Совершенствование методов расчета железобетонных конструкций на основе структурной теории деформирования бетона

Основной проблемой строительства является нахождение оптимального сочетания экономичности, надежности и долговечности сооружений. Эти требования удовлетворяются при условии проведения правильного расчета, реально отражающего работу материала во всех диапазонах рабочих режимов сооружения. Анализ применимости к бетону различных гипотез прочности и деформативности не может быть ограничен сравнением конечных результатов расчета и эксперимента. Решающее значение приобретает сопоставление исходных предположений теоретической модели и экспериментальных данных о физической сущности процессов, происходящих в бетоне. Тенденция построения при анализе экспериментальных данных физической модели (вместо абстрактной математической), в которой бы при определенных допущениях и условностях были бы отражены истинное строение материала и особенности его поведения под нагрузкой, вполне обоснована. Изучая поведение некоторого элементарного твердого тела, моделирующего реальную структуру материала и его характерные физические особенности при деформировании, устанавливают соотношения между напряжениями и деформациями. В последнее время для бетона создан ряд таких моделей, однако, можно выделить общий недостаток, не позволяющий применить их непосредственно без существенных изменений: классические гипотезы прочности не могут корректно характеризовать работу материала, не учитывая активных физико-химических процессов в структуре бетона при его деформировании. Причиной изменения физико-механических свойств бетона под влиянием силовых воздействий и среды являются определенные структурные изменения, которые происходят в бетоне при нагружении. В связи с тем, что в настоящее время при производстве бетонных и железобетонных конструкций используются различные бетоны, особое значение приобретает изучение взаимосвязи структуры бетона с показателями его прочностных и деформативных свойств.

В последние годы вопросы, связанные с исследованием напряженно-деформированного состояния при трещинообразовании наиболее полно изучены в механике разрушения. Однако до настоящего времени практически отсутствуют исследования влияния микротрещин на поры и капилляры в структуре бетона и вследствие этого интенсификации массопереноса и адсорбционных явлений. Многие связанные с этим эффекты нуждаются в выяснении их физической сути. Так, например, не выяснена природа эффекта нового градиента массопереноса — потенциала новых поверхностей при образовании трещин. В детальном анализе и проработке нуждаются вопросы, связанные с нормированием новых констант бетона, характеризующих его свойства и структуру. Противоречивым является вопрос о работе бетона при нагрузках, зависящих от времени.

Одной из проблемных задач до настоящего времени продолжает оставаться вопрос о динамической прочности бетона. И, хотя, в решении этой проблемы достигнут заметный прогресс, все же многие важные теоретические вопросы остаются неизученными. В подавляющем большинстве экспериментальных исследований железобетонных элементов ставились задачи получения количественных данных об их сопротивлении и не затрагивались вопросы о физической природе происходящих при этом явлений. До настоящего времени практически отсутствует достаточно общая методика определения жесткост-ных характеристик железобетонных элементов с трещинами в условиях взаимодействия с внутренней влагой, что заметно сказывается на оценке деформа-тивности. Объединение усилий специалистов в области физико-химической механики, химии цемента и бетона, материаловедов и технологов позволило в значительной степени прояснить структуру и обусловливаемые ею свойства бетона. Вместе с тем проектировщики не могут пока использовать эту информацию из-за отсутствия приемлемых физико-механических моделей, отражающих упомянутые выше достижения.

Говоря об идеальной модели, воспроизводящей деформирование и разрушение материала и адекватно отражающий физическую сущность этих процессов, необходимо четко сформулировать предъявляемые к ней требования. Очевидно, такая модель должна, во-первых, достаточно правдоподобно воспроизводить реальную структуру материала, а, во-вторых, с необходимой точностью описать поведение материала на разных стадиях нагружения.

Наряду с моделями, описывающими поведение бетонов, огромное значение имеет моделирование массопереноса в теле капиллярно-пористого материала и влияние жидко-газовой фазы, поскольку эти характеристики микрои макроструктуры существенно изменяют напряженно-деформированные состояния бетонов, определяющие его несущую способность и трещиностойкость.

Используемые в настоящее время модели, воспроизводящие работу бетона в условиях сжатия, можно разделить на феноменологические и структурные. Феноменологические модели являются наиболее широко используемыми, поскольку позволяют быстро обобщить результаты экспериментов и представить их в удобной для практических нужд форме.

Однако, их основным существенным недостатком является то, что они не дают представления о механизме деформирования и разрушения исследуемых материалов, а параметры, входящие в уравнение предельного состояния, не имеют ясного физического смысла. Структурные теории лишены указанных выше недостатков и позволяют отразить физическую сущность процесса деформирования бетонов. Вместе с тем сложность применяемого при этом математического аппарата не дает возможности их использования для решения практических задач и требует дальнейшего их совершенствования.

Для обеспечения выполнения указанной задачи необходимо всестороннее изучение работы железобетонных конструкций на всех стадиях их изготовления и эксплуатации с учетом реальных свойств материалов и длительности загружения изделий. Без учета этих свойств невозможен надежный и экономический расчет конструкций, необходимый в связи с устранением излишних коэффициентов запаса по действующим и подготавливаемым новым нормам их проектирования.

Таким образом, очевидна актуальность проблемы создания усовершенствованных моделей прочностных и деформативных свойств бетона на основе получения их обобщенных зависимостей от структуры, что способствует теоретическому углублению представлений о закономерностях деформирования и разрушения.

Решение этой проблемы может рассматриваться как новое крупное достижение в развитие теории и методов расчета железобетонных конструкций.

Цель работы: Развитие теории и совершенствование методов расчета железобетонных конструкций путем создания новых структурных моделей на основе анализа и обобщения экспериментов, синтеза гипотез физико-химической механики и механики твердого деформируемого тела с положениями структурной теории бетона, наиболее полно отражающих действительное напряженно-деформированное состояние материала. Цель работы заключается также в совершенствовании методики определения жесткостных характеристик железобетонных элементов во всем диапазоне загружения.

Для достижения указанных целей решены следующие задачи:

1. Выполнен анализ используемых в настоящее время моделей деформирования и разрушения бетонов в условиях сжатия, на основе которого показано, что наиболее предпочтительными являются структурные модели, позволяющие с единых позиций отразить механизм деформирования и разрушения.

2. Разработаны и апробированы линейная и нелинейная модели, воспроизводящие деформирование бетонов в условиях различных напряженных состояний.

3. Разработаны методики использования структурно-реологических моделей по совершенствованию расчета железобетонных конструкций на различные виды нагружения.

4. Изучено влияние факторов «состав-структура-свойство» на прочностные и деформативные свойства бетона.

5. Предложены структурно-реологические модели деформирования бетона, адекватно отражающие его работу при кратковременных, длительных, нелинейно-повторных, динамических нагружениях.

6. Обоснован структурный критерий, однозначно определяющий механические свойства бетона.

7. Установлена зависимость структурно-реологического параметра вязкости, определяющая меру ползучести бетона.

8. Установлены жесткостные параметры цементной матрицы с трещинами и без трещин.

9. Показано влияние параметра вязкости на жесткость изгибаемых, центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов.

— 1010. Предложен способ определения внутренних усилий в изгибаемых пластинах в условиях трещинообразования при длительном действии нагрузки.

11. Даны предложения по совершенствованию структурно-реологической модели деформирования бетона при сжатии, отражающие его структурные изменения.

12. Обоснована необходимость разработки способа назначения составов бетона с заданной вязкостью. Показано, что разработка такого способа возможна на основе зависимостей вязкости бетонов от характеристик их макрои микроструктуры.

13. Разработана методика расчета и приведены результаты численных исследований с использованием моделей, а также результаты их сопоставительного анализа с опытными данными и существующими методиками расчета.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

— установлены структурные факторы, влияющие на прочностные, де-формативные свойства бетона и проведены сопоставления с экспериментальными данными;

— предложена слоистая модель деформирования микроструктуры цементного камня с пластинами тоберморита и молекулами воды между ними;

— установлен структурно-реологический параметр бетонов, основывающийся на соотношении в бетоне объемов структурных элементов, препятствующих и способствующих развитию ползучести;

— выявлена роль микрошероховатостей структуры материала на величину внутреннего трения;

— выявлены изменения вязкости внутренней влаги в порах и капиллярах при знакопеременной циклической нагрузке;

— получена уточненная формула течения влаги в образованных микротрещинах, пересекаемые поры и капилляры под различными углами;

— выявлено влияние повышения вязкости граничных слоев воды на процессы трещинообразования и смыкания берегов трещин;

— исследовано влияние пересечения трещинами пор и капилляров цементного камня с последующей адсорбцией внутренней влаги;

— выявлены потенциалы массопереноса при трещинообразовании потенциалы новых поверхностей, интенсифицирующие адсорбцию влаги;

— предложена оригинальная методология и структура построения моделей деформирования бетона;

— получены новые формулы для определения вязкостных параметров бетона, зависящих от уровня напряжения;

— разработана новая эффективная методика расчета жесткостей изгибаемых, центрально и внецентренно сжатых элементов;

— на новой основе получены решения задачи одномассовых моделей при установившихся колебаниях с учетом сухого и вязкого трений;

— предложен способ определения внутренних усилий для изгибаемых железобетонных плит с разными контурными условиями при различных загру-жениях.

Основные положения, выносимые на защиту:

— обоснование научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение на основе создания общих моделей бетона с единых позиций, отражающих характер деформирования;

— слоистая модель микроструктуры цементного камня;

— структурный критерий, определяющий прочностные и деформатив-ные свойства бетонов;

— структурно-реологический параметр вязкости;

— обоснование назначения составов бетона с заданной вязкостью на основе зависимостей от характеристик их макрои микроструктуры;

— влияние эффекта пересечения трещинами пор и капилляров цементного камня на фильтрацию внутренней влаги;

— совершенствование структурно-реологической модели деформирования бетона при сжатии;

— новые формулы для определения вязкостных параметров бетона;

— методика расчета железобетонных элементов и результаты численных исследований с использованием предложенных моделей;

— разработана методика определения внутренних усилий изгибаемых железобетонных плит с различными краевыми условиями при любых уровнях загружения.

Обоснованность и достоверность разработанных научных положений, выводов и заключения, сформулированных в диссертации обеспечивается:

— построением моделей деформирования на основе современной струки /¦" ^ 1 и турнои теории бетона, закономерностей физико-химическои механики и механики твердого деформируемого тела;

— сравнительным анализом результатов с использованием разработанных структурно-реологических моделей деформирования и удовлетворительным совпадением с данными экспериментов и расчетов по существующим методикам, получивших наибольшее распространение в практике проектирования;

— расчетные зависимости получены в результате строгих и точных математических решений задач в соответствии с принятыми предпосылками и моделями;

— эффективностью предложенных расчетных зависимостей, использованных при проектировании железобетонных конструкций зданий и сооружений и их эксплуатационной пригодностью.

Практическое значение и внедрение результатов.

Совершенствование методов расчета железобетонных элементов на основе разработанных структурно-реологических моделей деформирования бетона за счет полного учета параметров и особенностей деформирования бетона позволяют получить в одних случаях более достоверные и методически правильные (по сравнению с существующими расчетными предложениями) решения, в других — выявить резервы для эффективного использования материалов. Это подтверждается результатами оценки методики расчета прочности, жесткости и трещиностойкости железобетонных элементов на основе обработки данных различных исследователей.

Относительная несложность математического аппарата структурно-реологической модели предельно упрощает получаемые решения, которые можно контролировать в процессе расчета.

Практическую ценность представляют также отдельные разделы диссертации, в которых, в частности:

— 13- разработана модель упруго-пластического деформирования бетонов. Учет возможной нелинейности деформирования бетонов, выполняемой на базе разработанной в диссертации структурной модели деформирования бетонов в условиях сжатия существенно расширяет рамки использования методики расчета при оценке работы системы;

— модифицирован контактный элемент, позволяющий учесть шероховатость стенок трещин на напряженно-деформированное состояние бетона при сдвиге, тем самым дающий возможность выявить дополнительные резервы работоспособности элемента и разработать пути уточнения его сдвиговой прочности.

Результаты проведенных исследований включены в инструктивно-нормативный документ «Основные положения рекомендаций по проектированию железобетонных конструкций, подверженных аварийным ударным воздействиям», предназначенные для конструкторских организаций. Результаты работы внедрены в учебный процесс МГСУ. Результаты исследований применены при разработке методики расчетов эффективных вариантов восстановления и усилений поврежденных от землетрясения зданий в Армении, выполненных по заданию Армянского НИИ сейсмостойкого строительства.

Апробация работы. Основные этапы работы докладывались на научном семинаре кафедры «Железобетонных и каменных конструкций» МГСУ (г.Москва, 1997 г.) — на научно-технической конференции НИИЖБ, посвященной 100 летию A.A. Гвоздева (г.Москва, 1997 г.) — на Международной конференции «Промыш-ленность стройматериалов и стройиндустрия, энергои ресурсосбережение в условиях рыночных отношений» (г.Белгород, 1997 г.) — на конференции молодых специалистов в области бетона и железобетона НИИЖБ (г. Москва, 1998 г.) — на научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов МГСУ «Окружающая среда. Развитие — строительство — образование» (г.Москва, 1998 г.).

В полном объеме диссертационная работа докладывалась на научном семинаре кафедры «Железобетонных и каменных конструкций» Московского государственного строительного университета (г.Москва, 1998 г.).

Работа выполнена в соответствии с программой «Строительство» Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 23 работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов и списка литературы. Общий объем работы 395 страницы и содержит 350 страниц машинописного текста, 140 рисунков, 28 таблиц, библиографию из 367 наименований.

ОСНОВНЫЕ выводы.

На основании анализа накопленных экспериментальных данных и теоретических исследований структуры бетона предложены структурно-реологические модели деформирования бетона, отражающие происходящие в них процессы и обеспечивающие высокую точность выполняемых расчетов железобетонных конструкций. В рамках этих исследований получены следующие наиболее важные результаты:

1. Выполнен анализ используемых в настоящее время моделей деформирования и разрушения бетонов в условиях сжатия, на основе которого показано, что наиболее предпочтительными являются структурные модели, позволяющие с единых позиций отразить механизм деформирования и разрушения.

2. Разработан механизм локального деформирования и разрушения микроструктуры цементного камня. Вода, находящаяся в межслоевом пространстве изменяет свое агрегатное состояние. Изучение всех особенностей взаимодействия твердой и жидкой фазы на данных уровнях, рассмотрение вопросов раскрытия трещин позволяет иметь более совершенные модели материала, которые могут быть применены в расчетах конструкций.

3. Сформулирована и подтверждена рабочая гипотеза о связи прочностных и деформативных свойств бетона с его строением. Показано, что на прочность бетона оказывает влияние форма и характер распределения пор. Предложенная гипотеза нашла математическую реализацию в виде структурного критерия, однозначно определяющего прочностные и деформативные свойства различных видов бетона.

Теоретические положения о формировании структуры бетона, как капиллярно-пористого материала с иерархическим строением создает новые возможности в теории деформирования бетона, так как позволяют осуществить единый подход при анализе структуры и свойств различных видов бетона и разработать общие принципы для определения зависимостей «структура-свойство-модель» .

— 3674. Обоснована необходимость разработки способа назначения состава бетона с заданной вязкостью. Показано, что разработка такого способа возможна на основе зависимостей вязкости бетонов от характеристик их макрои микроструктуры. Установлен структурно-реологический параметр вязкости бетонов, который определяется соотношением в бетоне объемов структурных элементов, препятствующих и способствующих развитию ползучести.

5. Раскрыто взаимодействие процессов структурообразования и трещи-нообразования, каждый из которых характеризуется своей элементарной работой, степенью завершенности, скоростью. Это привело к выводу феноменологических уравнений скоростей трещинообразования и стуктурообразования и установлению перекрестного эффекта взаимодействий этих процессов при деформировании бетонов.

6. Показана роль геометрической и электростатической неоднородно-стей микроструктуры цементного камня на величину внутреннего трения, характеризующую его вязкость. Выявлены дополнительные резервы трещино-стойкости системы при изменении знака структурной составляющей расклинивающего давления. В случае образования микротрещин в контактной зоне появляется отрицательная составляющая расклинивающего давления жидкой прослойки и электростатическое притяжение взаимодействующих тел, что позволяет, при определенных режимах загружения, закрытию подобных микротрещин.

7. Установлено, что в результате пересечения трещинами пор и капилляров нарушается равновесие системы «твердая фаза-жидко-газовая фаза», что приводит к изменению течения влаги и коэффициента фильтрации. В результате трещинообразования выявлен новый градиент массопереноса — потенциал новых поверхностей, интенсифицирующий адсорбцию влаги и приводящий к ее перераспределению в материале, вследствие чего изменяется напряженно-деформированное состояние бетонного элемента.

8. Показано влияние структурных изменений граничных слоев воды в бетоне на процесс трещинообразования и смыкания берегов трещин. Использование эффекта повышенной вязкости воды может привести к «самозалечиванию» образованных дефектов при раскрытии трещин. Поэтому для повышения трещиностойкости бетона необходимо в данном случае повысить лиофильность поверхностей с использованием различных добавок, ПАВ.

9. Разработана усовершенствованная структурно-реологическая модель деформирования бетона, адекватно отражающая его структурные изменения во всем диапазоне нагружения, зависящая от характера и времени действия нагрузки. Для модели приняты и определены следующие параметры: жесткость цементной матрицы с трещинами и без трещин для различных классов бетонов, модуль упругости бетона и вязкостный параметр, характеризующий жидко-газовую фазу в цементном камне. Оценена роль каждого параметра. Вязкостный параметр модели является переменной величиной, зависящий от ряда факторов. Предложена его математическая зависимость от уровня напряжений.

10. Разработана модель нелинейно-деформирующегося упруго-вязкого тела при длительном действии нагрузки. Установлено, что длительная прочность такого нелинейно-деформирующегося тела в значительно меньшей мере зависит от величины нелинейности, чем деформации. Модель позволяет прогнозировать преждевременное разрушение бетона при уровнях напряжения а, >0,75^.

11. Разработана модель для описания поведения бетона при динамическом и циклическом нагружении. Общее сопротивление системы определяется сопротивлением упругого (кристаллического сростка) и вязкого (геля) элементов. Динамическое упрочнение бетона зависит как от скорости нагружения, так и от состояния вязкости жидкой фазы в бетоне.

Выявлено, что при циклической знакопеременной нагрузке происходит саморазогрев жидкой фазы и вязкость системы понижается, в результате чего происходит хрупкое разрушение структуры.

12. Решены задачи об установившихся колебаниях одномассовых систем при совместном учете сухого и вязкого трений для структурной модели, с различными сочетаниями упругих, вязких элементов и элемента сухого трения.

Рассеяние энергии при колебаниях на основе предложенного способа учета внутреннего трения в материале, приводит к нелинейным зависимостям коэффициента внутреннего трения от амплитуды колебаний.

13. Составлена методика расчета элементов железобетонных конструкций на основе разработанных рабочих моделей деформирования бетона.

Относительная несложность математического аппарата позволяет с достаточной точностью определить напряженно-деформированное состояние элементов железобетонных конструкций для различных видов загружения. Влияние структуры бетона на прочностные и деформативные характеристики элементов железобетонных конструкций осуществляется при помощи вязкостного параметра и жесткостных характеристик модели.

Выявлена достаточная чувствительность вязкостного параметра к уровню и виду нагружения, длительности действия нагрузки.

14. Выявлено возрастание дополнительных напряжений в бетоне и арматуре, возникающих из-за ползучести бетона при длительном действии эксплуатационной нагрузки, вследствие уменьшения параметра вязкости. Для ограничения ползучести в сжатой зоне бетона следует задаваться соответствующим значением структурно-реологического параметра вязкости Пвяз.

15. Получены новые формулы определения высоты сжатой зоны сечения, жесткостей, прогибов изгибаемых центральнои внецентренно сжатых железобетонных элементов с помощью структурной функции влияния. Методика позволяет с высокой степенью точности определить напряжения в бетоне и арматуре с учетом линейной и нелинейной ползучести бетона в любой момент времени. Погрешность сравнения прогибов с экспериментальными данными не превышает 5%, а напряжений в материале — 7%.

16. Разработана методика расчета прямоугольных железобетонных плит, работающих в условиях поперечного изгиба. Способ определения внутренних усилий на основе использования рабочей модели позволяет рассчитывать пластины при разных комбинациях краевых условий (жесткое защемление, шарнирное опирание, свободный край) при произвольном характере и расположении нагрузки.