Пути усовершенствования сталетрубобетонных колонн Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

http://vestnik-nauki.ru/

УДК 624.012.3

ПУТИ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СТАЛЕТРУБОБЕТОННЫХ КОЛОНН

А.Л. Кришан, Е.А. Трошкина

WAYS OF IMPROVEMENT OF CONCRETE FILLED STEEL TUBE COLUMNS

A.L. Krishan, E.A. Troshkina

Аннотация. В статье перечислены положительные качества и изложены перспективы практического применения сталетрубобетонных колонн. Отмечается, что одной из основных проблем, сдерживающая более широкое применение этих конструкций, является сложность обеспечения совместной работы бетонного ядра и стальной оболочки при их длительной эксплуатации или циклическом нагружении. Для решения этой проблемы предлагается изготавливать трубобетонные конструкции с предварительно обжатым в поперечном направлении бетоном. Даны краткие сведения по применяемым на практике способам предварительного обжатия и рекомендации по назначению оптимального давления обжатия.

Ключевые слова: трубобетонные колонны; бетонное ядро; стальная оболочка; предварительное обжатие; длительное прессование; напрягающий бетон.

Abstract. The advantages of concrete filled steel tube columns and the prospects of their practical application are stated in the article. It is noted that one of the main problem, which constrains the more wide use of these structures, is the difficulty of ensuring of the joint work of concrete core and steel holder at their long-term operation or cyclic loading. To solve this problem, it is offered to manufacture concrete filled steel tube structures with transversely precompressed concrete. Brief information on practically applied ways of preliminary compression and recommendations on assigning of optimal compression pressure are given.

Keywords: concrete filled steel tube columns; concrete core; steel holder; preliminary compression; long pressing; self-stressing concrete.

Введение

Объемы применения в строительстве сталетрубобетонных колонн (СТБК) с каждым годом возрастают благодаря их многочисленным достоинствам. Основные из них - более высокие несущая способность, жесткость и живучесть по сравнению с традиционно используемыми стальными или железобетонными конструкциями. Весьма важны и технологические преимущества, такие как ненадобность опалубки, минимальные объемы арматурных работ, высокая скорость возведения каркасов и др. Достоинства СТБК достаточно подробно изложены в работе [1].

Высокая эффективность использования трубобетонных колонн в качестве вертикальных несущих конструкций высотных зданий доказана практикой [2,3]. В последние годы японские строители показали экономическую целесообразность применения сжатых трубобетонных элементов в многоэтажных каркасных зданиях с укрупненной сеткой колонн [4]. Известны примеры удачного использования сталетрубобетонных опор мостов. При строительстве Керченского перехода сжатые сталетрубобетонные элементы применяются в верхних частях свай [5]. Благодаря повышенной живучести, эти конструкции начинают очень широко использоваться при возведении различных объектов в сейсмически активных зонах.

Обеспечение совместной работы бетона и стальной оболочки

Более широкое практическое применение СТБК сдерживает то обстоятельство, что используемая в настоящее время технология их изготовления не может гарантировать

http://vestnik-nauki.ru/

2016, Том. 2, №4

совместной работы бетонного ядра и внешней оболочки. Из-за различий в коэффициентах Пуассона при относительно небольших уровнях загружения (в квазиупругой стадии работы) может нарушаться сцепление между бетоном и сталью.

Для коротких сжатых элементов, работающих в условиях статического загружения, данное обстоятельство практически не влияет на несущую способность и может не учитываться при проектировании. При повышении уровня напряжений в бетонном ядре таких элементов начинается процесс микротрещинообразования, что приводит к интенсивному росту коэффициента поперечных деформаций бетона. В результате в бетонном ядре возникает боковое давление, которое за счет сил трения обеспечивает совместную работу бетона и стальной трубы-оболочки даже при отсутствии сцепления между ними.

Однако в ряде случаев наблюдается другая картина напряженно-деформированного состояния СТБК. Она может возникнуть, например, при загружении сжатых элементов большой гибкости. При высоких (по отношению к несущей способности) уровнях загружения в бетонном ядре здесь могут фиксироваться относительно небольшие осевые сжимающие напряжения. В таком случае бетон будет работать в квазиупругой стадии. В результате совместного деформирования со стальной оболочкой в поперечном направлении бетонного ядра возникнут растягивающие напряжения. Это может привести к отрыву бетона от стальной трубы и резкому снижению несущей способности СТБК.

В работах американского ученого М. Гебмана [6] показано, что подобная ситуация возникает в трубобетонных элементах и при действии циклических нагрузок. По данным исследований К. Вирди и др. [7], К. Родера и др. [8], Л. Ичиноса и др. [9] сцепление между бетонным ядром и стальной оболочкой существенно снижается при длительных нагружениях.

Для обеспечения гарантированной совместной работы бетонного ядра со стальной оболочкой при любых режимах и условиях загружения СТБК предлагается изготавливать их с предварительно обжатым в поперечном направлении бетонным ядром. Предварительное обжатие достаточного уровня обеспечит благоприятные условия для совместной работы бетонного ядра со стальной оболочкой при любых уровнях загружения, в том числе при действии длительных или циклических нагрузок.

Боковое обжатие бетонного ядра обеспечивается за счет создания во внешней стальной оболочке предварительных растягивающих напряжений. В наших исследованиях предварительное обжатие осуществлялось одним из двух способов:

- посредством длительного прессования бетонной смеси при их изготовлении;

- за счет применения напрягающего бетона.

Принципиальные схемы способов создания предварительного обжатия бетонного ядра СТБК представлены на рис. 1. На первый взгляд представляется более предпочтительным применение напрягающего бетона. Данный способ технологически проще. Марка используемого бетона по самонапряжению определяется расчетом и, как правило, составляет от Бр1,2 до БрЭ. Однако при больших объемах применения СТБК этот способ обычно имеет худшие экономические показатели. Например, в России для получения напрягающего бетона рекомендуется использовать модификатор Эмбэлит, обладающий полифункциональным действием и применяемый в качестве комплексной добавки. Эмбэлит достаточно дорогой материал - 20000 руб/т. При его применении удорожание 1 м3 бетона составляет порядка 2000 руб, что заметно увеличивает конечную стоимость колонн.

Использование специального оборудования при изготовлении большого количества колонн вторым способом в меньшей степени скажется на увеличении их стоимости.

На практике рекомендуется использовать один из двух методов длительного прессования: с помощью пустотообразователя специальной конструкции; путем последовательного вдавливания в бетонную смесь стальных труб с разными диаметрами.

http://vestnik-nauki.ru/

а)

ЧЧЧЧ^ЧЧУ

А

__К гидравлическому насосу

ЧЧЧЧЧЧЧЧЧ

к

чСтальная ■■оолочка

■.Е^лиуоЙыц_,_

пустотаоораэооатель

рЕссуемая етонная смесь

Направляющий стержень

альная олочка

-.ВбаВлибаемая стальная трубка с перфорированными стенками

_1рессуЕмая

эетонная смесь

в)

Стальная

ООО

Юлочка

_ Полиэтиленовая пленка

-.Расширяющийся состав

-■.Прессуемая оетоншая смесь

г)

ЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ)

ччччччччччч

-..Стальная ооолочка

расширяющаяся бетонная смесь

Рисунок 1 - Принципиальные схемы предварительного обжатия СТБК: а - длительное прессование бетонной смеси с помощью пустотообразователя; б - прессование смеси путем последовательного вдавливания стальных трубок; в, г - использование энергии напрягающего бетона

Основными элементами пустотообразователя служат стальная перфорированная трубка и резиновый рукав (рис. 2). Стальная перфорированная трубка служит для придания пустотообразователю необходимой жесткости. Резиновый рукав, служащий внешней оболочкой, изготовляется из маслостойкой резины и плотно надевается на стальную трубку. Торцы у пустотообразователя выполняются по типу концевых неразъемных соединений шлангов высокого давления. На поверхности резинового рукава с постоянным шагом нарезаются продольные и поперечные бороздки для более эффективного отвода отжимаемой из бетонной смеси «свободной» воды. Внутри такого пустотообразователя можно создавать избыточное давление до 6 МПа и более. Оптимальная величина прессующего давления бетонной смеси СТБК обычно не превышает 3 МПа.

После набора бетоном передаточной прочности и извлечения пустотообразователя внутреннюю полость предварительно обжатых колонн кольцевого или коробчатого поперечного сечения допускается заполнять безусадочным бетоном с последующим его учетом в расчетах.

А-А

Стальная перфорированная Резиновый рукав трубка

А-Ч

I.

А

Рисунок 2 - Конструкция пустотообразователя

http://vestnik-nauki.ru/

а) б)

иерхняя наборная крышка перфорированная трубка

5к

т?

т

ы

направляющий стержень

бетонная смесь

внешняя стальная оболочка

стальные тяжи

Н

Ш

5&Й

т

нижняя наборная крышка

щ1

Рисунок 3 - Схема изготовления опрессованных элементов: а - отформованный элемент; б - промежуточный этап прессования

Второй метод длительного прессования бетонной смеси заключается во вдавливании вдоль установленного коаксиально стальной оболочке направляющего стержня стальных трубок (рисунок 3). При этом процесс прессования проходит в три стадии.

К первой стадии приступают после завершения процесса формования бетонной смеси ТБК, по истечении времени, необходимого для образования и начала распада первичных связей в структуре образующегося цементного камня. По направляющему стержню в смесь со скоростью 10 ^ 20 мм/с вдавливают первую перфорированную трубку, раздвигающую твердые частицы вместе с химически и физически связанной водой и отводящую отжимаемую из смеси воду.

На второй стадии используя первую трубку как направляющую, в бетонную смесь вводится перфорированная трубка большего диаметра. При этом из смеси отжимается еще какое-то количество воды и в ней начинает создаваться избыточное давление.

На третьей стадии в бетонную смесь вдавливают последнюю стальную трубку, не имеющую перфорации стенок. Прессующее давление (в наших опытах - 2^3 МПа) передается на внутреннюю поверхность стальной оболочки. Вследствие этого происходит предварительное растяжение стальной оболочки трубобетонных элементов в поперечном направлении. После изготовления элемента эту трубку оставляют в качестве его внутреннего стержня, исключая возможность распрессовки бетона. Направляющий стержень и трубки с перфорированными стенками извлекают и используют для предварительного обжатия следующей конструкции.

Более подробно технология длительного прессования описана в работе [1]. Применение длительного прессования бетонной смеси позволило заметно улучшить структуру бетонного ядра. В процессе прессования уменьшилась толщина цементной прослойки между зернами заполнителя, получилась мелкозернистая структура цементного камня лучшего качества с заметно меньшими размерами пор. В бетонах средней прочности, твердеющих под давлением 2^3 МПа, призменная прочность повышалась на 40 ^ 60 %. Одновременно у них наблюдались более высокая плотность и существенно меньшие величины деформаций усадки и ползучести.

Суммарный рост прочности бетонного ядра в предварительно обжатых образцах СТБК обусловлен проявлением трех известных эффектов - длительного прессования бетонной смеси, предварительного бокового обжатия бетонного ядра и его работы в условиях объемного сжатия. В результате, при классе исходного бетона В70 прочность бетонного ядра может достигать порядка 220 МПа и выше (в зависимости от предела текучести стальной оболочки и процента армирования колонны).

Определение величины предварительного обжатия

Определение несущей способности предварительно обжатых СТБК, по аналогии с необжатыми, рекомендуется выполнять на основе нелинейной деформационной модели. При этом учитываются особенности напряженно-деформированного состояния бетонного ядра и стальной оболочки [10,11], в том числе от действия предварительного обжатия бетона.

Величину давления обжатия определяют в зависимости от принятых способа и метода формования СТБК. Для элементов, изготовленных способом длительного прессования бетона с использованием пустотообразователей, среднее давление обжатия определяется по формуле

4(1 -я) Л

р = 0,8 X

^^^ + д а - 25

р. (1)

в которой Рп - давление в пустотообразователе; ё0 - наружный диаметр пустотообразователя при достижении в заполняющем его рабочем агенте давления Рп (значение ё0 может быть принято на 20 % больше соответствующего размера пустотообразователя при атмосферном давлении в его рабочем агенте); ё - габаритный размер поперечного сечения колонны (для ТБК с круглым поперечным сечением - наружный диаметр стальной оболочки); 3 - толщина стенки внешней стальной оболочки; £ - коэффициент бокового давления бетонной смеси (при отсутствии точных данных его значение ориентировочно может быть принято равным 0,3).

Коэффициент 0,8 в формуле (1) учитывает снижение уровня бокового обжатия вследствие проявления распрессовки бетона при сбросе давления в пустотообразователе.

Для элементов, опрессованных посредством вдавливания в бетонную смесь стальных трубчатых сердечников, среднюю величину давления обжатия Р1 рекомендуется определять в зависимости от степени уплотнения цементного теста ЛУц, вычисляемой по формуле

ЛУц = ЛГб х Уб / Уц , (2)

где ЛУб - степень уплотнения бетонной смеси; Уц - объем цементного теста в бетонной смеси, м3; Уб - объем бетонной смеси, в расчете обычно принимаемый равным 1м3.

Перед изготовлением предварительно обжатых СТБК по данной технологии для используемой бетонной смеси рекомендуется установить экспериментальную зависимость вида Р1 = /(ЛУц ).

Ориентировочные значения среднего давления обжатия Р1 могут быть получены расчетом по методике, приведенной в работе [1]. Данная методика использует зависимости, предложенные Н.П. Блещиком [12], которые позволяют определять степень уплотнения цементного теста в зависимости от уровня давления обжатия Р1 для конкретного состава используемой бетонной смеси.

Для элементов, предварительно обжатых за счет использования напрягающего бетона, значение средней величины давления обжатия Р1 может быть приравнено к марке по самонапряжению 8р . Марка бетона по самонапряжению определяется по величине стесненных деформаций расширения стандартных образцов-призм в соответствии с методикой, изложенной в ГОСТ 32803-2014. Для предварительно обжатых СТБК,

изготовленных с использованием напрягающего бетона, увеличение прочности бетона за счет его твердения в условиях стесненных деформаций не учитывается.

Расчетную величину давления обжатия сЬг0 с учетом возможных отклонений от

среднего значения и потерь предварительного напряжения в стальной оболочке рекомендуется находить по формуле

= , (3)

где Ур - коэффициент, учитывающий снижение давления самонапряжения вследствие релаксации напряжений в стальной трубе и ползучести бетона.

Правильное назначение величины расчетного давления обжатия является одним из важных вопросов при проектировании СТБК. Оптимальное значение этого давления может быть определено в процессе теоретической оценки силового сопротивления сжатых сталетрубобетонных конструкций, реализуемой с помощью специально разработанной авторами программы на ЭВМ.

Заключение

С целью обеспечения надежной совместной работы бетона и стальной оболочки СТБК предлагается изготавливать их с предварительно обжатым бетонным ядром. С точки зрения технологии изготовления предварительное обжатие проще осуществлять за счет использования в конструкции напрягающего бетона. С экономической точки зрения эффективнее использовать способ длительного прессования бетонной смеси. Использование данного способа позволяет в большей степени повысить несущую способность СТБК. Предложенный ранее метод оценки силового сопротивления сжатых сталетрубобетонных элементов на базе нелинейной деформационной модели позволяет учитывать наличие предварительного обжатия бетонного ядра. Таким образом, на сегодняшний день нет препятствий для практического применения СТБК усовершенствованной конструкции.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Кришан А. Л., Астафьева М.А., Сабиров Р.Р. Расчет и конструирование трубобетонных колонн: монография. Saarbrucken, Deutschland: Palmarium Academic Publishing, 2016. 261 с.

2. Кришан А.Л., Астафьева М.А., Сабиров Р.Р. Перспективы применения трубобетонных колонн на строительных объектах России // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова, 2014. № 1 (45). С.137-140.

3. Кришан А.Л. Трубобетонные колонны для многоэтажных зданий // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений, 2009. № 4. С. 75-80.

4. Nishiyama I., Morino S., Sakino K., Nakahara H. Summary of Research on Concrete-Filled Structural Steel Tube Column System Carried Out Under The US-JAPAN Cooperative Research Program on Composite and Hybrid Structures. Building Research Institute, Japan, 2002. 176 p.

5. Кришан А.Л., Сагадатов А.И., Чернышева Э.П. Анализ вопроса обеспечения необходимой прочности контакта между стальной оболочкой и бетоном в сжатых трубобетонных // Архитектура. Строительство. Образование, 2015. № 1 (7). С.4-16.

6. Gebman M.J., Ashford S.A., Restrepo J.I. Axial Force Transfer Mechanisms within Cast-in-Steel-Shell Piles / Final Report Submitted to the California Department of Transportation Under Contract No. 59A0337 // Department of Structural Engineering University of California, San Diego La Jolla, California, 2006. 331 p.

7. Virdi K.S., Dowling P.J. Hollow Core Concrete Steel Tubular Columns. Third International Colloquium Proceedings, Stability of Metal Structures, George Winter Memorial Session, 1983. P. 529-541.

8. Roeder C.W., Cameron B., Brown C.B. Composite Action in Concrete Filled Tubes // Journal of Structural Engineering, 1999. V. 125, No. 5. P. 477-484.

9. Ichinose L.H., Watanabe E., Nakai H. An Experimental Study on Creep of Concrete Filled Steel Pipes // Journal of Constructional Steel Research, 2001. V. 57. P. 453-466.

10. Кришан А.Л., Римшин В.И., Заикин А.И. Расчет прочности сжатых железобетонных элементов с косвенным армированием // Бетон и железобетон - взгляд в будущее. Научные труды III Всероссийской (II Международной) конференции по бетону и железобетону: в 7 томах. Т. 1. М.: МГСУ, 2014. С. 308-314.

11. Krishan A.L., Krishan M.A. 2014. Strength of axially loaded concrete-filled steel tubular columns with circular cross-section // Electronic magazine Advances of Environmental Biology, 2014. V. 8, No 6. P. 1991-1994. URL: http://www.aensiweb.com/aeb online.html.

12. Блещик Н.П. Структурно-механические свойства и реология бетонной смеси и пресс-вакуум-бетона. Минск: Наука и техника, 1977. 232 с.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Кришан Анатолий Леонидович ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет», г.Магнитогорск, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой проектирования зданий и строительных конструкций E-mail: kris_al@mail.ru

Трошкина Евгения Анатольевна ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет», г.Магнитогорск, кандидат технических наук, доцент кафедры строительных материалов и изделий

E-mail: skyjanny@mail.ru

Krishan Anatoly Leonidovich FSEI HE «Magnitogorsk State Technical University», Magnitogorsk, Doctor of Technical Sciences, Professor, head of Department of design of buildings and building structures E-mail: kris_al@mail.ru

Troshkina Evgeniya Anatolievna FSEI HE «Magnitogorsk State Technical University», Magnitogorsk, Master of Technical Sciences, lecturer of Department of building materials and products E-mail: skyjanny@mail.ru

Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, каб. 5215. Кришан А.Л.

8(3519)20-59-05