CC BY
51
УДК 666.9
А. Л. Кришан, М. Ш. Гареев, Ф. И. Мухаметова, Ю. А. Сигина
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НДС СЖАТЫХ ТРУБОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ОБЖАТЫМ ЯДРОМ
Трубобетонные конструкции по достоинству оценены и широко используются в основном в качестве сильно нагруженных колонн высотных многоэтажных зданий, а также в качестве опор многопролетных мостов, во многих странах мира, прежде всего в Японии, США, Китае и ряде стран Европы [1]. Этому способствует целый ряд положительных качеств, которыми обладают данные конструкции. Их внешняя стальная оболочка , одновременно выступая в роли продоль-ного и поперечного армирования, воспринимает возникающие в ней усилия по всем направлениям . Кроме того, реактивное боковое давление, действующее со стороны стальной оболочки на бетонное ядро, создает для него благоприятные условия работы - объемное сжатие. В результате прочность бетона при сжатии возрастает примерно на 50-80%.
Исключительно важным при этом является тог факт, что даже для сверхвысокопрочных бетонов (в наших опытах имеющих среднюю прочность до 140 МПа) характер разрушения сжатых трубобе -тонных элементов всегда остается пластичным. При этом само бетонное ядро существенно увеличивает устойчивость стенок стальшй трубы.
За ненадобностью опалубочного оборудова-ния процесс изготовления таких конструкций значительно облегчается и становится выгоднее как по трудозатратам, так и по стоимости.
Более того, трубобетонные конструкции можно изготавливать непосредственно на строительной! площадке в проектном положении, экономя на транспортных расходах и монтажных работах.
Огнестойкость трубобетонных элементов зна-чительш выше, чем у металлических конструкций. При достаточно больших размерах попереч -ных сечений их огнестойкость, даже без использования огнезащитных покрытий, приближается к огнестойкости железобетонных конструкций.
Широкому внедрению данных конструкций в нашей стране препятствуют две основные причины. Первая — отсутствие в отечественных нормах проектирования предложений по методике расче -та их прочности Вторая заключается в имеющихся конструктивных недостатках у «классического» трубобетона. Специалистам хорошо известно, что из-за разницы в коэффициентах Пуассона бетона и стали при эксплуатационных нагрузках внут-
реннее бетонное ядро и стальная обойма работают неэффективно - обойма стремится оторваться от бетона ядра. Фактором, усугубляющим этот процесс, может стать усадка бетона.
В Магнитогорском государственном техниче -ском университете, начиная с 80-х годов прошлого столетия, выполняются исследования, направленные на усовершенствование трубобетонных элементов . Основной особенностью их изготовления является применение длительного прессования бетонной смеси давлением порядка 2...4 МПа. Благодаря этому обеспечивается предварительное растяжение стальшй оболочки и обжатие бетонного ядра. По результатам работ, выполненных в Самаре под руководством Мурашкина Г.В., а также в нашем университете под руководством Матвеева В.Г., известно, что бетон, твердеющий под таким давлением, имеет на 50.60% более высокую прочность, а также существенно меньшие величины деформаций усадки и ползучести.
Длительное прессование бетонной смеси в трубобетонных элементах производилось одним из двух методов:
• с помощью пустотообразователя специальной конструкции (рис. 1, а);
• путем последовательного вдавливания в эту смесь вдоль направляющего стержня, расположенного коаксиально внешней обойме, стальных трубочек, имеющих постепенно увеличивающиеся диаметры (рис. 1, б).
Для экспериментальной проверки влияния предварительного бокового обжатия на несущую способность элементов предложенной конструкции были проведены испытания лабораторных образцов, работающих на внеценгренное сжатие в диапазоне эксцентриситетов продольной силы от случайных до равных ядру сечения.
С целью оценки эффекта предварительного бокового обжатия ядра одновременно испытывались аналогичные образцы из обычного (не обжатого) бетона того же состава.
Опытные образцы изготавливали как цилиндрической формы с наружным диаметром сечения 106, 159, 219 мм, так и призматической формы сквадратным поперечным сечением 100x100 мм. Высота трубобетонных элементов изменялась в диапазоне от 600 до 1200 мм.
Конечной
трубка
стержень
б
Рис. 1. Методы создания длительного прессования бетонной смеси
Испытывались образцы кратковременной сжимающей нагрузкой по стандартной методике . При испытаниях передача нагрузки осуществлялась на бетон и стальную обойму одновременно. Общее количество образцов, испытанных до сегодняшнего дня, составляет 108 шг.
Результаты проведенных экспериментов свидетельствуют о том, что образцы с предварительно обжатым ядром работают на осевое сжатие и сжатие с малыми эксцентриситетами гораздо эффективнее образцов из обычного бетона. Практически для всех предварительно напряженных образцов наблюдалось значительное повышение предела упругой работы и трещиностойкости об -жатого бетона. Для центрально-сжатых цилиндрических элементов это повышение составило 30...48%. Несущая способность этих элементов возросла в меньшей степени - на 18...22%. С увеличением эксцентриситета приложения сжимающей нагрузки эффективность трубобетонных конструкций, естественно, снижается. Однако при относительных эксцентриситетах, равных 0,065 и
0,13, она остается достаточно высокой (рис. 2).
Обработка экспериментальных данных показывает, что рост прочности бетона в данных элементах составил 2...2,8 раза по сравнению с прочностью исходного бетона. Причем этот рост обусловлен как длительным прессованием бетонной смеси (в 1,5.1,7 раза), так и созданием условий
для объемного сжатия бетона (в 1,3.. .1,6 раза).
Построенные по резуль-татам экспериментов зависимости относительных деформаций бетона и стальной обоймы экспериментальных трубобетонных элементов от нагрузки для образцов всех серий имели, в принципе, схожий характер. На зависимостях хорошо просматриваются характерные для подобных конструкций линейные участки зависимости «Ns», продолжающиеся до относительно высоких уровней нагружения. При этом для обжатых элементов величина нагрузки, соответствующая окончанию их упругой работы, была всегда больше по сравнению с аналогичными необжатыми. При дальнейшем повышении нагрузки рассматриваемая зависимость практически всегда достаточно резко откланялась от прямой линии. Предельная деформативность испытываемых элементов была, как правило, существенно выше, чем у обычных железобетонных элементов.
Характер разрушения образцов с предварительно обжатым ядром в целом соответствовал данным проведенных ранее исследований трубобетонных элементов:
- для элементов, имеющих относительно толстую стенку (8/d > 0,03), разрушение сопровождалось образованием гофров по периметру обоймы и раздроблением бетона в прилегающей зоне;
- для тонкостенных элементов из бетонов повышенной прочности наблюдалось разруше-ние бетонного ядра от сдвига верхней части по отношению к нижней под углом 45-60°. Стальная обойма при этом практически по всей поверхности загружаемых образцов находилась в стадии текучести и повторяла деформации ядра;
- разрушение призматических образцов происходило всегда в результате образования гофров на поверхности всех четырех граней вблизи торца.
Эксперименты показали, что до нагрузок N=(0,5.0,7) Nu бетонное ядро и оболочка работа -
ли совместно, а затем, по мере увеличения нагрузки, в поперечном сечении происходило местное выпучивание стенок стальной обоймы, которое приводило к образованию гофров. Максимальный прогиб стенок совпадал с главными осями испы-тываемых образцов прямоугольного сечения, а минимальный - с его углами.
Исходя из такой деформированной схемы, можно сделать вывод о том, что использованная стальная обойма из гнутосварного профиля, вслед -ствие относительно малой изгибной жесткости стенок, была не способна оказывать равномерное обжатие бетонного ядра по его периметру. И, как следствие, эффективность таких элементов оказалась ниже, чем у образцов кольцевого сечения.
Проведенные опыты подтвердили известный факт того, что короткий ценгрально-сжатый трубобетонный элемент с достаточно толстой
вп/а
Рис. 2. Зависимость коэффициента эффективности трубобетона от относительного эксцентриситета приложения нагрузки
обоймой практически очень сложно разрушить в полном смысле этого слова. Здесь мы имеем дело со статически неопределимой системой Поэтому хотя и сталь, и бетон вследствие неоднородного напряженного состояния в локальных зонах начинают претерпевать значительные деформации на относительно ранних ступенях за-гружения, за счет перераспределения усилий между ними они еще долго могут воспринимать возрастающую нагрузку.
Например, максимально зафиксированная в экспериментах нагрузка для образца, имеющего в качестве внешней обоймы стальную трубу диаметром 219 мм и толщиной стенки 6 мм, составила 4000 кН. При этом в стальной обойме напряже-ния достигли предела текучести при нагрузке 2200 кН. Наибольшие деформации укорочения при полной потере несущей способности достига-ли 10% от первоначальной длины испытываемого элемента. По данным работ других исследователей эти деформации могут достигать 15% и более.
Предлагаемая нами методика является общей для расчета прочности обжатых и необжатых сталетрубобетонных конструкций. Она базируется на рассмотрении трансверсально-изотропных моде -лей бетона и стали, в которых используются основные положения ортотропной модели железобетона Н.И. Карпенко.
Для такой расчетной модели трубобетонного элемента, содержащего внутренний стальной сердечник, можно записать восемь уравнений, связывающих напряжения с деформациями (для элементов без внутреннего сердечника их будет только пять):
- для бетона
|£ь„ 1
1 ~Цуг ~Цуг
-муг 1 -цгг _
- для внешней стальной оболочки
'Ъу
(1)
V Е
1 -я
я 1 -я х ■ 9
я 1 о V )
; (2)
для внутреннего стального сердечника
V Е
1 -я ^5_у
Я 1 -я х ■ 9 і
Я 1 & V )
(3)
В этих зависимостях напряжения и деформа -ции бетона и стали в осевом направлении со -держат ивдекс у, в радиальном направлении -
в п/а
ивдекс г, а в тангенциальном направлении - индекс г. Буквами Е, V и ц обозначены соответственно начальные модули деформации, коэффициенты изменения секущего модуля деформации и коэффициенты Пуассона для бетона и стали (для внешней оболочки и внутреннего сердечника можно с небольшой погрешностью принимать Е!, и ^ одинаковыми).
Исходной базой для построения предлагаемой модели расчета являются диаграммы деформирования бетона и стали. Связь между напряжениями и деформациями объемно-напряженного бетона принимаем согласно предложениям Н.И.Карпенко.
Для стальшй оболочки используется известная гипотеза единой кривой, предложенная А. А.Ильюшиным [2]. Согласно этой гипотезе за -висимость между напряжениями и деформациями «и—е.!», полученную при одноосном растяжении, можно считать действительной для всех напря-же иных состояний при замене текущих напряже -ний о! и текущих деформаций на интенсивность текущих напряжений и интенсивность текущих деформаций соответственно.
Для аналитического описания диаграммы деформирования «а!—Бь» сталей, имеющих и не имеющих площадки текучести, можно воспользоваться зависимостями, предложенными Н.И. Карпенко, Т.А. Мухамедиевым и А.Н. Петровым [3] для случая одноосного растяжения.
Число неизвестных в системах уравнений (1), (2) и (3), с учетом связей между трансверсаль-ными напряжениями в оболочке, стальном сердечнике и ядре, сводится к двенадцати Это осевые и радиальные напряжения, а также деформации по соответствующим направлениям в бе -тоне и стали Исгользуя уравнение совместности деформаций бетона, внешней стальной оболочки и внутреннего сердечника в осевом направлении, связь между радиальными деформациями ядра с тангенциальными деформациями внешней оболочки и внутреннего сердечника, а также уравнение равновесия проекций внешних сил и внутренних усилий на продольную ось элемента, можно вычислить все составляющие его напряженно-деформированного состояния.
Таким образом, получены все основные уравнения для теоретической оценки НДС сталетрубобетонных элементов при тех уровнях нагруже -ния, на которых еще сохраняется совместная работа бетонного ядра и стальной оболочки.
Положив в основу предложенные положения данной методики, авторами статьи составлен и реализован на ЭВМ алгоритм расчета прочности сталетрубобетонных элементов, работающих на внецгнгренное сжатие в области малых эксцентриситетов. Расхождение результатов теоретических расчетов с опытными данными не превы-шает 11%.
Библиографический список
1. Трубобетонные колонны высотных зданий из высокопрочного бетона в США // Бетон и железобетон. 1992. № 1. С. 29-30.
2. Ильюшин А.А. Пластичность. М.; Л.: Гостехиздат, 1984. 372 с.
3. КарпенкоН.И., МухамедиевТА., ПетровА.Н. Исходныеитрансформированныедиаграммыдеформированиябетонаиарма-туры // Напряженно-деформированное состояние бетонных и железобетонных конструкций. М .:НИИЖБ, 1986. С. 7-25.
УДК 628.1
П. В. Маврина, Т. В. Патрикеева, Е. В. Тарасова, А. В. Югатова, С.А. Голяк
МЕТОДОЛОГИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ВОДООТВЕДЕНИЯ
Целью разработки и использования методов научных исследований в области водоснабжения и водоотведения является оптимизация систем водоснабжения и водоотведения (ВиВ) городов и промышленных центров.
Вопросы выбора оптимальных направлений развития систем водоснабжения и водоотведения городов явились предметом широких иссле -дований ряда авторов. К числу вопросов, которые исследуются, относятся: разработки методов оптимизации развития сетей водоснабжения и
водоотведения; методические основы выбора оптимальных параметров сетей ВиВ, определение влияния их на выбор оптимальных решений по системам централизованного ВиВ.
Для этих целей могут быть эффективно ис -пользованы методы математического моделирования, основанные на применении современных ЭВМ. Одно из главных преимуществ, которые свойственны математическим моделям, заключается в возможности многократного их исполь-зования при изменении исходных условий.
