Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" важной задачей в области строительства названа экономия материально-технических ресурсов. Для ее осуществления предусмотрено преимущественное развитие конструкций, обеспечивающих снижение металлоемкости.
Известно, что одним из основных путей снижения расхода металла в железобетоне является повышение прочностных свойств арматурной стали и расширение областей применения тех ее видов, которые характеризуются наиболее высокими прочностными и эксплуатационными показателями" [I]. Освоение промышленного производства высокопрочной арматуры классов А-1У, Ат-1У, Ат-У, Ат-У1 разных диаметров создает возможности для массового применения ее в конструкциях.
В настоящее время высокопрочные арматурные стали широко используются в качестве продольной арматуры изгибаемых и растянутых элементов, особенно предварительно напряженных. В сжатых элементах традиционные способы армирования не позволяют эффективно использовать высокопрочные стали, так как расчетные сопротивления сжатой арматуры ограничены малой величиной предельных деформаций одноосно сжатого бетона.
Возможность повышения предельных деформаций бетона появляется при использовании в сжатых элементах косвенного армирования. Применение косвенной (поперечной) арматуры в элементах малой гибность и увеличить предельные деформации бетона. При этом в качестве продольной арматуры могут использоваться высокопрочные стали с расчетным сопротивлением сжатию, в 1,5−2 раза превышающим кости позволяет повысить их несущую способ величину, установленную нормами проектирования железобетонных конструкций [2].
Косвенное армирование, улучшая пластические свойства бетона, позволяет более эффективно использовать в конструкциях и высокомарочные бетоны, в частности, дает возможность исключить коэффициенты условий работы /Т) g = 0,95- 0,925- 0,9, учитываемые в расчетных сопротивлениях для тяжелого бетона марок М600, М700 и М800 в соответствии со СНиП П-21−75.
Применение в сжатых элементах железобетонных конструкций косвенного армирования в сочетании с высокопрочной продольной арматурой позволяет экономить до 50% арматурной стали, а также разработать рациональные конструкции железобетонных колонн, рассчитанных на действие больших сжимающих нагрузок (до 12 000 кН при сечении 400×400 мм), и заменить ими в ряде случаев металлоемкие стальные колонны.
Для освоения производства косвенно армированных элементов, в частности, колонн, необходим простой в изготовлении и эффективный по использованию стали вид косвенной арматуры. Из известных видов косвенного армирования для элементов прямоугольного сечения наибольшее распространение получили сварные сетки. Сварные сетки, являясь одним из самых эффективных видов косвенного армирования, позволяют проектировать сжатые элементы без изменения типоразмеров конструкций действующих типовых серий и использовать, таким образом, для изготовления конструкций с косвенным армированием существующий парк опалубочных форм.
Сварные сетки как вид косвенного армирования достаточно хорошо исследованы, но их широкому применению в конструкциях препятствует ряд недостатков, в первую очередь, низкая трещиностой-кость и прочность защитного слоя бетона в сеточно-армированных элементах и большая трудоемкость их изготовления.
В данной работе исследован новый тип косвенного армирования железобетонных элементов — тонкие стальные пластины с отверстиями для размещения продольных стержней.
Пластины как вид косвенного армирования имеют ряд преимуществ перед сварными сетками: I) более высокая эффективность использования косвенной арматуры за счет увеличения поверхности сцепления с бетоном и работы стали в двухосном напряженном состоянии- 2) сокращение размеров нерационально используемой части поперечного сечения косвенно армированных элементов — защитного слоя бетона и, как следствие этого, увеличение несущей способности сжатого элемента при одинаковом расходе стали- 3) меньшая трудоемкость изготовления арматурных каркасов со штампованными пластинами- 4) возможность распределения и точной фиксации в поперечном сечении элемента большого количества продольных стержней.
Указанные преимущества пластин по сравнению с сетками позволяют сократить расход косвенной арматуры при неизменной несущей способности сжатых элементов железобетонных конструкций или повысить их несущую способность при одинаковом расходе стали. При косвенном армировании пластинами могут быть разработаны железобетонные колонны высокой несущей способности (до I2000;I4000 кН при сечении 400×400 мм).
Исследование пластин необходимо также потому, что пластины используются для усиления зоны стыка в ряде конструктивных решений стыковых соединений колонн (в частности, колонн с косвенным армированием сварными сетками), а размеры пластин при этом назначаются только из конструктивных требований. Изучение возможности армирования сжатых элементов пластинами целесообразно в связи с тем, что для изготовления пластин могут быть использованы отходы листовой стали машиностроительной, автомобилестроительной и других отраслей промышленности.
Диссертационная работа выполнялась в лаборатории железобетонных конструкций Уральского промстройниипроекта в соответствии с планом научно-исследовательских работ, входящих в комплексную отраслевую программу 0.55.16.031.02.01 (этап СПвЗ).
Целью диссертационной работы является разработка и экспериментально-теоретическое обоснование методики расчета прочности сжатых элементов железобетонных конструкций с новым типом арматуры для косвенного армирования — пластинами — при наличии продольной арматуры, в том числе высокопрочной.
Автор защищает:
— результаты экспериментального исследования прочности и деформативности элементов, армированных пластинами, а также пластинами и высокопрочными продольными стержнями, при действии кратковременной статической нагрузкивыявленные особенности их напряженного и деформированного состояний и закономерности развития деформаций;
— метод определения несущей способности косвенно армированных элементов, основанный на теории предельного равновесия;
— результаты исследования влияния на прочность элементов с косвенным армированием отдельных факторов армирования пластинами и прочности бетона, а также отдельных свойств контактного слоя «бетон — пластина», полученные на основе решения задачи предельного равновесия косвенно армированного элемента;
— теоретическую и экспериментальную оценку коэффициента эффективности армирования пластинами;
— инженерную методику расчета и принципы конструирования элементов железобетонных конструкций, армированных пластинами и высокопрочными продольными стержнями.
Научная новизна диссертационной работы:
— исследован новый эффективный вид косвенного армированияэкспериментальным и теоретическим путем определено влияние марки бетона, толщины и шага пластин, прочности листовой стали на несущую способность и деформации железобетонных элементов;
— разработан метод определения прочности элементов с косвенным армированием на основе решения задачи предельного равновесия с использованием аппарата нелинейного программирования;
— теоретически обоснован принятый в нормах проектирования подход к построению расчетных зависимостей для конструкций с наиболее распространенными видами косвенной арматуры.
Практическая ценность работы состоит в том, что разработанная на основе проведенных исследований методика расчета позволяет проектировать сжатые элементы железобетонных конструкций, армированные пластинами и продольными стержнями из высокопрочных сталей классов А-1У (Ат-1У) — А-1У (Ат-У1). Применение данного способа армирования дает существенную (до 40%) экономию арматурной стали в сжатых элементах, а также позволяет конструировать сжатые элементы высокой несущей способности с удельными напряжениями в бетоне, в два-три раза превышающими его приз-менную прочность. Это позволит выполнять в железобетоне все колонны зданий высотой до 40 этажей, в нижних этажах которых в настоящее время применяются стальные или с обетонированным стальным сердечником колонны, требующие в два-три раза большего расхода стали.
Предложенный метод расчета позволяет определять предельную нагрузку при заданных параметрах армирования и соответствующее этой нагрузке распределение напряжений в кубическом или призматическом элементе косвенно армированной колонны, а также выбрать оптимальные параметры косвенного армирования, при которых исчерпание прочности бетона и поперечной арматуры достигается одновременно.
Реализация работы. Результаты работы использованы при проектировании альбома чертежей «Технические решения малометаллоемкого стыка колонн, армированных высокопрочными продольными стержнями» (Уральский промстройниипроект, Свердловск, 1981), при разработке Рекомендаций по проектированию железобетонных колонн, армированных поперечными стальными пластинами и высокопрочными продольными стержнями (Уральский промстройниипроект, Свердловск, 1982). Расчетные положения диссертации приняты НИИЖБ Госстроя СССР для включения в руководства по проектированию железобетонных конструкций при пересмотре действующих норм. Методика расчета использована при расчете зоны стыка железобетонных колонн типовой серии 0−282 (дополнительно к серии I.420−12) «Конструкции многоэтажных производственных зданий с сетками колонн бхб и 6×9 м под нагрузки соответственно до 25 кН/м^ и 15 кН/м^», выпуски 1,2,3, внедренных при строительстве дизельного цеха Уральского турбомоторного завода. Годовой экономический эффект составил в 1982 году 35,6 тысяч рублей.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на научно-технических конференциях, проведенных Свердловским областным правлением НТО стройиндустрии совместно с Уральским промстройниипроектом в 1976, 1978, 1982, 1984 годахна У научно-технической конференции Тюменского ИСИ в 1976 годуконференциях молодых ученых Уральского промстройниипроекта в 1978, 1979 годах. По теме диссертации созданы три изобретения. По результатам выполненных исследований опубликовано десять работ.
Объем работы. Диссертационная работа, состоящая из четырех глав, введения и заключения, изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц, 39 рисунков и список использованной литературы из 91 наименования.
I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.
Образцы из каменных материалов, обладающих различным сопротивлением сжатию и растяжению, при действии осевой сжимающей нагрузки разрушаются, обычно с образованием трещин по площадкам, параллельным оси сжатия. Явление повышения прочности этих материалов в условиях многоосного сжатия было открыто в конце прошлого века. Первые испытания кубов из мрамора, песчаника, цементного камня свидетельствовали о повышении их сопротивления действию осевой сжимающей нагрузки за счет ограничения возможности поперечного расширения внешней обоймой или боковым гидростатическим давлением.
В 1902 году А. Консидер испытал на осевое сжатие бетонные образцы, находящиеся под действием бокового гидростатического давления. Для практического использования эффекта повышения прочности бетона в условиях трехосного сжатия им было предложено поперечное (косвенное) армирование бетона и проведены первые испытания бетонных цилиндров в спиральной обойме. Прочность бетонных цилиндров, заключенных в спиральную обойму, значительно превышала прочность таких же цилиндров без обоймы, а использование стали в качестве поперечной арматуры было в несколько раз эффективнее ее использования как продольной. В дальнейшем исследования бетона в спиральной обойме получили широкое распространение. В исследованиях К. Баха, Ф. Рихарда, А. Брандцаега, Р. Брауна [3], Р. Залиге-ра [4], 0. Графа, В. Вейбулла, Ф. Е. Гитмана [5], Г. А. Гамбарова [б], А. С. Курылло [7], В. Н. Карпинского [8] и многих других ученых было установлено, что на эффективность работы спирали влияют различные факторы: прочность бетона, его состав и консистенция, диаметр и класс спиральной арматуры, расстояние между витками спирали. В исследованиях [5−8] была предложена предварительно напряженная спираль, исследовано ее влияние и отмечен значительный эффект применения предварительного напряжения.
Но спиральное армирование, несмотря на обширные исследования, не нашло широкого практического применения вследствие большой трудоемкости и сложной технологии изготовления спирально армированных элементов в заводских условиях, требующей специального оборудования для навивки спирали на бетонный сердечник. Кроме этого для элементов круглого сечения сложнее, чем для прямоугольного, решаются узлы сопряжения с другими конструкциями здания. Недостатком спирально армированных элементов является и то, что защитный слой бетона в них разрушается при значительно меньшей нагрузке, чем армированный сердечник.
От недостатков спирального армирования свободны трубобетон-ные элементы, экспериментальные исследования которых составляют отдельную большую группу в исследованиях бетона в условиях стесненной поперечной деформации. В отличие от спирали стальная труба в трубобетонном элементе является одновременно продольной и поперечной арматурой. Испытания трубобетона Г. П. Передерия [9],.
A.А.Гвоздева [10], В. А. Росновского [il], А. Ф. Липатова [12],.
B.Ф.Маренина, А. Б. Ренского и многих других исследователей выявили особенности работы бетона в обойме из трубы и показали, что трубобетон не менее эффективен, чем спирально армированные элементы. Трубобетонные элементы имеют ряд преимуществ: отсутствие опалубочных работ при изготовлении, устойчивость при механических воздействиях. Однако расположение металлической обоймы снаружи требует дополнительных мер по защите от коррозии и повышению огнестойкости.
Рассмотренные виды обойм и их разновидности представлены на рисунке I.
Для армирования элементов прямоугольного сечения хорошие.
СТШРйЛЬ иъ оьычнои ПРОВОЛОК и.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНО — ННПР ЯчКЕНННЯ СПМРЯЛЬ.
СПИРАЛЬНОЕ ЯРМИРОВЛНИЕ е) 1.
• с .
У- - .г 1.
СТЯЛЬНЛЯ ТРИБ’Я V.
СТЙЛЬНЫ£ ТРУБЫ.
ТРУ&Я С ПРОТОЧК-RMU.
ТРУБОБЕТО НЧЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ.
К).
ОТДЕЛЬНЫЕ .СТЕРЖНИ и л).
ЭиГЗЯГООБРЮНЫЕ СТАЛЬНЫЕ хомуты штстины.
СВАРНЫЕ, СЕТКИ.
1 1 п).
ГРЕБЕНКИ 1.
• LJ j.
Рис. 1 Л. Поперечное армирование железобетонных элементов, предложенное: а) Консвдером А., б) Бахом К., в) Абрамовым Н. А., г), д)"ж) Михайловым В. В., и), н) Гвоздевым А. А., к) Некрасовым В. П., л) Лолейтом А. Ф., м) Шинке и Лезером результаты дают поперечные сетки, предложенные и исследованные в 1903 г. Зандером и в 1903;1905 гг. В. П. Некрасовым. Эффективность такого армирования, по данным Зандера, была достаточно высока, хотя и уступала эффективности спиральной обоймы. Опыты В. П. Некрасова показали, что при малых диаметрах стержней сетчатое армирование не уступает по эффективности спирально^. В. П. Некрасов на основании проведенных исследований в 1925 г. предложил формулу для расчета сеточно армированных элементов ^13]:
О = D + э U к ар пр J Р-к > пр
ЦИ — процентное содержание поперечной арматурыгде rv — прочность неармированного образца;
Э — эмпирический коэффициент, зависящий от размера поперечного сечения, диаметра арматуры и коэффициента Цк .
В работе В. П. Некрасова ввделены два случая разрушения сеточно армированных элементов: I случай — разрушение элементов с поперечной арматурой большого диаметра (> 2 мм), напряжения в арматуре к моменту разрушения не достигают предела текучести вследствие недостаточности сцепления арматуры с бетоном- 2 случайпоперечная арматура малого диаметра к моменту разрушения достигает предела текучести.
Большие исследования работы коротких колонн, армированных вязаными сетками, были проведены в I939-I94I гг. А. Н. Кузнецовым под руководством А. А. Гвоздева при применении сеток для усиления бетона на строительстве моста в г. Рыбинске [14]. В результате исследований было установлено, что основными факторами, влияющими на прочность армированных образцов, являлись процентное содержание сеточной арматуры Ц, предел текучести стержней сеток г-н.
От и вид бетона. При бетоне жесткой консистенции сеточное ар-армирование давало большее повышение прочности. Изменения диаметров стержней сеток, расстояния между сетками, размеров ячеек сетки при равных Jl к влияли незначительно. Для практических расчетов сеточно армированных призм была предложена формула: б1 = RnP + к-м*-6'" (1−2) где И — коэффициент эффективности сеточной арматуры: К = 2 при JLLH ¦6СГ < 45 s.
И = -Щгс- + °"5 при М*'бт «45 •.
В 50-х годах сеточное армирование стало применяться для усиления концевых участков железобетонных колонн. Исследования, проведенные С. М. Крыловым, Н. Н. Коровиным [15], А. П. Васильевым [16], позволили им разработать вошедшие в нормы проектирования рекомендации по расчету и конструированию сеточно армированных концевых участков колонн. Коэффициент эффективности сеточного армирования в рекомендациях был принят постоянным, равным 2. Позднее исследования стыков колонн связевого каркаса под большие нагрузки.
A.П.Васильева и Н. Г. Маткова [17] и колонн с сеточным армированием.
B.И.Довгалюка [18] установили, что коэффициент эффективности сеточного армирования — величина переменная, достигающая в некоторых случаях значений 3−4.
Б.Я.Седовым под руководством О. Я. Берга в1 1965 г. были проведены исследования внецентренно сжатых призм с сеточным армированием. По результатам исследований предложено производить расчет внецентренно сжатых колонн, армированных поперечной сеточной и продольной арматурой: для П случая внецентренного сжатия — по формуле где /?'=/? + 2R ' 11 ¦ лр Кпр С ас Г-к > для I случая внецентренного сжатия — по формуле.
Ne «Ru-Ьвя + ч-5' где /?"' = 1,25 RnP.
В последние годы в лаборатории железобетонных конструкций НИИЖБ Госстроя СССР под руководством А. П. Васильева и Н. Г. Маткова были проведены исследования работы сеточно армированных колонн С. Шерифом, Б. П. Филипповым, А. С. Зурабяном.
С.Шериф[19,20]на основании результатов испытаний центрально и внецентренно сжатых (с эксцентриситетами 5 см и 10 см) образцов предложил форедглу для расчета приведенной призменной прочности (прочности косвенно армированного ядра) элементов с сеточным армированием: пРRnp + «'И* К >
Х.б) к = 130 Мк + 9.5 200 Цн.
Автором отмечено, что прочность сеточно армированного ядра сжатых колонн значительно больше прочности бетона защитного слоя. Нагрузки, при которых начиналось разрушение бетона защитного слоя, составляли 0,65−0,88 от опытных разрушающих нагрузок.
Б.П.Филипповым [21], продолжившим исследования С. Шерифа, была уточнена форцула для определения коэффициента эффективности, включенная позднее в СНиП П-21−75. Коэффициент эффективности сеточного армирования предложено определять в зависимости от коэффициента косвенного армирования JU, прочности стали Ra и прочности бетона /? по формулам: и — где, А = Мн'. (1.7) f+6A R ' пр или для целей проектирования:
5+А и = bi5A.
1.8).
В работе [2l] также установлено раннее разрушение защитного слоя бетона по отношению к несущей способности армированного ядра (т.е. бетона, ограниченного крайними стержнями сеток) — при этом подчеркнуто, что разрыв между нагрузкой, при которой разрушается защитный слой, и нагрузкой разрушения ядра увеличивается с ростом процента армирования. Для обеспечения прочности бетона защитного слоя при эксплуатации конструкций с сеточным армированием автор рекомендует ограничить процентное содержание косвенной арматуры так, чтобы нормативная нагрузка на конструкцию с косвенным армированием была не более разрушающей для этой конструкции без учета косвенного армирования.
В работе С. И. Рогового [22] исследована несущая способность элементов с сеточным армированием при косом внецентренном сжатии. Автором определен граничный эксцентриситет, в пределах которого косвенное армирование используется эффективней продольного, зависящий от размеров сечения, коэффициента JdK и деформативных характеристик бетона и продольной арматуры.
Деформативные свойства бетона при косвенном армировании изучены в меньшей степени, чем прочностные. Впервые исследования деформаций бетона в спиральной обойме были проведены А. Консидером, установившим, что бетон в обойме обладает повышенной пластичностью и большой предельной сжимаемостью. Позднее было установлено, что на величины деформаций существенное влияние могут оказывать прочность бетона и его консистенция, а также величина бокового давления. При этом отдельными исследователями отмечается, что с увеличением бокового давления увеличиваются только предельные деформации сжатия, а при равных напряжениях деформации одинаковы независимо от интенсивности бокового давления.
Исследования деформативных свойств бетона в металлической трубе были проведены в 1946 г. А. А. Гвоздевым [ю]. С наружной стороны трубы были выточены желобки (см. рис.1,и), благодаря которым труба работала только в поперечном направлении. Обоймы были двух видов — «легкие» и «тяжелые», отличавшиеся толщиной стенки трубы, и двух форм — круглой и овальной (для создания различных величин бокового давления б2 и б3). Развитие продольных и поперечных деформаций образцов проходило по линейному закону до нагрузок, составлявших 0,8−0,9 от максимальных, а величины деформаций соответствовали примерно величинам деформаций при одноосном сжатии. При нагрузках, близких к разрушающим, начиналось интенсивное развитие продольных и поперечных деформаций, причем увеличение этих деформаций происходило при незначительном повышении нагрузки или даже без изменения нагрузки. Максимальные величины относительных поперечных деформаций значительно превышали при о этом предельную растяжимость бетона, составляя (4+5).10 и были близки по величине к продольным деформациям. Вычисление величин, характеризующих изменение объема бетона, показало, что в начале опыта объем образцов уменьшался, а к концу — увеличивался так, что превышал первоначальный. Максимальные поперечные деформации перед разрушением образцов овальной формы были большими в направлении малой оси, а при низких уровнях напряжений осевого сжатияпримерно одинаковы. Поведение образцов при разрушении автор сравнил с характером деформирования мягких металлов при пределе текучести.
Характер развития продольных и поперечных деформаций образцов с сеточным армированием, по данным Л. К. Лукши [23], соответствовал характеру развития деформаций спирально армированных образцов или бетонных элементов при действии бокового гидростатического давления. Относительные деформации (укорочения) при малых величинах осевого сжатия почти одинаковы для образцов с разными процентами косвенного армирования и близки к деформациям бетонного образца. С увеличением напряжений осевого сжатия и процента сеточного армирования доля пластических деформаций значительно возрастает, величины предельных деформаций укорочения армированных образцов в несколько раз превышают предельные деформации бетонных призм. Сравнение деформаций образцов с разной прочностью бетона показало, что с увеличением прочности бетона предельная сжимаемость образцов уменьшается.
В отличие от явления повышения прочности бетона в условиях трехосного сжатия, использовавшегося для увеличения несущей способности сжатых железобетонных элементов и их стыков, повышенные деформативные свойства бетона в обойме до недавнего времени практического использования не имели. Изучение их проводили, обычно, для подтверждения высказанных разными авторами гипотез прочности хрупких материалов.
В исследовании Ю. Н. Карнета [24,25], выполненном в Уральском промстройниипроекте, повышенные деформативные свойства бетона используются для увеличения расчетного сопротивления сжатой продольной арматуры. Принято считать, что продольная арматура сжатых железобетонных конструкций воспринимает часть внешней нагрузки пропорционально площади своего сечения и расчетное сопротивлению. При этом расчетное сопротивление сжатой высокопрочной арматуры принимается не более 400 МПа (или 500 МПа — при учете коэффициента условий работы П7§-1 = 0,85), что определяется предельными деформациями укорочения бетона, составляющими около (2,0т2,2)*10~^. Как показало исследование [24], наличие сеток косвенного армирования позволяет использовать в сжатых элементах высокопрочную продольную арматуру с полным расчетным сопротивлением сжатию, равным ее расчетное сопротивлению растяжению. Автор подчеркнул, что степень использования прочности высокопрочной арматуры при сжатии зависит от мощности сеточного армирования, и установил минимальные значения коэффициентов косвенного армирования, при которых напряжения в сжатой арматуре классов А-1У, Ат-У, Ат-У1 центрально нагруженных образцов малой гибкости достигают условного предела текучести.
В исследованиях Б. Я. Рискинда и Г. И. Шорниковой [26,27] отмечено, что напряжения в термоупрочненных стержнях классов Ат-У — Ат-УП при разрушении центрально сжатых стоек существенно превышают величину 400 МПа не только при косвенном армировании сварными сетками, но и при армировании обычными хомутами. Прочность испытанных стоек с термоупрочненной арматурой зависела от процента продольного (]Ла) и поперечного (JUK) армирования и на 10−20% превышала прочность таких же стоек с продольной арматурой класса А-Ш.
Исследования работы железобетонных колонн, армированных сварными сетками и высокопрочными продольными стержнями, были выполнены в НИЙЖБе К. К. Бакировым [28,29]. Автором исследовалось влияние гибкости элементов и внецентренного приложения нагрузки на несущую способность колонн. В результате исследования сделан вывод о том, что сеточное армирование повышает прочность колонн и увеличивает предельные деформации укорочения бетона как при центральном, так и внецентренном сжатии. Величины относительных деформаций укорочения бетона при максимальной нагрузке на колонны позволяют использовать сжатую высокопрочную арматуру до напряжений, соответствующих условному пределу текучести. Предельные деформации укорочения колонн зависят не только от прочности бетона, количества и прочности поперечной арматуры, но от класса и количества высокопрочной продольной арматуры. Предложена формула для оценки влияния процента поперечной и продольной арматуры на величину относительных деформаций укорочения бетона: f 2,4 + /4 иа<�хс, «л) где Иа — коэффициент, учитывающий влияние продольной высокопрочной арматуры (равный I при использовании продольной арматуры класса А-Ш):
Иа =1 + 30 /i^ - (1.10).
ОСс — коэффициент, учитывающий влияние поперечной арматуры: а = mh’ri ci. ii) пр
Эффект влияния косвенного армирования и высокопрочной продольной арматуры снижается с увеличением гибкости элемента, а при гибкости lQ/h — 17 практически полностью отсутствует из-за уменьшения высоты сжатой зоны бетона. Однако наличие косвенного армирования способствует длительному развитию пластических деформаций при разрушении колонн, что имеет большое значение в сейсмостойких конструкциях.
Предложенная в работе методика расчета колонн учитывает влияние сеточного армирования и высокопрочных продольных стержней. Отмечено, что бетон защитного слоя работает в иных условиях, чем косвенно армированное ядро. Первые трещины в защитном слое при испытании опытных образцов появились при напряжениях, близких к призменной прочности бетона {6^Rnp= 0,94−1,15) — при этом чем больше коэффициент косвенного армирования р., тем меньше напряжения, при которых начинается разрушение защитного слоя. Относительные продольные деформации при разрушении защитного слоя соо ставляют (2,5*3,5)•10, в то время как эти деформаций при разруо шении ядра могут достигать 10. Поэтому рекомендовано проверку прочности защитного слоя производить по обычной методике расчета прочности (по полному сечению элемента) при напряжениях в высокопрочной арматуре 500 МПа (но не более Ra) и напряжении в бетоне, равном.
В СНиП П-21−75 [2] для проверки трещиностойкости защитного слоя бетона косвенно армированных элементов малой гибкости где гп и j — площадь и момент инерции полного приведенного сечения элемента. Трещиностойкость по этой методике проверяется с меньшим уровнем надежности, чем выполняется расчет косвенно армированного ядра по п. 3.22 СНиП П-21−75, и отвечает примерно расчету по предельным состояниям второй группы, что обеспечивается введением в формулу (I.I2) коэффициента 1,8 [30]. Это условие не отражает зависимости трещиностойкости и прочности защитного слоя от коэффициента JUK [21,24,28] и при больших ]1К будет давать завышенные значения N, так как в этих случаях защитный слой сеточно армированных элементов разрушается при напряжениях в бетоне, меньших нормативного значения призменной прочности.
Таким образом, только при малых процентах поперечного армирования и использовании продольной арматуры не вше класса А-1У условие обеспечения трещиностойкости защитного слоя бетона элементов с сеточным армированием не будет снижать величину нагрузки, определенной из расчета косвенно армированного ядра. Но обеспечение этого условия при проектировании сжатых элементов, в частности, колонн повышенной несущей способности, содержащих большое количество сеточной арматуры и продольную арматуру классов А-У, Ат-У, Ат-У1, потребует уменьшения величины продольной нагрузки. Прочность косвенно армированного ядра при этом будет в значительной степени недоиспользована, а эффективность данного способа армирования существенно снизится. В связи с необходимостью выполнения условия (I.I2) проектирование железобетонных колонн под большие сжимающие нагрузки с использованием сеточного армирования и высокопрочных продольных стержней практически не.
I.12) возможно без увеличения размеров поперечного сечения.
В железобетонных элементах, рассчитанных на действие больших сжимающих нагрузок и требующих сильного насыщения поперечной и продольной арматурой, целесообразно применять косвенное армирование в виде тонких (& - 1/100*1/400 /?, где Л — меньший размер поперечного сечения) стальных пластин с отверстиями для фиксации продольных стержней. Эффект бокового давления при армировании железобетонного элемента пластинами, расположенными перпендикулярно действию осевой сжимающей нагрузки, будет создаваться силами сцепления (формовочного контакта) по контактным плоскостям бетона и пластин, препятствующими развитию поперечных деформаций бетона. При отсутствии формовочного контакта пластин с бетоном влияние такой «обоймы» будет аналогично влиянию сил трения по опорным плоскостям пресса при испытании бетонных кубов. Наличие формовочного контакта существенно увеличивает этот эффект.
В 1907 г. в Германии М. Г. Шинке и Б. Лезер [ЗХ] провели небольшую серию экспериментов на кубах с разными видами поперечной арматуры: отдельными стержнями, вязаными проволочными сетками, плоским и уголковым железом, гладкими и с отверстиями пластинами. По результатам испытаний наиболее эффективными оказались пластинки, причем пластинки с отверстиями давали лучший результат, чем без отверстий, потому что под последними образовывались раковины, которых при уплотнении бетона штыкованием не удавалось избежать. Прочность кубов, армированных пластинками с отверстиями, в 3−5 раз превышала прочность бетонных кубов соответствующих размеров.
В табл.1.1 приведены результаты этих испытаний, дополненные вычисленными автором коэффициентами косвенного армирования (графа 9) и коэффициентами эффективности использования стали (графы 10 и II), которые определены в предположении, что листовая сталь в образцах использовалась с физическим пределом текучести.
Результаты испытаний кубов М. Г. Шинке и Б.Лезера.
Таблица I. I 11П Размер кубов, см Возраст, сут. Листовая арматура ПрочРазруПрочкоэффиКоэффициент эффективности толщина ерасстояние между пластинами S, см ность бетонных шающая нагрузка арность армированциент косвенного листовой арматуры, вычисленный при пределе текучести стали д, мм кубов, МПа мированных кубов, кН ных кубов, МПа армирования, 100 МПа 200 МПа.
I 2 3 4 5 6 7 8 9 10 II.
I 14×14×14 70 2,0 3,7 12,0 458 23,4 4,3 2,65 1,325.
1а 70 п 1,9 12,0 1340 68,2 8,6 6,5 3,25.
2 rt 61 1,0 3,7 10,3 444 22,5 2,15 5,7 2,85.
2а тт 61 rt 1,9 10,3 1200 61,2 4,3 11,8 5,9.
3 61 0,5 3,7 11,6 417 21,3 1,1 8,8 4,4.
За ft 61 V 1,9 11,6 750 38,3 2,15 12,4 6,2.
4 15×15×15 68 1,5 5,0 9,0 388 17,2 2,4 3,4 1,7.
5 tt 63 rt 3,0 8,0 528 23,5 4,0 3,9 1,95 б 19×19×19 58 1,0 5,0 8,0 562 15,6 1,6 4,75 2,375.
7 24×24×24 58 ¦ 3,0 7,5 970 16,9 2,67 3,5 1,75.
Примечание. Коэффициент косвенного армирования (графа 9) вычислен с учетом уменьшения объема стали за счет отверстий в пластинах, площадь которых составляет около 20% площади пластины.
100 МПа (графа 10) и 200 МПа (графа II), так как фактические механические характеристики листовой стали в работе не приведены. После испытания кубов М. Г. Шинке и Б. Лезером были испытаны стойки размерами 150×150×700 мм, 150×150×900 мм и 100×100×900 мм, армированные пластинами толщиной 1,5 мм с шагом 3 и 5 см и продольными стержнями из мягкой стали. Для расчета продольной нагрузки армированных стоек предложена эмпирическая формула:
По результатам испытаний сделан вывод, что влияние поперечной арматуры в 2,7−3,3 раза больше влияния продольной, что превышает эффект, полученный Консидером при испытании стоек со спиралью и продольной арматурой, где это соотношение составило 2,4.
Как показали опыты Шинке и Лезера, армирование бетона поперечными стальными пластинами может иметь достаточно высокую эффективность. Однако небольшой объем исследований и трудности, возникавшие при изготовлении опытных образцов, обусловленные низким уровнем развития строительного производства, не позволили авторам работы сделать рекомендации о практическом использовании полученного эффекта. В условиях современной технологии производства железобетонных конструкций (уплотнение бетонной смеси вибрированием, механизированное изготовление пластин штампованием, использование бетона высокой прочности) эффективность использования пластин в качестве поперечной арматуры должна увеличиться.
Приведенные в работе [31] результаты определения прочности.
I.I3) где 6g — прочность неармированного бетона;
F — площадь сечения бетона;
S — размер поперечного сечения пластин;
CL — расстояние между пластинами в образцеfL — площадь сечения продольной арматуры. опытных образцов, армированных пластинами, не поддаются более подробноцу анализу, так как в работе отсутствуют механические характеристики пластин и продольной стержневой арматуры. Деформации опытных образцов не контролировались. Поэтому для определения возможного эффекта использования листовой поперечной арматуры в сжатых элементах современных железобетонных конструкций необходимо выполнить экспериментальные исследования этого практически неисследованного вида косвенного армирования и сравнить эффективность его использования с эффективностью наиболее распространенных и исследованных видов поперечной арматуры, в частности, с сеточным армированием.
Применение пластин из прокатной листовой стали для поперечного армирования сжатых элементов железобетонных конструкций при достаточно высокой эффективности использования стали обеспечит некоторые конструктивные и технологические преимущества по сравнению со сварными сетками:
1) толщина защитного слоя бетона косвенно армированных конструкций, принимаемая в сеточно армированных элементах равной расстоянию от грани элемента до оси крайнего стержня сетки и составляющая, как правило, не менее 15 мм, в элементах, армированных пластинами, технически может быть выполнена значительно меньшей — 5 ми и менееуменьшение толщины защитного слоя обеспечит совместность его работы с косвенно армированным ядром до более высоких нагрузок;
2) площадь сечения косвенно армированного ядра, учитываемая в расчете элементов с поперечным армированием, при армировании пластинами увеличится за счет уменьшения толщины защитного слоя, что позволит повысить расчетную нагрузку на конструкцию и увеличить эффективность использования стали, особенно в элементах с небольшими размерами поперечного сечения (300×300 мм, 400×400 мм);
3) замена сварных сеток пластинами обеспечит более равномерное перераспределение усилий в бетоне и арматуре, что, в частности, также повышает трещиностойкость и прочность защитного слоя бетона при больших процентах поперечного армирования;
4) при проектировании колонн с большим насыщением продольной арматурой возникают трудности распределения продольных стержней в сечении элементав колоннах, армированных пластинами, большое количество продольной арматуры может быть распределено по сечению элемента и зафиксировано в отверстиях пластин;
5) в промышленном производстве элементов с косвенным армированием замена сварных сеток штампованными пластинами позволит значительно сократить трудоемкость изготовления конструкций;
6) применение пластин с отверстиями или вырезами для фиксации продольной арматуры позволяет разработать технологию изготовления арматурных каркасов колонн, полностью исключающую предварительную сборку и сварку элементов арматурного каркаса, а использующую временное крепление отдельных частей армокаркаса в процессе укладки и уплотнения бетонной смеси.
Указанные преимущества пластин как вида косвенного армирования обеспечивают рациональное их применение в наиболее нагруженных колоннах связевых каркасов многоэтажных промышленных и гражданских зданий, в частности, межвидового каркаса серии 1.020, где нагрузки на колонны превышают 5000 кН. В этих случаях, как показало экспериментальное проектирование Уральского промстрой-ниипроекта, все колонны типовой серии можно проектировать с четырьмя продольными высокопрочными стержнями, а несущую способность колонн варьировать за счет количества поперечной арматуры. Экономия арматурной стали при этом в сравнении с типовыми колоннами достигает 40%. Применение пластин и продольной арматуры классов Ат-пУ, Ат-У1 позволит в два раза повысить предел несущей способности колонн типовых серий без изменения размеров их поперечного сечения. Так, расчетная нагрузка на колонны сечением 400×400 мм может достигать 12 000 кН при расходе арматуры (продольной и поперечной) не более 15%. В настоящее время при таких расчетных нагрузках используются железобетонные колонны с массивным стальным сердечником, в которых объем стали составляет до 60%, или стальные колонны, также требующие большого расхода металла.
Применение пластин, обеспечивающих в сравнении с сетками более равномерное распределение усилий в бетоне и арматуре, может оказаться целесообразным в ряде конструкций, где сжатый бетон работает в особых условиях (платформенные стыки, скрытые капители при методе подъема этажей и другие части конструкций, находящиеся в условиях сложного напряженного состояния).
Изготовление сжатых элементов железобетонных конструкций, прежде всего колонн с косвенным армированием пластинами или сетками, наиболее рационально вести на длинномерных стендах с последующей разрезкой на элементы требуемой длины. Колонны целесообразно изготавливать высотой на 3−5 этажей с предварительным напряжением части продольных стержней для компенсации ослабления сечений колонн поперечными пластинами или сетками при работе конструкций на изгиб и растяжение в процессе транспортирования и монтажа.
Армирование колонн продольной арматурой из термоупрочненных сталей, обладающих ограниченной свариваемостью, требует новых конструктивных решений стыковых соединений колонн. Проектной частью института Уральский промстройниипроект разработан альбом «Технические решения малометаллоемкого стыка колонн, армированных высокопрочными продольными стержнями», в котором приведены два варианта стыкового соединения колонн сечением 300×300 и.
400×400 мм, предназначенных под нагрузку от 3000 до 8000 кН и от 6000 до 12 000 кН соответственно. В обоих вариантах стыкуемые колонны сопрягаются с помощью металлических пластин (одной или двух), передающих полное усилие в стыке и обеспечивающих его достаточную несущую способность. Исследования стыка типа «металлическая пластина» для колонн, армированных сварными сетками и продольными высокопрочными стержнями, проводятся в настоящее время в НИИЖБ [32]. Толщина пластин в указанных решениях стыков колонн назначается в соответствии с конструктивными, а не расчетными требованиями, что приводит к завышенному расходу стали.
Таким образом, краткий обзор литературы по данному вопросу показывает необходимость исследования влияния пластин на прочность и деформации сжатых элементов железобетонных конструкций. Поэтому при выполнении диссертационной работы стояли следующие задачи:
1) изучить особенности напряженного и деформированного состояний и закономерности развития деформаций опытных образцов, армированных пластинами;
2) разработать метод оценки прочности элементов с косвенным армированием, позволяющий учесть влияние свойств контактного слоя «пластина — бетон» ;
3) экспериментальным и теоретическим путем исследовать влияние на прочность призм, армированных пластинами, толщины и шага пластин, прочности стали и бетона;
4) определить эффективность использования стали при косвенном армировании пластинами и сравнить ее с эффективностью сеточного армирования;
5) выполнить экспериментальную проверку работы пластин в образцах с размерами, близкими к реальным конструкциям (колоннам), для определения совместного влияния на несущую способность колонн армирования пластинами и высокопрочной продольной арматуройб) на основе проведенных исследований разработать инженерную методику расчета прочности сжатых элементов железобетонных конструкций, армированных пластинами, при наличии продольной арматуры, в том числе высокопрочной.
Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:
1. Исследован новый вид косвенного армирования — стальные пластины. Выявлены особенности напряженного состояния и закономерности развития деформаций железобетонных призм при армировании их пластинамиэкспериментальным путем изучено влияние на прочность и деформации призм толщины и шага пластин, прочности листовой стали и прочности бетона.
2. Установлено, что эффективность использования косвенной арматуры при армировании пластинами в основном не ниже эффективности сеточного армирования, а в ряде случаев существенно превышает ее за счет увеличения площади косвенно армированного ядра и работы стали в двухосном напряженном состоянии.
3. Разработана расчетная модель косвенно армированного элемента, основанная на статическом методе теории предельного равновесия с использованием аппарата нелинейного программирования, которая позволяет определить нижнюю границу несущей способности элементов с косвенным армированием и соответствующее ей распределение нормальных и касательных напряжений в данном элементе.
4. На основе расчетной модели разработаны алгоритм и программа расчета на ЭВМ элементов, армированных пластинами. Использованное в алгоритме условие прочности бетона в обобщенном виде позволяет рассчитывать прочность элементов с косвенным армированием при соответствии бетона условиям прочности различных авторов, в частности, П.П.Балавдина-Г.А.Гениева и Л. К. Лукши. Разработанный алгоритм позволяет также определять прочность бетонных кубов при трехосном неравномерном сжатии.
5. Удовлетворительное совпадение опытных и теоретических (рассчитанных по программе) разрушающих нагрузок для призм, армированных пластинами, подтверждает возможность использования метода предельного равновесия для расчета сжатых элементов с косвенным армированием.
6. Проверочным экспериментом на железобетонных колоннах с максимальной для колонн связевых каркасов гибкостью = ^ установлена возможность эффективного использования в колоннах поперечного армирования в виде пластин и показано, что использование пластин, как и сварных сеток, обеспечивает работу высокопрочной стержневой арматуры до напряжений, превышающих 1000 МПа. Анализ результатов испытаний колонн, армированных сетками и пластинами, показал, что при равных процентах поперечного и продольного армирования разрушающие нагрузки для колонн, армированных пластинами, на 5−15% больше, чем для сеточно армированных колонн. Разрушающие нагрузки опытных колонн на 25−40% превышают соответствующие величины для колонн с продольной арматурой класса АШ.
7. По результатам исследований разработана инженерная методика расчета колонн, армированных пластинами и высокопрочной продольной арматурой, а также сформулирован ряд конструктивных требований к ним. Технико-экономическая оценка исследуемого способа армирования показала, что при использовании его в колоннах связевых каркасов многоэтажных зданий можно достичь 26−42% экономии арматурной стали.
Исследованный в работе вид косвенного армирования может быть применен не только в колоннах, но и других конструкциях или их элементах, в которых бетон работает в условиях сложного напряженного состояния: платформенные стыки, опоры мостов и линий электропередач, сжатые стойки и пояса ферм.
Разработанная в диссертационной работе расчетная модель может быть использована для создания алгоритмов и программ расчета прочности сжатых элементов с любыми видами косвенного армирования (сварные сетки, спирали, хомуты, внешняя арматура различного профиля).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Колонны нижних этажей многоэтажных каркасных зданий рассчитываются на действие больших сжимающих нагрузок. С ростом этажности зданий и повышением полезных нагрузок на перекрытия усилия в колоннах существенно возрастают. Стремление сохранить размеры поперечных сечений колонн одинаковыми по всей высоте здания, исходя из архитектурно-планировочных и технологических требований, приводит к тому, что колонны нижних этажей оказываются сильно армированными. Это обусловливает большой расход арматурной стали и вызывает трудности при размещении продольной арматуры в сечении.
Данная работа посвящена экспериментально-теоретическому исследованию несущей способности железобетонных колонн с новым видом армирования — поперечными стальными пластинами и высокопрочными продольными стержнями — и разработке методики их расчета.
Выполненные исследования показали, что косвенное армирование в виде пластин позволяет значительно повысить несущую способность сжатых элементов железобетонных конструкций малой гибкости ны предельных деформаций укорочения бетона, а расчетное сопротивление сжатию высокопрочных стержней, используемых для продольного армирования, в 1,5−2 раза превышает величину, установленную нормами проектирования железобетонных конструкций.
Использование косвенного армирования в виде пластин в сочетании с высокопрочными продольными стержнями для армирования наиболее нагруженных колонн связевых каркасов многоэтажных промышленных и гражданских зданий позволяет экономить более 40% арматурной стали, а также дает возможность разработать рациональные конструкции железобетонных колонн, воспринимающих большие сжимающие нагрузки. При этом существенно возрастают величи.
