Выносливость железобетонных конструкций при действии поперечных сил

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЫНОСЛИВОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ДЕЙСТВИИ ПОПЕРЕЧНЫХ СИЛ

Специальность 05.23.01- Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

МИРСАЯПОВ ИЛШАТ ТАЛГАТОВИЧ

Казань - 2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Залесов Александр Сергеевич

Официальные оппоненты:

академик РААСН, доктор технических наук,

профессор Баранова Тамара Ивановна

член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор Селяев Владимир Павлович

доктор физико-математических наук,

профессор Каюмов Рашит Абдулхакович

Защита состоится 29 декабря 2009 г. в 13оо часов на заседании диссертационного совета Д 212.077.01 в Казанском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 420043, г. Казань, ул. Зелёная, 1, в ауд. 3-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного архитектурно-строительного университета.

Просим Вас принять участие в защите и направить отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, в секретариат совета по указанному адресу. Факс: (843)238-79-72.

Автореферат разослан «25 » ноября_2009 г.

Л.А. Абдрахманова

Учёный секретарь

диссертационного совета,

д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Железобетон является основным конструкционным материалом в современном капитальном строительстве. Поэтому повышение его эффективности, надежности и долговечности имеет народнохозяйственное значение. Одним из основных путей решения этих задач является совершенствование методов расчета железобетонных конструкций.

В процессе эксплуатации железобетонные конструкции промышленных, энергетических, гидротехнических, транспортных зданий и сооружений подвергаются воздействию многократно повторяющихся нагрузок. Происхождение, характер, уровень и частота этих нагрузок разнообразны и в ряде случаев они являются основными, определяющими долговечность конструкций. При действии многократно повторяющихся нагрузок напряжения в этих конструкциях изменяется по величине с большой скоростью, а иногда и по знаку, что при определенных условиях может привести к потере несущей способности. При этом в зависимости от параметров внешней нагрузки, из-за усталости бетона и арматуры разрушение конструкций наступает при напряжениях, значительно меньше статически разрушающих. В настоящее время, с одной стороны увеличение мощностей станков, машин и оборудования, гидроагрегатов, паротурбогенераторов, центрифуг и т.д. ведет к увеличению интенсивности и частоты циклического нагружения, а применение высокопрочных бетонов и арматуры ведет к уменьшению веса конструкций и как следствие к уменьшению коэффициентов асимметрии цикла внешней нагрузки, а с другой стороны, применение высокопрочных и менее пластичных бетонов и арматуры, а также периодический профиль арматуры снижают их относительные пределы выносливости и повышают чувствительность железобетонных конструкций к циклическим нагрузкам. Все это требует точной оценки их усталостной прочности, определения и назначения пределов выносливости железобетонных конструкций.

Одной из специфических задач при проектировании зданий и сооружений из железобетона, в процессе эксплуатации которых необходимо учитывать влияние динамических нагрузок, является расчет на выносливость при действии поперечных сил. В железобетонных конструкциях разрушение в зоне совместного действия изгибающего момента и поперечных сил происходит по наклонному сечению, проходящему по критической наклонной трещине. В этой связи в отечественной теории железобетона, для удобства, термин «расчет железобетонных конструкций на совместное действие изгибающего момента и поперечных сил», по аналогии с термином «расчет по нормальному сечению», для обычных балок заменен на условный термин «расчет железобетонных конструкций по наклонному сечению». С уменьшением относительного расстояния между опорой и грузом (пролета среза) разрушение происходит уже не по наклонному сечению, а по наклонной полосе между опорой и грузом, особенно когда пролет среза приближается к нулю. Поэтому применение термина «расчет по наклонному сечению» в этих случаях является не совсем корректным и сужает круг рассматриваемых задач. Поэтому в работе применяется термин «усталостное сопротивление или усталостная прочность при действии поперечных сил», что полнее охватывает круг рассматриваемых задач. Тем более, благодаря работам А.С.Залесова и Ю.А.Климова, этот термин «сопротивление или прочность при действии поперечных сил» широко применяется в теории железобетона при расчете прочности, трещиностойкости и деформативности железобетонных конструкций при статической нагрузке.

В действующих нормах проектирования расчет выносливости при действии поперечных сил производится в предположении упругой работы бетона. Расчет наклонных сечений на выносливость производят из условия, что равнодействующая главных растягивающих напряжений, действующих на уровне центра тяжести приведенного сечения, должна быть полностью воспринята поперечной арматурой при напряжениях в ней, равных расчетному сопротивлению поперечной арматуры , умноженному на коэффициенты условий работы и , а в элементах без поперечной арматуры - бетоном, при напряжениях в нем, равных расчетному сопротивлению бетона , умноженному на коэффициент условий работы .

Такой подход к расчету на выносливость находится в противоречии с реальным характером неупругой работы железобетонных элементов и не отражает особенностей поведения железобетонных конструкций в зоне действия поперечных сил при многократно повторяющихся циклических нагружениях; не отражает реального напряженно-деформированного состояния; не учитывают неоднозначность восприятия поперечных сил различными элементами при различных пролетах среза; не учитывают существенные различия в их напряженно-деформированном состоянии, характере образования и развития трещин и усталостного разрушения при различных пролетах среза; не учитывают или учитывают весьма приближенно влияние целого ряда факторов; не в состоянии оценивать выносливость железобетонных конструкций в зоне действия поперечных сил с учетом изменения напряженно-деформированного состояния, прочностных и деформативных свойств материалов, реальных режимов деформирования бетона и арматуры в составе конструкции, что в конечном итоге приводит к значительному расхождению между расчетом и опытом.. По результатам статистической обработки сопоставления результатов расчета по рассмотренной методике с опытными данными усталостных испытаний, проведенных в ГрузНИИЭГС, в Львовском политехническом институте, в Ростовском ИСИ и в Московском ИСИ в 80-х годах прошлого века и в КазГАСУ в 2005-2007 годы, математическое ожидание составляет , а коэффициент вариации - .

В современных условиях, характеризующихся все возрастающим объемом применения железобетона и необходимостью рационального расходования ресурсов, проблема сопротивления действию поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках, как одна из нерешенных в области теории и практики железобетона, превращается в задачу, имеющую важное научное и народнохозяйственное значение. В связи с этим ощущается острая необходимость в создании методов расчета на выносливость железобетонных изгибаемых элементов при действии поперечных сил, учитывающих режимы реального деформирования бетона и арматуры в составе железобетонного элемента, учитывающие особенности напряженно-деформированного состояния железобетонных изгибаемых элементов в зоне действия поперечных сил при различных пролетах среза и его изменения в процессе циклического нагружения. Эти обстоятельства выдвигают необходимость экспериментального и теоретического исследования усталостного сопротивления железобетонных изгибаемых элементов в зоне действия поперечных сил при различных пролетах среза.

Цель и задачи исследований. Целью работы является усовершенствование и развитие теории усталостного сопротивления и разработка новых методов расчета выносливости железобетонных конструкций при действии поперечных сил с учетом физической нелинейности бетона. В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи:

провести экспериментальные исследования для выявления характера образования и развития усталостных трещин, характера и форм усталостного разрушения, особенностей напряженно-деформированного состояния при многократно повторяющихся нагрузках в зоне действия поперечных сил при различных пролетах среза;

установить основные закономерности усталостного сопротивлении железобетонных элементов действию поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках;

разработать общие положения и единую концепцию расчета выносливости железобетонных элементов при действии поперечных сил;

разработать физические и расчетные модели усталостного сопротивления железобетонных элементов действию поперечных сил при различных пролетах среза;

- разработать методы расчета выносливости железобетонных конструкций при действии поперечных сил с учетом одновременного изменения напряженно-деформированного состояния элементов, прочностных и деформативных свойств и режимов деформирования бетона и арматуры в составе конструкций в процессе циклического нагружения, базирующиеся на разработанных физических моделях усталостного сопротивления;

-разработать инженерные методы оценки выносливости железобетонных элементов при действии поперечных сил.

Научную новизну работы представляют:

- методы расчета выносливости железобетонных конструкций при действии поперечных сил с учетом одновременного изменения напряженно-деформированного состояния элементов, прочностных и деформативных свойств и режимов деформирования бетона и арматуры в составе конструкций в процессе циклического нагружения, базирующиеся на разработанных физических моделях усталостного сопротивления;

новые экспериментальные данные о выносливости, о характере образования, развития усталостных трещин при многократно повторяющихся нагрузках, усталостного разрушения бетонных и железобетонных элементов при местном сжатии и железобетонных изгибаемых элементов в зоне действия поперечных сил.

физические модели усталостного сопротивления железобетонных изгибаемых элементов действию поперечных сил при различных пролетах среза;

аналитические уравнения для описания изменений смещений арматуры в заделке при многократно повторяющихся нагрузках и изменений усталостной прочности сцепления арматуры с бетоном и усталостной прочности анкеровки арматуры;

инженерные методы расчета на выносливость железобетонных изгибаемых элементов при действии поперечных сил;

метод определения зон концентрации напряжений в строительных конструкциях, основанный на контроле гистерезисных энергопотерь (теплопотерь) с помощью тепловизора и результаты экспериментальных исследований по определению зон наибольших напряжений железобетонных изгибаемых элементов в зоне действия поперечных сил и при местном сжатии, полученные на этой основе;

Основные положения, выносимые на защиту:

результаты экспериментальных исследований усталостного сопротивления железобетонных элементов действию поперечных сил;

метод определения зон концентрации напряжений в строительных конструкциях, основанный на контроле гистерезисных энергопотерь (теплопотерь) с помощью тепловизора и результаты экспериментальных исследований по определению зон наибольших напряжений железобетонных изгибаемых элементов в зоне действия поперечных сил бетонных и железобетонных элементов при местном сжатии, полученные на этой основе;

физические модели усталостного сопротивления железобетонных изгибаемых элементов действию поперечных сил при различных пролетах среза;

- методы расчета выносливости железобетонных элементов при действии поперечных сил с учетом одновременного изменения напряженно-деформированного состояния элементов, прочностных и деформативных свойств и режимов деформирования бетона и арматуры в составе конструкций в процессе циклического нагружения, базирующиеся на разработанных физических моделях усталостного сопротивления;

аналитические уравнения для описания изменений смещений арматуры в заделке при многократно повторяющихся нагружениях и для описания изменений усталостной прочности сцепления арматуры с бетоном и усталостной прочности анкеровки арматуры;

инженерные методы расчета на выносливость железобетонных элементов при действии поперечных сил.

Практическое значение и внедрение результатов.

Практическое значение работы заключается в том, что в результате выполненных исследований разработаны физические модели усталостного сопротивления железобетонных элементов действию поперечных сил и на их основе разработаны методы расчета выносливости железобетонных элементов при действии поперечных сил, позволяющие повысить надежность, а в ряде случаев расчетную несущую способность и за счет этого получить более экономичные конструктивные решения.

Отдельные положения указанных методов расчета включены:

- в рекомендации по расчету и проектированию железобетонных конструкций «Рекомендации по расчету и конструированию сборно-монолитных железобетонных элементов стен и перекрытий сооружений АЭС». Москва: МО «Атомэнергопроект». 1988. - 49 с.;

- в нормативную литературу в виде раздела проекта новых норм по железобетонным конструкциям, касающихся расчетов выносливости наклонных сечений.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлены и обсуждены на научных семинарах кафедры строительных конструкций энергетики МИСИ (Москва, 1985-1988); на Ивановской областной научно-технической конференции (Иваново, 1987, 1988); на Всесоюзном координационном совещании «Повышение надежности энергетических сооружений при динамических воздействиях» (Москва, ВДНХ СССР, 1987); на Всесоюзном координационном совещании «Работа бетона и железобетона с различными видами армирования на выносливость при многократно повторяющихся нагрузках» (Львов, 1987); на XIVI научно-технической конференции МИСИ (Москва, 1988); на Х Всесоюзной конференции по бетону и железобетону (Казань, 1988); на Украинской республиканской научно-технической конференции: «Совершенствование железобетонных конструкций, работающих на сложные виды деформаций, и их внедрение в строительную практику» (Полтава, 1989); на международной конференции по бетону и железобетону «Инженерные проблемы современного железобетона» (Плес, 1995); на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы формирования структуры, эксплуатационной надежности и долговечности строительных материалов» (Плес, 1996); на Всероссийской конференции «Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции» (Чебоксары, 2001); на научном семинаре общего собрания РААСН «Ресурсо-энергосбережение как мотивация творчества в архитектурно-строительном творчестве» (Казань, 2003); на международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород, 2005); на международной научно-практической конференции «Оценка риска и безопасность строительных конструкций» (Воронеж, 2006); на ежегодных конференциях КИСИ, КГАСА, КГАСУ и на республиканских конференциях (Казань, 1983-2009).

Личный вклад автора. Автором самостоятельно сделана постановка задачи, а также разработана программа теоретических и экспериментальных исследований. Проведены все экспериментальные исследования, сделан анализ результатов полученных данных и выявлены основные закономерности усталостного сопротивления железобетонных элементов действию поперечных сил. Впервые разработан и в экспериментальных исследованиях применен метод определения зон концентрации напряжений в строительных конструкциях, основанный на контроле гистерезисных теплопотерь. Разработана методика расчета выносливости железобетонных изгибаемых элементов при действии поперечных сил с учетом одновременного изменения напряженно-деформированного состояния элементов, прочностных и деформативных свойств и режимов деформирования бетона и арматуры в составе конструкций в процессе циклического нагружения, базирующиеся на разработанных физических моделях усталостного сопротивления действию поперечных сил.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 87 научных статьях (в том числе в журналах по списку ВАК в 15 статьях), в учебном пособии, в рекомендациях по проектированию сборно-монолитных железобетонных конструкций, в патенте на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 416 страницах машинописного текста, включающего 188 рисунков, фотографий и термограмм, список литературы из 416 наименований и приложений.

Во введении обоснована актуальность исследования, изложены основная цель и задачи исследования, научная новизна, практическая значимость.

В первой главе приведен обзор и анализ экспериментальных исследований и существующих методов расчета выносливости наклонных сечений железобетонных изгибаемых элементов, сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе описываются результаты экспериментальных исследований усталостного сопротивления бетонных и железобетонных элементов при местном сжатии и при поперечном изгибе железобетонных балок при различных пролетах среза.

Третья глава посвящена анализу напряженно-деформированного состояния бетонных и железобетонных элементов при местном сжатии, железобетонных изгибаемых элементов в зоне действия поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках; разработке физических моделей усталостного сопротивления железобетонных элементов действию поперечных сил при различных пролетах среза и получению на их основе уравнений для оценки объективной (остаточной) усталостной прочности бетона и железобетона при местном сжатии; бетона сжатой зоны, продольной и поперечной арматуры в месте пересечения с наклонной трещиной, анкеровки продольной арматуры в железобетонных изгибаемых элементах в зоне действия поперечных сил.

Четвертая глава посвящена изложению методов расчета выносливости железобетонных элементов при действии поперечных сил при различных пролетах среза; расчетной оценке напряженно-деформированного состояния бетонных и железобетонных элементов при местном сжатии, железобетонных изгибаемых элементов в зоне действия поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках; расчетной оценке пределов выносливости бетона и железобетона при местном сжатии; расчетной оценке пределов выносливости бетона сжатой зоны, продольной и поперечной арматуры в месте пересечения с наклонной трещиной, анкеровки продольной арматуры в железобетонных изгибаемых элементах в зоне действия поперечных сил.

В пятой главе дана разработка инженерных методов расчета выносливости железобетонных элементов при действии поперечных сил и проверка сходимости результатов расчета и экспериментальных данных.

элемент железобетонный сопротивление усталостный

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Усталостная прочность и напряженно-деформированное состояние железобетонных конструкций при многократно повторяющихся циклических нагружениях, определяются выносливостью и деформативностью бетона и арматуры, зависит от условий их совместной работы в составе конструкции, а также параметров и режимов нагрузки. Исследованием этих вопросов в разные годы занимались А.И.Абашидзе, В.Д.Алтухов, Ю.М.Баженов, Т.И.Баранова, И.К.Белобров, О.Я.Берг, В.М.Бондаренко, Ю.С.Волков, Г.М.Городнипкий, И.М.Грушко, А.А.Давыдович, Г.К. Евграфов, А.И. Иванов-Дятлов, Т.С.Каранфилов, Ю.Н.Кардовский, Н.С.Карпухин, В.Г.Кваша, А.П. Кириллов, Ф.К. Клименко, В.П.Каневский, ИЛ.Корчинский, В.А.Критов, Ю.С.Кулыгин, В.В.Левчич, Р.Д.Маилян, Л.Р.Маилян, И.А.Матаров, ИлизарТ.Мирсаяпов, К.В.Михайлов, С.А.Мусатов, Г.Н.Писанко, А.Б.Пирадов, Г.И.Попов, И.А.Рохлин, Ю.В.Самбор, В.М.Селюков, З.К.Скатынский, СМ.Скоробогатов, И.Б.Соколов, Г.Б.Терехова, Е.А.Троицкого, Т.Г. Фролов, А.В. Харченко, Ю.П. Хромец, В.П. Чирков, А.Б.Юркша, П.В.Абелес, А. Матток, П. Каар, Д.Верна, К.Кеслер, Т.Стелсон, Т.Чанг и многие другие.

Основное внимание исследователей уделялось вопросам выносливости и напряженно-деформированного состояния нормального сечения изгибаемых элементов, выносливости бетона и арматуры, а также деформативности бетона при многократно повторяющихся нагружениях. В процессе этих исследований накоплен огромный экспериментальный материал по данным вопросам, предложен ряд практических методов расчета нормальных сечений на выносливость. Предложенные методы расчета отражают многие особенности поведения железобетонных конструкций в зоне чистого изгиба при многократно повторяющихся нагружениях и позволяют оценивать выносливость нормальных сечений, в том числе и с учетом изменения напряженно-деформированного состояния, прочностных и деформативных свойств, реальных режимов деформирования материалов в составе конструкции, а также при нестационарных режимах циклического нагружения.

В то же время совершенно вне поля зрения этих исследований остались проблемы усталостного сопротивления железобетонных изгибаемых элементов при действии поперечных сил. Теоретических и экспериментальных исследований, направленных на получение физических моделей усталостного сопротивления железобетонных изгибаемых элементов при действии поперечных сил и методов расчета выносливости на их основе практически нет. Имеющиеся в этой области исследования носят экспериментальный характер и направлены они лишь на уточнение влияния некоторых факторов на выносливость наклонных сечений, содержат лишь конечные результаты о выносливости наклонного сечения и не затрагивают особенностей напряженно-деформированного состояния, процессов, характера и форм усталостного разрушения железобетонных элементов в зоне действия поперечных сил.

Проблема сопротивления действию поперечных сил охватывает практически все железобетонные конструкции, применяемые в гражданском, промышленном, энергетическом и транспортном строительстве, определяя количество продольной и поперечной арматуры, размеры поперечного сечения, способы армирования сложных конструктивных элементов и т.д. Проблеме сопротивления железобетонных элементов действию поперечных сил при статическом нагружении посвящены, выполненные в разные годы, работы Т.И.Барановой, В.М.Бондаренко, И.К.Белоброва, М.С. Боришанского, А.П.Васильева, П.И.Васильева, Г.М.Власова, А.А.Гвоздева, А.Б.Голышева, В.Н.Гусакова, Л.А.Дорошкеевича, Л.Н.Зайцева, А.С.Залесова, А.С.Зорича, Ю.Л.Изотова, О.Ф.Ильина, В.Г.Карабаша, Н.И.Карпенко, С.Н.Карпенко, В.Г.Кваши, Ю.А.Климова, В.И.Колчунова, А.П. Кудзиса, Р.Л.Маиляна, А.Ф.Милованова, В.П.Митрофанова, А.А.Оатула, В.А.Отсмаа, А.Б.Пирадова, К.А.Пирадова, Г.И.Попова, И.А.Рохлина, О.А.Рочняка, В.Н.Сахарова, А.В.Старчевского, Э.С.Сигалова, Б.С.Соколова, Г.Н.Судакова, И.А.Титова, М.М. Холмянского, И.М.Чупака, Э. Беннета, Д.Валравена, Р.Валтера, Ф.Дашнера, Г.Кани, М.Котсовоса, В.Крефельда, Ф. Леонгардта, А.Плакаса, П.Ригана, Х.Тейлора и многих других.

В результате проведенных исследований получен обширный экспериментальный материал о различных аспектах работы железобетонных элементов на восприятие поперечных сил при статическом нагружении - о характере образования и развития трещин, о формах разрушения, о напряженно-деформированном состоянии и внутренних усилиях, о закономерностях деформирования бетона и арматуры, о сцеплении арматуры с бетоном, об анкеровке продольной арматуры, о факторах, влияющих на несущую способность, деформативность и трещиностойкость. Основным результатом теоретических исследований явилась разработка, на базе полученных опытных данных и различных теоретических предпосылок, методов расчета прочности наклонных сечений, трещиностойкости и деформативности железобетонных элементов в зоне действия поперечных сил, методов расчета прочности, трещиностойкости и деформативности бетонных и железобетонных элементов при местном сжатии, методов расчета прочности и деформативности контакта между арматурой и бетоном при статическом нагружении. Вместе с тем, несмотря на большое количество проведенных экспериментальных и теоретических исследований сопротивления железобетонных элементов действию поперечных сил при статическом нагружении, количество которых исчисляется тысячами, проблема сопротивления железобетонных элементов действию поперечных сил при многократно повторяющихся нагружениях остались вне поля зрения и этих исследований.

Выполненный обзор и критический анализ результатов проведенных исследований позволяет дать следующую общую оценку современного состояния проблемы сопротивления железобетонных элементов действию поперечных сил при многократно повторяющихся нагружениях.

В подавляющем большинстве проведенных исследований рассматривались элементы с большим пролетом среза, практически не исследовались элементы со средним, малым и нулевым пролетом среза. Установлено, что усталостная прочность наклонного сечения железобетонных изгибаемых элементов снижается с увеличением количества циклов нагружения, с увеличением относительного пролета среза и снижением коэффициента асимметрии цикла нагрузки; что усталостная прочность наклонного сечения железобетонных изгибаемых элементов повышается при увеличении прочности бетона и арматуры, количества продольной и поперечной арматуры, размеров поперечного сечения.

В то же время, в области экспериментальных и теоретических исследований остается целый ряд малоизученных вопросов, к которым, прежде всего, относятся: основные закономерности в процессах образования, развития усталостных трещин в процессе циклического нагружения, их зависимость от пролета среза, от конструктивных особенностей элемента и других факторов; вид, характер и форма усталостного разрушения элементов в зоне действия поперечных сил в зависимости от пролета среза; напряженно-деформированное состояние бетона, продольной и поперечной арматуры в зоне действия поперечных сил при различных пролетах среза; недостаточно полно и корректно определены наиболее значимые внутренние усилия в наклонном сечении элемента, к которым в общем виде принято относить усилия в бетоне сжатой зоны (над критической наклонной трещиной, или в наклонной полосе), осевое усилие в поперечной арматуре, осевое и нагельное усилия в продольной арматуре, а также их изменение и перераспределение в процессе циклического нагружения.

Теоретические исследования, с разработкой физических моделей усталостного сопротивления железобетонных изгибаемых элементов действию поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках и методов расчета на их основе отсутствуют. Поэтому в настоящее время нет физических моделей усталостного сопротивления железобетонных изгибаемых элементов действию поперечных сил, достаточно корректно отражающих их действительную работу с учетом реального деформирования бетона и арматуры в составе железобетонного элемента при различных пролетах среза, и нет методов расчета выносливости наклонных сечений, основанных на таких моделях.

В то же время, совокупность результатов проведенных до настоящего времени исследований в области сопротивления железобетонных элементов действию поперечных сил при статическом нагружении и исследований выносливости бетона, арматуры и нормальных сечений железобетонных элементов с учетом реального деформирования бетона и арматуры в составе железобетонного элемента создали объективные предпосылки для нового качественного шага вперед в решении проблемы по созданию научных основ и теории усталостного сопротивления железобетонных элементов действию поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках.

Главной тенденцией современного развития научных основ и теории усталостного сопротивления железобетонных изгибаемых элементов действию поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках должна быть разработка физических моделей усталостного сопротивления действию поперечных сил и построение методов расчета на их основе применительно к конкретным формам усталостного разрушения в зависимости от пролета среза, учитывающих режимы реального деформирования бетона и арматуры в составе железобетонного элемента, учитывающие особенности напряженно-деформированного состояния железобетонных изгибаемых элементов в зоне действия поперечных сил при различных пролетах среза и его изменения в процессе циклического нагружения. Эти обстоятельства выдвигают необходимость экспериментального и теоретического исследования усталостного сопротивления железобетонных элементов действию поперечных сил при различных пролетах среза. Ввиду отсутствия в настоящее время системного подхода к исследованию усталостного сопротивления железобетонных конструкций при действии поперечных сил и в области экспериментальных и теоретических исследований остается целый ряд малоизученных вопросов, в качестве первого необходимого шага в этом направлении было проведение экспериментальных исследований.

В качестве опытных образцов приняты железобетонные балки с размерами 120х280х2000мм и 120х340х2000мм; бетонные пластины с размерами 300х400х50мм и 300х550х50мм и железобетонные пластины с размерами 300х400х50мм. При проведении статических и усталостных испытаний железобетонных балок при действии поперечных сил применялся программно_технический комплекс, изготовленный с применением промышленных микроконтроллеров, конструктивно и программно совместимых с IBM PC. Комплекс состоит из двух подсистем: подсистемы контроля над нагружением; подсистемы сбора, обработки и представления экспериментальных данных. Для сокращения времени получения и обработки экспериментальных данных применялся пакет компьютерных программ config.cfg, setup.cfg, fast.exe, stress.exe, разработанные в испытательной лаборатории прочности и надежности конструкций летательных аппаратов КГТУ им.А.Н.Туполева.

Автором, специально для теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций, впервые разработан и предложен метод выявления областей, зон наибольших напряжений (зон концентрации напряжений) в бетоне и арматуре, основанный на контроле гистерезисных энергопотерь (теплопотерь) строительных конструкций с помощью тепловизора. Поэтому наряду с методом электротензометрии, в экспериментальных исследованиях впервые для качественной оценки напряженно-деформированного состояния железобетонных балок и выявления характерных областей концентрации напряжений в зоне совместного действия поперечных сил и изгибающих моментов при многократно повторяющихся циклических нагружениях автором был применен указанный метод выявления зон концентрации напряжений.

Проведенными усталостными испытаниями установлены: основные закономерности сопротивления изгибаемых железобетонных элементов действию поперечных сил при многократно повторяющихся нагрузках; классификация изгибаемых железобетонных элементов, работающих на восприятие поперечных сил при многократно повторяющихся нагружениях; характер образования и развития усталостных трещин в зоне действия поперечных сил в процессе циклического нагружения; характер и формы усталостного разрушения железобетонных балок в зоне действия поперечных сил при различных пролетах среза; характер усталостного разрушения бетонных и железобетонных элементов при местном сжатии; особенности напряженно-деформированного состояния в бетоне, в продольной и поперечной арматуре в зоне действия поперечных сил при циклическом нагружении; особенности напряженно-деформированного состояния бетонных и железобетонных элементов при местном сжатии при многократно повторяющихся нагрузках; достоверность, актуальность и информативность разработанного автором метода определения зон концентрации напряжений, основанного на учете гистерезисных теплопотерь с помощью тепловизора; термограммы железобетонных балок при различных пролетах среза и бетонных и железобетонных элементов при местном сжатии после циклического нагружения; термографические фильмы, наглядно показывающие процесс формирования в процессе циклического нагружения характерных зон концентрации напряжений в железобетонных балках при изгибе и в бетонных и железобетонных элементах при местном сжатии; характерные зоны концентрации напряжений в железобетонных балках в зоне действия поперечных сил при циклическом нагружении, выявленные методом определения зон концентрации напряжений; характерные зоны концентрации напряжений в бетонных и железобетонных элементах при местном сжатии при многократно повторяющихся нагрузках, выявленные методом определения зон концентрации напряжений.

Усталостные испытания железобетонных балок позволяют в зависимости от относительного пролета среза выделить основные формы усталостного разрушения железобетонных изгибаемых элементов и в зависимости от этого классификацию железобетонных элементов, сопротивляющихся действию поперечных сил при многократно повторяющихся нагружениях представить в виде: 1) Элементы с нулевым пролетом среза(); 2) Элементы с малым пролетом среза (); 3) Элементы со средним пролетом среза (); 4) Элементы с большим пролетом среза ().

Как видно из термограмм, полученных с помощью тепловизора, и характера образования усталостных трещин и усталостного разрушения (рис. 5) особенностью работы изгибаемых элементов при является образование локальных полос напряжений, связанных с точками приложения сосредоточенных внешних усилий (груза и опорной реакции), в пределах которых и происходит усталостное разрушение. При дальнейшем уменьшении относительного пролета среза приходим к граничному случаю, когда и, т.е. когда оси опоры и груза совпадают (сила находиться против силы). Такое силовое действие характеризуется как местное действие нагрузки (или местное сжатие), т.е. местное действие нагрузки также входит в общую систему сопротивления железобетонных элементов действию поперечных сил (рис. 1).

При усталостное разрушение изгибаемых элементов происходит с образованием критической наклонной трещины, положение которой связано не с точками приложения действующих на элемент внешних усилий и реакций опор (местное возмущение напряженного состояния ощутимо только вблизи этих точек), а с внутренними силовыми факторами, действующими в рассматриваемых по длине пролета среза сечениях (моментами и поперечными силами) (рис. 8).

При изгибаемые элементы находятся на границе элементов с малым пролетом среза и элементов с большим пролетом среза. Поэтому в этом случае проявляются особенности как первых так и вторых, т.е. на характер образования и развития трещин в зоне действия поперечных сил при циклическом нагружении и усталостного разрушения в этой зоне оказывают влияние как внутренние силовые факторы, действующие в рассматриваемых по длине пролетах среза элемента сечениях (моменты и поперечные силы), так и местные возмущения напряженного состояния и концентрация напряжений в определенных зонах, связанные с точками приложения сосредоточенных внешних сил (рис. 10).

Каждая из этих групп предложенной классификации характеризуется существенными отличиями в механизме сопротивления железобетонных элементов действию поперечных сил при многократно повторяющихся циклических нагрузках. Вследствие этого характер образования и развития трещин, напряженно-деформированное состояние, формы и положения зон концентрации напряжений, форма разрушения элементов каждой из групп имеют особенности, присущие только для этой группы и этим существенно отличаются от других групп данной классификации.

В этой связи, в результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований разработана методика расчета выносливости железобетонных элементов при действии поперечных сил при различных пролетах среза применительно для каждой группы указанной классификации. Эта методика расчета, в отличие от методики норм, базируется на физических моделях усталостного сопротивления железобетонных элементов действию поперечных сил, разработанных в диссертации в результате проведенных исследований, которые дают ясное представление о работе элемента в процессе циклического нагружения, действующих внутренних усилиях и природе их возникновения, характере деформирования и причинах усталостного разрушения. Построение расчетного аппарата осуществляется с учетом реального напряженно-деформированного состояния элементов, учета всех внутренних усилий и влияния наиболее значимых факторов на их усталостное сопротивление. Расчет выносливости ведется по классической схеме: на основе физических моделей определяются действующие внутренние усилия и напряжения; определяются пределы выносливости бетона, арматуры и анкеровки арматуры; проверяются условия выносливости. Напряжения и коэффициенты асимметрии цикла напряжений в бетоне и арматуре, в отличие от методики норм, определяются с учетом их изменения в процессе циклического нагружения вследствие развития деформаций виброползучести сжатого бетона в стесненных условиях. Пределы выносливости (объективная усталостная прочность при циклическом нагружении) бетона и арматуры определяются из соответствующих критериев усталостной прочности с учетом образования и развития усталостных микро- и макротрещин трещин, неупругих свойств бетона, реальных режимов деформирования бетона и арматуры в составе конструкции. Поэтому при проектировании учитываются режимы реального деформирования бетона и арматуры в составе железобетонного элемента, особенности напряженно-деформированного состояния железобетонных изгибаемых элементов в зоне действия поперечных сил при различных пролетах среза и его изменение в процессе циклического нагружения и как следствие в явном виде учитываются все основные факторы, влияющие на усталостное сопротивление железобетонных конструкций при действии поперечных сил.

Несмотря на многочисленные теоретические и экспериментальные исследования сопротивления бетона и железобетона при местном действии статической нагрузки, совершенно отсутствуют исследования, как теоретические так и экспериментальные, поведения бетона и железобетона при местном действии многократно повторяющихся нагрузок. Основные закономерности в процессах образования, развития усталостных трещин в процессе циклического нагружения, а также вид, характер и форма усталостного разрушения элементов и их зависимость от конструктивных особенностей элемента и других факторов не исследованы. Отечественные нормы никаких рекомендаций по оценке выносливости бетонных и железобетонных элементов при местном циклическом сжатии не дают. Поэтому нет ни какой информации о характере усталостного сопротивления бетона и железобетона действию местной циклической нагрузки (при нулевом пролете среза) и совершенно отсутствуют какие-либо рекомендации по оценке их выносливости.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Опираясь на анализ и обобщение многочисленных теоретических и экспериментальных исследований сопротивления бетонных и железобетонных элементов при местном статическом сжатии, проведенных В.Г.Донченко, Л.Н.Зайцевым, А.С.Залесовым, В.Г.Квашей, В.К.Керасом, С.К.Нийоги, Л.Обертом, И.А.Рохлиным, В.Н.Сахаровым, Б.С.Соколовым, А.В.Старчевским, И.С.Ульбиевой, М.М.Холмянским и др., а также учитывая результаты проведенных автором экспериментальных исследований зон концентрации напряжений, характера образования и развития усталостных трещин в элементах при циклическом сжатии, усталостного разрушения элементов, процесс усталостного разрушения и физическую модель усталостного сопротивления бетона при местном циклическом сжатии можно описать следующим образом.

При местном сжатии бетонного элемента между грузовыми площадками образуется взаимонаправленный сжимающий силовой поток, ограниченный размерами грузовых площадок. Внутри этого сжимающего силового потока напряженное состояние является неоднородным, так как при приложении внешней циклической нагрузки на плоский элемент, под грузовыми площадками ограниченной ширины, из-за наличия трения между грузовой площадкой и поверхностью бетона, образуются уплотненные объемы в виде клина (рис. 1) с гранями, наклоненными к плоскости передачи нагрузки под углом, равным углу внутреннего сдвига бетона и внутри самого клина формируется напряженное состояние «сжатие - сжатие» (). Перемещение клина как твердого тела и его «заклинивание» окружающего бетона вызывает возникновение распора, следовательно, раскалывающих (растягивающих) напряжений между вершинами клиньев уплотнения, а вдоль граней клиньев - реализуется условие чистого сдвига и возникают касательные напряжения ; в результате давления этих клиньев уплотнения как твердого тела на окружающий бетон возникают также сжимающие напряжения и поэтому в средней зоне между вершинами клиньев уплотнения в элементах с размерами и по результатам исследований Б.С.Соколова образуется ядро сжатия шириной меньше длины грузовых площадок .

При циклическом сжатии бетона усталостное разрушение и нелинейные деформации виброползучести характеризуются образованием и развитием трещин нормального разрыва. В начальной стадии нагружения после превышения средними макронапряжениями сжатия начального уровня образования микротрещин в бетонных элементах возникают микроскопические трещины усталости. С увеличением уровня нагрузки или количества циклов нагружения преимущественное развитие получают микротрещины отрыва в средней части бетонного элемента между вершинами клиньев уплотнения, которые затем объединяются между собой, образуя усталостные макротрещины, направленные параллельно или с небольшим наклоном к направлению действия внешних сжимающих сил. Когда суммарная длина усталостной макротрещины отрыва достигает критической длины , начинается динамическое развитие магистральной макротрещины отрыва, что при определенных условиях приводит к окончательному разрушению (долому) сжатого бетонного элемента. Исследование поверхностей разрушения бетонных элементов свидетельствует, что долом происходит за счет сдвига по наклонным плоскостям под грузовыми площадками. При этом от основной массы отделяется объем в виде клина, т.е. «клин уплотнения». Поверхность клина неровная. Внутри и вне клина бетон не разрушен.

В этой связи критерий усталостного разрушения бетона при местном циклическом сжатии можно представить в виде , где - объективная (остаточная) прочность бетона в сжимающем силовом потоке при циклическом нагружении на момент времени ; - максимальные сжимающие напряжения цикла от внешней нагрузки на момент времени .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таким образом, в результате давления клиньев на окружающий бетон и «заклинивания» окружающего бетона между вершинами клиньев возникает напряженное состояние «растяжение - сжатие», внутри клина - «сжатие - сжатие», а вдоль граней клиньев - реализуется условие чистого сдвига. При этом с одной стороны, вплоть до усталостного разрушения все составляющие напряженного состояния остаются меньше расчетных сопротивлений бетона при однократном статическом нагружении, т.е. ;; , а с другой стороны даже при внешней стационарной циклической нагрузке () напряженное состояние и в бетонных и в железобетонных элементах нестационарное, т.е. при многократно повторяющихся нагружениях происходит непрерывное изменение напряженно-деформированного состояния элементов внутри сжимающего силового потока, образованного между площадками загружения. Причиной этого является интенсивное развитие деформаций виброползучести в сжатом бетоне вдоль оси сжимающего силового потока.

На основе кинематической модели сжатия С.М.Крылова, Л.Н.Зайцева, И.С.Ульбиевой модель деформирования бетона при местном сжатии многократно повторяющейся нагрузкой можно представить как на рис. 2. Согласно этой модели, в результате интенсивного развития деформаций виброползучести сжатого бетона происходит перемещение клиньев уплотнения в вертикальном направлении на величину (1)

При вертикальном перемещении клина вдоль оси сжимающего силового потока на величину поперечное перемещение в бетоне в средней зоне составляет

, (2)

а сдвиг бетона вдоль граней клиньев уплотнения -

. (3)

Поперечное перемещение в средней зоне вызывает возникновение дополнительных растягивающих напряжений в бетоне, а сдвиг вдоль граней клиньев - дополнительных касательных напряжений в бетоне. С увеличением количества циклов нагружения возрастают деформации виброползучести бетона, в свою очередь, они вызывают увеличение остаточных растягивающих напряжений в бетоне и остаточных касательных напряжений в бетоне. При этом эти дополнительные (остаточные) напряжения и распределяются достаточно равномерно. Остаточные напряжения и имеют тот же знак, что и начальные напряжения и при первом нагружении до максимального уровня циклической нагрузки . При совместном рассмотрении эпюр распределения начальных и дополнительных напряжений становится очевидным, что суммарные напряжения и с увеличением количества циклов N, постоянно увеличиваются. При этом очевидно, что происходит увеличение как максимальных значений напряжений и так и полноты эпюр распределения этих напряжений. Увеличение напряжений происходит как при минимуме, так и при максимуме внешней нагрузки поэтому фактические коэффициенты асимметрии цикла напряжений в бетоне и не совпадают с коэффициентом асимметрии цикла внешней нагрузки . По мере увеличения количества циклов нагружения всегда и . Поэтому даже при стационарном внешнем циклическом нагружении (), с увеличением количества циклов нагружения, происходит непрерывное увеличение максимальных раскалывающих и касательных напряжений и в бетоне и их коэффициентов асимметрии цикла и , т.е. режимы деформирования бетонного элемента при местном сжатии в направлениях действия напряжений и нестационарны, независимо от режима циклического нагружения.

В этой связи, на основе модели раскалывания И.А.Рохлина и модели раскалывания А.С.Залесова, В.Н.Сахарова, А.В.Старчевского и с учетом (1) - (3) и рис. 2 распределение текущих напряжений при многократно повторяющихся нагрузках для бетонных элементов с размерами и представляем как на Рис.3, на основе модели сжатия Б.С.Соколова распределение текущих напряжений при

Размещено на http://www.allbest.ru/

многократно повторяющихся нагрузках для бетонных элементов с размерами и представляем как на Рис.4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Как видно из анализа напряженно-деформированного состояния плоских элементов при местном циклическом сжатии, механизма работы и усталостного разрушения элемента, вертикальному перемещению клиньев уплотнения оказывает сопротивление окружающий бетон и в связи с этим в них возникают определенные усилия. Поскольку после образования продольных микротрещин усталости дальнейшее сопротивление бетона разрушению зависит от способности бетона сопротивляться развитию усталостных микро- и макротрещин, то для аналитического описания процесса усталостного разрушения и изменения усталостной прочности бетона привлекаются методы механики разрушения. При этом для оценки объективной (остаточной) прочности при циклическом нагружении (предела выносливости) бетонного элемента при местном сжатии необходимо составить условия равновесия усилий для сжатого элемента на момент времени : для бетонного элемента с размерами и (рис. 3) условия равновесия вертикальных и горизонтальных усилий для полуклина АВО, условие равновесия горизонтальных усилий для вертикального сечения ОО; а в элементах с размерами и (рис. 4) в результате давления клиньев уплотнения как твердого тела на окружающий бетон возникают также сжимающие напряжения , а следовательно в ядре сжатия действует сжимающее усилие в бетоне , которое учитываем при составлении предыдущих условий равновесия. Учитывая, что распределение максимальных текущих напряжений ; и в процессе циклического нагружения является равномерными и учитывая геометрические размеры моделей сжатия после несложных преобразований имеем аналитическое уравнение объективной (остаточной) прочности бетона в сжимающем силовом потоке при циклическом нагружении на рассматриваемый момент времени

, (4)

где и - для бетонных элементов с размерами и , а также для бетонных элементов с размерами ; и - для бетонных элементов с размерами и ; - длина растянутой зоны;

, ,.

Как видно из (4), предел выносливости (объективная усталостная прочность) бетона при местном циклическом сжатии зависит от критического коэффициента интенсивности напряжений бетона при циклическом нагружении на рассматриваемый момент времени , от длины усталостной трещины отрыва внутри сжимающего силового потока на рассматриваемый момент времени и деформативных свойств бетона, а также зависит от угла внутреннего сдвига бетона , соотношения размеров элемента и соотношения ширины грузовых площадок и высоты элемента . Таким образом, поскольку критический коэффициент интенсивности напряжений бетона при циклическом нагружении и длина усталостной трещины отрыва внутри сжимающего силового потока уменьшаются, а неупругие деформации бетона с увеличением количества циклов нагружения увеличиваются, то объективная прочность бетона имеет переменную величину.

Наличие арматуры отражается на характере развития трещин отрыва, на характере работы и усталостного разрушения сжатой полосы, а следовательно и на величине объективной прочности при местном циклическом сжатии.

В результате совместной работы арматуры и бетона многократно повторяющееся нагружение вследствие виброползучести сжатого бетона приводит к возникновению и накапливанию в арматуре дополнительных (остаточных) напряжений. Накопление остаточных напряжений в бетоне и арматуре, совпадающих по знаку с начальными напряжениями, приводит к увеличению текущих напряжений в бетоне и арматуре и их коэффициентов асимметрии цикла. Даже при стационарном внешнем циклическом нагружении (), с увеличением количества циклов нагружения, происходит непрерывное увеличение максимальных напряжений и их коэффициентов асимметрии цикла в вертикальной сжатой арматуре , максимальных напряжений и их коэффициентов асимметрии цикла в горизонтальной арматуре , находящейся в средней зоне между вершинами клиньев уплотнения, а также максимальных касательных напряжений и их коэффициентов асимметрии в бетоне вдоль граней клиньев уплотнения и нагельных усилий в горизонтальной арматуре , пересекающих плоскости сдвига вдоль граней объемов уплотнения и максимальных касательных напряженийв них и их коэффициентов асимметрии, т.е. режимы деформирования арматуры и бетона в составе железобетонного элемента при местном сжатии нестационарны, независимо от режима циклического нагружения.