Несуча здатність похилих перерізів звичайних сталебетонних балок

на підставі математичної моделі реалізовано програму розрахунку на ЕОМ напружено-деформованого стану згинаних сталебетонних балкових елементів;

проведено числовий експеримент для дослідження впливу конструктивних та зовнішніх факторів на несучу здатність сталебетонних елементів щодо дії поперечних сил;

розроблено пропозиції з конструювання сталебетонних згинаних елементів в зоні діїї поперечних сил.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи були викладені в доповідях і обговорені на: міжнародному симпозіумі «Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій» (м.Львів-Дубляни, 7-10 жовтня 1996р.); міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми теорії і практики залізобетону» (м.Полтава, жовтень 1997р.); науковій конференції Львівського державного аграрного університету «Експериментальні і теоретичні дослідження будівельних конструкцій» (м.Дубляни, 9 вересня 1997р.); другій Всеукраїнській науково-технічній конференції «Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону» (1-4 червня 1999р.); наукових семінарах кафедри будівельних конструкцій ЛДАУ (1997-1999рр.); наукових семінарах кафедри будівельних конструкцій та мостів ДУ «Львівська політехніка» (1998-1999 р.р.).

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку літератури і додатків. Робота викладена на 195 сторінках, містить 128 сторінок основного тексту, 18 таблиць, 29 рисунків, 174 найменування використаної літератури на 12 сторінках і чотирьох додатків на 25 сторінках.

Автор висловлює вдячність членам кафедри будівельних конструкцій Львівського державного аграрного університету, зокрема к.т.н., доценту В.М.Барабашу, за сприяння та допомогу у виконанні дисертаційної роботи.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано необхідність проведення експериментальних та теоретичних досліджень сталебетонних згинаних конструкцій, актуальність, наукову новизну та практичне значення роботи.

У першому розділі розглянуто питання розвитку конструкцій із зовнішнім стрічковим армуванням. Також проаналізовано результати досліджень залізобетонних конструкцій із стержневим армуванням вчених кафедри будівельних конструцій і мостів ДУ “Львівська політехніка”: М.О.Казанцева, Л.О.Дорошкевича, Ф.Є.Клименка, Б.М.Ониськіва, Б.А.Шостака, Г.М.Гладишева, Н.І.Єршової, М.І.Костів та ін. Детально розглянуто методи розрахунку міцності похилих перерізів залізобетонних конструкцій, які базуються на рівновазі граничних зусиль в похилому перерізі, що висвітлені в роботах О.О.Гвоздєва, М.С.Боришанського, А.С.Залесова, Ю.А.Клімова, О.Ф.Ільїна, О.С.Зорича, В.В.Макаричева, І.А.Титова, Ч.Б.Ігнатавічуса, Г.І.Попова, О.Г.Кумпяка та ін.

Проте, незважаючи на численні дослідження, побудовані на їх основі методи розрахунку залізобетонних конструкцій за похилими перерізами, потребують подальшого вдосконалення (за рівнем розвитку вони значно відстають від методів розрахунку залізобетонних елементів на дію поздовжніх сил та згинальних моментів у нормальних перерізах). Щодо сталебетонних елементів, то міцність похилих перерізів сталебетонних балок без попереднього напруження взагалі не досліджувалася. На підставі проведеного аналізу літературних джерел визначено завдання дослідження.

У другому розділі подано опис матеріалів та конструкцій дослідних зразків, методику їх виготовлення та проведення експериментальних досліджень.

Для вивчення несучої здатності похилих перерізів звичайних сталебетонних балок було виготовлено 28 зразків (18 - сталебетонних і 10 залізобетонних балок-аналогів). Розрахунковий проліт дослідних зразків становив 2000 мм, поперечний переріз - 120240 мм (рис.1). Для поздовжнього армування в сталебетонних балках було використано розроблену в ДУ «Львівська політехніка» зовнішню стрічкову арматуру періодичного профілю (винахід Ф.Є.Клименка та В.М.Барабаша). Метою дослідження було визначення її впливу на міцність похилих перерізів. Балки об'єднувались у серії залежно від кількості поперечної арматури.

Перша серія балок складалася з п'яти сталебетонних і трьох залізобетонних зразків. Поздовжня робоча арматура розтягненої зони виконана: у сталебетонних балках - з стрічкової рифленої сталі марки 09Г2С перерізом 1206 мм (т=420 МПа), у залізобетонних - зі стержневої 222 А-ІІІ (т=400 МПа). Стиснута арматура у всіх зразках цієї серії - 28 А-І. Поперечна арматура - 6 мм класу А-І (т=280 МПа) встановлювалася з кроком 90 мм у два ряди.

Рис.1. Схеми армування дослідних балок:

а,б-серія І; в,г-серія ІІ; д,е-серія ІІІ (з жорсткими упорами)

Друга серія складалася з п'яти сталебетонних і трьох залізобетонних балок. Арматура сталебетонних та залізобетонних балок другої серії аналогічна першій, лише крок поперечної арматури у балках цієї серії прийнято 120 мм (див. рис.1).

До третьої серії увійшло вісім сталебетонних та чотири залізобетонних балки без поперечної арматури (див. рис.1). Робочою арматурою розтягненої зони сталебетонних зразків слугувала рифлена сталь марки 09Г2С з перерізами 1208 мм, 1206 мм та 808 мм, а в залізобетонних - 222 А-ІІІ. У стиснутій зоні всіх балок використана стержнева арматура - 28 А-І. Частина зразків цієї серії мала упори, встановлені на кінцях балок з метою покращення зв'язку зовнішньої стрічкової арматури з бетоном.

Стержні поперечної арматури приєднувались до стрічкової арматури в тавр напівавтоматичним зварюванням під шаром флюсу, а до стержневої арматури - контактним зварюванням. Поперечні стержні в сталебетонних балках розміщували паралельно двома рядами. Вони одночасно служили анкерами зовнішньої арматури в бетоні. Таким чином, зв'язок стрічкової арматури з бетоном забезпечувався за допомогою періодичного профілю поверхні зовнішньої арматури, стержнів поперечної арматури і торцевих упорів. Застосування різних схем поперечного армування у дослідних зразках дозволило вивчити їх вплив на несучу здатність, деформативність та тріщиностійкість сталебетонних балок при різних плечах прикладання зосереджених сил.

Навантаження балок проводилося поетапно двома зосередженими силами, прикладеними симетрично відносно середини балки (балки випробовувалися при плечах зрізу 1.5h, 2h, 2.5h і 3.5h). Після кожного етапу завантаження за допомогою тензорезисторів та індикаторів фіксували деформації стрічкової та стержневої арматур, бетону і прогини балкових зразків (рис.2.). Появу та ширину розкриття тріщин у бетоні спостерігали за допомогою мірного мікроскопа МПБ-2М.

Використана методика випробування та сучасні вимірювальні прилади дали можливість отримати необхідні експериментальні дані про деформації бетону в прольоті зрізу, а також виміряти деформації поздовжньої та поперечної арматури на всіх етапах завантаження аж до руйнування.

У третьому розділі наведено аналіз результатів експериментальних досліджень сталебетонних та залізобетонних балок, подано опис роботи дослідних зразків від початку завантаження до руйнування. На основі отриманих результатів виконано оцінку впливу конструктивних та зовнішніх факторів на несучу здатність у похилих перерізах сталебетонних балок та порівняння дослідних даних з теоретичними значеннями, отриманими за СНиП 2.03.01-84*.

Рис.2. Схема розміщення вимірювальних приладів на дослідних зразках

Утворення похилих тріщин в сталебетонних та залізобетонних балках-аналогах відбулося при лизьких навантаженнях. Що стосується утворення нормальних (моментних) тріщин, то у сталебетонних балках вони з'являлись пізніше, ніж у залізобетонних (див. табл.). На стадіях роботи балок з тріщинами деформації бетону, поздовжньої та поперечної арматури сталебетонних та залізобетонних балок суттєво не відрізнялися.

Теоретичні величини зусиль появи похилих тріщин обчислювалися згідно з СНиП 2.03.01-84*. Найменше розходження між нормативними та дослідними значеннями зусиль утворення похилих тріщин (3,1...13,3%) спостерігалось для балок з малими плечами зрізу (1,5h...2h). При великих плечах зрізу (>2h) нормативні джерела недооцінюють зусилля тріщиноутворення похилих перерізів на 9,5...23,5%. Необхідно відзначити, що отримані співвідношення нормативних та експериментальних значень зусиль утворення похилих тріщин однаково справедливі як для сталебетонних балок, так і їх залізобетонних аналогів.

Значний вплив на ширину розкриття похилих тріщин мав відносний проліт зрізу с=а/h.

Таблиця

Основні результати експериментальних досліджень сталебетонних та залізобетонних зразків

З ростом плеча прикладання зосередженої сили ширина розкриття похилих тріщин збільшувалася. Залежність ширини розкриття тріщин від величини плеча зрізу в сталебетонних балках така ж, як і в залізобетонних аналогах. Дослідно підтверджено нерівномірний розподіл напружень в поперечних стержнях та бетоні на всіх стадіях роботи. Найбільші напруження спостерігалися в стержнях, які похила тріщина перетнула під меншим кутом. Залежність величини руйнівного навантаження від плеча зрізу в сталебетонних балках така ж, як і у залізобетонних - зі збільшенням плеча зрізу несуча здатність зменшується. Крім того, можна відзначити, що у балках без поперечних хомутів збільшення площі поздовжнього армування сприяє підвищенню несучої здатності похилих перерізів.

Встановлено, що стержневе анкерування поздовжньої арматури на опорах в порівнянні з жорстким є менш надійним. Дослідження показали, що при руйнуванні балок без поперечної арматури, коли міцність похилого перерізу вичерпується, проходить втрата зчеплення поздовжньої розтягнутої арматури з бетоном в приопорній частині балки. На практиці таке руйнування є небезпечним. Оскільки застосування жорстких упорів запобігає втраті зчеплення арматури з бетоном в приопорних ділянках, то тим самим підвищується безпека конструкцій. Додаткове анкерування поздовжньої арматури дослідних балок без поперечної арматури не привело до збільшення їх несучої здатності, а лише вплинуло на характер руйнування.

За однакових навантажень у межах проведених досліджень експериментами не виявлено впливу поперечної арматури на прогини балок. При збільшенні кількості поперечної арматури від 0 до 0.53% зростання частки прогинів від поперечної сили практично не спостерігалося. Проліт зрізу, міцність бетону та кількість поздовжньої арматури при порівнянні дослідних прогинів різних зразків також суттєво не впливали на складову прогинів, викликаних поперечною силою. Це свідчить про те, що у сталебетонних балках визначальний вплив на прогини балок має згинальний момент.

Загалом прогини сталебетонних балок менші, ніж в аналогічних залізобетонних, що пов'язано з розміщенням поздовжньої арматури у сталебетонних конструкціях на зовнішніх гранях перерізів без захисного шару бетону і відповідно збільшення їх жорсткості. Експериментально також зафіксовано і меншу ширину розкриття похилих тріщин у сталебетонних балках, що також пов'язано з розміщенням стрічкової арматури дальше відносно центру стисненої зони бетону.

Уцілому варто відзначити, що при експлуатаційному навантаженні (0.7....0.8)Qmax ширина розкриття похилих тріщин та прогини у дослідних сталебетонних балках, армованих зовнішньою стрічковою арматурою, були менші, ніж в залізобетонних балках-аналогах зі стержневим армуванням.

Порівнюючи роботу балок з поперечним армуванням та без нього, навантажених з однаковим плечем зрізу, можна відзначити, що наявність поперечного армування у діапозоні sw=0,39...0,53 % приводить до зростання зусилля, яке відповідає фізичному руйнуванню в 1,8...2 рази. Деформації поздовжньої арматури в балках без поперечної арматури в момент фізичного руйнування майже у два рази менші, ніж у аналогічних балках з хомутами.

Розрахунок міцності дослідних балок проведено за СНиП 2.03.01-84*. Для балок без поперечної арматури експериментальні значення руйнівних зусиль перевищують розрахункові, отримані за рекомендаціями норм. У сталебетонних балках перевищення складає 17,3...46,8 %, а у залізобетонних - 41.6...55 %. При використанні для сталебетонних балок без поперечного армування коефіцієнта b2 =1,8 відмінності в оцінці міцності між сталебетонними та залізобетонними балками практично зникають. За наявності поперечної арматури запас міцності для залізобетонних балок менший і складає 3...16,2 %. Що ж стосується сталебетонних балок, то нормами їх несуча здатність переоцінюється. Фактичні руйнівні навантаження на 2,7...17 % менші за розрахункові. При цьму більші відхиленння спостерігалися для балок, що руйнувалися від зрізу стисненої зони бетону і у яких плече прикладання навантаження не перевищувало 2h. Це, очевидно, пояснюється меншою жорсткістю стрічкової арматури порівняно зі стержневою. Похила тріщина розділяє приопорну зону балки на два блоки. Взаємний зсув блоків призводить до виникнення місцевого згинального моменту у поздовжній арматурі в місці перетину її критичною похилою тріщиною. Цей, так званий - «нагельний», ефект найбільше виявляється при руйнуванні балок за похилими перерізами внаслідок зрізу бетону стиснутої зони над критичною похилою тріщиною. При однаковій площі матеріалу більшу деформативність на зсув матиме елемент у формі пластини, а відповідно менш деформативним буде стержневий елемент. Для балок, армованих стержневою арматурою, це явище достатньо вивчене. Відомо, що збільшення діаметрів стержнів поздовжньої арматури (із зменшенням їх кількості) приводить до збільшення несучої здатності так, як і розміщення стержнів в декілька рядів у розтягнутій зоні.

У зв'язку з цим пропонується при визначенні поперечного зусилля Qb за СНиП 2.03.01-84* в сталебетонних конструкціях на важкому бетоні з поречним армуванням при плечах зрізу до 2h, приймати коефіцієнт b2, рівним 1.8 (для залізобетонних елементів b2 =2).

Отже, нормативні джерела достатньо добре оцінюють як залізобетонні, так і сталебетонні балки без поперечного армування.

Міцність похилих перерізів дослідних балок також оцінювали за методикою, запропонованою Ю.А. Клімовим і О.С. Залесовим. Ця методика розрахунку міцності похилих перерізів залізобетонних елементів є точнішою, ніж метод розрахунку за СНиП 2.03.01-84*. Та необхідно зазначити, що, як і нормативні джерела, запропонований метод точніше оцінює міцність балок, армованих стержневою арматурою.

У четвертому розділі наведені головні положення алгоритму розробленої математичної моделі розрахунку сталебетонних конструкцій за методом скінченних елементів (МСЕ) та їх реалізація на ЕОМ. Подається аналітичний опис реальних діаграм деформування “” бетону та арматури. Коротко викладено процес формування загальної глобальної матриці лінійних та плоских скінченних елементів.

В розробленій математичній моделі арматурні стержні представлялися лінійними скінченними елементами, бетон - плоскими чотирикутними. Беручи до уваги симетрію дослідних зразків, розглядали тільки ліву (або праву) частину елемента, що дозволило зменшити розмір глобальної матриці жорсткості та збільшити кількість скінченних елементів.

Задача вирішувалась за пружною схемою. Фізична нелінійність бетону і арматури врахована застосуванням ітераційних обчислень з уточненням січних модулів деформацій скінченних елементів за описами реальних діаграм деформування відповідних матеріалів. Для опису реальних діаграм бетону та арматури використано залежність, рекомендовану ЕКБ-ФИП для опису деформування бетону.

Програма складена за таким загальним алгоритмом:

1.Введення фізико-механічних характеристик бетону та арматури, формування розрахункової схеми плоских та лінійних стержневих скінченних елементів.

2.Вирішення системи рівнянь МСЕ з обчисленням деформацій х, у, ху, у вузлах скінченних елементів.

3.Визначення напружень x, y, xy в скінченних елементах за реальними діаграмами матеріалів, корегування січних модулів Е=/ для кожного скінченного елемента, визначення прогинів f балки.

4.Перевірка міцності матеріалів. При вичерпанні міцності одного з елементів приймаємо F=F/2, F=F+F та продовжуємо розрахунок з пункту 2.

5.Вивід епюр деформацій та напружень скінченних елементів, прогинів.

6.Збільшення зовнішнього зосередженого навантаження F=F+F і продовження розрахунку з пункту 2.

Програма, за якою реалізовано алгоритм розрахунку згинаних сталебетонних елементів мовою програмування “Turbo Pascal 7.0”, міститься у додатках дисертації.

Порівняння результатів розрахунку за числовою моделлю з результатами випробувань засвідчило можливість її використання для оцінки міцності, деформацій та напружень у сталебетонних і залізобетонних балках. Відхилення міцності складає 0...9,6 %, прогинів - 0,53...10 %. Це дало підставу для проведення широкого числового експерименту. Розглянуто 80 зразків з міцностями бетону 10...60 МПа, поздовжнім армуванням s=1...5%, поперечним армуванням sw=0,1...0,5% і плечами зрізу 1h...4h. Результати числового експерименту підтвердили, що головні закономірності впливу конструктивних та зовнішніх факторів на несучу здатність сталебетонних елементів у випадку дії поперечних сил такі ж, як і у залізобетонних, з урахуванням відзначених вище особливостей (рис.3).

Рис.3. Результати числового експерименту

Отже розроблену числову модель можна рекомендувати для прогнозування поведінки сталебетонних балок під навантаженням та проектування сталебетонних згинаних елементів.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

1.Запропонований алгоритм і програма розрахунку сталебетонних конструкцій із зовнішнім стрічковим армуванням, що базуються на застосуванні методу скінченних елементів з урахуванням діаграм “” матеріалів забезпечує одержання результатів, близьких до експериментальних.

2.Розроблена програма може застосовуватися для розрахунку перевірки міцності сталебетонних та залізобетонних конструкцій, варіантного проектування і вибору раціонального способу армування.

3.Вперше досліджено міцність та деформації сталебетонних балок без попереднього напруження в зоні дії поперечних сил. Експериментально підтверджено, що головні закономірності впливу конструктивних та зовнішніх факторів на несучу здатність при дії поперечних сил залізобетонних елементів справедливі і для сталебетонних. Разом з тим одержані числові результати експериментальних досліджень міцності за похилими перерізами сталебетонних балок з поперечним армуванням дещо відрізняються від теоретичних значень руйнуючих поперечних сил, визначених за існуючими нормами. Це пояснюється відмінністю жорсткостей стрічкової та стержневої арматури. Стержнева арматура в місці перетину її критичною похилою тріщиною працює як нагель. У стрічковій арматурі такий ефект значно менший через більшу гнучкість сталевої стрічки. В СНиП 2.03.01-84* вплив поздовжньої розтянутої арматури та інших факторів враховується коефіцієнтом b2 при визначенні зусилля, що сприймається бетоном Qb. Коефіцієнт b2 для залізобетонних конструкцій був отриманий при масовій статистичній обробці експериментальних даних. Для сталебетонних балок використання значення b2 як для залізобетонних балок призводить до деяких похибок.

4.Виходячи з експериментальних досліджень, пропонується при визначенні поперечного зусилля Qb за СНиП 2.03.01-84* в сталебетонних конструкціях на важкому бетоні з поречним армуванням (при плечах зрізу до 2h) приймати коефіцієнт b2, рівним 1.8 (для залізобетонних елементів b2 =2)

5.Експериментально встановлено, що несуча здатність сталебетонних балок з поперечним армуванням (sw=0,39 та 0,53%) в 1,7...2 рази більша, ніж у аналогічних балок без поперечної арматури.

6.Теоретичні значення міцності похилих перерізів сталебетонних балок без поперечного армування, отримані за СНиП 2.03.01-84*, дають необхідний запас міцності для їх надійної експлуатації і мають задовільне сходження з експериментальними даними.

7.Анкерування поздовжньої стрічкової арматури періодичного профілю в сталебетонних балках без поперечної арматури не привело до збільшення несучої здатності, а лише вплинуло на характер руйнування. Дослідно встановлено, що при руйнуванні балок без поперечних стержнів, коли міцність похилого перерізу вичерпується, проходить втрата зчеплення бетону у контакті з поздовжньою стрічковою арматурою в приопорній частині балки. Застосування жорстких упорів запобігає втраті зчеплення стрічкової арматури з бетоном в приопорних ділянках і підвищує безпеку конструкцій.

8.Результати оцінки тріщиностійкості (поява та розкриття нормальних та похилих тріщин), прогинів дослідних сталебетонних балок за СНиП 2.03.01-84* та їх порівняння з експериментальними даними мають добрі сходження.

9.При експлуатаційному навантаженні (0.7....0.8)Qmax ширина розкриття похилих тріщин та прогини у сталебетонних балках, армованих зовнішньою стрічковою арматурою, менші, ніж в залізобетонних балках-аналогах зі стержневим армуванням.

Основні положення дисертації опубліковано в таких роботах

1.Шостак Б.А., Боднарчук Т.Б., Данилюк О.О. Характер утворення тріщин у поперередньо напружених балках при «малих» прольотах зрізу // Вісник Державного університету «Львівська політехніка»: Резерви прогресу в архітектурі та будівництві. - №271. Львів: в-во ДУЛП,1993.-с110-112.

2.Боднарчук Т.Б. Експериментальне дослідження несучої здатності похилих перерізів сталебетонних балок без поперечної арматури // Збірник наукових статей: Проблеми теорії і практики залізобетону /присвячений 100-річчю проф. М.С.Трояника/ Полтавський державний технічний університет ім.Ю.Кондратюка. - Полтава: в-во ПДТУ,1997.-с.47- 48.

3.Шмиг Р.А., Боднарчук Т.Б., Фамуляк Ю.Є., Волинець М.Е. Методика виготовлення та дослідження тришарових сталебетонних балок з зовнішнім стрічковим армуванням // Збірник наукових статей: Проблеми теорії і практики будівництва. - Том ІІ ДУ «Львівська політехніка». - Львів: в-во ДУЛП, 1997.- с.34-375.

4.Боднарчук Т.Б. Ефективність використання сталебетонних конструкцій в сільськогосподарському будівництві // Вісник Львівського державного аграрного університету: Економіка сільського господарства. - №3. Львів: в-во ЛДАУ, 1997.-с.194-196.

5.Клименко Ф.Є., Боднарчук Т.Б. Характер роботи сталебетонних елементів при дії поперечних сил // Вісник Державного університету «Львівська політехніка»: Теорія і практика будівництва. -№335. -Львів: в-во ДУЛП, 1997.-с.84-88.

6.Клименко Ф.Є., Барабаш В.М., Боднарчук Т.Б. Ефективність стрічкової арматури періодичного профілю в сталебетонних балках при дії поперечних сил// Збірник наукових праць: Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. - Випуск 2.-Рівне: в-во РДТУ, 1999.-с.106-110.

Боднарчук Т.Б. Несуча здатність похилих перерізів звичайних сталебетонних балок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.01.23 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Державний університет “Львівська політехніка”, Львів, 1999.

У роботі викладено результати експериментально-теоретичних досліджень несучої здатності похилих перерізів сталебетонних згинаних балкових конструкцій із зовнішнім стрічковим армуванням. Експериментально підтверджено, що закономірності впливу конструктивних та зовнішніх факторів на несучу здатність залізобетонних елементів у випадку дії поперечних сил справедливі і для сталебетонних. Також виявлено відмінність роботи стрічкової та стержневої поздовжньої арматури в місці перетину її критичною похилою тріщиною. В момент, коли похила тріщина розділяє балку в приопорній частині на два блоки, з шарніром у стиснутій зоні, у поздовжній арматурі, в місці перетину її критичною похилою тріщиною, виникає місцевий згинальний момент. Він викликаний тиском бетону нижнього блоку балки на поздовжню арматуру. Оскільки стрічкова арматура має форму пластини, її деформативність в місці зсуву верхнього та нижнього блоків є більшою, ніж у стержневій арматурі. Ця закономірність особливо характерна при малих прольотах зрізу (< 2h).

Запропонована математична модель і програма розрахунку за методом скінченних елементів з урахуванням реальних діаграм деформування матеріалів дозволяє визначити напружено-деформований стан сталебетонних згинаних елементів на всіх стадіях завантаження.

Ключові слова: сталебетонні конструкції, зовнішня стрічкова арматура, поперечна арматура, похила тріщина, плече зрізу, поперечна сила, несуча здатність.

Боднарчук Т.Б. Несущая способность наклонных сечений обыкновенных сталебетонных балок. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.01.23 - “Строительные конструкции, здания и сооружения.” - Государственный университет “Львівська політехніка”, Львов, 1999.

В работе изложены результаты экспериментально-теоретических исследований несущей способности наклонных сечений обыкновенных сталебетонных изгибаемых балочных конструкций, которые работают на восприятие поперечных сил. Экспериментально подтверждено, что закономерности влияния конструктивных и внешних факторов на несущую способность железобетонных элементов при действии поперечных сил справедливы и для сталебетонных. Также экспериментальным путем обнаружено отличие работы полосовой и стержневой продольной арматуры в месте пересечения ее критической наклонной трещиной. В момент, когда наклонная трещина разделяет балку в приопорной зоне на два блока с шарниром в сжатой зоне, в продольной арматуре в месте пересечения ее критической наклонной трещиной возникает местный изгибаемый момент. Он вызван давлением бетона нижнего блока балки на продольную арматуру. Из-за разной формы полосовой и стержневой арматуры их деформативность разная.

Значительное влияние на ширину раскрытия наклонных трещин имел пролет среза с=а/h. С возрастанием плеча приложения сосредоточенной силы ширина раскрытия наклонных трещин увеличивалась. Зависимость ширины раскрытия трещин от плеча среза в сталебетонных балках такая же, как и у железобетонных аналогах.

При равных нагрузках, в рамках проведенных исследований, от увеличения количества поперечного армирования от 0 до 0.53 % не наблюдалось значительного увеличения прогибов от поперечной силы. Таким образом, количество поперечной арматуры не имеет значительного влияния на прогибы сталебетонных балок. Вместе с тем, увеличение площади продольного армирования в балках без поперечного армирования способствует увеличению несущей способности наклонных сечений. Пролет среза, прочность бетона и количество продольной арматуры при сопоставлении экспериментальных прогибов разных образцов незначительно влияют на прогибы от поперечной силы. То есть, определяющее влияние на прогибы балок имеет изгибаемый момент.

Следует также отметить, что при эксплуатационной нагрузке (0,7...0,8)Qmax ширина раскрытия наклонных трещин и прогибы в исследованных сталебетонных балках, армированных внешней полосовой арматурой, были меньшими, чем в железобетонных балках-аналогах со стержневым армированием.

Сравнивая работу балок с поперечным армированием (sw=0,39% и 0,53%) и без него, которые испытывались с равным пролетом среза, можно отметить, что наличие поперечной арматуры приводит к увеличению усилий, отвечающих физическому разрушению в 1,8...2 раза. А дефомации продольной арматуры в балках без поперечной арматуры в момент физического разрушения почти в два раза менше, чем у балок с хомутами.

Расчет прочности исследуемых балок было проведено по СНиП 2.03.01-84*. Для балок без поперечной арматуры экспериментальные значения разрушающих усилий превышают рассчетные, полученные по рекомендациям норм. В сталебетонных балках превышения составляют 17,3...46,8 %, а в железобетонных - 41.6...55 %. При использовании для сталебетонных балок без поперечного армирования коэффициента b2 =1,8 отличия в оценке прочности между сталебетонными и железобетонными балками практически исчезают. С наличием поперечной арматуры запас прочности для железобетонных балок уменьшается и составляет 3...16,2 %. Что касается сталебетонных балок, то нормами их несущая способность переоценивается. Фактические разрушающие усилия на 2,7...17 % меньше,чем рассчетные. При этом большие отклонения наблюдались для балок, которые разрушались от среза сжатой зоны бетона и у которых плече среза не перевышало 2h. Это, очевидно, объясняется меньшей жосткостью полосовой арматуры по сравнению со стержневой. Наклонная трещина разделяет приопорную зону балки на два блока. Взаимный сдвиг блоков приводит к возникновению местного изгибаемого момента в продольной арматуре в месте пересечения ее критической наклонной трещиной. Этот, так называемый «нагельный» эффект, наибольше проявляется при разрушении балок по наклонным сечениям в результате среза бетона сжатой зоны над критической наклонной трещиной. При одинаковой площади материала большую деформативность на сдвиг будет иметь элемент в форме пластины, а соответственно менее деформативным будет стержневой элемент. Для балок, армированных стержневой арматурой, это явление достаточно изучено. Известно, что увеличение диаметров стержней продольной арматуры (с уменьшением их количества) приводит к увеличению несущей способности, так как и размещение стержней в несколько рядов в растянутой зоне.

В связи с этим предлагается при определении поперечного усилия Qb по СНиП 2.03.01-84* в сталебетонных конструкциях на тяжелом бетоне с поречным армированием с плечем среза до 2h, принимать коэффициент b2, равным 1.8 (для железобетонных элементов b2 =2).

Предложенная математическая модель и программа с использованием метода конечных елементов и учетом реальных диаграмм деформирования материалов позволяет определить напряженно-деформированное состояние сталебетонных изгибаемых елементов на всех стадиях загружения.

В разработанной математической модели армированные стержни представлены линейными конечными элементами, бетон - плоскими четырехугольными. Принимая во внимание симметрию опытных образцов, рассматривали только левую (или правую) часть элемента, что позволило уменьшить размер глобальной матрицы жосткости и увеличить количество конечных элементов.

Задание решалось по упругой схеме. Физическая нелинейность бетона и арматуры предусмотрена использованием итерационных вычислений с уточнением секущих модулей деформаций конечных элементов по описаниям реальных диаграмм деформирования соответственных материалов. Для описания реальных диаграмм бетона и арматуры использовано зависимость, рекомендованную ЕКБ-ФИП для описания деформирования бетона.

Ключевые слова: сталебетонная конструкция, внешняя полосовая арматура, поперечная арматура, наклонная трещина, плечо среза, поперечная сила, несущая способность.

Bodnarchuk T.B. The carrying ability of the inclined sections of the ordinary steel and concrete beams. - Manuscript.

Thesis for the Scientific Degree of Technical Sciences Candidate. Speciality: 05.01.23 - Building Structures, Building and Constructions. State University «Lviv Politechnica», Lviv, 1999.

This work presents the results of the experimental and theoretical research of the carrying ability of the inclined sections of the ordinary steel and concrete bending beams constructions with external band reinforcement. The influence regularity of the constructive and outside factors on the carrying ability of the reinforced concrete elements under the cross powers effect are correct for the steel and concrete, this being proved by experiments. The difference between the work of the band and bar longitudinal reinforcement at the place of crossing it by the critical inclined crack has been also found out. At the moment, when the inclined crack divides the beam at its base into two blocks with the hinge in the compressed zone the local bending moment arises in the longitudinal reinforcement at the place of crossing it by the critical inclined crack.It is the result of concrete pressure of the beam lower block on the londitudinal reinforcement. Since the band reinforcement is shaped as a plate its deformation at the displacement spot of the higher and lower blocks is larger, than in the bar reinforcement. This regularity is especially characteristic to the small spans of the shear (<2h).

The suggested mathematic model and program of calculation following the finite elements method using real diagrams of the materials deformation allows to define the tense-deformed state of the steel and concrete bending elements for all stages of loading.

The key words: steel and concrete constructions, the external band reinforcement, the cross reinforcement, the inclined crack, the shearing arm, the cross power, the carrying ability.

Размещено на Allbest.ru