffj-^в данном случае (рис. 6)

В случае, когда преднапряжения в арматуре превышают предел упругости в арматуре появятся пластические деформации е!РР?-

По окончании предварительного сжатия арматуры его значение asp уменьшается за счет необратимых потерь. Потери от релаксации напряжений в арматуре 07 происходят при неизменной деформации, поэтому на графике(рис. 6) они представлены вертикальным отрезком. Все остальные

Рис. 4. Железобетонная двухконсольная плита 2Т. а - плита в плане, б -традиционное решение, в -предлагаемое решение, г -сечения плиты, д - эпюры внешних и внутренних расчетных моментов, е - эпюры нормативных моментов и моментов трещинообразования, ж - эпюра кривизн

Рис. 5. Предлагаемая железобетонная балка пролетом 18 м. равного сопротивления с полигональным верхним поясом: а - общий вид, б - сечения балки, в - эпюра моментов от внешней нагрузки и внутренних усилий (значения в скобках), г - отношение моментов внутренних сил к моментам от внешней нагрузки, д - отношения моментов трещинообразования к предельным моментам в данном сечении, е - ширина раскрытия трещин, ж -эпюра кривизн, з - эпюра моментов от единичной силы. Прогиб по середине балки при нормативной нагрузке, равной 0,844 от расчетной, составляет 4,42 см. (С =1/400).

потери сопровождаются изменением деформаций. Перед приложением внешней нагрузки в арматуре остаются установившиеся преднапряжения сг1/>2 = (Ту, - и/да, где о/^ _ суммарные потери преднапряжений.

Деформация арматуры е^ вызванная внешней нагрузкой, растягивающей предварительно сжатую арматуру и доводящей напряжения в арматуре до условного предела текучести Оо,; составит

Условное упругое напряжение Ощ, соответствующее этой деформации:

где дополнительная потеря преднапряжений от

пластических деформаций в арматуре. Она учитывается согласно нормам только при

Подставляя (3) в (1) получим граничное значение высоты сжатой зоны сечения с предварительно сжатой арматурой в растянутой зоне.

При отсутствии преднапряжения значения <Тяя могут быть получены подстановкой в выражения

Рис. 6. К определению условного упругого напряжения в арматуре растянутой (менее сжатой) зоны сечения при ее предварительном сжатии

Если в растянутой (менее сжатой) зоне сечения элемента имеется одновременно предварительно растянутая, предварительно сжатая и ненапрягаемая арматура, то усредненное значение условного упругого напряжения может быть определено из выражения

где AsPi csr Ase, OsrC: ctsro - площади сечения и условные упругие напряжения соответственно в предварительно растянутой, предварительно сжатой и ненапрягаемой арматуре.

При смешанном армировании, когда в элементе имеется предварительно напряженная и ненапрягаемая арматура условное упругое напряжение определяется по напрягаемой арматуре.

Если напрягаемая арматура состоит из разных классов арматуры, то принимают наибольшее значение о^.

При заданных размерах балки, классе ненапрягаемой арматуры сжатой зоны и значении предварительного растяжения арматуры растянутой зоны основными факторами, влияющими на прочность нормальных сечений железобетонных элементов являются: класс арматуры (расчетное

сопротивление Rs );класс бетона В; коэффициент смешанного армирования

процент армирования растянутой зоны процент армирования сжатой зоны fi'.

Для анализа степени влияния указанных факторов на технические показатели железобетонных изгибаемых элементов были выполнены численные эксперименты на основе математического планирования экспериментов.

Был составлен план полного 5-ти факторного трехуровневого численного эксперимента, который описывается математической моделью второго порядка вида

В табл. 1. приведены уровни факторов, принятые в соответствии с применяемыми в строительной практике.

Таблица 1.

Уровни факторов и интервалы варьирования _

Наименования Обозначения Я, МП а В, МП а кр //,%

X] х3 х4 X!

Основной уровень 0 1000 В40 0,6 1,2 0,2

Интервал Ах/ 200 В10 0,4 0,6 0,1

Верхний уровень +1 1200 В 50 1 1,8 0,3

Нижний уровень -1 800 ВЗО 0,2 0,6 0,1

Примечания: ^=(А,Р+А1)100/Ьк0; ц'=А\-100/Ько.

Кодированные переменные Х\ связаны с натуральными зависимостями, приведенными в табл. 2. Они получены по формулам:

х. — —--

о,5лг.

где лг^1.1та-г.1тЫ; 2 = о ,5( г - г 1яы )

Таблица 2.

Значения кодированных переменных__

Кодированные переменные Граничные значения факторов Среднее значение г 01 Размах дг, Связь кодированных переменных с натуральными

г. птах 1 1Ш1П

XI 1200 800 1000 400 х,=-^-5 ' 200

х2 50 30 40 20 2 10

х3 1 0,2 0,6 0,8 х, ~ —-— 7,5 0,4

Х4 1,8 0,6 1,2 1,2 0,6

х5 0,3 0,1 0,2 0,2 Х5=^--2 0,1

Результаты численных экспериментов были использованы для определения по известным формулам теории математического планирования экспериментов численных значений свободных членов и коэффициентов уравнений регрессий для функций откликов У)...у5 (табл. 3).

Таблица 3

Значения свободных членов и коэффициентов уравнений регрессии_

Функции отклика у

Обозначения у,=М, кНм Ья 73 м см

Ь0 699,8 0,51 0,401 4,02

ъ, 19,1 0,09 0,013 1,9

Ь, 81,9 0,12 -0,008 -0,54

Ьз 103,1 0,06 0,05 0,25

ъ4 51,1 0,18 0,04 0,57

ь5 161,9 0,16 -0,0975 1,11

ъ„ 14,4 0,42 0,014 2,95

¿ь, 296,8 0,74 0,502 5,98

Ьз, 15,2 0,15 0,014 1,38

ь44 -34,3 -0,69 -0,031 -4,59

ь55 -296,8 -0,49 -0,252 -3,98

Ъп 56,5 0,05 -0,185 0,13

ь„ 6,8 0,17 -0,026 0,6

Ь,4 9,1 0,05 -0,044 0,87

Ь» -6,3 -0,092 0,011 -0,29

Ъ;з -18,4 -0,083 0,019 0,37

Ь->4 -38 0,114 0,061 -0,6

31 0,2 -0,009 -0,17

Ь}4 -23,1 0,096 0,015 -0,1

Ъ35 21,1 -0,082 -0,0175 -0,76

Ь45 -27 -од 0,015 -0,48

Выполнен анализ влияния этих факторов на прочность, трещиностойкость и деформативность указанных элементов.

В железобетонных балках со смешанным армированием при прямоугольном или двутавровом (тавровом) сечении и нейтральной оси, проходящей в полке, при повышение класса бетона при любом

коэффициенте смешанного армирования повышает прочность

незначительно (при замене бетона класса ВЗ0 бетоном класса В50 всего на 4%). В этом случае, учитывая увеличение стоимости бетона с повышением его класса, применение бетонов высоких классов не целесообразно, т.к. и

остальные механические характеристики балок изменяются незначительно.

С повышением процента армирования растянутой зоны балок и расчетных характеристик арматуры, что ведет к увеличению отношения и к более полному использованию сжатой зоны (в балках двутаврового или таврового сечения при нейтральной оси, пересекающей ребро), влияние класса бетона на прочность существенно возрастает - при переходе от класса ВЗО к классу В50 - на 15% при Кр=0 и на 10% при Кр=1.

При больше единицы (переармирование балки) или близком к 1 первопричиной разрушения железобетонных балок становится исчерпание прочности бетона сжатой зоны. В таких случаях (балки и плиты пониженной высоты и др.) влияние класса бетона значительно - при указанных выше классах прочность балки возрастает на 31...39%.

Результаты всех трех серий свидетельствуют, что при любых классах бетона и отношениях влияние коэффициента смешанного армирования на прочность железобетонных балок сравнительно не велико (с повышением Кр от нуля до 1 прочность балок возрастает на 2...8% с тенденцией к повышению при высоких значениях и низких классах бетона).

При повышении класса бетона значения относительного момента трещинообразования при любом коэффициенте смешанного

армирования изменяются незначительно, а абсолютные значения существенно возрастают (до 30%). Увеличение коэффициента Кр с 0 до 1 вызывает повышение трещиностойкости (в 4...5 раз).

При высоких значениях когда повышение класса бетона ведет к увеличению нормативного момента М„=0,8М, возрастают также ширина раскрытия трещин и прогибы. Если же принять абсолютные значения моментов одинаковыми, то повышение класса бетона с ВЗО до В50 при Кр =0,75 приводит к уменьшению раскрытия трещин на 43%, а прогибов - на 38%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Приведен обзор и анализ путей создания железобетонных изгибаемых элементов, приближающихся к элементам равного сопротивления: изменением вдоль пролета размеров поперечного сечения элемента, обрывами продольной ненапрягаемой арматуры, изменением класса и диаметра арматуры с применением сварки встык, обрывами в пролете ненапрягаемой арматуры при смешанном армировании преднапряженных элементов, обрывами в пролете высокопрочной преднапряженной арматуры в

ступенчатого профиля.

2. С целью создания железобетонных изгибаемых преднапряженных элементов с рациональным армированием преднапряженной высокопрочной

сталью предлагается конструктивному элементу, в котором размещается преднапряженная арматура, придавать в продольном направлении ступенчатый профиль. Это позволяет обрывать преднапряженную арматуру в пролете в соответствии с эпюрой изгибающих моментов и заанкеривать ее в торцах уступов ступенчатого профиля элемента (Патент России № 30372).

При таком решении достигается не только экономия стали и существенное уменьшение излишних запасов прочности и трещиностойкости на слабонагруженных участках, но и уменьшение усилия обжатия, передающегося на торцы конструкции.

3. Одним из важнейших критериев оценки экономической эффективности железобетонных элементов следует признать не только расход арматуры, но и коэффициент эффективного использования рабочей арматуры под которым понимается отношение площади эпюры моментов от внешних сил к площади эпюры моментов от внутренних усилий (эпюры материалов). С увеличением значения этого коэффициента арматура используется более полно и излишние запасы уменьшаются.

4. Предложены железобетонные балки пролетом 12 м с комбинированным преднапряжением высокопрочной арматуры, обрываемой в пролете в соответствии с эпюрой моментов, в которых коэффициент (см. п. 3) достигает 0,8, что в 1,4 раза выше, чем в аналогичной типовой преднапряженной балке. Расход арматуры в предложенных балках на 18 ...21% ниже, чем в типовой балке, а технические характеристики полностью удовлетворяют всем существующим требованиям.

5. Разработаны конструктивные решения железобетонных преднапряженных ребристых плит покрытия размерами 3x12 м, в которых продольные ребра имеют ступенчатый профиль, что позволяет обрывать часть высокопрочной преднапряженной продольной арматуры в пролете. Это позволяет снизить ее расход на 8 ...9% и повысить коэффициент использования арматуры до 0,83, т.е. увеличить в сравнении с типовым решением в 1,3 раза.

6. Использование предложенных принципов для повышения эффективности железобетонных преднапряженных элементов при перепроектировании двухконсольных плит "двойное Т" размерами 3x12 м с преднапряженной канатной арматурой позволило снизить ее расход на 14% и повысить коэффициент использования рабочей арматуры с 0,64 до 0,82.

7. Предложена стропильная предварительно напряженная железобетонная балка пролетом 18 м, равное сопротивление которой вдоль пролета достигается путем придания верхней грани полигонального очертания. Это позволило получить решение, при котором отношения момента внутренних сил к моменту от внешней нагрузки, отношение момента трещинообразования к моменту от внешней нагрузки и ширина раскрытия трещин во всех сечениях остаются практически постоянными. В предложенной балке расход бетона и масса балки снижены на 15...27%, а

расход стали - на 8... 10% в сравнении с существующими решениями.

8. Перепроектирование типовой стропильной преднапряженной железобетонной балки пролетом 12 м с параллельными поясами, при котором применено смешанное армирование позволило сократить расход основной рабочей высокопрочной арматуры более чем на 30% и повысить коэффициент эффективности использования арматуры с 0,58 до 0,74.

9. Разработаны практические рекомендации, уточняющие расчет по прочности и деформациям железобетонных балок со смешанным армированием и комбинированным преднапряжением при: определении граничной высоты сжатой зоны изгибаемых элементов, содержащих предварительно сжатую арматуру; определении коэффициента смешанного армирования; прогибов в балках ступенчатого профиля и др.

10. По результатам численных экспериментов, выполненных на основе математического планирования полного 5-ти факторного трехуровневого эксперимента получены регрессионные зависимости второго порядка основных характеристик железобетонных преднапряженных изгибаемых элементов со смешанным армированием от классов арматуры и бетона, процентов армирования растянутой и сжатой зон сечения и коэффициента смешанного армирования.

Выполнен анализ влияния этих факторов на прочность, трещиностойкость и деформативность указанных элементов.

11. В железобетонных балках со смешанным армированием при прямоугольном или двутавровом (тавровом) сечении и нейтральной оси, проходящей в полке, при повышение класса бетона при любом коэффициенте смешанного армирования повышает прочность незначительно (при замене бетона класса ВЗО бетоном класса В50 всего на 4%). В этом случае, учитывая увеличение стоимости бетона с повышением его класса, применение бетонов высоких классов не целесообразно, т.к. и остальные механические характеристики балок изменяются незначительно.

12. С повышением процента армирования растянутой зоны балок и расчетных характеристик арматуры, что ведет к увеличению отношения и к более полному использованию сжатой зоны (в баках двутаврового или таврового сечения при нейтральной оси, пересекающей ребро) влияние класса бетона на прочность существенно возрастает - при переходе от класса ВЗО к классу В50 - на 15% при Кр=0 и на 10% при Кр=1.

13. При больше единицы (переармированные балки) или близком к 1 первопричиной разрушения железобетонных балок становится исчерпание прочности бетона сжатой зоны. В таких случаях (балки и плиты пониженной высоты и др.) влияние класса бетона значительно - при указанных выше классах прочность балки возрастает на 31...39%.

14. Результаты всех трех серий свидетельствуют, что при любых классах бетона и отношениях влияние коэффициента смешанного армирования

на прочность железобетонных балок сравнительно не велико (с повышением от нуля до 1 прочность балок возрастает на 2...8% с тенденцией к повышению при высоких значениях и низких классах бетона).

15. При повышении класса бетона значения относительного момента трещинообразования при любом коэффициенте смешанного армирования изменяются незначительно, а абсолютные значения существенно возрастают (до 30%). Увеличение коэффициента Кр с 0 до 1 вызывает значительное повышение трещиностойкости (в 4...5 раз).

16. При высоких значениях когда повышение класса бетона ведет к увеличению нормативного момента Мп = 0,8М, возрастает также ширина

раскрытия трещин и прогибы. Если же принять абсолютные значения моментов одинаковыми, то повышение класса бетона с ВЗО до В50 Кр=0,75 приводит к уменьшению ширины раскрытия трещин на 43%, а прогибов -38%.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Маилян Р.Л., Маилян Д.Р., Хуранов В.Х. Железобетонные балки «равного» сопротивления с комбинированным преднапряжением. // Труды годичного собрания РААСН «Ресурсо- и энергосбережение как мотивация творчества в архитектурно-строительном процессе».- М.: РААСН. - 2003 г.-с.504-506.

2. Маилян Д.Р., Маилян Р.Л., Хуранов В.Х. Способы изготовления железобетонных конструкций с переменным преднапряжением по длине элемента. // Известия ВУЗов. Строительство. - 2004. - №5.

3. Маилян Р.Л., Маилян Д.Р., Хуранов В.Х. Железобетонная балка. Патент России №30372. Бюл. №18.-27.06.2003.

4. Хуранов В.Х., Маилян Л.Д. Влияние класса бетона и коэффициента смешанного армирования на сопротивление изгибу железобетонных элементов // Материалы 3-ей Международной научно-практической конференции «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии». - РГСУ, ЮРО РААСН. - г. Ростов-на-Дону. - 2004.

5. Маилян Р.Л., Хуранов В.Х. Повышение эффективности железобетонных изгибаемых элементов при изменении вдоль пролета их поперечных сечений и комбинированного преднапряжения // Материалы 3-ей Международной научно-практической конференции «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии». - РГСУ, ЮРО РААСН. - г. Ростов-на-Дону. - 2004.

6. Хуранов В.Х. Новое конструктивное решение преднапряженной двухконсольной плиты покрытия // Развитие теории и практики железобетонных конструкций. - г. Ростов-на-Дону: РГСУ. СевкавНИПИагропром. -2003 г.-с.1 15-117.

7. Кубасов А.Ю., Осипов М.В., Лихов З.Р., Хуранов В.Х. О граничной высоте сжатой зоны элемента с предварительно сжатой арматурой в растянутой зоне

Щ912 Ъ

сечения // Развитие теории и практики железобетонный кшстфукции. - Г. Ростов-на-Дону: РГСУ. СевкавНИПИагропром. -2003 г.-с.73-75.

8. Маилян Р.Л., Маилян Д Р., Хуранов В.Х. Пути создания железобетонных изгибаемых элементов «равного» сопротивления // Материалы Международной научно-практической конференции «Строительство 2003».-г. Ростов-на-Дону: РГСУ.-2003 г.-с.68-69.

9. Хуранов В.Х. Железобетонные предварительно напряженные плиты покрытий «равного» сопротивления. // Материалы Международной научно-практической конференции «Строительство - 2003». - г. Ростов - на - Дону: РГСУ.-2003г.,-с.64-65.

10. Хуранов В.Х., Предварительно напряженная железобетонная балка с параллельными поясами и смешанным армированием //Материалы юбилейной Международной научно-практической конференции «Строительство 2004».-г. Ростов-на-Дону: РГСУ-2004 г.-с. 15-17.

В печать 21 10 2004 Тираж 100 экз Заказ №4229 Типография КБГУ 360004. г Нальчик, ул. Чернышевского, 173

Введение

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1. Конструкции равного сопротивления

1.2. Железобетонные элементы со смешанным армированием

1.3. Железобетонные элементы с комбинированным преднапряжением

1.4. Задачи исследования

Глава 2. Железобетонные конструкции равного сопротивления с комбинированным преднапряжением

2.1. Пути создания конструкции равного сопротивления

2.2. Предлагаемые решения железобетонных преднапряженных балок равного сопротивления

2.3. Железобетонные преднапряженные плиты покрытий равного сопротивления

2.4. Стропильная предварительно напряженная железобетонная балка равного сопротивления

2.5. К определению прогибов железобетонных балок переменного сечения вдоль пролета

Выводы по главе

Глава 3. К расчету и проектированию железобетонных элементов с комбинированным преднапряжением и смешанным армированием

3.1. Общие сведения

3.2. Определение коэффициента смешанного армирования

3.3. Предельные напряжения в арматуре железобетонных элементов со смешанным армированием

3.4. Граничная высота сжатой зоны железобетонного элемента при смешанном армировании и комбинированном преднапряжении

3.5. Предварительно напряженная железобетонная балка со смешанным армированием

Выводы по главе

Глава 4. Влияние основных факторов на сопротивление изгибу железобетонных элементов со смешанным армированием

4.1. Постановка задачи

4.2. Регрессионные зависимости технических характеристик железобетонных изгибаемых элементов от основных факторов

4.3. Анализ степени влияния основных факторов на характеристики железобетонных элементов со смешанным армированием

Выводы по главе

Железобетонные изгибаемые элементы наиболее распространенный вид строительных конструкций.

Железобетонные балки и плиты являются основными конструкциями при строительстве зданий и сооружений различного назначения.

Разнообразие их конструктивных решений весьма велико. Они отличаются формой поперечных сечений, пролетами, видами армирования и пред-напряжения, классами арматуры и бетона и др.

Постоянное совершенствование конструктивных решений железобетонных изгибаемых элементов приводит к повышению их технико-экономических показателей.

Этот процесс продолжается и в настоящее время, вскрываются новые резервы для повышения эффективности железобетонных балок и плит. Учитывая огромные объемы их применения в современном строительстве, даже небольшое сокращение расхода материалов, особенно арматурной стали, при совершенствовании конструктивных решений приводит к значительной экономии материальных и денежных затрат.

В связи с этим задача дальнейшего развития и повышения эффективности железобетонных балок и плит является весьма актуальной.

В изгибаемых железобетонных элементах, как правило, усилия вдоль оси распределяются неравномерно. В однопролетных свободно опертых балках и плитах изгибающие моменты на приопорных участках обычно существенно меньше, чем на средних. Однако предварительно напряженная высокопрочная арматура в таких элементах, подобранная по усилию в среднем сечении, протягивается на всю его длину от одного торца до другого. В результате на приопорных участках образуется излишний запас, который снижает экономические показатели конструкций. Более того, при таких решениях снижаются и технические свойства элемента, т.к. могут привести к раздроблению бетона на торцах и образованию не закрывающихся трещин на верхней грани от усилия обжатия.

Наиболее рациональным видом конструкции, как известно, являются элементы равного сопротивления, во всех сечениях которых отношения момента от внешних нагрузок к моменту от внутренних усилий является постоянным - в них нет излишних запасов прочности. Такие элементы наиболее рентабельны и экономичны, по крайней мере по расходу материалов.

Создание элементов равного сопротивления из железобетона, особенно при наличии предварительно напряженной высокопрочной арматуры, проблематично. Тем не менее приблизиться к такому решению возможно и к этому надо стремиться.

Решению этой актуальной задачи и посвящена данная диссертационная работа. Она выполнялась по общероссийской программе "Архитектура и строительство" на 2003-2004 годы по теме № 211.03.01.357 "Разработка новых эффективных конструктивных решений стропильных и междуэтажных железобетонных балок с комбинированным преднапряжением".

Работа выполнялась на кафедре железобетонных и каменных конструкций Ростовского государственного строительного университета под руководством заслуженного деятеля науки и техники России, Почетного члена Ростовской академии архитектуры и строительных наук, доктора технических наук, профессора Р. Л. Маиляна.

Цель диссертационной работы:

- разработка новых конструктивных решений железобетонных балок и плит равного сопротивления с комбинированным преднапряжением и смешанным армированием, отличающихся высокой эффективностью;

- - установление степени влияния основных факторов на сопротивление изгибу предварительно напряженных железобетонных элементов со смешанным армированием.

Научная новизна работы:

- предложено новое конструктивное решение железобетонных балок с комбинированным преднапряжением, имеющих в продольном направлении ступенчатый профиль, позволяющий обрывать предварительно растянутую высокопрочную арматуру растянутой зоны и предварительно сжатую арматуру сжатой зоны в пролете в соответствии с эпюрой моментов, что максимально приближает балки к наиболее рациональному решению - к элементам равного сопротивления (патент России № 30372);

- предложены новые конструкции железобетонных предварительно напряженных плит покрытия пролетом 12 м типа "П" и "2Т" со ступенчатыми продольными ребрами и обрывами преднапряженной арматуры в пролете;

- разработана конструкция стропильной предварительно напряженной железобетонной балки равного сопротивления двутаврового сечения с полигональным верхним поясом;

- разработана предварительно напряженная железобетонная балка с параллельными поясами со смешанным армированием и обрывами высокопрочной ненапрягаемой арматуры в пролете;

- эффективность использования продольной рабочей арматуры в железобетонных элементах предлагается оценивать коэффициентом rj = Ам/ АтГ где Ам и Ат - площади эпюры моментов соответственно от внешних сил и внутренних усилий (эпюры материалов);

- в предложенных конструктивных решениях железобетонных балок снижение расхода основной рабочей арматуры составляет от 8. 10% до 18.30%, а в плитах - от 9 до 14% в сравнении с существующими конструкциями. Коэффициент эффективности использования основной арматуры rj повышен в балках с 0, 58 до 0,8, а в плитах - с 0,64 до 0,83;

- для уточнения расчета железобетонных изгибаемых элементов ступенчатого профиля с комбинированным преднапряжением и смешанным армированием по прочности и деформациям даны рекомендации по определению граничной высоты сжатой зоны бетона для элементов с предварительно сжатой арматурой, по вычислению коэффициента смешанного армирования Кр, по определению прогиба при ступенчатом профиле элемента и др.;

- на основе математического планирования 5-ти факторного полного трехуровневого численного эксперимента получены регрессионные зависимости прочности, деформативности и трещиностойкости предварительно напряженных железобетонных изгибаемых элементов от классов арматуры и бетона, процентов армирования растянутой и сжатой зон и коэффициента смешанного армирования;

- установлена степень влияния каждого го указанных факторов на технические характеристики железобетонных балок.

Автор защищает;

- предложенные конструктивные решения железобетонных балок и плит с комбинированным преднапряжением, смешанным армированием, со ступенчатым профилем вдоль пролета и обрывами преднапряженной арматуры в пролете, с ломанным верхним поясом, которые обеспечивают максимальное приближение конструкций к элементам равного сопротивления;

- рекомендации, уточняющие расчет по прочности и деформациям железобетонных изгибаемых элементов с комбинированным преднапряжением и смешанным армированием;

- регрессионные зависимости прочности, деформативности и трещиностойкости преднапряженных железобетонных изгибаемых элементов со смешанным армированием от основных факторов;

- данные о степени влияния классов арматуры и бетона, процентов армирования сечения и коэффициента смешанного армирования на прочность, трещиностойкость и прогибы железобетонных преднапряженных балок со смешанным армированием.

Достоверность выводов и рекомендаций обеспечена высоким уровнем статистической надежности результатов, полученных при обработке большого количества данных численных экспериментов с изменением в широких пределах варьируемых факторов.

Практическое значение и внедрение результатов работы

Разработанные новые конструктивные решения железобетонных балок и плит с комбинированным преднапряжением и смешанным армированием, приближающимся к элементам равного сопротивления, отличаются высокими технико-экономическими показателями. Их широкое внедрение в строительную практику позволит сэкономить значительные объемы материалов, особенно дорогостоящую высокопрочную стальную арматуру.

Предложенные конструктивные решения и рекомендации приняты и внедряются в практику Северокавказским научно-исследовательским и проектным институтом "СевкавНИПИагропром", Кабардино-Балкарским проектным институтом ОАО РЦП «КАББАЛКЦЕНТРПРОЕКТ».

Результаты исследования внедрены в учебный процесс в Ростовском государственном строительном университете, Ростовской государственной академии архитектуры и искусств, Кабардино-Балкарском государственном университете, Кабардино-Балкарской сельскохозяйственной академии.

Апробация работы и публикации

Основные положения диссертации опубликованы в 10 статьях автора.

Материалы диссертации доложены на Ш Международной научно-практической конференции "Бетон и железобетон в третьем тысячелетии" (2004 г.), Международной научно-практической конференции "Строительство^ 003" (г. Ростов-на-Дону, 2003 г.), Международной научно-практической конференции "Строительство-2004" (г. Ростов-на-Дону, 2004 г.), научнотехнической конференции Кабардино-Балкарского государственного университета (г. Нальчик, 2004 г.).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка литературы (135 наименования) и приложений.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Приведен обзор и анализ, путей создания железобетонных изгибаемых элементов, приближающихся к элементам равного сопротивления: изменением вдоль пролета размеров поперечного сечения элемента, обрывами продольной ненапрягаемой арматуры, изменением класса и диаметра арматуры с применением сварки встык, обрывами в пролете ненапрягаемой арматуры при смешанном армировании преднапряженных элементов, обрывами в пролете высокопрочной преднапряженной арматуры в элементах ступенчатого профиля.

2. С целью создания железобетонных изгибаемых преднапряженных элементов с рациональным армированием преднапряженной высокопрочной сталью предлагается конструктивному элементу, в котором размещается преднапряженная арматура, придавать в продольном направлении ступенчатый профиль. Это позволяет обрывать преднапряженную арматуру в пролете в соответствии с эпюрой изгибающих моментов и заанкеривать ее в торцах уступов ступенчатого профиля элемента (Патент России № 30372).

При таком решении достигается не только экономия стали и существенное уменьшение излишних запасов прочности и трещиностойкости на слабонагруженных участках, но и уменьшение усилия обжатия, передающегося на торцы конструкции.

3. Одним из важнейших критериев оценки экономической эффективности железобетонных элементов следует признать не только расход арматуры, но и коэффициент эффективного использования рабочей арматуры 77, под которым понимается отношение площади эпюры моментов от внешних сил к площади эпюры моментов от внутренних усилий (эпюры материалов). С увеличением значения этого коэффициента арматура используется более полно и излишние запасы уменьшаются.

4. Предложены железобетонные балки пролетом 12 м с комбинированным преднапряжением высокопрочной арматуры, обрываемой в пролете в соответствии с эпюрой моментов, в которых коэффициент rj (см. п. 3) достигает 0,8, что в 1,4 раза выше, чем в аналогичной типовой преднапряженной балке. Расход арматуры в предложенных балках на 18 .21% ниже, чем в типовой балке, а технические характеристики полностью удовлетворяют всем существующим требованиям.

5. Разработаны конструктивные решения железобетонных преднапряженных ребристых плит покрытия размерами 3x12 м, в которых продольные ребра имеют ступенчатый профиль, что позволяет обрывать часть высокопрочной преднапряженной продольной арматуры в пролете. Это позволяет снизить ее расход на 8 .9% и повысить коэффициент использования арматуры до 0,83, т.е. увеличить в сравнении с типовым решением в 1,3 раза.

6. Использование предложенных принципов для повышения эффективности железобетонных преднапряженных элементов при перепроектировании двухконсольных плит "двойное Т" размерами 3x12 м с преднапряженной канатной арматурой позволило снизить ее расход на 14% и повысить коэффициент использования рабочей арматуры с 0,64 до 0,82.

7. Предложена стропильная предварительно напряженная железобетонная балка пролетом 18 м, равное сопротивление которой вдоль пролета достигается путем придания верхней грани полигонального очертания. Это позволило получить решение, при котором отношения момента внутренних сил к моменту от внешней нагрузки, отношение момента трещинообразования к моменту от внешней нагрузки и ширина раскрытия трещин во всех сечениях остаются практически постоянными. В предложенной балке расход бетона и масса балки снижены на 15.27%, а расход стали - на 8. 10% в сравнении с существующими решениями.

8. Перепроектирование типовой стропильной преднапряженной железобетонной балки пролетом 12 м с параллельными поясами, при котором применено смешанное армирование позволило сократить расход основной рабочей высокопрочной арматуры более чем на 30% и повысить коэффициент эффективности использования арматуры с 0,58 до 0,74.

9. Разработаны практические рекомендации, уточняющие расчет по прочности и деформациям железобетонных балок со смешанным армированием и комбинированным преднапряжением при: определении граничной высоты сжатой зоны изгибаемых элементов, содержащих предварительно сжатую арматуру; определении коэффициента смешанного армирования; прогибов в балках ступенчатого профиля и др.

10. По результатам численных экспериментов, выполненных на основе математического планирования полного 5-ти факторного трехуровневого эксперимента получены регрессионные зависимости второго порядка основных характеристик железобетонных преднапряженных изгибаемых элементов со смешанным армированием от классов арматуры и бетона, процентов армирования растянутой и сжатой зон сечения и коэффициента смешанного армирования.

Выполнен анализ влияния этих факторов на прочность, трещиностойкость и деформативность указанных элементов.

11. В железобетонных балках со смешанным армированием при прямоугольном или двутавровом (тавровом) сечении и нейтральной оси, проходящей в полке, при £ / < 1 повышение класса бетона при любом коэффициенте смешанного армирования Кр повышает прочность незначительно (при замене бетона класса ВЗО бетоном класса В50 всего на 4%). В этом случае, учитывая увеличение стоимости бетона с повышением его класса, применение бетонов высоких классов не целесообразно, т.к. и остальные механические характеристики балок изменяются незначительно.

12. С повышением процента армирования растянутой зоны балок и расчетных характеристик арматуры, что ведет к увеличению отношения £ / £R и к более полному использованию сжатой зоны (в баках двутаврового или таврового сечения при нейтральной оси, пересекающей ребро) влияние класса бетона на прочность существенно возрастает - при переходе от класса ВЗО к классу В50 - на 15% при Кр=0 и на 10% при Кр=\.

13. При £ / больше единицы (переармированные балки) или близком к 1 первопричиной разрушения железобетонных балок становится исчерпание прочности бетона сжатой зоны. В таких случаях (балки и плиты пониженной высоты и др.) влияние класса бетона значительно - при указанных выше классах прочность балки возрастает на 31. 39%.

14. Результаты всех трех серий свидетельствуют, что при любых классах бетона и отношениях £ / влияние коэффициента смешанного армирования Кр на прочность железобетонных балок сравнительно не велика (с повышением Кр от нуля до 1 прочность балок возрастает на 2. 8% с тенденцией к повышению при высоких значениях £ / и низких классах бетона).

15. При повышении класса бетона значения относительного момента трегцинообразования Мсго/М при любом коэффициенте смешанного армирования изменяются незначительно, а абсолютные значения Мсгс существенно возрастают (до 30%). Увеличение коэффициента Кр с 0 до 1 вызывает значительное повышение трещиностойкости (в 4. 5 раз).

16. При высоких значениях когда повышение класса бетона ведет к увеличению нормативного момента Мн - 0,8М, возрастает также ширина раскрытия трещин и прогибы. Если же принять абсолютные значения -моментов одинаковыми, то повышение класса бетона с ВЗО до В50 Кр=0,75 приводит к уменьшению, ширины раскрытия трещин на 43%, а прогибов -38%.

1. Артемьев В.П, Арсланбеков М. М. Выбор классов арматуры при смешанном армировании // Бетон и железобетон. - 1981. №5 -С. 14 - 15.

2. Байков В.Н., Горбатов С.В., Димитров З.А. Построение зависимости между напряжениями и деформациями сжатого бетона на системе нормируемых показателей // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура. 1977.- № 6 - С. 31 - 33.

3. Байков В.Н., Додонов М.И., Расторгуев Б.С., Фролов А.К., Мухамедиев ТА., Кунижев В.Х. Общий случай расчета прочности элементов по нормальным сечениям // Бетон и железобетон. 1987. - №5 - С. 16-19.

4. Байков В.Н., Складнее Н.Н. Оптимальное проектирование предварительно напряженных железобетонных конструкций // Сборник трудов МИСИ "Железобетонные конструкции промышленного и гражданского строительства" М.: Изд-во МИСИ, 1981., №185 - С. 2544.

5. Байков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции // Общий курс -М.: Стройиздат, 1991.

6. Байков В.Н. Расчет изгибаемых элементов с учетом экспериментальных зависимостей между напряжениями и деформациями для бетона и высокопрочной арматуры // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура. 1981. - №5 - С. 26 - 32.

7. Бачинский В.Я., Бамбура А.Н., Ватагин С.С. Связь между напряжениями и деформациями бетона при кратковременном неоднородном сжатии // Бетон и железобетон. 1984. - №10 - С. 18-19.

8. Бердичевскигй Г.И., Гуща Ю.П., Крамарь В.Г. Расчет и проектирование железобетонных элементов с частичным предварительным напряжением // Материалы симпозиума ФИЛ по частичному преднапряжению Бухарест, 1980.-том 1 -С. 195-204.

9. Бердичевский Г.И., Маркаров Н.А. Технологические факторытрещиностойкости и прочности предварительно напряженных железобетонных конструкций // М.: Строииздат, 1969. С. - 151.

10. Бердичевский Г.И., Таршиш В.А. Закрытие трещин при разгрузке преднапряженных элементов // ЦИНИС, PC. Межотраслевые вопросы строительства. Отечественный опыт. 1972. - вып. 7 - С. 37 - 40.

11. Бич П.М. Экспериментально теоретические исследования закритических характеристик бетона // Бетон и железобетон. - 1987. -№3 - С. 26 - 27.

12. Бондаренко В.М., Бондаренко С.В. Инженерные методы нелинейной теории железобетона // М.: Стройиздат, 1982 С. - 274.

13. Бондаренко В.М. Метод интегральных оценок в теории железобетона // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура. 1982. - № 12 -С. - 3

14. Бондаренко В.М. и др. Железобетонные и каменные конструкции // М.: Высшая школа. 2002.

15. Васильев П.И., Голышев А.Б., Залесов А.С. Снижение материалоемкости конструкций на основе развития теории и методов расчета // Бетон и железобетон. 1979. - №9 - С. 16-18.

16. Ганага П.Н., Ганага А.А. Способ изготовления железобетонных элементов с предварительно сжатой стержневой арматурой // А. с. СССР №306240.

17. Ганага П.Н., Каган В.Б., Маилян Д.Р. Расчет прочности элементов с учетом эффекта преднапряжения арматуры // Бетон и железобетон. -1979 -№9-С. 28-29.

18. Ганага П.Н., Маилян Д.Р, Учет неупругих свойств бетона при определении жесткости железобетонных балок // Вопросы прочности, деформативности и трещиностойкости железобетона, вып. 7 г. Ростов -на-Дону, 1979-С. 122-127.

19. Гамбаров Г.А., Гочев Г. Трехосно предварительно напряженные железобетонные элементы // Бетон и железобетон 1965 - №2 - С. 6 - 9.

20. Гамбаров Г.А. и др. Балочные конструкции, усиленные трехосно предварительно напряженными элементами // "Предварительно напряженные конструкции с непрерывным армированием" Труды НИИЖБ - М.: Стройиздат, 1970 - С. 85 - 92.

21. Гвоздев А.А, Дмитриев С.А. К вопросу о расчете сечений по трещинообразованию // Бетон и железобетон. 1960. - №7 - С. 31 - 32.

22. Гвоздев А.А., Дмитриев С.А, Крылов С.М. и др. Новое о прочности железобетона //М.: Стройиздат, 1977. С. 47 - 76, 198 - 223.

23. Гвоздев А.А., Залесов А.С., Серых P.JI. Новые нормы проектирования бетонных и железобетонных конструкций // Бетон и железобетон. -1985. -№6-С. 5-7.

24. Гвоздев А.А., Мулин Н.М., Гуща Ю.П. Некоторые вопросы расчета прочности и деформаций железобетонных элементов при работе арматуры в пластической стадии // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура 1968. №6.

25. Гвоздев А.А. Расчет несущей способности конструкций по методу предельного равновесия. М.: Стройиздат. - 1949г.

26. Гервик Б. Предварительно напряженные железобетонные конструкции в строительстве. М: Стройиздат. - 1978. - С.336.

27. Гийон И. Предварительно напряженный железобетон // — М.: Госстройиздат. -1962. С. 495.

28. Головин Н.Г. Смешанное армирование железобетонных элементов // Железобетонные конструкции промышленного и гражданского строительства Сборник трудов МИСИ №185 - М.: 1981. - С. 117 - 123.

29. Головин Н.Г., Трифонов И.А., Сапрыкин В.Ф. Эффективность смешанного армирования железобетонных конструкций // Совершенствование методов расчета и проектирования строительных конструкций и способов их возведения МИСИ - М.: 1985. - С. 62 - 67.

30. Голышев А.Б., Бачинский В.Я. О разработке прикладной теории расчетажелезобетонных конструкций // Бетон и железобетон. 1985. - №6 - С. 16-18.

31. Градюк И.И., Стасюк М.И. Раскрытие и закрытие трещин в изгибаемых элементах со смешанным армированием // Бетон и железобетон. 1983. -№3.

32. Гуща Ю.П., Лемыш Л.Л. Расчет деформаций конструкций на всех стадиях при кратковременном и длительном нагружениях // Бетон и железобетон. 1985.-№11-С. 13-16.

33. Гуща Ю.П. Ширина раскрытия нормальных трещин в элементах железобетонных конструкций // В кн.: Предельное состояние элементов железобетонных конструкций М.: Стройиздат, 1976.

34. Гуща Ю. П. Об учете неупругих деформаций бетона и арматуры в расчете железобетонных конструкций // В кн.: Совершенствование конструктивных форм, методов расчета и проектирования железобетонных конструкций, М.: НИИЖБ, 1983. - С. 11-18.

35. Дегтярев В.В. Новый способ анализа несущей способности элементов. // Бетон и железобетон. 1979. - №4 - С. 33 - 34.

36. Дегтярев В.В. Деформативность бетона сжатой зоны в зависимости от ее форм и характера армирования. // Бетон и железобетон. 1986. - №8 — С. 42-44.

37. Дмитриев С.А., Калатуров Б.А. Расчет предварительно напряженных железобетонных конструкций. М.: Стройиздат, 1963 г.

38. Европейский комитет по бетону. Кодекс образец ЕКБ - ФИП для норм по железобетонным конструкциям (перевод с французского) - М.: НИИЖБ, 1984 - С. 284.

39. Залесов А.С., Чистяков Е.А., Ларичева И.Ю. Деформационная расчетная модель железобетонных элементов при действии изгибающих моментов и продольных сил // Бетон и железобетон. -1966.- №5 С. 16-19.

40. Зуфаров Г.К. Особености сопротивления изгибу легкожелезобетонныхэлементов со смешанным армированием// Кандидатская диссертация — Ташкент: ТашПИ. -1986.

41. Ильин О.Ю., Попов Г.И, Прочность нормальных сечений железобетонных элементов // Исследование элементов строительных конструкций. вып. 158 - МАДИ. - М.: 1978 - С. 38 - 43.

42. Ильин О.Ф. Прочность нормальных сечений и деформаций элементов из бетонов различных видов // Бетон и железобетон. — 1984. №4— С. 3840.

43. Инструкция по проектированию железобетонных конструкций. М.: Стройиздат, 1968. - С. 272.

44. Карабанов Б.В., Ильин О.Ф. Особенности расчета изгибаемых преднапряженных элементов со смешанным армированием по общему случаю // Бетон и железобетон. 1988. - №3 - с. 23 - 25.

45. Карпенко Н.И., Мухамедиев ТА- Диаграммы деформирования бетона для развития методов расчета железобетонных конструкций с учетом режимов нагружения // Эффективные малометаллоемкие железобетонные конструкции. Труды НИИЖБа - М.: 1988 - С. 4 - 17.

46. Карпенко Н.И. Общие модели механики железобетона. — М.: Стройиздат, 1996.- 413с.

47. Карпенко Н.И. Теория деформирования железобетона с трещинами М.: Стройиздат, 1976. - 208с.

48. Краснощекое Ю.В. Сопротивление растянутой арматуры при смешанном армировании // Бетон и железобетон. 1985. №12-С.20-21.

49. Крылов С.М. Физическая и геометрическая нелинейностьжелезобетонных конструкций. Труды НИИЖБа - М.: 1986. - С. 4 - 6.

50. Ли Т.В. Проектирование предварительно напряженных железобетонных конструкций. -М: Госстройиздат. I960.- С.66-91,271-286.

51. Лейтес Е.С. К построению теории деформирования бетона, учитывающей нисходящую ветвь диаграммы деформаций материала // Новые исследования элементов железобетонных конструкций при различных предельных состояниях. Труды НИИЖБа. - М: 1982. - С. 24-32.

52. Лихов З.Р. К расчету железобетонных изгибаемых элементов с комбинированным преднапряжением с учетом полных диаграмм деформирования материалов // Сборник докладов Международной конференции "Строительство — 2003". г. Ростов-на-Дону: РГСУ. -2003г.

53. Мадатян С.А. Технология натяжения арматуры и несущая способность железобетонных конструкций. М.: Стройиздат, 1980. - С. 196.

54. Мадатян С.А. Общие тенденции производства и применения обычной и напрягаемой арматуры // Бетон и железобетон. 1997. - №1 - С. 2 - 5.

55. Маилян Д.Р., Маилян Р.Л. Способ изготовления предварительно напряженных железобетонных изделий. Патент РФ на изобретение №2120527,1998.

56. Маилян Д.Р. Зависимость предельной деформативности бетона от армирования и эксцентриситета сжимающего усилия // Бетон и железобетон. -1980. №9 - С. 11 -12.

57. Маилян Д.Р. Способы изготовления колонн с высокопрочнойпредварительно сжатой арматурой // Бетон и железобетон. 1987. - №9 -С. 25-26.

58. Маилян Р.Л., Мекеров Б.А. Методичка учета эффекта преднапряжения при расчете прочности железобетонных элементов // Бетон и железобетон. 1983. - №9 - С. 28 -30.

59. Маилян Р. Л., Мединский В.Л. Способ изготовления железобетонных элементов, работающих на сжатие // А. с. №962545 Бюллетень изобретений. -1982., №36.

60. Маилян Р.Л., Маилян Д.Р. Способ изготовления преднапряженных железобетонных изделий // А.с., №1231181. Бюллетень изобретений. -1986,-№18.

61. Маилян Р.Л., Маилян Д.Р. Форма-опалубка для изготовления железобетонных изделий с предварительно сжатой арматурой // А. с. № 1617119. Бюллетень изобретений. -1991., №48.

62. Маилян Р.Л., Маилян Д.Р., Якокутов М.В. Влияние уровня и знака преднапряжений на сопротивление изгибу железобетонных элементов с комбинированным преднапряжением // Известия вузов. Строительство. -1998., №9-С. 4-7.

63. Маилян Р.Л., Маилян Д.Р., Якокутов М.В. Снижение расхода стали при пердварительном сжатии высокопрочной арматуры сжатой зоны изгибаемых железобетонных элементов // Бетон и железобетон. 1999., №1.-С.20-22.

64. Маилян Р.Л., Маилян Д.Р., Хуранов В.Х. Пути созданияжелезобетонных изгибаемых элементов «равного» сопротивления // Сборник докладов Международной конференции "Строительство -2003". г. Ростов-на-Дону: РГСУ. - 2003г. С. 68-69.

65. Маилян Р.Л., Маилян Д.Р., Хуранов В.Х. Железобетонные балки «равного» сопротивления с комбинированным преднапряжением // Вестник ОСН РААСН. вып.- 2003.

66. Маилян P.JL, Маилян Д.Р., Хуранов В.Х. Железобетонная балка. -Патент России №30372.- Бюл.№ 18.-27.06.2003.

67. Маилян Д.Р., Маилян Р.Л., Хуранов В.Х. Способы изготовления железобетонных конструкций с переменным преднапряжением по длине элемента.// Известия ВУЗов. Строительство. 2004. - №5

68. Маилян Д.Р., Маилян Р.Л. Осипов В.К. Железобетонные балки с предварительным напряжением на отдельных участках // Бетон и железобетон. 2002., №2.-С.18 - 20.

69. Мамедов Т.И. Повышение прочности конструкций с предварительно сжатой арматурой // Бетон и железобетон. -1986., №12. С.4 - 6.

70. Мамедов Т.И. Расчет прочности нормальных сечений элементов с использованием диаграммы арматуры // Бетон и железобетон. 1988. -№8.-С.22-25.

71. Митасов В.М., Бехтин П.П Смешанное армирование при различных уровнях предварительного напряжения // Бетон и железобетон. 1987. -№5.-С.26-28.

72. Митасов В.М. Определение напряжений арматуры железобетонного элемента в сечении с трещиной // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура. -1988. №4. - С. 116 -118.

73. Михайлов В.В., Гамбаров Г.А., Гитман Ф.Е. Способ изготовления предварительно напряженных железобетонных изделий // А. С. СССР, №314872.

74. Михайлов К.В., Волков Ю.С. Взгляд на будущее бетона и железобетона78