автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Железобетонные составные конструкции транспортных зданий и сооружений

На правах рукописи

БАШИРОВ ХАМИТ ЗАКИРОВИЧ

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ СОСТАВНЫЕ КОНСТРУК ЦИИ ТРАНСПОРТНЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Специальность 05.23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 5 ИЮІІ

¿013

Москва-2013

005531681

005531681

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения»

Научный консультант: Федоров Виктор Сергеевич

доктор технических наук, профессор

Карпенко Николай Иванович

доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией «Проблемы прочности и качества в строительстве» ФГБУ «Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук»

Расторгуев Борис Сергеевич

доктор технических наук, профессор кафедры «Железобетонные и каменные конструкции» ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский университет «Московский государственный строительный университет»

Смоляго Геннадий Алексеевич доктор технических наук, профессор кафедры «Промышленное и гражданское строительство» ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технический университет им. В.Г. Шухова»

Ведущая организация: Открытое акционерное общество

«Центральный научно-исследовательский и проектно-экспериментальный институт промышленных зданий и сооружений — ЦНИИПромзданий» (ОАО ЦНИИПромзданий)

Официальные оппоненты:

Защита состоится 11 сентября 2013 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 218.005.05 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, дом стр. 9, корпус 7, ауд. 7501.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, дом 9, стр. 9.

Автореферат разослан «^¿х» 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 218.005.05 кандидат технических наук, доцент

М.В. Шавыкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность и степень разработанности темы исследований. Железобетонные конструкции большинства транспортных зданий и сооружений, в частности, железнодорожных - промывочно-пропарочных станций (ППС), пунктов подготовки вагонов (ППВ), ремонтно-экипировочных депо (РЭД) и др. - работают в специфических эксплуатационных условиях. Практика эксплуатации таких конструкций показывает, что первичная антикоррозионная защита относительно быстро выходит из строя. Данные натурных обследований автора выявили неэффективность и вторичной защиты таких зданий от коррозии. Для обеспечения их эксплуатационных качеств нашли применение конструктивные решения комплексных химически стойких элементов с первичной (заводской) защитой от коррозии в сборно-монолитном исполнении на основе сочетания материалов с различными физико-механическими свойствами: обычных цементных и полимерцементных бетонов, полимербетонов и др. Такие комплексные коррозионно-стойкие конструкции по характеру своей работы являются составными.

К составным относится и большинство сборно-монолитных железобетонных конструкций, которые сочетают в себе отдельные положительные качества как сборного, так и монолитного железобетона, благодаря чему являются весьма рентабельными и удобными для строительства. Сборная часть этих конструкций помимо обычного и предварительно напряжённого железобетона может предусматриваться из сталефибробетона, стеклофибробетона, полимербетона и других, в том числе местных материалов. Для сборно-монолитных конструкций сохраняется возможность вести строительство индустриальными методами, предусматривается весьма простое устройство стыков в узлах сопряжения в виде выпусков арматуры и шпонок, обеспечивается неразрезность сборных элементов путём соответствующего их армирования на промежуточных опорах и тем самым в значительной степени увеличивается жёсткость и пространственная устойчивость всего сооружения в целом.

Зональное размещение материалов в железобетонных составных конструкциях позволяет наряду с высокопрочными бетонами использовать бетоны пониженных классов и достичь экономии по расходу стали. Таким образом, преимущества железобетонных составных конструкций (сборно-монолитных; усиленных при реконструкции) становятся столь очевидными, что не проводить углубленные исследования особенностей их сопротивления и конструирования уже просто нельзя.

Совершенно очевидно, что создание эффективных железобетонных составных конструкций, в том числе для транспортных зданий и сооружений, в значительной мере зависит от адекватности расчётных моделей действительному характеру их работы. Принятие в практических расчетах предпосылки о совместности работы бетона и арматуры противоречит опытным данным с выявленным эффектом нарушения сплошности и сущности процесса деформирования составных твердых тел.

Ещё одной проблемной задачей до настоящего времени продолжает оставаться расчёт железобетонных элементов по наклонным сечениям. И хотя в последние годы, в решении этой проблемы достигнут заметный прогресс, определилось новое направление, все же многие важные вопросы остаются неизученными, в частности применительно к исследованию прочности, жесткости и трещиностойкости железобетонных составных конструкций. Здесь практически отсутствуют расчетные модели, отражающие всё многообразие различных типов наклонных трещин, не разработана математическая модель для определения проекций опасной наклонной трещины как функции многих переменных и т.д. Все это не позволяет избежать трудоемкого экспериментирования и принятия эмпирических зависимостей.

Отсюда следует, что создание новых эффективных конструктивных систем транспортных зданий и сооружений и железобетонных составных конструкций, связанное с проведением экспериментально-теоретических исследований их напряженно-деформированного состояния с учетом податливости шва между бетонами, несовместности деформаций бетона и арматуры и эффекта нарушения сплошности бетона, является весьма актуальной проблемой.

Цель работы: построение расчётных моделей сопротивления железобетонных составных конструкций с наиболее полным учётом действительного напряженно-деформированного состояния и синтез на этой основе эффективных конструкций и конструктивных систем транспортных зданий и сооружений.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

- провести обобщение и анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований, опубликованных в научной печати;

- разработать методику и провести экспериментальные исследования железобетонных составных конструкций с целью выявления характерных особенностей сопротивления разрушению, деформированию, образованию и раскрытию трещин;

- разработать аналитический аппарат оценки напряженно-деформированного состояния железобетонных составных конструкций по первой и второй группам предельных состояний с учетом выявленных особенностей их действительной работы;

- провести численные исследования и выполнить сравнительную оценку предлагаемого расчетного аппарата с экспериментальными данными и нормативной методикой расчета;

- разработать новые решения эффективных железобетонных составных конструкций и конструктивных схем проектируемых и реконструируемых транспортных зданий и сооружений.

Научная новизна работы состоит в развитии теории расчета железобетонных составных конструкций по предельным состояниям и синтезе на этой основе новых конструктивных решений транспортных зданий и сооружений, в частности:

1. Построены расчетные модели сопротивления железобетонных составных конструкций по предельным состояниям первой и второй групп, содержащие:

- экспериментально выявленный многоуровневый процесс трещинообразования (в том числе - веерообразный), раскрытия трещин в железобетонных составных конструкциях и предложенную иерархию разделения трех типов трещин на характерные веера;

- расчетную модель сопротивления из пяти блоков для моделирования процессов трещинообразования, деформирования и разрушения железобетонных составных конструкций с учетом условных сосредоточенных сдвигов в шве между бетонами, несовместности деформаций бетона и арматуры и эффекта нарушения сплошности бетона;

- расчетные схемы, рабочие гипотезы, разрешающие уравнения и методику расчета по предельным состояниям железобетонных составных конструкций по нормальным и наклонным трещинам трех типов;

- расчетные схемы разных уровней анализа (для определения относительных деформаций бетона и арматуры между трещинами в условиях сложного напряженного состояния; для моделирования различных видов разрушения в зоне наклонных трещин и т.п.), с ориентацией выходных параметров для этих схем на расчетную схему составного стержня;

- математическую модель для аналитического определения величины горизонтальной проекции опасной наклонной трещины в задачах прочности и ширины раскрытия трещин как функции многих переменных.

2. Опытные данные о характере и эффектах деформирования, образования, развития и раскрытия нормальных и наклонных трещин в железобетонных составных конструкциях, полученные на основе натурных и лабораторных экспериментальных исследований сложного напряженно-деформированного состояния бетона, продольной и поперечной арматуры при различных схемах загружения, характере армирования, классах бетона.

3. Новые железобетонные составные конструкции для проектируемых и реконструируемых транспортных зданий и сооружений:

- слоистые плиты низких сводов для покрытий и перекрытий зданий многоцелевого назначения из мелкозернистого и крупнозернистого высокопрочного лёгкого бетона с торцевым объединяющим элементом из высокопрочного бетона;

- коррозионно-стойкие двухконсольные арочные слоистые плиты «на пролет» двух типов с использованием легких и высокопрочного бетонов;

- несущие слоистые стеновые панели трех групп с использованием мелкозернистого полимербетона и конструкционного керамзито бетона, сопрягаемые с плитами покрытий с помощью жестких рамных узлов;

- несущие стеновые панели, вентилируемые через каналы и через слой крупнозернистого керамзитобетона;

- балочные слоистые конструкции (в том числе большепролетные) с использованием высокопрочного бетона и полимербетона, или полимерцементого бетона, или листовой облицовки.

4. Конструктивные системы транспортных зданий, отличающиеся тем, что внутренние несущие стены заменяются рамной системой, включающей коррозионно-стойкие колонны и подстропильные слоистые балки с первичной (заводской) защитой от коррозии с двухконсольными арочными плитами покрытия из легкого и высокопрочного бетонов, а стены выполняются из специально разработанных групп несущих коррозионно-стойких панелей.

Теоретическая и практическая значимость работы.

На основе сформулированных предпосылок разработана теория и построены расчетные модели сопротивления железобетонных составных конструкций по нормальным и наклонным сечениям.

Методы расчета железобетонных составных конструкций с более полным учетом параметров и особенностей деформирования арматуры и бетона позволяет получить в одних случаях более достоверные решения, в других -выявить резервы для эффективного использования материалов.

Разработаны рекомендации по проектированию, а также новые типы железобетонных составных конструкций и подтверждена их высокая эффективность.

Методология и методы исследований. Использован экспериментально-теоретический метод. В теоретических и численных исследованиях, которые выполнены в работе, использованы общие методы механики твердого деформируемого тела, теории составных стержней и теории железобетона.

Положения, выносимые на защиту:

- результаты экспериментальных и теоретических исследований напряженно-деформированного состояния железобетонных составных конструкций в зоне нормальных и наклонных трещин при различных схемах армирования и загружения;

- модернизированная теория силового сопротивления железобетонных составных конструкций по предельным состояниям по нормальным и наклонным трещинам трех типов, учитывающая условные сосредоточенные сдвиги в шве между бетонами, несовместность деформаций бетона и арматуры и эффект нарушения сплошности бетона;

- алгоритмы расчетов и результаты численных исследований с использованием разработанной расчетной методики, а также результаты их сопоставительного анализа с опытными данными и нормативной методикой расчета;

- рекомендации по проектированию и синтезу новых конструктивных схем и железобетонных составных конструкции для транспортных зданий и сооружений.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность основных положений и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечивается:

- построением расчетной модели сопротивления железобетонных составных конструкций на основе закономерностей механики твердого деформируемого тела, теории составных стержней, теории железобетона и реальных условий деформирования;

- сравнительным анализом результатов с использованием разработанной методики расчета с экспериментом и расчетами по нормативной методике, получившей наибольшее распространение в практике проектирования;

- эффективностью предложенных расчетных зависимостей, использованных при проектировании железобетонных составных конструкций транспортных зданий и сооружений.

Основные положения диссертации доложены и одобрены: на 1-й Всероссийской конференции по проблемам бетона и железобетона, 9-14 сентября 2001 г. (г. Москва); на 2-ой Всероссийской (международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон - пути развития» (Москва, 2005 г.); на Международной научно-методической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения В. Н. Байкова, 4-5 апреля 2012 г. (г. Москва, МГСУ); на семинаре кафедры «Строительные конструкции и материалы» Архитектурно-строительного института ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» (г. Орел, 2012 г.); на расширенном семинаре кафедры «Уникальные здания и сооружения» и кафедры «Промышленное и гражданское строительство» ФГБОУ ВПО «Юго-западный государственный университет» (г. Курск, 2013 г.); на кафедре «Строительные конструкции, здания и сооружения» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения» (г. Москва, 2013 г.).

Внедрение результатов исследования в практику проектирования и строительства.

Результаты проведенных исследований использованы:

научно-исследовательским, проектно-конструкторским и технологическим институтом бетона и железобетона им. A.A. Гвоздева (НИИЖБ им. A.A. Гвоздева) ОАО «НИЦ «Строительство» при подготовке нормативных документов (в частности, актуализации СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения);

- институтом «НИИКВОВ» при проектировании железобетонного плитно-балочного покрытия размером в плане 60*60 м. для резервуаров линейных очистных сооружений прибрежного кластера Олимпийских объектов г. Сочи;

- ООО «Инфорспроект» при вариантном проектировании сборно-монолитных трибун стадиона «Зенит» в г. Санкт-Петербурге;

- институтом «Проектгранстрой» при проектировании, реконструкции и усилении железобетонных конструктивных систем транспортных зданий и сооружений, в их числе: ППС Осенцы, ППВ на станциях Трудовая и Березники-Сортировочная и другие объекты.

- Орловским академическим центром РААСН при проектировании и реконструкции ряда жилых и гражданских зданий для строительства в городах Орел, Брянск, Курск.

Результаты исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения» на кафедре «Строительные конструкции, здания и сооружения»; ФГБОУ ВПО «Юго-западный государственный университет» (г. Курск) на кафедрах

«Уникальные здания и сооружения» и «Промышленное и гражданское строительство»; ФГБОУ ВПО «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс» (г.. Орел) на кафедре «Строительные конструкции и материалы», при изучении дисциплин: «Железобетонные и каменные конструкции», «Усиление и замена конструктивных элементов при реконструкции», «Обследование и испытания зданий и сооружений».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 научных работ, в том числе 36 публикаций в изданиях по Перечню ВАК и одна монография.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений, включает 431 страницу основного машинописного текста, 105 рисунков, 20 таблиц, список литературы из 310 наименований.

Работа выполнена в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы по темам "Исследования закономерностей неравновесных процессов и статико-динамического деформирования пространственных конструктивных систем и развитие на этой основе теории живучести энерго-, ресурсоэффективных зданий и сооружений" и "Развитие теории живучести конструктивных систем зданий и сооружений на основе физических моделей сопротивления железобетона при статико-динамическом нагружении" (соглашение №14.В37.21.0292 и №14.В37.21.1958).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Экспериментальные и теоретические исследования железобетонных составных конструкций можно условно разделить на две группы. К первой из них относятся работы, где изгибаемые плиты и балки составного сечения рассматриваются как с абсолютно жёстким швом сопряжения между элементами (Болдышев A.M., Жданов А.Е., Жиров A.C., Меркулов С.И., Мурашкин Г.В., Кузмичев А.Е., Клюкин В.И., Харченко A.B. и др.), что, как правило, приводит к ощутимому расхождению результатов расчета и эксперимента.

Работы второй группы, посвященные изучению различных аспектов напряженно-деформированного состояния железобетонных составных конструкций с податливыми швами сдвига (Бондаренко В.М., Волков И.В., Горностаев С.И., Демьянов А.И., Карпенко Н.И., Карпенко С.Н., Колчунов В.И., Колчин Я.Е., Маилян P.JL, Меркулов Д.С., Панченко Л.А., Расторгуев Б.С., Скобелева Е.А., Санжаровский P.C., Снятков Н.М., Смоляго Г.А., Шоршнев Г.Н., Федоров B.C., Яковенко И.А. и др.), начали проводиться лишь в последние два десятилетия.

В настоящее время одно из важнейших направлений в строительстве связано с необходимостью восстановления и усиления железобетонных стержневых элементов при реконструкции зданий и сооружений. Разработкой теоретических основ расчёта и проектирования усиливаемых конструкций, которые также становятся составными, занимались многие учёные: В.М. Бондаренко, Г.А. Гениев, А.Б. Голышев, A.C. Залесов, С.Н. Карпенко,

В.А. Клевцов, Е.А. Король, А.И. Мальганов, Г.В. Мурашкин, Н.В. Клюева, Н.М. Снятков, В.Ф. Усманов, В.П.Чирков, Я.И. Швидко, И.А. Яковенко и др.

В фундаментальной монографии В.М. Бондаренко и В.И. Колчунова обращено внимание на весьма существенный эффект напряженно-деформированного состояния, происходящий в железобетоне в результате нарушения его сплошности, который может быть выражен через дополнительное касательное усилие Д Т.

Таким образом, имеется достаточно представительный класс железобетонных конструкций, расчетная схема которых может быть представлена в виде составного стержня с податливыми связями сдвига, что позволит теоретически обоснованно прогнозировать их работу в случае адекватного отражения вновь выявленных эффектов их сопротивления.

Фундаментом построения расчетной модели, безусловно, является опытный материал.

В главе 2 представлены методика и анализ результатов натурных экспериментальных исследований, которые проводились параллельно с разработкой новых железобетонных составных конструкций (сочетающих в себе традиционные и новые материалы) транспортных зданий и сооружений.

Сравнительные характеристики и основные результаты испытаний армополимербетонных и слоистых составных балочных конструкций заводского изготовления приведены в табл. 1.

Аналогичные результаты натурных испытаний были получены автором и применительно к железобетонным составным балочным конструкциям из легкого железобетона с наружным слоем из мелкозернистого полимербетона, из тяжелого высокопрочного полимербетона и легкого пластифицированного полимербетона.

При этом графики прогибов опытных слоистых балок пролетом 5,75 м и сечением 400x700 мм свидетельствуют, что после появления видимых трещин жесткость сплошной балки уменьшилась практически скачкообразно в пределах всего одной ступени загружения, а в составных балках БП-1 какого-либо резкого падения жесткости не наблюдалось в течение всего процесса испытаний вплоть до начала текучести растянутой арматуры. Раскрытие нормальных трещин при нагрузке, превосходящей расчетную, в балках БП-1 не превысило значений 0,05-0,07 мм, а в балках Б-1 - 0,2-0,25 мм.

При сниженной более чем на 25 % средней плотности слоистые балки отличаются более высокими показателями прочности, в 1,5 раза большим коэффициентом запаса по деформациям при прочих равных данных по сравнению с балками из высокопрочного полимербетона ФАМ класса В80.

Для испытаний в заводских условиях изготовили три серии опытных плит, имеющих принципиальные конструктивно-технологические отличия. Первая серия балочных плит, служащих прототипом (рис. 1, а, б), выполнена сплошными из конструкционного керамзитобетона класса В20 с обычным армированием, вторая - трехслойной из различных бетонов: сжатая зона и приопорные участки из конструкционного керамзитобетона класса В20, а средний слой из крупнопористого керамзитобетона, растянутая зона - плотный

слой из песчаного бетона. Наличие среднего слоя из крупнопористого керамзитобетона привело к появления наклонной трещины с последующим ее развитием и выдергиванием продольной растянутой арматуры. Поэтому другая часть плит в этой серии была выполнена с увеличенной поперечной арматурой (см. рис. 1, г, д). Третья серия опытных образцов представляла собой арочные плиты сплошной (см. рис. 1, е) или трехслойной конструкции (см. рис. 1, ж). При сравнительно небольшой стреле подъема (/ = 1/22 пролета) эти плиты имели самое простое и минимальное армирование отдельными прямолинейными стержнями. Но при этом обеспечивалось армирование растянутых зон и на опорах, защемленных при испытаниях(см. рис. 1, е, ж).

Таблица 1

Результаты испытания армополимербетониых и слоистых составных

балочных конструкций заводского изготовления

Показатель Ед. измерения Основные данные испытаний и сравнительные показатели для

армополимер-бетонной балки слоистой балки покрытия слоистых балок рамных фундаментов

Поперечное сечение мм р........ч 8 [Ш 5 Г "ч з

Д--О..І

400 400 4ІЮ •

Пролет балок м 5,75 5,75 6,0

Максимальный момент от расчетной нагрузки кНм 251 251 583

То же, от нормативной нагрузки М" кНм 204 204 475

Опытный момент, вызывающий текучесть арм. кНм 512 563 1168

Запас прочности К 2,05 2,25 2,0

Максимальный прогиб при М = М" /. К 1 600 1 1080 1 1020

Запас по деформациям (И = 1/400/,) /« и 1,5 2,7 2,55

По всей высоте характерных сечений, а также по длине плит были наклеены электротензорезисторы с базой 50 мм. Перемещения плит определяли индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм.

Рисунок. 1. Варианты армирования и схемы испытания опытных плит покрытия:

1 - керамзитобетон плотной структуры; 2 - пористый слой из керамзитобетоне; 3-плотный слой из песчаного бетона; 4-крупнопористый керамзитобетон; 5-армированный слой из мелкозернистого полимербетона «кожного» армирования

Испытания подтвердили совместную работу слоев конструкций вплоть до полного исчерпания их несущей способности: начало текучести арматуры над опорой и в пролете произошло практически одновременно.

В конструктивных разработках арочно-консольных плит с последующим применением в их рамных системах широко используются (наряду с обычным цементным бетоном) легкие полимерные и цементно-полимерные бетоны, это также потребовало экспериментальной их апробации.

С целью определения влияния арочного эффекта и характера работы конструктивных систем были проведены экспериментальные исследования опытных рам с арочно-консольными плитами. Только за счет арочного эффекта относительные деформации по нижней грани в середине пролета уменьшились примерно в 2 раза. Разрушение произошло вследствие образования пластических шарниров одновременно над опорами и в середине пролета плиты покрытия.

Высокая эффективность распорно-балочных перекрытий и покрытий из сборно-монолитного железобетона по стальным балкам показала, что сечения последних могут быть значительно уменьшены по сравнению с балочными перекрытиями традиционной конструктивной системы.

Лабораторные экспериментальные исследования прочности, жесткости и трещиностойкости железобетонных составных конструкций по наклонным сечениям в рамках настоящей диссертационной работы проводились с целью анализа картин трещинообразования и характера разрушения для выявления физических моделей сопротивления железобетонных составных конструкций.

В процессе экспериментальных исследований решались следующие задачи:

1) разработка методики экспериментальных исследований прочности, жесткости и трещиностойкости железобетонных составных конструкций по наклонным сечениям;

2) экспериментальное определение параметров прочности (с анализом возможных разрушений от выкалывания бетона, его раздавливания, отрыва или среза, а также от потери сцепления с арматурой в приопорной зоне); жесткости при наличии наклонных трещин; ширины раскрытия наклонных трещин на уровне оси продольной и поперечной растянутой арматуры и вдоль всего профиля трещин; изменения расстояния между трещинами 1СГС и длины трещин hen по мере увеличения нагрузки (с проверкой многоуровневого процесса образования трещин); деформаций сжатого бетона и средних деформаций арматуры; высоты сжатой зоны бетона;

3) проверки предлагаемого расчетного аппарата по расчету прочности, жесткости и трещиностойкости железобетонных составных конструкций по наклонным сечениям с учетом условных сосредоточенных сдвигов в шве между бетонами, несовместности деформаций бетона и арматуры и эффекта нарушения сплошности бетона.

Программа исследований включала лабораторные испытания пяти серий железобетонных конструкций. Объем и основные параметры экспериментальных конструкций приведены в табл. 2.

«) г)

Рисунок 2. К анализу картин трещинообразования и разрушения (а, г) по наклонным трещинам железобетонных составных конструкций при несовместных деформациях в шве между бетонами (б, в):

/-ось (оси) растянутой арматуры; 2 - электротензорезистор, расположенный снизу от нейтральной оси 9\ 3 - электротензорезисторы, прилегающие к шву, расположенные в зоне бетона первого слоя; 4 - то же, в зоне бетона второго слоя; 5 — электротензорезистор, расположенный вдоль фибровых волокон бетона второго слоя; б — сечение 1-1; 7, 8 - мембранные розетки электротензорезисторов, расположенные в зонах, прилегающих к шву второго и первого бетонов, соответственно; 9 - средняя нейтральная ось образца; 10 -шов между бетонами

В опытных конструкциях были установлены четыре группы электротензорезисторов: по высоте поперечного сечения (в том числе, и на берегах шва) (рис. 2, б, я); в зонах, прилегающих к шву (мембранные розетки , -рис. 2, в); розетки над опасной косой трещиной; розетки на составных призмах. Картина трещин, их раскрытие и распространение на каждой ступени нагружения наносилась на специальные планшеты в масштабе 1:1.

При измерении прогибов составных призм на удалении 10 мм, 15 мм, 20 мм от шва устанавливались прогибомеры (с ценой деления 0,01мм).

Весьма информативными были картины трещин, а также графики средних деформаций сжатого бетона и растянутой арматуры.

Здесь имели место три наклонные трещины (рис. 2, а, рис. 3), образующие веер I. Экспериментально установлено, что ширина раскрытия трещин на уровне оси продольной и поперечной арматуры существенно меньше, чем на некотором (2 — 3 диаметра) удалении от этой оси. Анализ показывает, что арматура сдерживает раскрытие трещины, противодействуя раскрытию ее берегов. Возникающие при этом реакции вызывают местное сжатие в бетоне в окрестности трещины в околоарматурной зоне - эффект нарушения сплошности. Движение трещины идет по двум направлениям: в сторону сжатой грани бетона и в сторону продольной растянутой арматуры.

На основе полученных экспериментальных результатов было сформулировано весьма конкретное требование к предлагаемой расчетной модели по первой и второй группам предельных состояний: расчет хотя бы качественно должен подтвердить закономерности, замеченные в опытах.

Результаты обработки электротензометрических цепочек и розеток, установленных на основные образцы и составные призмы позволили получить опытные значения коэффициента жесткости шва : для швов между бетонами В20/В30 £ = 1982,2кН/слг; для швов между бетонами В30/В30 £ = 2528,5кН/см2.

Глава 3 посвящена построению модифицированной расчетной модели силового сопротивления железобетонных составных конструкций по первой и второй группам предельных состояний.

В основу расчета по первой группе предельных состояний железобетонных составных конструкций положены следующие основные предпосылки: в пределах каждого из составляющих стержней считается справедливой гипотеза плоских сечений; напряжения в бетоне и арматуре определяются с использованием билинейных диаграмм связей а — £\ секущий модуль сдвига шва контакта определяется экспериментально испытаниями на сдвиг призм из разных бетонов, в том числе, с арматурными стержнями в шве.

На основании сформулированной рабочей гипотезы о сосредоточенных относительных линейных деформациях разных бетонов в шве при наличии нормальных трещин значительно упрощены имеющиеся в научной литературе расчетные зависимости за счет появившейся возможности снижения порядка дифференциальных уравнений составных стержней, без снижения строгости решения.

На основе расчетной схемы составного стержня и сформулированных рабочих гипотез, позволяющих на порядок упростить дифференциальные уравнения для железобетонных составных стержней с различными схемами нагружения, в том числе и при наличии трещин, без снижения строгости и точности их решения, получено следующее дифференциальное уравнение:

= У?- + А • (1)

ХІ-ПІ

хч- о. г

XIII-0.1 XIV - 0.7 50

хі -1>. і хі - с. і

XII- О. I

хт-о.і.

XIV-ПА

хш-о.з х/г-ае.

бОО

\ !> - 0.5

ХІ/І- О. V

XII'- ІЛ

ХІГ- (!.} XII/ -0.7 ХІУ- 1-ї

XII - 0.4

XIII-(1.9

XIV- 1.1

мгл

зо', зо

О .50 Іка.

7 ~

■2ХГ

зо •-< 100 , юо

то

юо юо

юо юо

юо - /я

/X -О 1 У-О.1 'Значен м«г /4<і,уіуАми і '1-ї, к/1

Х - 0.2 у/ -0.2 , VI- 0.2 1 ю VIII 63

X!- 0.4 XI- О . 7 ХГ ■ 0.3 VII - О.З VII- О. 3 II 2 О IX 74

XII- 0.3 XI Г- 0.4 Ш/ - ш ЗО X 73

ХШ -n.fi їх-о.з IV 40 XI НО

XIV - Х- О.З ' х- о я V .4 О XII нз

ХТ- 0.3 XI- 0.4 XI - О.З VI XI и 90

ХТ1-П.4 VII 60 XIV** 93

ХШ - <?.« * - Оті т т/нпчинаоЯрсгкжши

XIV- ил XIV • 1.2 XIV- 1.7 •• . Іітап /ч*і/г\"иіен >>™м

Рисунок 3. Схема образования и раскрытия трещин в опытной составной конструкции третьей серии БС - III -2,7 - 100—010—(п2): 1 - средняя нейтральная ось; 2 - вертикальная ось симметрии образца; 3 - поперечные хомуты диаметром 6 мм из стали А240С; 4 - поперечные хомуты диаметром 10 мм из стали А240С; 5 - геометрические оси нижней рабочей арматуры в приопорной зоне 20ЮА4ООС; 6 - геометрические оси нижней рабочей арматуры в середине балки 2016А4ООС; 7 - дополнительные оси для замера трещин, смещенные от осей арматуры на расстояние двух диаметров

Раскрытие трещин на рис. в виде цифр обозначает: первая цифра - ступень нагружения; в скобках - величина нагрузки в кН\ цифра после тире - ширина раскрытия трещин в мм

д =__^ -ЛО, (2)

Значение Д определяется по формуле:

1 ч

(3)

При этом X = = к

1 , 1 , + /2(-0

(ЕъЛл)* М-р

Здесь, коэффициент жесткости шва контакта, ;У0,, М0 2 — продольные силы от внешней нагрузки в первом и втором железобетонном стержне соответственно; (ЕЬ1АЬ ,)екУ, (ЕьлАьг)>Ь1 - эквивалентные жесткости поперечных сечений отдельных железобетонных стержней; р - радиус кривизны для железобетонного составного стержня, определяемый в соответствии с формулой (24).

Эквивалентные жесткости поперечных сечений на сжатие (растяжение) отдельных железобетонных элементов, образующих составной стержень при наличии трещин, определяются следующим образом.

Нормальные усилия в составляющих стержнях делим на продольные относительные деформации, вычисленные относительно выбранной продольной оси:

(^.Л.,)^—; (4)

е,=ВхгМ,+В^„ (5)

где Вп и В2, выражены в виде функций от следующих параметров: 2,; гь\ Ъ\ Л0; £ А/, Еь\ 7; (с,; ц/ь\ кр^, М1 - момент всех сил, расположенных по одну сторону рассматриваемого сечения составного элемента относительно выбранной оси у, включая сдвигающие силы в шве; Ы1 —внешняя продольная сила, приложенная на уровне оси у и принимаемая при растяжении со знаком „плюс", включая сдвигающие силы в шве; — расстояния от выбранной оси у до точки приложения равнодействующей усилий соответственно в растянутой арматуре и в сжатом бетоне; параметры V , щ - определяется согласно указаниям действующих норм.

Решение дифференциального уравнения (1) записывается в виде:

(6)

С точностью до постоянных интегрирования, также будем иметь:

г = Т=£1 ^¡Ща^^'Щ + С,. (7)

е"" е

Граничные условия для определения постоянных интегрирования отыскиваются из условий загружения и опирания стержней.

Располагая значениями касательных напряжений, определяются деформации относительного сосредоточенного сдвига е^, накапливаемого в зонах, прилегающих к шву и после этого находятся неизвестные параметры х; N \ ; с,' (при решении задачи прочности); или х\ аьг; сг41; стл; а[ (при

решении задачи трещиностойкости и деформативности) поперечного сечения железобетонных составных конструкций. При этом эпюра напряжений сжатого бетона принята прямоугольной (максимальная ошибка от такой замены не превышает 2 %), что не только упрощает расчетные формулы, но и позволяют учитывать пластические свойства бетона. Однако вместо эмпирической зависимости, связывающей напряжения в арматуре с относительной высотой условной сжатой зоны с, принятой в действующих нормах, используется гипотеза плоских сечений в пределах только каждого из составляющих стержней.

Отмеченные неизвестные определяются из следующих уравнений: высота сжатой зоны бетона х - из уравнений равновесия суммы проекций всех сил на ось X = 0); напряжения в первом бетоне <т41, растянутой арматуре ст, и

сжатой арматуре ст'ь - из гипотезы плоских сечений, принятой для средних деформаций в пределах каждого из составляющих стержней; предельная продольная сила N в задаче прочности определяется из уравнения равновесия моментов всех сил, действующих в поперечном сечении относительно точки О (геометрической оси продольной арматуры Л/о = 0)); напряжение в бетоне сжатой зоны аьг в задаче трещиностойкости определяется из уравнения равновесия моментов всех сил, действующих в поперечном сечении относительно ТОЧКИ О ( = 0).

Ввиду особой сложности напряженно-деформированного состояния в зоне наклонных трещин, при построении расчетного аппарата до сегодняшнего дня остаются разные, в том числе полярные подходы, а применительно к железобетонным составным конструкциям — проблема практически не исследована.

В результате проведенного анализа предложена наиболее общая расчетная модель, позволяющая обеспечить точки соприкосновения разных подходов к построению расчета прочности железобетонных составных конструкций по наклонным сечениям (рис. 4, 5). На основании этой расчетной модели появляется возможность анализа сопротивления железобетонной конструкции при наличии наклонных трещин разных типов: первого (М > Мсгс, а < Qcrc), второго (М >МСГС и ()> Qcrí) и третьего (М < Мсгс и 0 > £?„,).

Предложенная расчетная модель трансформируется в многоблочную расчетную схему с двумя веерами трещин, прилегающих к сосредоточенной силе или к опоре, соответственно (см. рис. 4, 5).

Применительно к расчету прочности железобетонных конструкций по наклонным трещинам третьего типа (рис. 5, 6) используются четвертый и пятый блоки. При этом для определения напряженно-деформированного состояния поперечных сечений, проходящих через начало (сечение 3-3) и конец (сечение 1-1) наклонной трещины третьего типа, привлекается схема составного стержня, а применительно к промежуточному сечению 2 -2 (где наклонная трещина резко изменяет свою траекторию), привлекается расчетная схема клина.

Рисунок 4. К анализу приопорных трещин и трещин, прилегающих к сосредоточенной нагрузке: В,- веер наклонных трещин, прилегающих к сосредоточенной нагрузке; В2 - веер возможных наклонных трещин, прилегающих к опоре

Рисунок 5. Расчетная модель сопротивления пяти блоков для моделирования процессов трещинообразования, деформирования и разрушения железобетонных составных конструкций по наклонным сечениям

БЛОК IV II , ' 2

И и

к> о

Рисунок 6. Расчетная схема для определения прочности и ширины раскрытия наклонных трещин третьего

типа:

I - окрестность вершины клина; II и III - эпюры касательных напряжений в сечениях 2-2- и 3-3,

В задаче прочности железобетонных составных конструкций по наклонным трещинам третьего типа неизвестные отыскиваются из следующих уравнений (см. рис. 6): для определения напряженно - деформированного состояния в сечении 2-2 привлекается расчетная схема клина А2В2В1А1; из уравнения проекций всех сил на ось 07 (£0Г = 0) для блока IV, расположенного сверху от ломанного сечения - А,- Л2- В2, определяются погонные усилия в поперечних стержнях дт, пересекаемых наклонной трещиной ; из уравнения моментов всех сил относительно точни Ь =0) Для блока IV,

расположенного сверху от ломанного сечения /3 - А, - А,— В2, определяются напряжения в продольной арматуре сг, в сечении 3-3; из уравнения моментов всех сил относительно точни О (2>„=0) для блока IV, расположенного сверху от ломанного сечения /3 - А, - А2 - В2, определяется опорная реакция Я^.

Первый случай разрушения для наклонной трещины третьего типа соответствует условию достижения главными деформациями удлинения бетона е„ своих предельных значений еЫи1 в сечении 2-2 над наклонной трещиной (рис. 7):

еь.-> = Еьы- (8)

Записав функцию (д„, <г,3, с„ Я,, Л,) и отыскивая ее частные производные по соответствующим переменным, после алгебраических преобразований получим:

£>„.,, с] + 1\ и с,6 + !),, „ с$, + А, 14 с34 + Ц, ц 4 + а„ к, с! + £>„ ,, с, + Д, 18 = О. (9)

Здесь, параметры Ц,п -£>„,, зависят от геометрических характеристик железобетонных составных конструкций, геометрических и механических характеристик бетона и арматуры, параметров сцепления, параметров напряженно-деформированного состояния расчетной схемы Ь, Ь3, хв 2, к, й3, <см- рис. 5-7).

Второй случай соответствует разрушению от потери сцепления в зоне заанкеривания; оно происходит по наклонным трещинам третьего типа в результате достижения относительными деформациями взаимного смещения арматуры и бетона в сечении, расположенном на расстоянии /„„ от торца арматурного стержня, своих предельных значений ечи (см. рис. 7, б):

^ 00)

где - предельные напряжения сцепления; параметр диаграммы сцепления р принимается для соответствующего класса бетона.

Секущий модуль сдвига Оь„ определяется из пропорции, вытекающей из аналогии отмеченных диаграмм:

о;

' Е„

(П)

Я,)

Рисунок 7. Критерии разрушения железобетонных составных конструкций в зоне наклонных трещин третьего типа от достижения главными деформациями удлинения бетона в сечении 2-2 предельных значений (а) и от потери сцепления из-за достижения относительными деформациями взаимного смещения арматуры и бетона в сечении 3-3 предельных значений (б)

Напряжения сцепления и относительные деформации взаимного смещения арматуры и бетона в сечении 3-3 под наклонной трещиной третьего типа в соответствии со схемами рис. 7 определяются по формулам:

I,

(12)

»5« I ' "9.3 ,.« ^

Записав функцию г ст12, с„ А,, А,) и отыскивая ее частные производные по соответствующим переменным, после алгебраических преобразований получим следующее уравнение:

«2. сз + Л22 с34 + Я23 с| + Л24 с32 + Л25 с3 = 0, (13)

Здесь параметры /¿2] - зависят от геометрических характеристик составной конструкции, геометрических и механических характеристик бетона и арматуры, параметров сцепления, параметров напряженно-деформированного состояния для принятой расчетной схемы - Ь, Ьг, Л'в,, Ъ, /?3, И0,8,1,

Я .(ш.^ рис. 6, рис. 7, б).

Физический смысл уравнений (9) и (13) заключается в том, что они позволяют среди множества возможных наклонных трещин из веера 2 (см. рис. 4, 5) отыскать ту, по которой несущая способность железобетонной конструкции будет минимальной.

Реальность разрушения по наклонным трещинам третьего типа в ряде случаев подтверждена экспериментально.

Применительно к расчету прочности железобетонных конструкций по наклонным трещинам первого и второго типов используются первый - третий блоки (см. рис. 5, и рис. 8). При этом необходимость в определении напряженно-деформированного состояния поперечных сечений 3-3 и 2-2 отпадает и используется лишь сечение 1-1. В качестве уравнений и неизвестных в данном случае рассматриваются следующие: из уравнения равновесия проекций всех сил на ось ОУ (^У = 0) для приопорного блока следует значение усилий в поперечной арматуре, пересекаемой опасной наклонной трещиной; из уравнения равновесия проекций всех сил на ось ОХ (£Х = 0) для приопорного блока отыскивается высота сжатой зоны бетона над опасной наклонной трещиной хв; из уравнения равновесия моментов всех сил относительно центра прямоугольной эпюры напряжений в сжатом бетоне над опасной наклонной трещиной (2А/д=0) определяются напряжения о", в растянутой арматуре в месте пересечения этой наклонной трещиной; из гипотезы плоских сечений применительно к сечению 1-1 отыскиваются напряжения в сжатом бетоне <ть, под опасной наклонной трещиной и напряжения в растянутой арматуре <7,, соответственно; из уравнения равновесия проекций всех сил на ось ОХ (£Л" = 0) для приопорного блока отыскивается высота сжатой зоны х бетона в сечении 1-1; из уравнения равновесия моментов всех сил относительно оси растянутой арматуры (Л М0 = 0) в сечении 1-1 отыскивается опорная реакция Я^ в момент исчерпания несущей способности железобетонной конструкции по опасной наклонной трещине.

В качестве критериев прочности привлекаются условие достижения интенсивности деформаций укорочения бетона в сечении 1-1 над опасной наклонной трещиной своих предельных значений еы или условие потери сцепления в зоне заанкеривания.

Записав функцию Р = и

отыскивая ее частные производные по соответствующим переменным, получим дополнительную группу уравнений, из которой после алгебраических преобразований следует:

и^ + ичс^ 0. (14)

Здесь параметры и^.-и', - зависят от геометрических характеристик железобетонных составных конструкций, геометрических и механических характеристик бетона и арматуры, параметров сцепления, параметров

напряженно-деформированного состояния принятой расчетной схемы -,о"„Ь, //„, х, хв, <2,, А,, (см. рис. 4, 5, 8).

Физический смысл уравнения (14) заключается в том, что оно позволяет среди множества возможных наклонных трещин из веера 1 отыскать ту, по которой несущая способность железобетонной конструкции будет минимальной.

Реальность разрушения по наклонным трещинам первого и второго типа также подтверждена экспериментально.

Таким образом, на основании предложенной расчетной модели построены расчетные схемы и разрешающие уравнения для решения задачи прочности железобетонных конструкций по наклонным сечениям трех типов.

В основу расчета по второй группе предельных состояний железобетонных составных конструкций положены следующие дополнительные (относительно моделирования сопротивления первой группы) предпосылки: образование трещин происходит после достижения растянутыми волокнами бетона вдоль оси поперечной (продольной) арматуры предельных деформаций; уровней трещинообразования может быть несколько; раскрытие трещин - это накопление относительных условных сосредоточенных взаимных смещений арматуры и бетона на участках, расположенных по обе стороны от трещины (гипотеза Томаса); связь между напряжениями сцепления г и относительными условными сосредоточенными взаимными смещениями поперечной (продольной) арматуры и бетона е^х) принимается линейной;

учитывается дополнительное деформационное воздействие в трещине, связанное с нарушением сплошности бетона.

На основе четкой классификация трещин (анализируются трещины трех типов), опирающейся на результаты целенаправленно выполненных экспериментов, предложена расчетная модель для оценки трещиностойкости железобетонных составных конструкций (см. рис. 4), трансформирующаяся в многоблочную расчетную схему с двумя веерами трещин, прилегающих к сосредоточенной силе или к опоре, соответственно (см. рис. 5), и позволяющая оценивать напряженно-деформированное состояние железобетонных составных конструкций от образования трещин до разрушения с единых методологических позиций. При этом для определения напряженно-деформированного состояния предлагаемой модели, рассматриваются те же поперечные сечения и привлекаются схемы составного стержня и клина, что и в задаче прочности (см. рис. 6, 7). Это позволяет исключить разрывы жесткостных функций и эффективно вводить соответствующие ограничения.

До появления нормальных трещин в расчетной модели используются те же параметры напряженно-деформированного состояния, что и после их появления, но вместо коэффициента , учитывающего сопротивление растянутого бетона между трещинами, привлекается коэффициент у/ введенный в теорию железобетона проф. В. М. Бондаренко, что позволяет исключить скачок в основной функциональной зависимости «момент -

кривизна», необходимой для описания напряженно-деформированного состояния железобетонных составных конструкций.

Записав функцию р(д„, хБ2, сг,„ с2, Я,, Л2, Л,) и отыскивая ее частные производные по соответствующим переменным применительно к задаче ширины раскрытия наклонных трещин третьего типа, после алгебраических преобразований получим:

Я,с22+Я3С2+Я,= 0. (15)

Здесь параметры Я,, Я,, Я. зависят от геометрических характеристик железобетонных составных конструкций, геометрических и механических характеристик бетона и арматуры, параметров сцепления, параметров напряженно-деформированного состояния расчетной схемы - 6', Ва2, Ат,

К, *В,2> Т>тл- М„ Я^, Ь, Ь„ /„, 1Х,

, Vь - (см. рис. 4, 5 и 6).

Физический смысл уравнения (15) заключается в том, что оно позволяет среди множества возможных наклонных трещин из веера 2 отыскать ту, ширина раскрытия которой имеет максимальное значение.

В задаче определения ширины раскрытия трещин железобетонных составных конструкций по наклонным трещинам первого и второго типа (см. рис. 5 и 8) неизвестные отыскиваются из тех же уравнений, что и в задаче прочности за исключением неизвестного а„, для которого используется уравнение равновесия моментов всех сил относительно оси растянутой арматуры (£ М0 = 0) в сечении 1 -1.

Рисунок. 8. Расчетная схема для определения параметров напряженно-деформированного состояния в сечении 1-1, усилий в продольной и поперечной арматуре в трещинах, образующих веер 1, прилегающий к сосредоточенной силе

Записав функцию Г = (д„,хв,сг!,х,ст6,сг1Псгьл,С2,Л„Л2,Л3,Л„Л5,Л6,Л7) и отыскивая ее частные производные по соответствующим переменным, после алгебраических преобразований получим:

( kt к2 k2¡ +A-, k2l+k,k2,) С 2 + C, +k¡ k22 -kí k2k2¡ = O, (16)

Здесь параметры к21-к2,- зависят от геометрических

характеристик железобетонных составных конструкций, геометрических и механических характеристик бетона и арматуры, параметров сцепления, параметров напряженно-деформированного состояния принятой расчетной схемы: S, В,ВаЛ, Вя2, А„, £„., q„,q„Mr,Qs.„ К, ть, х хвг, ab,as,asi, г„2,

а,Ь, Л!0р, ASjl а, у/svt (см. рис, 5, рис. 8).

Физический смысл уравнения (16) заключается в том, что оно позволяет среди множества возможных наклонных трещин из веера 1 найти ту, ширина раскрытия которой имеет максимальное значение.

Таким образом, выявлен физический смысл уравнений, определяющих проекцию косой трещины любого типа из соответствующих вееров при различных случаях разрушения и раскрытия трещин, который заключается в том, что они позволяют среди множества возможных наклонных трещин отыскивать наиболее опасную для соответствующей группы предельных состояний.

Автором предложена расчетная схема для определения деформаций растянутого бетона между наклонными трещинами третьего типа s¡,,(y) в железобетонной составной конструкции (рис. 9). Ее анализ показывает, что деформации на участках, примыкающих к трещинам, начинают уменьшаться и даже меняют знак, деформации же в середине участка между трещинами продолжают увеличиваться до тех пор, пока в этом месте не появляется новая трещина. Подтверждена необходимость учета деформационного воздействия в трещине, позволяющего существенно уточнить значения постоянной интегрирования.

Опираясь на предложенную расчетную схему, получена формула для определения относительных взаимных смещений бетона и арматуры на участке между наклонными трещинами:

где Д. выражен в виде функций от параметров: S;b; Eb;vk; fib; am;Dlt - от параметров S; 6; Е„; vb; ftb; a^; hJjp; h/tíJr; QiJV: QJtbr;MJJr;Mítiv;Im„; D„ - от параметров S; b; Eb\ vb\ //„; a„c\ U\ hmjtp, hjJV; hjtíup, NJap; NJt¡ „p, QJ V; Q,t¡J,p; Mj up, M , :/ .соответственно.

]■*-ljip> mjip '

С другой стороны, в соответствии с принятыми гипотезами относительные взаимные смещения деформаций бетона и арматуры £g(y) на участке между наклонными трещинами в железобетонных составных конструкциях равны: ¿ (у) = £„(у)~ £ь,{у)- (18)

Рисунок 9. Расчетная схема к определению деформаций растянутого бетона между наклонными трещинами третьего типа - еь,(у) в железобетонной составной конструкции

(вЛуЗ+Цг.со^)

б

$

ш

О

0,584%*

После подстановки (17) в (18), алгебраических преобразований и дифференцирования получим:

(19)

¿у Дз

Решение полученного неоднородного дифференциального уравнения первого порядка (19) имеет вид:

'•М-^-Ёв- (20)

Постоянная интегрирования С находится из граничного условия, в

л , , , А т стЬ1е

соответствии с которым, при у = О , £ (V) = е„ Н------—-.

А„Е.„ уьЕь

С. = е + (21)

" ЛЛ. у Л оп-в

Здесь оЫс1хьЕь соответствует деформациям бетона £ы0') в сечении, расположенном на расстоянии г. от сечения с трещиной (см. рис. 9); АТ-результирующая условных касательных напряжений в местной зоне, прилегающей к трещине, которая отыскивается в соответствии с пред ложениями В.М. Бондаренко и В.И. Колчунова.

Учитывая, что раскрытие трещин рассматривается как накопление относительных условных сосредоточенных взаимных смещений арматуры и бетона на участках, расположенных по обе стороны от трещины, получим:

а„ = 2} ^ (У1)с1У, + 2 }7г {у)Лу. (22)

о о

После подстановки (20) и (21) в зависимость (22), интегрирования и алгебраических преобразований, получена формула для определения ширины раскрытия наклонных трещин, наиболее полно отражающая сложный характер изменения ее действительной величины:

2А7- 2 Ва 2В2 ( Па1-Л„Ет ) (м)

с В В {

Полученная зависимость учитывает влияние ряда важных факторов, таких как деформации арматуры в сечении с трещиной параметры сцепления В, Ва,, Ва,, О арматуры с бетоном; геометрические характеристики сечения и характеристики бетона и арматуры - 5, А„,Е„\ погонные усилия в поперечных стержнях деформационный эффект, возникающий в

железобетонном элементе после нарушения сплошности, выраженный через результирующую условных касательных напряжений ДТ в местной зоне, прилегающей к трещине (в формуле для определения ширины раскрытия трещин появляется слагаемое с обратным знаком); относительные условные сосредоточенными взаимные смещения бетона и арматуры. Кроме того, для расчета ширины раскрытия трещин весьма важным является определение расстояния между трещинами 1М, которое находится на основании применения

первой дополнительной предпосылки. С возрастанием деформаций раскрытие трещин увеличивается, хотя одновременно наблюдается и обратная тенденция, связанная с уменьшением расстояния между трещинами.

Предложена методика расчета по деформациям железобетонных составных конструкций, которая (вместо традиционного подхода, основанного на приведении бетонов с разными свойствами к сплошному сечению), базируется на специальном алгоритме, учитывающем перераспределение силовых потоков и эквивалентных жесткостей для каждого из составляющих стержней. При этом используется предлагаемая зависимость для кривизны железобетонных составных конструкций при наличии трещин:

1 + £„,+£,„ +У,

р К

где через £/,,/, еь,2 и £„„ обозначены средние деформации соответственно крайних сжатых волокон бетонов и растянутой арматуры; через £цшл и £чъ обозначены средние относительные смещения соответственно на уровне арматуры и бетона и в шве между бетонами.

По значению кривизны вычисляется прогиб с использованием формул строительной механики, которые применительно к железобетонным составным конструкциям при наличии участков с трещинами, принимают следующий вид:

+ + (25)

М-р ££7 К }

где К,, К2, К, - результат перемножения полных и единичных эпюр моментов

на I — III участках соответственно.

Разработанная методика позволяет заметно приблизить кривизну и прогибы составных внецентренно сжатых (изгибаемых) железобетонных конструкций к действительным. Предложенная методика не только упрощает процесс вычислений, но и позволяет учесть неупругое сопротивление, как за счет определения жесткостных параметров через кривизну на участках с трещинами, так и при определении сдвигающих усилий в шве, которые выражены через их предельные значения.

Таким образом, на основе предложенной расчетной модели рассмотрена специфика силового сопротивления железобетонных составных внецентренно сжатых и изгибаемых конструкций и построены расчетные схемы для оценки предельных состояний первой и второй группы при наличии трех типов трещин, когда понятие жесткости как для сплошного тела исчезает и использование формул теории составных стержней А.Р. Ржаницына для железобетона становится весьма условным.

В результате предложены разрешающие уравнения и алгоритмы расчета прочности, трещиностойкости и деформативности железобетонных составных конструкций с учетом условных сосредоточенных сдвигов в шве между бетонами, несовместности деформаций бетона и арматуры и эффекта нарушения сплошности бетона, позволяющие сохранить физический смысл и

/=2-

методологическую преемственность вычисляемых параметров напряженно-деформированного состояния железобетонных составных конструкций, а также исключить трудоемкую алгебраизацию расчетных формул.

Глава 4 посвящена анализу достоверности предложенного аналитического аппарата для описания напряженно-деформированного состояния составного элемента посредством сравнения с опытными данными.

Численные исследования влияния основных расчетных параметров на расстояние между трещинами и ширину раскрытия трещин показывают, что при увеличении значения параметра В (зависящего от армирования и характеризующего ее сцепление с бетоном), расстояние между трещинами уменьшается, а ширина раскрытия трещин увеличивается (рис. 10, рис. 11).

График зависимости Icrc от В при изменении диаметра арматуры

\

ш ■ \

S

Kj * <

ж i '

л\

\\

0.12 О.М 0.16 0.18 020 0,22 0.24 026

-при Icrc функцнонатьноц с ограничением |1] -при tero функциональном безограничекия[1)

— при tero уровневом с учетом функционального без ограничения [1]

— при Icíc уровневоы с ограничением (1]

| График зависимости acre от В при изменении диаметра арматуры

о.ю 0.

-0.20

S

1 Л

00 0. 20 0. 40 0. 60 0. \ М 0Í 20 0. 40 о.;

при Icrc функциональном с огранктением [1 j лрн Icrc фжциональном без ограничения [1)

при Icrc уровневом с учетом Icrc функционального без араничения (1j. с ограничением [2 -Х- при Icrc уровневом с учетом Icrc функционагъного без араничения [1] -íí-при Icrc у|ювневом с учетом огран^гення [1}

Рисунок 10.

Графики зависимости

расстояния между трещинами от параметра В

Рисунок 11. Графики зависимости ширины раскрытия трещин от параметра В

Примечание к рисункам 10, 11: ограничение [1] соответствует неравенству 1т >Ы *(где !*-толщина околоарматурного слоя бетона, равная (1,5+2)</Д т.е. минимальному физически

возможному уровню

трещинообразования; ограничение [2] регулирует минимальную ширину

раскрытия трещин, в случае их отсутствия - /с„ < 0.

Численными исследованиями выявлено не только качественные зависимости влияния основных расчетных параметров на прочность, расстояние между трещинами и ширину их раскрытия с введением необходимых ограничений, которые сохранили сходство физических процессов сопротивления (см. рис. 10, рис. 11), но и выполнена количественная проверка таких зависимостей (при этом максимальное отклонение не превышает 24%, а по нормативной методике оно составляет свыше 50%). На основе проведенных экспериментов и результатов их обработки подтверждена многоуровневая схема трещинообразования, согласно которой трещины образуются на всем диапазоне нагружения, вплоть до разрушения.

Следует подчеркнуть, что для всех серий графики экспериментальных зависимостей ат — Р1 Ри возрастают с увеличением уровня нагружения, несмотря на то, что с увеличением напряжений в арматуре происходит одновременное уменьшение уровневого расстояния между трещинами (рис. 12). Введение в формулу норм постоянного эмпирического значения расстояния между трещинами, диаметра арматуры вместо периметра, неучет деформаций бетона на участках между трещинами, а также эффекта нарушения сплошности - все эти факторы вместе не дают возможность оценивать действительное изменение ширины раскрытия трещин на различных стадиях нагружения конструкций.

а „.Mt КСП1-2,7-150-с110(п2)

>

Г- _ —т- г —, ' 1

0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00

& по предлагаемой методике ^ ~ по экспериментальным данным по методике норм_

Рисунок 12. Графики зависимостей ширины раскрытия трещины Тр1 на уровне оси поперечной арматуры от Р/Рп экспериментальной конструкции третьей серии BCIII-2,7-150-dl0(n2) с пролетом «среза» 2,7 м

Проведенный анализ графиков средних деформаций арматуры и бетона в блоке между трещинами позволил сделать вывод о целесообразности использования гипотезы плоских сечений в пределах каждого элемента составной конструкции (максимальное отклонение не превышает 19%)

(рис. 13). При этом в швах между бетоном и арматурой наблюдаются резкие возмущения деформаций, которые можно рассматривать как сосредоточенные сдвиги, характерные для составных стержней (рис. 13).

Для оценки эффективности разработанной методики расчета железобетонных составных конструкций по предельным состояниям первой и второй групп был использован накопленный банк опытных данных в широком диапазоне изменения класса бетонов (В10-В60), при различных схемах загружения, армирования, формы и размеров поперечного сечения (монолитного и составного), величины предварительного натяжения, эксцентриситета продольной силы и изменения расстояния от оси арматуры до растянутой грани элемента.

При этом для удобства вычислений, несмотря на то, что предлагаемый способ ориентирован на выполнение расчета вручную, максимально использовался прикладной пакет математических программ MS Excel. Аналогичные вычисления были выполнены также по нормативной методике.

*1,78 XII?

Рисунок 13. Графики деформаций сжатого бетона и растянутой арматуры в поперечном сечении опытной железобетонной составной конструкции БС1П-2,7-150-<110(п2) расположенного в зоне, прилегающей к сечению 1-1 на ступени нагружения, соответствующей 0,8 Р„; I—XIV - оси баз электротензорезисторов, расположенных на бетоне, XV - то же, на арматуре; 1 - экспериментальный график; 2 - по предлагаемой методике; цифрами на уровнях осей расположения электротензорезисторов обозначены относительные опытные деформации на ступени нагружения, соответствующей 0,8 Р„

Результаты сопоставления по предельным состояниям первой группы (опытной и теоретической несущей способности по наклонным сечениям) и по предельным состояниям второй группы применительно к расчету ширины раскрытия трещин приведены в табл. 3 и 4.

Анализ численных исследований показывает, что предлагаемая методика расчета железобетонных составных конструкций достаточно эффективна для оценки предельных состояний обоих групп.

Таблица 3

Результаты сопоставления опытной и теоретической несущей способности

Методика Кол-во опытов Статистики

х (R /R ) 'х V sup.meop.' sup.exp. ' а с„, %

по нормативной методике 275 0,779 0,255 32,73

по методике автора 275 1,014 0,134 13,21

В главе 5 даны предложения по синтезу новых конструктивных решений и конкретных типов железобетонных составных конструкций транспортных зданий, которые разработаны на основании проведенных экспериментально-теоретических исследований.

Таблица 4

Результаты сопоставления опытной и теоретической ширины раскрытия трещин

Методика Кол-во опытов Статистики

х (°с,сл»р / acrc,J а с„, %

по нормативной методике 192 0,9928 0,1252 12,61%

по методике автора 192 1,2183 0,3455 28,36%

В предложенной конструктивной схеме объемно-планировочных решений пунктов подготовки грузовых вагонов к перевозкам (ППВ) и зданий промывочно-пропарочных станций (ППС) заложены широкие возможности существенного увеличения производительности. Так, в случае вынесения административно-хозяйственных и бытовых помещений в отдельный корпус производительность ППВ может быть увеличена до 500 вагонов в сутки и более. Работы ведутся с двух высоких технологических платформ одновременно на трех путях (рис. 14, а, б).

С учетом постоянно меняющихся условий производства для основных (магистральных) направлений перевозки нефтепродуктов предложены объемно-планировочные решения ППС с организацией технологического процесса по обработке цистерн одновременно на четырех железнодоржных путях (рис. 14, в и г).

Отличительной особенностью схемы этого здания является то, что внутренние несущие стены заменяются рамной системой, включающей коррозионно-стойкие колонны и подстропильные балки прямоугольного сечения, три группы двухконсольных арочных плит Т2К «на пролет» (рис. 15).

Наружные стены могут выполняться из несущих коррозионно-стойких панелей соответствующей группы (рис. 15). Во внутренних стенах этих зданий, одинаково эффективно могут использоваться как несущие вентилируемые стеновые панели повышенной долговечности, так и несущие коррозионностойкие сплошные конструкции всех трех групп (рис. 15).

Плиты покрытий «на пролет» могут опирается поперечными ребрами, разделяющими арочную часть и консоли, непосредственно на несущие панели внутренних продольных стен здания с рамными сварным или шпоночными стыками, что (как показали заводские испытания) практически исключает какие-либо внезапные обрушения покрытий.

В случае увеличения арочного пролета двухконсольных плит покрытия до 15 м и вылета консолей до 6 м предложенная схема может быть использована в зданиях ремонтно-экипировочных депо (РЭД) для комплектования пассажирских составов и ремонта отдельных вагонов. В этом случае плиты покрытия «на пролет» могут выполняться размером 25x1,5 м с зенитными фонарями из пластиков, расположенными в средней части полки плиты.

Такие технические решения обеспечивают дополнительные возможности существенного увеличения общей перекрываемой площади, пролета под средней арочной частью оболочки и перекрываемых помещений под двухсторонними, преимущественно симметричными консолями: 2,0-2+8 = 12 м; 4,5-2+15 = 24 м; 2,0-2+10 = 14 м; 4,5-2+18 = 27 м; 2,5-2+11 = 16 м; 5,0-2+20 = 30 м; 3,0-2+12 = 18 м; 5,5-2+22 =33 м; 4,0-2+13 = 21 м; 6,0-2+24 = 36 м и другие сочетания, в том числе с разными вылетами консолей.

По результатам выполненных исследований были разработаны следующие типы железобетонных составных конструкций для проектируемых и реконструируемых транспортных зданий и сооружений:

1. Слоистая плита низких сводов для покрытий и перекрытий зданий многоцелевого назначения из мелкозернистого и крупнозернистого высокопрочного лёгкого бетона с торцевым объединяющим элементом из высокопрочного железобетона, приоритет которой защищен патентом РФ №2184195. Пролеты плит от 4,5 до 9м (рис. 16, а), а в покрытиях для районов с небольшими снеговыми нагрузками до 15 м (рис. 16, б); ширина плит от 0,8 до 3 м; общая строительная высота плит во всех случаях снижается не менее чем на 10-15 %.

Слоистые плиты низких сводов выполняются преимущественно без предварительного напряжения рабочей арматуры. Поэтому при пролетах более 6 м их следует выполнять со строительным подъемом по растянутой грани. Его максимальная величина в середине пролета плиты принимается не менее 1/200 /. Для слоев могут использоваться как полимерные, так и керамзитобетонные смеси.

Результаты испытаний плит и расчеты показали, что в плитах низких сводов преднапряженная арматура отсутствует, а в пустотных плитах ее содержание составляет 43кг/м3, при этом экономия обычной арматуры достигает 15,6%, чем в пустотных плитах пролетом 6-7м, а снижение массы конструкции плит низких сводов достигает 20%.

2. Коррозионно-стойкие двухконсольные арочные слоистые плиты «на пролет» первого и второго типа с использованием мелкозернистого полимербетона.

Синтез эффективных конструктивных и технологических решений плит покрытий и стеновых панелей для производственных зданий с агрессивными средами (патент РФ № 2181822, 2002 г.) осуществлен на базе многовариантных

Рисунок 14. Поперечные разрезы зданий ППВ (а, б) и крупных зданий ППС (в, г) с новой схемой организации производственного процесса: а, в - с плитами покрытия II группы из легких бетонов; б, г — с плитами покрытия из высокопрочного бетона с эффективным теплоизолятором:

1 - плита покрытия «на пролёт» из лёгких бетонов; 2 — то же из высокопрочного бетона с эффективным теплоизолятором; 3 - зенитный фонарь; 4 - коррозионно-стойкие колонны; 5 - усиленные слоистые балки с первичной (заводской) защитой от коррозии; 6 - высокие технологические платформы из коррозионно-стойких конструкций, 7 - Т-образные опоры из высокопрочного железобетона в монолитной армополимербетонной оболочке

экспериметальных исследований составных элементов, рассмотренных в главе 2. Прямолинейное расположение высокопрочной напрягаемой арматуры здесь сохраняется как одна из отличительных особенностей конструктивной системы рассматриваемого вида. Этим, в частности, обуславливается сравнительно небольшая стрела подъема арочной части ребер в пролете тонкостенной плиты-оболочки. Величина стрелы подъема нижней грани продольных ребер в середине пролета арочной части не превышает максимальной расчетной высоты сечения для ребра консоли плиты. Нижние зоны (1/2—2/3 высоты) ребер выполняются из легких конструкционных бетонов, а остальная часть — из высокопрочного цементного или цементно-полимерного бетона классов В40—В50.

Такое конструктивно-технологическое решение позволяет снизить расход рабочей арматуры до 30% по сравнению с известным решением двухконсольных прямолинейных плит. Вследствие арочного эффекта снижается уровень растягивающих напряжений на внутренней поверхности между опорами. На консолях внутренний слой всегда находится в сжатом состоянии.

Рисунок 15.

Конструктивное решение слоистой плиты низких сводов для покрытий и перекрытий зданий

многоцелевого назначения: 1 — торцевой объединяющий элемент из высокопрочного железобетона; 2 — опорный уголок; 3 - арматурные выпуски; 4 и 5 каркас ребер и арматурная сетка; 6 и 7 — мелкозернистый и крупнозернистый бетон; 8 -высокопрочный лёгкий бетон; 9 — гнутые стержни; 10 - анкеры для опорного уголка; 11 -монтажные петли

Арочно-консольные плиты покрытия составного сечения (рис. 17, а) состоят из несущего наружного слоя, эффективного теплоизоляционного слоя 2 и внутреннего слоя, выполняемого, из конструкционного мелкозернистого полимербетона с дисперсным армированием. Несущий слой 1 может

выполняться из конструкционного цементно-полимерного керамзитобетона или мелкозернистого бетона с малыми добавками полимеров.

Внутренний полимербетонный слой и плитный утеплитель могут быть заменены одним монолитным антикоррозионно-теплоизоляционным слоем 4 (сечение 3-3 на рис. 17 о) из особо легкого полимербетона.

б

№

(2

го <1

И

6000-9000 МОО-КМ!

4 ъ & (м

2-2

ЗЙяаию«» і!

"X" ЫХЮ-9000 ЯЮ&9000

3-3

-'■■--і' ш«« „II

1. 4500-7100 г

4 -4

£ /Г^чгГ^І ґШгТ^

6000 6000 1

©

Рисунок 16. Схемы конструктивных решений перекрытий (а) и покрытий (б) из слоистых плит низких сводов

Арочно-консольные крупногабаритные плиты второй группы, выполненные с одним ребром снизу (рис. 17, б), изготавливают с использованием несущего сердечника 8 по принципиально новой технологии, разработанной при непосредственном участии автора.

Совместность работы несущего и антикоррозионного слоев обеспечивается пространственным конструктивным арматурным каркасом и за счет сцепления бетона несущего слоя, проникшего в поры керамзитополимербетона. Рабочая арматура размещена и продольных ребрах. В плитах покрытия второго типа этой же группы рабочая арматура размещена равномерно по всей ширине, а конструкции изготовляют без рамок вкладышей.

3. Несущие слоистые стеновые панели первой, второй и третьей группы, с использованием мелкозернистого полимербетона и конструкционного керамзитобетона, сопрягаемые с плитами покрытий с помощью жестких рамных узлов.

Коррозионно-стойкие несущие стеновые панели разработаны под соответствующие группы покрытий с использованием тех же основных материалов.

4. Несущие стеновые панели, вентилируемые через каналы и через слой крупнозернисто керамзитобетона.

Автором предложено вентилируемое стеновое ограждение зданий (авторское свидетельство на изобретение № 1129304) с влажным режимом

эксплуатации, учитывающее заметные перепады температур, характерные для климатических условий России. Варианты стеновых ограждений (рис. 18)

' и. 12

п \ п и

□ □ Л1 10

Рисунок 17. Конструктивные решения составных коррозионно-стойких двухконсольных арочных плит «на пролет»: а — группы I; б -группы II; 1 -несущий наружный слой; 2 — теплоизоляционный слой; 3 — внутренний слой; 4 - антикоррозионно-теплоизоляционный слой; 5 - продольные ребра; 6 — средний слой из расслаивающейся смеси; 7 - нижний мастичный слой; 8 -несущий сердечник; 9 - консоль стеновой панели; 10 - опорно-анкерующие отверстия; 11 — напрягаемая рабочая арматура; 12 — мелкозернистый полимербетон; 13 — стяжка из полимерцементного раствора

включают внутренний слой с приточными и вытяжными вентиляционными отверстиями, теплоизоляционно-вентилируемый слой из крупнопористого керамзитобетона и конструкционно-теплоизоляционный наружный слой. Панели, используемые для устройства наружных стен в суровых климатических условиях, должны иметь слой из эффективного теплоизолирующего материала 12. Для несущих ребер наружного и внутреннего слоев целесообразно применять легкие конструкционные керамзитобетоны классов В20-В25 на цементном или цементно-полимерном связующем. Для теплоизоляционно-вентилируемого слоя рекомендуется применять керамзито-полимербетон В3,5 с объемной массой 350-400 кг/м3 и коэффициентом воздухопроницаемости 5-15 кг/(м-Па-ч).

В условиях ППС некоторая часть воздуха из проточной отопительно-вентиляционной системы направляется в помещение через вентилируемый слой ограждающих конструкций. Таким образом, необходимость в дополнительном оборудовании отпадает и повышение долговечности достигается за счет обеспечения такой влажности бетона, при которой исключается коррозия

арматуры внутренним вентилированием ограждающих конструкций специально подготовленным воздухом.

а) б)

Рисунок 18. Несущие стеновые панели, вентилируемые через каналы (а) и через слой крупнозернисто керамзитобетона (б): 1 - внутренний слой; 2, 3 -приточные и вытяжные вентиляционные отверстия, соответственно; 4 — теплоизоляционно-вентилируемый слой; 5 - наружный слой; 6 - несущие ребра; 7,8 - нижние и верхние консоли продольных ребер; 9,10 и 11 -продольные, поперечные и стыковые вентиляционные каналы, соответственно; 12 - теплоизолирующий слой

5. Балочные слоистые конструкции с использованием высокопрочного цементобетона, поризованного, высокопрочного полимерного или полимерцементого бетона и листовой облицовки.

Для большепролетных покрытий зданий с агрессивными средами, крановых эстакад, рамных опор наклонных галерей различных материалопроводов при участии автора были разработаны большепролетные слоистые балки с первичной (заводской) защитой от коррозии. В этих конструкциях эффективно реализуется вариант смешанного армирования. Напрягаемая арматура используется здесь не только для предварительного напряжения в общепринятом понимании, но и для заключительного обжатия сборно-монолитной внешней оболочки. Поэтому ее размещают в каналах как по растянутой (проволочные канаты или пряди), так и по сжатой (стержневая арматура) зонам конструкции.

Конструктивная возможность использования традиционных решений для рамных узлов несущего каркаса с первичной защитой его от коррозии обеспечивается применением слоистых ригелей с подрезкой у опор и ригелей прямоугольного сечения для каркаса с рамными узлами. Отличительной

особенностью ригелей для рамного каркаса является то, что их армирующие слои имеют продольную анкеровку жесткой уголковой арматуры в опорных частях. Армирующий слой сжатой зоны по всему пролету и опорные части армирующего слоя растянутой зоны замоноличивают высокопрочным цементобетоном. После отвердения последнего все слои ригеля жестко объединяют арматурным каркасом с вертикальными и наклонными поперечными стержнями.

Разработано технологическое решение предварительно напряженной балки в готовых формах-оболочках для реконструируемого покрытия в здании РЭД на ст. Москва-3. На первом этапе бетонирования такой конструкции формируются нижний плотный слой и средний слой из крупнопористого керамзитобетона. Затем, по окончанию схватывания, бетонируются приопорные участки и сжатая зона балки керамзитобетоном повышенной плотности и прочности класса В25-В30.

При проведении реконструкции транспортных зданий и сооружений автором предложены и разработаны и другие типы железобетонных составных конструкций, приведенные в работе, среди них — плитно-балочная распорная система из монолитного сталежелезобетона с арочной плитой, а также сборно-монолитный вариант с типовыми преднапряженными плитами, обеспечивающие дальнейшую эксплуатацию существующих балок покрытия по принципиально иной схеме.

В главе 6 приведены рекомендации по проектированию, эксплуатации и реконструкции транспортных зданий, которые нашли свое отражение при синтезе новых эффективных конструктивных схем и железобетонных составных конструкций транспортных зданий и сооружений.

Практика их внедрения при проектировании строительстве и реконструкции ряда транспортных зданий и сооружений показала, что за счет криволинейного очертания продольных ребер и разгружающего эффекта консолей в двухконсольных плитах-оболочках Т2К достигается существенное снижение общей строительной высоты и расхода основных конструкционных материалов по сравнению с наиболее близким прототипом - панелями-оболочками КЖС (расход арматуры в плитах Т2К на 15% меньше, чем в панелях КЖС пролетом 15-18.М. Что же касается плит низких сводов, в которых преднапряженная арматура отсутствует (в пустотных плитах ее содержание составляет 43 кг/м3), экономия обычной арматуры достигает 15,6%, чем в пустотных плитах пролетом 6-7м, а снижение массы конструкции плит низких сводов достигает 20%).

Предложенные технические решения новых конструктивных схем и железобетонных составных конструкций транспортных зданий и сооружений могут быть также успешно применены в промышленных и гражданских зданиях различного назначения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным результатом диссертационного исследования является решение важной научно-технической проблемы синтеза новых типов эффективных железобетонных составных конструкций транспортных зданий и сооружений на основе проведенных экспериментально-теоретических исследований и развития теории их расчета по предельным состояниям первой и второй группы. Основные выводы и научные результаты работы сводятся к следующему.

1. На основании выполненного обзора исследований, обобщения и анализа собранных результатов экспериментальных и теоретических исследований разработан аналитический аппарат оценки напряженно-деформированного состояния железобетонных составных конструкций для первой и второй группы предельных состояний с учетом условных сосредоточенных сдвигов в шве между бетонами, несовместности деформаций бетона и арматуры и эффекта нарушения сплошности бетона, включающий следующие основные положения:

— экспериментально выявленный многоуровневый процесс трещинообразования (в том числе - веерообразный) и раскрытия трещин в железобетонных составных конструкциях и предложенную иерархию разделения трех типов трещин на характерные веера, для моделирования сопротивления железобетонных составных конструкций;

— расчетную модель сопротивления пяти блоков для моделирования процессов трещинообразования, деформирования и разрушения железобетонных составных конструкций с учетом условных сосредоточенных сдвигов в шве между бетонами, несовместности деформаций бетона и арматуры и эффекта нарушения сплошности бетона;

— рабочие гипотезы, расчетные схемы, разрешающие уравнения и новые расчетные методики для оценки предельных состояний первой и второй группы железобетонных составных конструкций по нормальным и наклонным трещинам трех типов, учитывающие условные сосредоточенные сдвиги в шве между бетонами, несовместность деформаций бетона и арматуры и эффект нарушения сплошности бетона;

— расчетные схемы разных уровней анализа (для определения относительных деформаций бетона и арматуры между трещинами в условиях сложного напряженного состояния; для моделирования различных типов разрушения в зоне наклонных трещин и т.п.), с ориентацией выходных параметров для этих схем на расчетную модель составного стержня;

— математическую модель для аналитического определения величины горизонтальной проекции опасной наклонной трещины в задачах прочности и ширины раскрытия трех типов трешин как функции многих переменных;

2. Получены опытные данные о характере и эффектах деформирования, образования, развития и раскрытия нормальных и наклонных трещин в железобетонных составных конструкциях на основе натурных и лабораторных экспериментальных исследований сложного напряженно-деформированного

состояния бетона, продольной и поперечной арматуры при различных схемах загружения, характере армирования, классах бетона, которые позволили:

- проверить расчетную модель сопротивления железобетонных составных конструкций и соответствие ее расчетных гипотез и параметров действительному деформированному состоянию;

- доисследовать особенности сопротивления отдельных зон железобетонных элементов, в том числе многоуровневую схему трещинообразования, характер раскрытия трещин и виды разрушения, величину проекции наклонных опасных трещин, эффект нарушения сплошности бетона и т. п.

- получить новые данные о сопротивлении железобетонных составных конструкций в зонах нормальных и наклонных трещин, в существенной степени дополняющие имеющийся фактический материал.

3. Выполнены численные исследования с использованием разработанных методик, учитывающих условные сосредоточенные сдвиги в шве между бетонами, несовместность деформаций бетона и арматуры и эффект нарушения сплошности бетона, и с привлечением нормативной методики расчета, получившей наиболее массовое внедрение в проектной практике, которые дают возможность:

- выявить не только качественные зависимости влияния основных расчетных параметров на прочность, расстояние между трещинами и ширину их раскрытия с введением необходимых ограничений, которые сохранили сходство физических процессов сопротивления железобетонных составных конструкций, но и выполнить количественную проверку таких зависимостей (при этом максимальное отклонение не превышает 24%, а по нормативной методике - свыше 50%);

- подтвердить целесообразность использования гипотезы плоских сечений для средних деформаций бетонов и арматуры в каждом из составляющих стержней (максимальное отклонение не превышает 19%);

- разработать эффективные алгоритмы физически нелинейного расчета железобетонных составных конструкций в широком диапазоне изменения класса и вида бетонов, при различных схемах нагружения и армирования и изменения толщины защитного слоя, которые показали, что значения отношений теоретических значений к опытным, полученным на основе предлагаемой методики, по всем группам опытных данных ближе к единице, а значение коэффициента вариации составляет меньшую величину (по первой группе предельных состояний: для методики автора С„=13,21%, для нормативной методики С"„=32,73%; по второй группе предельных состояний: для методики автора Су- 12,61% для нормативной методики С„=28,36%).

4. Разработаны предложения по новым конструктивным схемам транспортных зданий (ППВ и ППС и др.), где работы ведутся с двух высоких технологических платформ одновременно на трех железнодорожных путях (а при обработке цистерн - одновременно на четырех путях), отличающиеся тем, что внутренние несущие стены заменяются рамной системой, включающей коррозионно-стойкие колонны и подстропильные слоистые балки с первичной

(заводской) защитой от коррозии с двухконсольными арочными плитами покрытия из легкого и высокопрочного бетонов с эффективным теплоизолятором, а стены выполняются из специально разработанных групп несущих коррозионно-стойких панелей.

5. Созданы и подтверждены патентами новые эффективные железобетонные составные конструкции для вновь строящихся и реконструируемых транспортных зданий и сооружений:

-слоистые плиты низких сводов для покрытий и перекрытий зданий многоцелевого назначения из мелкозернистого и крупнозернистого высокопрочного лёгкого бетона с торцевым объединяющим элементом из высокопрочного железобетона;

- коррозионно-стойкие двухконсольные арочные слоистые плиты «на пролет» двух типов первой и второй группы с использованием легких и высокопрочного бетонов;

- несущие слоистые стеновые панели трех групп с использованием мелкозернистого полимербетона и конструкционного керамзитобетона, сопрягаемые с плитами покрытий с помощью жестких рамных узлов;

- несущие стеновые панели, вентилируемые через каналы и через слой крупнозернисто керамзитобетона;

- балочные слоистые конструкции (в том числе большепролетные) с использованием высокопрочного цементобетона, поризованного, высокопрочного полимерного или полимерцементого бетона и листовой облицовки.

6. Предложен комплексный подход анализа конструктивных систем зданий и сооружений с увязкой всех конструктивных и расчетных решений не только в транспортных зданиях и сооружениях, но и в промышленных и гражданских зданиях различного назначения. Практика внедрения разработанных железобетонных составных конструкций при строительстве и реконструкции ряда производственных и гражданских зданий показала их эффективность (в частности, расход арматуры в разработанных автором плитах Т2К на 15% меньше, чем в панелях КЖС пролетом 15-18м; общая масса конструкции снижена на 10%; в плитах низких сводов преднапряженная арматура отсутствует, а в пустотных плитах ее содержание составляет 43кг/м', при этом экономия обычной арматуры достигает 15,6%, чем в пустотных плитах пролетом 6-7м, а снижение массы конструкции плит низких сводов достигает 20%).

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации-.

1. A.C. 1060599 СССР, кл. С 04В 39/04; В 28В 11/00. Способ изготовления слоистых строителных изделий / С.С. Давыдов, A.C. Жиров, В.В. Бабков, Х.З. Баширов; МИИТ (СССР). -№ 3469619/29-33; Заявл. 14.07.82. - Открытия. Изобрет. - 1983. -№ 46.

2. A.C. 1129304 СССР, кл. Е 04В 1/70. Стеновое ограждение зданий с влажным режимом эксплуатации / С.Д. Ковригин, A.C. Жиров, Б.Н. Шатнев, Х.З. Баширов; МИИТ (СССР). - № 3438459/29-33; Заявл. 14.05.82. - Открытия. Изобрет. - 1984. - № 46.

3. Пат. 2181822 Российская Федерация, МПК7 Е 04 С2/38. Арочная двухконсольная плита-оболочка / Х.З. Баширов ; заявитель и патентообладатель Баширов Хамит Закирович. -№2000125082/03 ; заяв. 06.10.00 ; опубл. 27.04.02.

4. Пат. 2183157 Российская Федерация, МПК7 В 28 В1/08. Способ изготовления арочных двухконсольных плит-оболочек и устройство для его осуществления / Х.З. Баширов ; заявитель и патентообладатель Баширов Хамит Закирович. -№2000125083/03 ; заяв. 06.10.00 ; опубл. 10.06.02.

5. Пат. 2184195 Российская Федерация, МПК7 Е 04 С2/04, В 28 В11/14. Слоистая плита низких сводов и способ ее изготовления / Х.З. Баширов, A.C. Жиров; заявитель и патентообладатель Баширов Хамит Закирович. - №2000132748/03 ; заяв. 27.12.00 ; опубл. 27.06.02.

6. Пат. 2221119 Российская Федерация, МПК7 Е 04 С2/26, Е 04 В2/14. Слоистая панель вентилируемого стенового ограждения / Х.З. Баширов; заявитель и патентообладатель Баширов Хамит Закирович. -№2002118787/032002118787/03; заяв. 17.07.02 ; опубл. 10.01.04.

7. Пат. № 2237138. Слоистый строительный элемент из усиленной древесины и способ его изготовления. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации, г. Москва, 27 сентября 2004 г.

8. Пат. № 2254424. Сборно-монолитный низкий свод и способ его возведения. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации, г. Москва, 20 июня 2005 г.

9. Баширов, Х.З. Обследование строительных конструкций производственных зданий вагонного хозяйства и пути повышения их долговечности / Х.З. Баширов, A.C. Жиров. // Повышение долговечности, эксплуатационных качеств и снижение материалоемкости зданий и сооружений для железнодорожного транспорта: Межвуз. сб. науч. тр. - Вып. 737. - 1983. -М.: МИИТ.-С. 74-91.

10. Жиров, A.C. Повышение долговечности зданий промывочно-пропарочных станций / A.C. Жиров, Х.З. Баширов, A.B. Трифонов // Противокоррозионные работы в строительстве. - М.: ЦБНТИ Минмонтажспецстрой СССР, 1983. - №6. - С. 8-10.

11. Баширов, Х.З. Температурно-влажностный расчет внутреннего слоя ограждающих конструкций при вентиляционном методе их защиты от коррозии / Х.З. Баширов // МИИТ. - Москва, 1984. - 22 с. - Деп. во ВНИИИС 15.02.94, №4461.

12. Жиров, A.C. Повышение эксплуатационной надежности и долговечности зданий и сооружений вагонного хозяйства / A.C. Жиров, Х.З. Баширов, B.C. Силин // Транспортное строительство. - 1987. - №7 - С. 23-25.

13. Баширов, Х.З. О возможности применения интегральных пенопластов для антикоррозийно-теплозащитных покрытий / Х.З. Баширов // Теоретические и конструктивно-технологические разработки и рекомендации по повышению

долговечности железнодорожных зданий и сооружений: Межвуз. сб. научн. Тр. - Вып. 803. - М.: МИИТ. - 1988,-С. 121-125.

14. Баширов, Х.З. Эффективные плитно-балочные распорные перекрытия для реконструируемых зданий транспорта / Х.З. Баширов, A.C. Жиров // Транспортное строительство. — 1995. - № 8. - С. 26-28.

15. Баширов, Х.З. Разработка новых типов производственных зданий вагонного хозяйства / Х.З. Баширов // Транспортное строительство. - 1999. -№5. -С. 18-19.

16. Баширов, Х.З. Ресурсосберегающие технологии изготовления сложных конструкций для производственных зданий транспорта // Транспортное строительство. - 2000. - №4. - С. 6-9.

17. Баширов, Х.З. Несущие и ограждающие конструкции повышенной долговечности из легких бетонов / X. 3. Баширов // Материалы 1-й Всерос. конф. по проблемам бетона и железобетона, 9-14 сентября 2001 г. - М.: Ассоциация «Железобетон». - Кн. 3. Секционные доклады. - 2001. - С. 1529-1539.

18. Баширов, Х.З. Ресурсосберегающие технологии изготовления железобетонных конструкций повышенной долговечности для зданий с агрессивными средами / Х.З. Баширов // Материалы 1-й Всерос. конф. по проблемам бетона и железобетона, 9-14 сентября 2001 г. — М.: Ассоциация «Железобетон», 2001. - Кн. 3. Секционные доклады. - С. 1550-1551.

19. Баширов, Х.З. Слоистые конструкции повышенной долговечности для транспортных зданий / Х.З. Баширов // Транспортное строительство. - 2001. -№8. - С.5-8.

20. Баширов, Х.З. Вентилируемые конструкции стен для зданий с влажным режимом эксплуатации / Х.З. Баширов // Бетон и железобетон. - 2003. -№2.-С. 21-25.

21. Баширов, Х.З. Легкобетонные слоистые конструкции повышенной эксплуатационной надежности / Х.З. Баширов, A.C. Жиров // Бетон и железобетон. - 2003. - № 5. - С. 2—4.

22. Баширов, Х.З. Тонкостенные арочно-сводчатые конструкции для покрытий и перекрытий зданий / Х.З. Баширов // Бетон и железобетон. - 2003. -№6.-С. 12-16.

23. Баширов, Х.З. Энергосберегающие технологии создания конкурентоспособных конструкций с использованием местных материалов / Х.З. Баширов, A.C. Жиров И Промышленное и гражданское строительство. -2004.-№4,-С. 26-27.

24. Баширов, Х.З. Эффективные конструкции вентилируемых стеновых панелей из легкого железобетона / Х.З. Баширов // Промышленное и гражданское строительство. - 2004. - № 3. - С. 45-46.

25. Баширов, Х.З. Слоистые панельные и арочно-сводчатые конструкции для зданий многоцелевого назначения / Х.З. Баширов // Бетон и железобетон -пути развития: Научные труды 2-ой Всероссийской (международной) конференции по бетону и железобетону (Москва, 5-9 сентября 2005 г.) - М.: НИИЖБ, 2005. - Т. 2. - С. 53-66.

26. Баширов, Х.З. Слоистые конструкции уменьшенной строительной высоты для транспортных зданий и сооружений / Х.З. Баширов // Транспортное строительство. - 2007. - №10. - С.12-16

27. Баширов, Х.З. Слоистые конструкции на основе армированной древесины для зданий повышенной сейсмостойкости / Х.З. Баширов // Промышленное и гражданское строительство. - 2008. - № 9. - С. 42^13.

28. Баширов, Х.З. Вертикальные сложные панели вентилируемых стен / Х.З. Баширов // Промышленное и гражданское строительство. - 2008 - №8 -С.39-40.

29. Баширов, Х.З. Повышение эксплуатационной надежности производственных зданий и сооружений на транспорте: монография / Х.З. Баширов. - М: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2010. - 344 с.

30. Баширов, Х.З. Сопротивление растянутого бетона между трещинами составных железобетонных конструкций с учетом новых эффектов / Х.З. Баширов, Вл.И. Колчунов, И.А. Яковенко, Г.К. Биджосян // Строительство и реконструкция. - 2011. - №6. - С. 3-11.

31. Баширов, Х.З. Конструктивные решения плит покрытия для зданий с агрессивной средой / Х.З. Баширов // Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения / Материалы международных академических чтений. Курск, гос. ун-т. - Курск, 2012. - С. 133-135.

32. Баширов, Х.З. Предложения по развитию методики расчета по деформациям составных внецентренно сжатых элементов / Х.З. Баширов, B.C. Федоров, Д.В. Казаков //Строительство и реконструкция. -2012. - №2 -С 8588.

33. Баширов, Х.З. Расчет прогибов обычных и составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций / Х.З. Баширов, Д.В. Казаков // Строительная механика и расчет сооружений. - 2012. - №3. - С. 2-9.

34. Баширов, Х.З. К расчету прогибов обычных и составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций / Х.З. Баширов, И.А. Яковенко, И.С. Горностаев и др. // Железобетонные конструкции: исследования, проектирование, методика преподавания: сб. докл. межд. науч.-метод. конф., посвященной 100-летию со дня рождения В. Н. Байкова, 4-5 апреля 2012 г - М • МГСУ, 2012.-С. 46-55.

35. К определению деформаций растянутого бетона для расчета трещиностойскости железобетонных конструкций по наклонным сечениям / X. 3. Баширов, А. А. Дородных, В. И Колчунов, И. А. Яковенко, Н. В Усенко // Строительная механика и расчет сооружений. - 2012. - №6. - С. 2-7.

36. Баширов, Х.З. Определение параметров напряженно-деформированного состояния железобетонных составных конструкций при раскрытии наклонных трещин третьего типа / Х.З. Баширов, A.A. Дородных // Строительство и реконструкция. - 2012. - №4. - С. 17-24.

37. Баширов, Х.З. Прочность железобетонных конструкций по наклонным трещинам третьего типа / Х.З. Баширов, B.C. Федоров, Вл.И. Колчунов, K.M. Чернов // Вестник гражданских инженеров. - 2012. - №5(34). - С. 50-54.

38. Баширов, Х.З. Ширина раскрытия наклонных трещин третьего типа в составных железобетонных конструкциях / Х.З. Баширов, A.A. Дородных, В.И. Колчунов // Строительство и реконструкция. - 2012. - № 6. - С. 3-7.

39. Баширов, Х.З. Методика эксперементальных исследований прочности, жесткости и трещиностойкости железобетонных составных конструкций по наклонным сечениям / Х.З. Баширов, И.С. Горностаев, A.A. Дородных, K.M. Чернов // Промышленное и гражданское строительство, 2013.-№5.-С. 18-21.

40. Баширов, Х.З. К определению параметров напряженно-деформированного состояния железобетонных составных конструкций в зоне нормальных трещин / Х.З. Баширов // Academia. Архитектура и строительство. -2013.-№2.-С. 125-128.

41. Баширов, Х.З. К определению параметров прочности нормальных сечений в железобетонных составных конструкциях / Х.З. Баширов // Строительство и реконструкция. - 2013. - №2. - С. 62-68.

42. Баширов, Х.З. Напряженно-деформированое состояние железобетонных составных конструкций в зоне нормальных трещин / Х.З. Баширов, И.С. Горностаев, Вл.И. Колчунов // Строительство и реконструкция. — 2013. — №2. — С. 11—19.

43. Баширов, Х.З. Определение параметров прочности нормальных сечений в железобетонных составных конструкциях / Х.З. Баширов // Транспортное строительство. - 2013. - №5. - С. 23-25.

44. Баширов, Х.З. Экспериментальные исследования прочности железобетонных составных конструкций по наклонным сечениям / Х.З. Баширов, A.M. Крыгина, K.M. Чернов // Строительные материалы. - 2013. -№6. - С. 32-37.

45. Баширов, Х.З. Основные результаты экспериментальных исследований жесткости железобетонных составных конструкций по наклонным сечениям / Х.З. Баширов, И.С. Горностаев, С.И. Горностаев // Строительство и реконструкция. -2013.-№3. — С. 14-17.

46. Баширов, Х.З. Основные результаты экспериментальных исследований ширины раскрытия трещин железобетонных составных конструкций по наклонным сечениям / Х.З. Баширов, Н.В. Клюева, A.A. Дородных // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. - Воронеж, 2013. -№2. - С. 18-26.

47. Баширов, Х.З. Разрушение железобетонных составных конструкций от потери сцепления в зоне заанкеривания по наклонным трещинам третьего типа / Х.З. Баширов, K.M. Чернов // Строительная механика и расчет сооружений. -2013.-№ 1.-С.2-6.

48. Баширов, Х.З. Раскрытие наклонных трещин в железобетонных составных конструкциях по наклонным трещинам первого и второго типов / Х.З. Баширов, A.A. Дородных, Н.В. Клюева // Строительство и реконструкция. -2013.-№3.-С. 11-13.

49. Баширов, Х.З. Расчетная модель для оценки деформаций железобетонных составных конструкций / Х.З. Баширов, И.С. Горостаев,

50. Вл.И. Колчунов, И.А. Яковенко // Строительство и реконструкция. -2013. -№2.-С. 11-19.

51. Крыгина, A.M. Прочность железобетонных конструкций по наклонным трещинам первого и второго типов / А.М. Крыгина, K.M. Чернов, Х.З. Баширов // Промышленное и гражданское строительство. - 2013. - № 2. - С. 16-18.

Подписано в печать 12.07.2013 Бумага офсетная. Печать цифровая. Тираж ЮОэкз. Заказ № 2641 Типография ООО "ВНИПР" (www.vnipr.ru) 127644, г. Москва, Клязьминская ул., д.15 Тел.: 8 (495) 486-80-76, 483-19-26

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный

университет путей сообщения»

05201351345

На правах рукописи

Баширов Хамит Закирович

УДК 624.012.045

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ СОСТАВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ТРАНСПОРТНЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант -

Федоров Виктор Сергеевич, доктор технических наук, профессор

Москва - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................7

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ......17

1.1. Конструктивные особенности составных железобетонных элементов и их швов...........................................................17

1.2.Экспериментальные исследования железобетонных

составных конструкций.......................................................20

1.3. Теоретические исследования железобетонных конструкций

составного сечения............................................................24

1.3.1. Основные подходы к расчету железобетонных конструкций составного сечения.................................28

1.3.2. Анализ основных методик расчета железобетонных конструкций по наклонным сечениям...........................35

1.3.3. Методы расчета трещиностойкости составных конструкций.........................................................44

1.3.4. Жесткость составных железобетонных

ко нстру кций...........................................................56

1.4. Анализ и характеристики условий эксплуатации транспортных зданий...........................................................60

1.5. Выводы и постановка задач исследования................................68

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СОСТАВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ТРАНСПОРТНЫХ ЗДАНИЙ И

ИХ АНАЛИЗ.............................................................................76

2.1.Экспериментальные исследования натурных составных

конструкций для транспортных зданий и сооружений..................76

2.2. Заводские испытания при внедрении составных конструкций

в зданиях с агрессивными средами..........................................84

2.3. Натурные испытания опытных рамных составных систем

с арочно-консольными плитами.............................................95

2.4. Натурные испытания составных плитно — балочных и распорных конструкций перекрытий в реконструируемом

здании общежития под учебный корпус МИИТа.......................104

2.5.Лабораторные экспериментальные исследования прочности, жесткости и трещиностойкости железобетонных составных конструкций по наклонным сечениям....................................109

2.6. Методика и экспериментальная оценка интенсивности

коррозии арматуры...........................................................130

2.7. Выводы...........................................................................133

3. РАСЧЕТНЫЕ МОДЕЛИ И ТЕОРИЯ РАСЧЕТА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СОСТАВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ......................141

3.1. Теория расчета железобетонных составных конструкций по предельным состояниям первой группы..................................141

3.1.1. Напряженно-деформированое состояние железобетонных составных конструкций в зоне нормальных трещин...............................................141

3.1.2. Прочность железобетонных конструкций

по наклонным трещинам третьего типа......................158

3.1.3. Разрушение железобетонных составных конструкций от потери сцепления в зоне заанкеривания по наклонным трещинам

третьего типа........................................................................166

3.1.4. Прочность железобетонных составных конструкций по наклонным трещинам,

первого и второго типа............................................171

3.2. Теория расчета железобетонных составных конструкций по предельным состояниям второй группы..................................175

3.2.1. Определение параметров напряженно-деформированного состояния железобетонных составных конструкций для оценки раскрытия наклонных трещин

третьего типа........................................................175

3.2.2. Методика расчета ширины раскрытия наклонных трещин третьего типа в железобетонных

составных конструкциях..........................................190

3.2.3. Раскрытие наклонных трещин первого и второго типа

в железобетонных составных конструкциях............... 199

3.2.4. Методика расчета железобетонных составных конструкций по деформациям...................................203

3.3. Выводы..........................................................................217

4. ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СОСТАВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И СОПОСТАВИТЕЛЬНЫЙАНАПИЗ.....................223

4.1. Эффективность расчетной методики железобетонных

составных конструкций по предельному состоянию первой группы ...............................................................223

4.2. Эффективность расчетной методики железобетонных составных конструкций по предельному состоянию

второй группы................................................................228

4.2.1. Исследование влияния основных расчетных

параметров на расстояние между трещинами и ширину раскрытия трещин внецентренно сжатых и изгибаемых железобетонных составных

конструкций.......................................................229

4.2.2. Алгоритм расчета ширины раскрытия наклонных трещин железобетонных составных конструкций

по предлагаемому методу.......................................245

4.2.3. Сопоставление экспериментальных и теоретических результатов ширины раскрытия трещин железобетонных составных конструкций и

оценка предлагаемого расчетного аппарата..................251

4.3. Выводы...........................................................................268

5. НОВЫЕ РЕШЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СОСТАВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ТРАНСПОРТНЫХ ЗДАНИЙ........................................273

5.1. Новые конструктивные решения облегченных слоистых сводчатых и тонкостенных арочно-двухконсольных конструкций для перекрытий и покрытий многофункциональных

зданий ПГС.....................................................................273

5.2. Слоистые конструкции для зданий и сооружений

с агрессивными средами.....................................................290

5.3. Разработка вентилируемых конструкций стен транспортных зданий............................................................................300

5.4. Предлагаемые конструктивные схемы транспортных зданий нового типа из слоистых конструкций....................................304

5.5. Эффективные плитно-балочные составные системы для реконструируемых транспортных зданий................................314

5.6. Выводы...........................................................................318

6. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СОСТАВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ПРАКТИКЕ СТРОИТЕЛЬСТВА, ЭКСПЛУАТАЦИИ И РЕКОНСТРУКЦИИ ТРАНСПОРТНЫХ ЗДАНИЙ.................................................................................331

6.1. Общие положения, правила и рекомендации по расчету

и проектированию составных конструкций для повышения эксплуатационных качеств.........................................................331

6.2. Рекомендации по применению составных коррозионно-стойких конструкций в производственных зданиях промышленности

и транспорта....................................................................341

6.3. Общие положения, указания и рекомендации по проектированию зданий повышенных эксплуатационных качеств с использованием составных конструкций................................351

6.4.Результаты проектирования и внедрения составных конструкций в реконструируемых и вновь строящихся

зданиях и дополнительные рекомендации по

их проектированию............................................................360

6.5. Выводы..........................................................................376

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................391

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................396

Приложение 1. Дополнительная информация к теоретическим

исследованиям..........................................................433

Приложение 2. Справки о внедрении.................................................447

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Железобетонные конструкции большинства транспортных зданий и сооружений, в частности, железнодорожных - промывочно-пропарочных станций (ППС), пунктов подготовки вагонов (ППВ), ремонтно-экипировочных депо (РЭД) и др. -работают в специфических эксплуатационных условиях. Практика эксплуатации таких конструкций показывает, что первичная антикоррозионная защита относительно быстро выходит из строя. Данные натурных обследований автора выявили неэффективность и вторичной защиты таких зданий от коррозии. Для обеспечения их эксплуатационных свойств нашли применение конструктивные решения комплексных химически стойких элементов с первичной (заводской) защитой от коррозии в сборно-монолитном исполнении на основе сочетания материалов с различными физико-механическими свойствами: обычных цементных и полимерцементных бетонов, полимербетонов и др. Такие комплексные коррозионно-стойкие конструкции по характеру работы являются составными.

К составным относится и большинство сборно-монолитных железобетонных конструкций, которые сочетают в себе отдельные положительные качества как сборного, так и монолитного железобетона, благодаря чему являются весьма рентабельными и удобными для строительства. В частности, для этого вида конструкций сохраняется возможность вести строительство индустриальными методами, предусматривается весьма простое устройство стыков в узлах сопряжения в виде выпусков арматуры и шпонок, обеспечивается неразрезность сборных элементов путём соответствующего их армирования на промежуточных опорах и тем самым в значительной степени увеличивается жёсткость и пространственная устойчивость всего сооружения в целом.

Сборная часть этих конструкций помимо обычного и предварительно напряжённого железобетона может предусматриваться из сталефибробетона

стеклофибробетона, полимербетона и других, в том числе местных, материалов.

Принятие в практических расчетах предпосылки о совместности работы бетона и арматуры, положенной в основу современных расчетных методик, противоречит опытным данным с выявленном эффектом нарушения сплошности и сущности процесса деформирования составных твердых тел. Вместе стем, железобетонные составные конструкции по праву занимают ведущее место в капитальном строительстве в качестве основного строительного материала и поэтому совершенствование методологии их расчетов является важной актуальной проблемой.

Степень разработанности темы исследований. В России и странах зарубежья из всего разнообразия железобетонных составных конструкций наибольшее распространение по ряду объективных причин (эффективное применение сборного железобетона, значительные объемы строительства, технологический уровень производства железобетона и др.) получили сборно-монолитные решения балок, стеновых панелей и. обычных ребристых плит покрытия, у которых поперечное сечения выполняется комплексным - из железобетона и сталефибробетона (под тяжёлые нагрузки) или утолщённая полка которых изготовлена из конструкционно-теплоизоляционного материала (поризованного керамзитобетона), а продольные и поперечные рёбра - из тяжёлого бетона.

Зональное размещение материалов в железобетонных составных конструкциях позволяет наряду с высокопрочными бетонами использовать бетоны пониженных классов и достичь экономии по расходу стали. Совершенно очевидно, что степень такой экономии и успех решения поставленных в работе задач в значительной мере зависит от предпосылок, положенных в основу решений и степени сложности математического аппарата, который при этом используется. Сегодня в теоретической литературе по избранной теме, чаще всего, подробно приводятся расчетные зависимости, принципы алгоритмизации задач расчета, и в значительно

меньшей степени уделяется внимание физическому обоснованию используемых формул. Практически не затрагивались вопросы о физической природе происходящих при этом явлении и в подавляющем большинстве экспериментальных исследований железобетонных составных конструкций, где, как правило, ставились задачи получения количественных данных об их сопротивлении. Между тем, любому творчески мыслящему профессионалу важно не только формально рассчитать конструкцию, но и понимать почему используются та или другая зависимость, каков их физический смысл.

Одной из проблемных задач до настоящего времени продолжает оставаться расчет железобетонных элементов по наклонным сечениям. И хотя в последние годы, в решении этой проблемы достигнут заметный прогресс, определилось новое направление, все же многие важные вопросы остаются неизученными, в частности применительно к исследованию прочности, жесткости и трещиностойкости железобетонных составных конструкций. Здесь практически отсутствуют расчетные модели, отражающие все многообразие различных типов наклонных трещин, не разработана математическая модель для определения проекций опасной наклонной трещины, как функции многих переменных; не нашли должного отражения исследования влияния основных факторов на сопротивление железобетонных составных конструкций и т.л.

Все это не позволяет избежать трудоемкого экспериментирования и является серьезным препятствием для повышения надежности и достоверности расчетов ответственных несущих конструкций, в том числе и ориентированных на использование современных вычислительных комплексов.

Данные натурных обследований автора выявили также неперспективность вторичной защиты железобетонных конструкций от коррозии, необходимость коренного пересмотра сложившейся практики проектирования и строительства транспортных зданий и сооружений и создания нового направления в решении этой глобальной проблемы

практического строительства; связанного с разработкой новых перспективных конструктивных решений слоистых конструкций с первичной (заводской) защитой их от коррозии в их сборно-монолитном исполнении.

Таким образом возникла необходимость в постановке и разрешении новых задач по ключевым вопросам разработок этого перспективного направления, имеющего важное государственное значение.

Отсюда следует, что разработкой новых перспективных конструктивных решений транспортных зданий и сооружений и железобетонных составных конструкций с проведением экспериментально- теоретических исследований по детальному изучению их напряженно- деформированного состояния с учетом условных сосредоточенных сдвигов в шве между бетонами, несовместности деформаций бетона и арматуры и эффекта нарушения сплошности бетона; является весьма актуальной проблемой. Решение этой проблемы может рассматриваться как новое крупное достижение в создании новых железобетонных составных конструкций и развитии теории и методов их расчета.

Цель работы: построение расчётных моделей сопротивления железобетонных составных конструкций с наиболее полным учётом действительного напряженно-деформированного состояния и синтез на этой основе эффективных конструкций и конструктивных систем транспортных зданий и сооружений.

Задачи исследований:

- провести обобщение и анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований, опубликованных в научной печати;

- разработать методику и провести экспериментальные исследования железобетонных составных конструкций с целью выявления характерных особенностей сопротивления разрушению, деформированию, образованию и раскрытию трещин;

- разработать аналитический аппарат оценки напряженно-деформированного состояния железобетонных составных конструкций по

первой и второй группам предельных состояний с учетом выявленных особенностей их действительной работы;

- провести численные исследования и выполнить сравнительную оценку предлагаемого расчетного аппарата с экспериментальными данными и нормативной методикой расчета;

- разработать новые решения эффективных железобетонных составных конструкций и конструктивных схем проектируемых и реконструируемых транспортных зданий и сооружений.

Научная новизна работы состоит в развитии теории расчета железобетонных составных конструкций по предельным состояниям и синтезе на этой основе новых конструктивных решений транспортных зданий и сооружений, в частности:

1. Построены расчетные модели сопротивления железобетонных составных конструкций по предельным состояниям первой и второй групп, содержащие:

- экспериментально выявленный многоуровневый процесс трещинообразования (в том числе - веерообразный), раскрытия трещин в железобетонных составных конструкциях и предложенную иерархию разделения трех типов трещин на характерные веера;

- расчетную модель сопротивления из пяти блоков для моделирования процессов трещинообразования, деформирования и разрушения железобетонных составных конструкций с учетом условных сосредоточенных сдвигов в шве между бетонами, несовместности деформаций бетона и арматуры и эффекта нарушения сплошности бетона;

- расчетные схемы, рабочие гипотезы, разрешающие уравнения и методику расчета по предельным состояниям железобетонных составных конструкций по нормальным и наклонным трещинам трех типов;

- расчетные схемы разных уровней анализа (для определения относительных деформаций бетона и арматуры между трещинами в условиях сложного напряженного состояния; для моделирования различных видов

разрушения в зоне наклонных трещин и т.п.), с ориентацией выходных параметр