Розрахунок залізобетонних конструкцій та споруд з урахуванням нелінійності їх взаємодії з основою

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. У зв'язку з інтенсивним освоєнням підземного простору великих міст і промислових комплексів обсяги будівництва заглиблених залізобетонних споруд в нашій країні і за кордоном істотно зростають.

Насосні станції, колектори і комунікаційні тунелі, підземні гаражі і технічні підвали, підпірні стіни і шпунтові огорожі, фундаменти установок безперервного розливання сталі і полегшені фундаменти під обладнання - ось лише неповний перелік сучасних підземних інженерних споруд і споруд промислових підприємств.

Різноманітність типів заглиблених, в основному, залізобетонних, споруд, видів грунтів і силових впливів настільки велика, що далеко не всі проблеми розрахунку і проектування цих конструкцій вирішені сьогодні на належному рівні. Крім того, в останні роки з'явилися вдосконалені технології будівництва підземних конструкцій і споруд із застосуванням тиксотропної сорочки і антифрикційних покрить, електроосмосу, підрощування, продавлювання і т.п.

Існуючі методи розрахунку і діючі нормативні документи містять ряд наближених положень, які в одних випадках приводять до перевитрати матеріалів, а в інших - до переоцінки несучої здатності конструкцій, що може провокувати аварійні ситуації. У нормах строго не відображено реальну взаємодію споруд з грунтовим масивом. Наприклад, не враховується, що контактний тиск, що передається на підземні конструкції, трансформується в процесі навантаження, оскільки нелінійно залежить від характеру деформування споруд і інтенсивності зовнішніх навантажень.

Вказані обставини обумовлюють необхідність проведення комплексних теоретичних і експериментальних досліджень для створення нових науково обгрунтованих методів розрахунку конструкцій і споруд, взаємодіючих з основою.

Мета роботи полягає в створенні і впровадженні ефективних залізобетонних конструкцій і споруд, взаємодіючих з основою, розробці відповідних нелінійних моделей систем "основа - споруда" і реалізуючих їх методів розрахунку.

Задачі досліджень:

експериментальне вивчення в натурних і лабораторних умовах взаємодії залізобетонних конструкцій з основою: плитно-стоякових технічних поверхів і фундаментів обладнання, горизонтально навантажених паль і пальових ростверків, опускних колодязів, тунелів та інш.;

створення моделей основи з близькою до натурних умов розподільною здатністю;

встановлення закономірностей нелінійного розподілу горизонтального тиску грунтового середовища на конструкції підземних споруд за наявності місцевих навантажень на поверхні;

розробка методів розрахунку заглиблених залізобетонних конструкцій і споруд за різних режимів навантаження з урахуванням нелінійного деформування бетону і грунту, а також нелінійності взаємодії конструкцій з основою;

створення нових ефективних конструкцій залізобетонних підземних споруд;

проведення натурних і теоретичних досліджень розподілу тимчасових технологічних навантажень на перекриттях технічних поверхів і підвалів;

встановлення впливу технології будівництва залізобетонних підземних споруд на розподіл зусиль їх взаємодії з навколишнім масивом;

розробка і впровадження в нормативно-інструктивні документи практичних методів розрахунку заглиблених залізобетонних конструкцій і споруд: підпірних стін, підвалів, тунелів, колодязів, що споруджуються підрощуванням і опускним способом, горизонтально навантажених паль та інш.;

впровадження результатів роботи в практику проектування, будівництва і реконструкції.

Об'єкт дослідження - заглиблені залізобетонні конструкції і споруди промислових підприємств і цивільного будівництва.

Предметом дослідження є напружено-деформований стан (НДС) конструктивних елементів споруд, його оцінка з урахуванням особливостей їх нелінійної взаємодії з основою на стадіях будівництва та експлуатації.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження засновані на аналітичних та чисельних методах теорії пружності, нелінійної теорії залізобетону і теорії граничної рівноваги сипучого середовища; на розроблених методах рішення диференційних рівнянь вигину залізобетонних елементів, що враховують фізичну нелінійність залізобетону і основи; на використанні програмних комплексів "Ліра" та інш. Експериментальні, в тому числі, натурні дослідження базуються на використанні спеціально створених установок, навантажувальних пристроїв і сучасної вимірювальної апаратури, з обробкою результатів методами математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів:

запропоновано модель шару кінцевої ширини, що лінійно деформується, і створені моделі основи обмеженої розподільної здатності (а.с.1141159; 1270611);

знайдено нелінійний зв'язок між горизонтальним тиском грунтового масиву на підземні споруди, інтенсивністю місцевого навантаження на поверхні і шириною площадки навантаження; встановлено наявність чотирьох характерних зон активного тиску грунту за висотою захисних конструкцій;

створено новий метод визначення еквівалентних технологічних навантажень на перекриття технічних поверхів і підвалів, що враховує прийняте конструктивне рішення споруди і найневигідніше угрупування обладнання і матеріалів, що складуються;

розроблено методику розрахунку технічних поверхів як системи "основа - фундамент - надфундаментна будівля" з урахуванням запропонованих моделей основи і здійснено її експериментальну перевірку на великомасштабних залізобетонних плитно-стоякових конструкціях;

запропоновано метод "фіктивних початкових параметрів", що дозволив створити методики розрахунку залізобетонних горизонтально навантажених паль і пальових ростверків, технічних підвалів, тунелів, анкерних паль і т.п., що враховують тріщиноутворення і нелінійність деформування бетону і грунтового масиву;

розроблено методику розрахунку міцності залізобетонних згинальних елементів, в тому числі горизонтально навантажених паль, по похилих перерізах; запропоновано залежність, яка дає достовірні значення поперечної сили, що сприймається бетоном, за будь-яких величин проекції похилої тріщини;

запропоновано новий спосіб алгебраїзації нелінійних реологічних рівнянь теорії повзучості бетону і грунту;

експериментально доведено можливість застосування рівнянь теорії повзучості до опису деформацій основи при багаторазовому статичному навантаженні; отримано рішення для опису НДС горизонтально навантажених залізобетонних паль при циклічних впливах;

встановлено, що при одночасному прояві повзучості матеріалів конструкції та основи існує "критичний час навантаження", при якому може виникнути несприятливий саме для конструкції розподіл внутрішніх зусиль;

отримано закономірності взаємодії підземних споруд з основою, що враховують особливості технології їх зведення та експлуатації;

розроблено нові патентозахищені конструктивні рішення опускних споруд (а.с.1201412; 1222762; 1265248; 1395768; 1599476 та інш.), тунелів (а.с.1057629), стиків збірних залізобетонних панелей клодязів (а.с.996659), підпірних стін (а.с.1303672; 1571141 та інш.), фундаментів обладнання (а.с.1465494; 1738169 та інш.).

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що розроблені методи розрахунку, які дозволяють враховувати близьку до реальних умов взаємодію конструкцій і споруд з грунтовою основою, встановлювати достовірні значення тимчасових технологічних навантажень і прогнозувати деформації і зусилля при тривалій дії постійних і змінних навантажень, відкривають можливість раціонального проектування підземних залізобетонних конструкцій і споруд.

Основні результати, отримані в роботі, використано при створенні наступних нормативних документів, одним з розробників яких є автор цієї дисертації: СНиП 2.09.03-85 "Сооружения промышленных предприятий"; СНиП 2.02.03-85 "Свайные фундаменты"; "Руководство по проектированию свайных фундаментов"; ВСН 1-83/МЧМ СССР "Нормы определения временных технологических нагрузок на перекрытия подвалов, технических этажей и междуэтажные перекрытия производственных зданий металлургических производств"; Руководство по проектированию фундаментов оборудования и сооружений подземного хозяйства прокатных и трубных цехов; Рекомендации по проектированию фундаментов под технологическое оборудование, возводимых в условиях реконструкции; Рекомендации по расчету свай на горизонтальную нагрузку в связных и несвязных грунтах с учетом образования зоны предельного равновесия; Рекомендации по расчету свай на горизонтальные нагрузки в просадочных грунтах; Рекомендации по проектированию подпорных стен, подвергающихся воздействию высоких температур; Рекомендации по проектированию опускных колодцев с учетом особенностей конструктивных решений и нагрузок, определяемых условиями реконструкции; Рекомендации по проектированию тоннелей мелкого заложения, возводимых методом продавливания; Рекомендации по усилению железобетонных конструкций зданий и сооружений реконструируемых предприятий; Методические рекомендации по проектированию свайных опор под технологические трубопроводы; Методические рекомендации по проектированию в условиях реконструкции заглубленных сооружений, возводимых способом подращивания; Пособие по проектированию "Расчет плит с прямоугольными отверстиями".

Особистий внесок здобувача.

- розроблено модель грунтового середовища у вигляді шару кінцевої ширини, що лінійно деформується, і показано, що ширина шару, як і його товщина, нелінійно залежить від інтенсивності зовнішнього навантаження і розмірів площадки навантаження; запропоновано нові моделі основи обмеженої розподільної здатності, що дозволяють враховувати неоднорідність грунтового нашарування;

- знайдено закономірності розподілу горизонтального тиску грунту на підпірні стіни та інші підземні конструкції, і доведено неправомірність принципу незалежності дії місцевого навантаження на поверхні, ваги грунту і зчеплення, що традиційно використовується;

- створено спеціальні дослідні установки і проведено експериментальні дослідження характеру роботи залізобетонних конструкцій, взаємодіючих з основою;

- створено нові ефективні конструкції підземних споруд, що занурюються при будівництві і реконструкції способами опускного колодязя, підрощування, продавлювання, стіна в грунті та інш.;

- розроблено методики розрахунку технічних підвалів, тунелів, горизонтально навантажених залізобетонних паль, опускних споруд та інше з урахуванням нелінійної взаємодії їх з основою;

- запропоновано методи рішення диференційних рівнянь із змінними коефіцієнтами і систем алгебраїчних рівнянь із стрічковими матрицями, що спрощують розрахунок залізобетонних конструкцій, взаємодіючих з основою, що нелінійно деформується;

- створено диференційований метод визначення еквівалентних технологічних навантажень на конструктивні елементи технічних поверхів і підвалів; проведено тривалі спостереження за реальним розподілом технологічних навантажень на підприємствах металургійної та автотракторної промисловості;

- встановлено взаємозв'язок навантажень, що передаються через грунт на залізобетонні конструкції, з технологією зведення підземних споруд;

- запропоновано чотирьохпараметровий зв'язок між поперечною силою, що сприймається бетоном залізобетонних елементів, що згинаються, і величиною проекції похилої тріщини;

- отримано нові форми алгебраїчного запису реологічних рівнянь деформування матеріалів при тривалому їх навантаженні, в тому числі зусиллями, що циклічно повторюються;

- розроблено ряд нормативно-інструктивних документів;

1. Стан проблеми

Рішенню різноманітних задач взаємодії конструкцій і споруд з основою присвячено значне число досліджень вітчизняних і зарубіжних вчених: В.А. Баженова, І.П. Бойка, Є. Вінклера, Л.П. Винокурова, В.З. Власова, М.І. Горбунова-Посадова, М.Н. Гольдштейна, О.С. Григор'єва, Г.Д. Дутова, К.Є. Єгорова, Б.М. Жемочкіна, С.М. Клепикова, П.О. Коновалова, О.М. Крилова, М.М. Леонтьєва, Т.О. Малікової, І.В. Матвеєва, П.Л. Пастернака, О.О. Петракова, І.К., Самаріна, О.П., Синицина, Є.А. Сорочана, О.Н.Тетіора, М.М. Філоненко-Бородича, К. Хаясі, В.Б. Швеця, О.Я. Шехтер та інш.

У роботі проаналізовано однопараметрові, двопараметрові і комбіновані моделі основи. При цьому показано, що більшість моделей є чисто контактними і не дають можливості виявити НДС основи. Цими можливостями володіють лише моделі безперервного середовища: напівпростір, півплощина і шар кінцевої товщини. Однак питання про розподіл горизонтального тиску на підземні споруди та захисні конструкції і до цього часу залишається невирішеним. Це привело до того, що для багатьох підземних споруд не розроблено обгрунтовані методи їх розрахунку.

Теорія розрахунку заглиблених у грунт споруд пройшла в своєму розвитку декілька принципово відмінних етапів. Якщо перші розрахункові схеми розглядали грунтовий масив тільки як навантаження, то сучасні методи враховують жорсткісні властивості грунту, що стримує деформації споруд при навантаженні.

Встановлено, що горизонтальний тиск на підпірні стіни і підземні споруди залежить від напряму деформування конструкцій. Рядом вчених виявлено також ефект загасання тиску грунту по глибині споруд обмежених розмірів, що дозволяє істотно знизити вагу опускних колодязів. Однак при наявності на поверхні місцевих розподілених навантажень задача визначення тиску грунту на підземні споруди надзвичайно ускладнюється, що вимагає нових, ефективних підходів до її рішення.

В останні роки намітилася тенденція переходу на пальові фундаменти для широкого класу споруд, у тому числі і для випадків їх роботи на горизонтальні впливи. Значний внесок в дослідження цих конструкцій внесли вітчизняні і зарубіжні вчені: Р. Бенержі, М.І. Горбунов-Посадов, К.С. Заврієв, М.Л. Зоценко, А.С. Кананян, О.В. Карасьов, Б. Клосинські, Л.Ш. Лундін, М.С. Метелюк, В.В. Миронов, А.А. Мустафаєв, Г. Поулос, Д.А. Романов, Р. Содж, О.С. Строганов, В. Селліван, І.В. Урбан, В.Б. Швець, Г.Ф. Шишко, Г.С. Шпіро та інш. Перші дослідники розглядали грунт як пружне середовище, що не дозволило встановити реальну деформативність і несучу здатність горизонтально навантажених паль. Однак подальші дослідження виявили необхідність урахування пружно-пластичних властивостей основи, що приводять до утворення зони граничної рівноваги грунту поблизу поверхні. Встановлено також істотний вплив на деформативність і несучу здатність паль циклічних горизонтальних навантажень. Однак теоретичні дослідження цієї проблеми практично відсутні.

У зв'язку з тим, що в роботі досліджуються залізобетонні конструкції, особливу увагу було приділено проблемі перерозподілу зусиль, що викликаються тріщиноутворенням, нелінійністю деформування і повзучістю бетону. Проаналізовано сучасні підходи до урахування перелічених чинників, запропоновані М.М. Акуленком, В.М. Бондаренком, Є. Гіуріані, О.О. Диховичним, М.І. Карпенком, С.М. Клепиковим, М.С. Метелюком, Я.М. Немировським, Е.А. Неустроєвим, Е.Д. Чихладзе, О.Л. Шагіним та інш., що дозволяють отримати зв'язок між жорсткістю елемента, що згинається, і діючим моментом. Крім того, дано аналіз основних результатів експериментальних досліджень роботи залізобетонних фундаментів, що виявили істотний вплив тріщиноутворення на трансформацію епюри контактного тиску.

Проведений аналіз дозволив виявити ряд процесів, що впливають істотним чином на нелінійність взаємодії заглиблених споруд з основою, однак, залишаються мало дослідженими:

зміна з часом зусиль в залізобетонних конструкціях і відпору основи внаслідок різних швидкостей натікання повзучості в бетоні і грунті;

нелінійний зв'язок горизонтального тиску грунту з інтенсивністю місцевого навантаження на поверхні основи, викликаний обмеженістю площадки навантаження або обмеженістю розмірів споруди в плані;

нелінійна зміна деформацій і контактних напружень в процесі навантаження конструкцій за рахунок збільшення глибини товщі, що стискається;

Внаслідок виконаного аналізу визначено і сформульовано основні задачі дисертаційної роботи, пов'язані з урахуванням нелінійності взаємодії залізобетонних конструкцій і споруд з основою. При цьому під нелінійністю взаємодії вважають: залежність глибини і ширини шару, що деформується, від інтенсивності зовнішнього навантаження і розмірів площадки навантаження; неможливість застосування принципу незалежності дії навантаження, ваги грунту і зчеплення; залежність зусиль взаємодії підземних споруд з грунтом від співвідношення ширини і глибини споруд, особливо при вузьких конструкціях.

2. Теоретичні дослідження запропонованих у справжній роботі моделей основи, взаємодіючої з надземними і підземними спорудами, реакція якої є впливом на конструкції

У разі плоскої задачі грунтовий масив моделюється шаром кінцевої ширини, що лінійно деформується, з`єднаним податливими зв'язками з навколишнім масивом. На основі проведених натурних досліджень приймається лінійний закон зміни жорсткості зв'язків по глибині шару:

Сz = С0 + Кz. (1)

Змішана задача теорії пружності вирішується для умов плоскої деформації. Встановлено, що для реальних грунтів вертикальна межа шару може вважатися такою, що не зміщується в горизонтальному напрямі, а співвідношення l/h для фундаментів шириною менше за 2а Ј 20 м знаходиться в діапазоні 1 Ј l/h Ј 2. Тоді нормальні відносні напруги , та осадки шару Sx можуть бути представлені у вигляді:

(2)

де ; ; ; ;

; (3)

; (4)

(5)

Де: - нова спеціальна функція (рис.2), що виражається через інтеграли Клаузена Cl2.

Встановлено, що ширина шару, як і його товщина, нелінійно залежить від розмірів вантажньої площадки та інтенсивності зовнішнього навантаження. Показано, що при вузьких площадках навантаження отримане рішення повністю співпадає з відомим рішенням задачі Мітчела. При широких же площадках рішення (2) дає іншу картину НДС шару, що відображає реальні граничні умови.

Для рішення просторових контактних задач запропоновано дискретні моделі основи обмеженої розподільної здатності (а.с. 1141159; 1270611 ), що дозволяють моделювати реальну неоднорідність грунтів по глибині і простяганню, а також близьку до реальної розподільну здатність основи. Отримана при цьому залежність для визначення переміщень точок поверхні основи відрізняється простотою. Наприклад, для п`ятиярусної плоскої моделі із змінною по глибині жорсткістю ярусів Сi при дії зосередженого навантаження Р на поверхні отримано:

(6)

Залежності для переміщень поверхні моделі з меншим числом ярусів n Ј 5 виходять з формул (6) при підстановці в них Сn+1=Ґ. Одноярусна модель перетворюється в модель Вінклера. Ширина зони деформування поверхні основи r0 за межами вантажної площадки не залежить в цій моделі від характеру зовнішнього навантаження і визначається кількістю ярусів n і кроком податливих елементів стиснення l:

r0 = ln.

У розділі розглянуто різні варіанти використання дискретної моделі при взаємному впливі близько розташованих споруд, будівель і фундаментів, а також при визначенні деформацій неоднорідних основ великих промислових комплексів. Спрощення рішення багатьох задач досягається за рахунок представлення рішення у вигляді систем алгебраїчних рівнянь зі стрічковими матрицями.

3. Закономірності нелінійної взаємодії конструкцій підпірних стін з основою при наявності місцевих навантажень на поверхні

Активний тиск досліджується з позицій теорії Кулона. При завантаженні масиву місцевим розподіленим навантаженням площини сповзання можуть перетинати денну поверхню на трьох ділянках: між стінкою і навантаженням q, в межах навантаження q і за межами місцевого навантаження. Тому в загальному випадку існує три варіанти умов рівноваги призм сповзання:

де

Тому що є монотонно зростаючою функцією, то найневигідніший кут нахилу площин сповзання qо є перемінним по глибині, і принцип незалежності дії власної ваги грунту g , зчеплення с і місцевого навантаження q в даному випадку неприйнятний.

Встановлено, що всі можливі площини сповзання розділяють підпірну стінку по висоті на чотири характерні зони, для кожної з яких встановлені кордони та закономірності змін горизонтального тиску. Крім того, встановлено існування "нульової зони", в якій площини сповзання не утворюються, а також зони, всі площини сповзання якої сходяться на зовнішньому краю площадки навантаження. Уперше отримане строге рішення для розподілу активного тиску по висоті стінки:

Зона 2: ; (7)

Зона 3:

; (8)

Зона 4: ; (9)

де: ; .

Встановлено також наявність трьох характерних зон у разі дії зосередженого навантаження і отримано рішення для розподілу активного тиску в цих зонах.

Для визначення горизонтального тиску стану спокою використовується принцип Г.І. Глушкова та Г.К. Клейна, згідно з яким місцеве навантаження симетрично розташовується відносно вертикальної осі нерухомої стінки. У загальному випадку розташування місцевого навантаження, розподіленого на площадці шириною b і віддаленої від стінки на відстані а, на основі залежності (2) для запропонованої моделі шару кінцевої ширини отримано:

(10)

4. Розрахунок технічних поверхів і встановлення еквівалентних технологічних навантажень на конструктивні елементи поверхів і підвалів. Закономірності найневигіднішого розподілу тимчасових навантажень на ригелі, колони, стіни

За запропонованою методикою технологічне завдання повинно бути представлене у вигляді графіка розподілу навантаження від згрупованого обладнання, що дає зв'язок між інтенсивністю тимчасового навантаження і площею, що займається нею, що дозволяє встановлювати еквівалентні розподілені навантаження qэ в залежності від прийнятого конструктивного рішення поверху або підвалу.

Для оцінки методики і встановлення фактичних запасів несучої здатності реальних конструкцій технічних поверхів і підвалів було проведене обстеження 30 прокатних станів на 11 металургійних заводах і декількох ливарних цехів на заводах автотракторної промисловості. Було підтверджено, що конструктивні елементи, підтримуючі великі вантажні площі (ригелі, колони, фундаменти), мають найбільші резерви несучої здатності, оскільки не мають того максимального навантаження, на яке розраховані за традиційною методикою. Розроблений метод дозволяє при нормуванні тимчасових технологічних навантажень отримувати систему понижувальних коефіцієнтів на різні конструктивні елементи технічних поверхів і підвалів.

Сучасні технічні поверхи і прилеглі до них групові фундаменти під технологічне обладнання мають конструктивне рішення у вигляді залізобетонної плити, що опирається на залізобетонні колони, які встановлюються або на окремо стоячі фундаменти, або на загальну плиту. Існуючий у проектній практиці метод розрахунку таких систем, як окремих поверхів, є вельми грубим наближенням до дійсності, а в ряді випадків приводить до абсолютно невірних результатів. Це підтверджено проведеними теоретичними і експериментальними дослідженнями вказаних конструкцій як систем "основа - фундамент - надфундаментна будівля". Розрахунок виконано за узагальненою розрахунковою схемою, що враховує всі можливі конструктивні рішення і види основ, представлені запропонованими в розділі 2 моделями.

Замінивши колони зусиллями, що передаються ними на плити, і розглянувши рівновагу конструкції, приходимо до системи рівнянь вигляду:

 (11)

Де Dв, Dн - циліндрична жорсткість верхньої і нижньої плит; Rx, Ry, Мкр - зусилля, що передаються від колон на верхню плиту; Рх, Ру, Мzр - горизонтальні зовнішні навантаження на верхню плиту; qв, qн - розподілене навантаження на плити з урахуванням зусиль, що передаються на них колонами.

Оскільки ми маємо справу з дискретними зв'язками, складними граничними умовами, а також можливими отворами у верхній плиті, рішення задачі зроблене варіаційно-різницевим методом з урахуванням результатів експериментально-теоретичних досліджень плит з прямокутними отворами, проведеними нами раніше спільно з Д.В. Вайнбергом, О.Л. Синявським, Е.Ю. Малим та інш.

Випробування плитно-стоякових поверхів проводилися на велико- масштабних залізобетонних моделях, що складаються з плит 2,66 м 2,66 м різної товщини, зчленованих 16 стояками висотою 1,5 м і 2,0 м, обіпертих на пружинну основу. Крім того, на основі розробленої програми розрахунку на ЕОМ "ФОМА" було проведено чисельний аналіз 49 варіантів технічних поверхів з різною кількістю прогінів, співвідношень товщини верхньої і нижньої плит і схем розташування смугового навантаження на перекритті.

5. Методика розрахунку технічних підвалів і тунелів, що враховує перерозподіл зусиль, що викликається трансформацією епюри тиску грунту при деформуванні підземної споруди від зовнішніх навантажень на поверхні, а також тріщиноутворенням в окремих конструктивних елементах споруд

Найбільші труднощі пов'язано з розрахунком підвалів при однобічному завантаженні. Чисельний аналіз роботи нормальних сил на контурі прямокутного вирізу в пружній півплощині дозволив обгрунтувати розрахункову гіпотезу про незалежність деформаційних параметрів грунтового середовища від співвідношення розмірів котловану. Засипка моделюється Вінклеровою основою з коефіцієнтом постелі, що лінійно зростає по глибині. Прийнято, що збоку дії тимчасового технологічного навантаження реалізується активний Кулонівський тиск, а тиск засипки на стінку, що зміщується у бік грунту, змінюється від тиску стану спокою до пасивного тиску пропорційно горизонтальному зміщенню стінки. Цю передумову обгрунтовано тим, що активний тиск реалізується при деформаціях, що складають частки сантиметра, а пасивний тиск - при зміщеннях 2-5 см.

Для оцінки впливу трішиноутворення і нелінійності деформування бетону в стінах і стояках підвалу використовується безперервний зв'язок між жорсткістю В залізобетонного елементу і згинальним моментом М у вигляді:

. (12)

Спрощення рішення цієї складної нелінійної задачі досягнуто за рахунок заміни зосереджених тимчасових навантажень еквівалентними, рівномірно розпо -діленими, а також прийняття одного члена формули (12). Вказане дозволило отри- мати аналітичні вирази для горизонтальних переміщень стояків та стін підвалу, і застосувати до розрахунку конструкції метод сил.

При розрахунку тунелів задача ускладнюється, оскільки на роботу споруди суттєво впливають не тільки горизонтальні навантаження на стіни, але і вертикальні навантаження на перекриття, що викликають вигин днища, і, як наслідок, стінового огородження.

Основу під днищем представлено Вінклеровою моделлю із змінним коефіцієнтом постелі:

, (13)

причому параметри r, n та Сср визначаються з використанням отриманого рішення (2) і залежать від співвідношення глибини шару і ширини днища. У зв'язку з тим, що із зростанням вертикального навантаження зростає глибина товщі, що стискається під днищем, цей процес впливає додатковим чином на нелінійність взаємодії тунелів з грунтом. Представляємо відпір основи у вигляді:

, (14)

де l - напівширина днища; x= х/l; N, M - зусилля, передані від с тін на днище.

Застосовуючи інтегральний метод Л.П. Винокурова, знаходимо невідомі параметри а і b, а потім і переміщення всіх точок контакту днища з основою.

Зв'язок стін тунелю з грунтовим масивом моделюється Вінклеровою основою з трапецієподібним розподілом коефіцієнту постелі по глибині. Горизонтальні переміщення стін знаходяться з використанням запропонованого в роботі методу "фіктивних початкових параметрів", що дозволило розробити табличний спосіб розрахунку тунелів з різним заглибленням їх у грунт і різним розташуванням тимчасового навантаження на поверхні.

6. Теоретичні та експериментальні дослідження роботи залізобетонних пальових конструкцій при горизонтальному навантаженні

Встановлено стадії НДС систем "паля - грунт" у процесі зростання навантаження, що характеризуються утворенням зони граничної рівноваги грунту верхньої області і шарнірів пластичності в стовбурі палі, що приводить до перетворення конструкцій пальових фундаментів в геометрично змінні системи.

У загальному випадку зв'язних і незв'язних грунтів пружна зона масиву моделюється Вінклеровою основою з трапецієподібним розподілом коефіцієнту постелі, а в зоні граничної рівноваги приймається трапецієподібний закон опору грунту по глибині палі.

Для рішення диференційного рівняння вигину залізобетонної палі на основі з трапецієподібною формою коефіцієнту пропорційності також використано розроблений "метод фіктивних початкових параметрів".

Суть методу полягає в тому, що паля і епюра Сz продовжуються до фіктивної точки О ф , в якій Сz = 0. Потім на фіктивному кінці палі прикладаються фіктивні початкові параметри, що визначаються умовами задоволення в фіктивній палі граничних умов дійсної палі. Метод може бути застосований і для будь-якого криволінійного закону Сz.

Після визначення величин фіктивних початкових параметрів розрахунок паль ведеться з використанням рівнянь І.В. Урбана, у які замість у0, j0, Q0 и М0 , підставляються значення у0ф, j0ф, Q0ф та М0ф, а початок координат приймається в точці Оф.

Розроблено двостадійну нелінійну методику розрахунку одиночних паль і паль, затиснутих у ростверк. Глибину зони граничної рівноваги грунту визначено з умови рівності контактного тиску на межі пружної і непружної зон.

Ця методика дозволяє виявити граничний стан горизонтально навантажених залізобетонних паль і знайти граничне допустиме навантаження на палі за умовою міцності. Теоретично обгрунтоване збільшення несучої здатності затиснутих у ростверк паль, приблизно в півтори рази, що спостерігається в натурі, в той час як традиційно вважається, що несуча здатність паль у ростверку нижча, ніж одиночної палі.

Проведено експериментальну перевірку розробленої методики в різних грунтових умовах на стандартних і модельних залізобетонних і металевих палях. Випробування проводилися на декількох площадках Харківської, Полтавської і Ростовської областей. При цьому особливу увагу було приділено просадним грунтам, що широко розповсюджені на території України.

Всі залізобетонні палі мали підвищене поздовжнє армування, що дозволило здійснити їх навантаження значними горизонтальними зусиллями (до 150 кН). У процесі навантаження залізобетонних і металевих паль, що випробовувалися, контролювалися не тільки горизонтальні переміщення по глибині конструкцій, але і напруження в арматурі і всередині стовбура, що дозволило експериментально встановити розподіл згинальних моментів і обгрунтувати вірність прийнятої розрахункової моделі.

Розроблено двостадійний табличний метод розрахунку, що враховує утворення зони граничної рівноваги грунту. При цьому застосовано створену програму розрахунку на ЕОМ "РАСГОН". Цей метод широко використано в реальному проектуванні збірних залізобетонних паль, шпунтів і конструкцій буронабивних паль великого діаметру (рис. 8).

Для урахування тріщиноутворення запропоновано залежність для зон з тріщинами:

, (15)

отриману на основі результатів досліджень Е.А. Неустроєва. Складено таблиці констант для головних типів збірних залізобетонних паль різних коефіцієнтів армування і класу бетону. Використання залежності (15) дозволило отримати для зони з тріщинами рішення диференційного рівняння вигину палі у вигляді:

, (16)

де А1, В1, С1, D1 - функції І.В. Урбана.

Оскільки на межі зон момент початку тріщиноутворення М1 відомий, вдалося зробити зшивку цих зон без ітераційного процесу.

У зв'язку з тим, що при підвищеному поздовжньому армуванні палі здатні сприймати значні горизонтальні навантаження, стає актуальним розрахунок їхньої міцності по похилих перерізах. Тому стосовно до квадратних і прямокутних перерізів стрижневих залізобетонних елементів розроблено метод розрахунку на поперечну силу, в основу якого покладено умову, що поперечна сила Qb, що сприймається бетоном, змінюється від максимального кінцевого значення Qbmax при с®0 (с - довжина проекції похилої тріщини) до мінімального Qbmin при с®Ґ.

Для задоволення цих умов рівняння рівноваги сил при наявності найбільш небезпечної похилої тріщини с0 представлено у вигляді:

, (17)

де А, В, F, n - параметри, що визначаються з експерименту або з використанням діючих норм; с0= с0/h 0.

Рівняння (17) дозволило знайти теоретичні значення мінімальної проекції похилої тріщини с1 і максимальної поперечної сили, що сприймається перерізом:

, (18)

які співпали з експериментальними даними О.С.Залєсова і Ю.А.Климова.

При відсутності поздовжніх сил для важких і ніздрюватих бетонів отримано:

n = 3; А = 0,6; В = 0,75(- 0,6); F = 0,5 [0,25(+0,6)].

Дано графічну інтерпретацію запропонованої методики і її зіставлення з нормативною. Цей метод придатний для розрахунку бетонних і залізобетонних елементів.

7. Принципи розрахунку залізобетонних стрічкових фундаментів з урахуванням тріщиноутворення

Застосування залежності (15), використаної в розрахунках горизонтально навантажених паль, зручне у випадках, коли відомо заздалегідь положення ділянок конструкції з тріщинами і без тріщин. У загальних же випадках завантаження стрічкових фундаментів зробити це скрутно. Тому залежність (12) виявляється більш переважною. Обмежуючись m = 1, отримаємо початкове диференційне рівняння вигину залізобетонної балки з тріщинами на Вінклеровій основі змінної жорсткості К(х) у вигляді:

, (19)

де М0 - згинальний момент у балці без тріщин; Мg - додатковий момент, викликаний тріщиноутворенням;

. (20)

При цьому коефіцієнт a знаходиться з умови рівності жорсткостей В, які обчислюються по формулі (12) і по нормативній методиці при навантаженні М=(0,6…0,7)Мт.

Розрахунок ведеться варіаційно-різницевим методом і зводиться до рішення системи нелінійних алгебраїчних рівнянь. Рішення задачі здійснюється ітераційним методом. На першому етапі розрахунку приймається Мgi=0, а на подальших етапах Мgi приймається з попереднього обчислення. Число ітерацій практично не перевершує 3...4.

На кожному етапі ітерацій розв`язується система лінійних пў?ятичленних рівнянь. По методиці, запропонованій в розділі 2, кожне невідоме виражається через перші два невідомих:

Xi = AiX1 + BiX2 + Ci, (21)

де Ai, Bi, Ci - коефіцієнти, що обчислюються по рекурентних формулах.

При цьому система довільного порядку зводиться до системи двох рівнянь. У процесі послідовних наближень перераховуються тільки коефіцієнти Ci.

Методику розрахунку перевірено експериментально на великомасштабних залізобетонних конструкціях. Було створено спеціальну установку, що моделює основу з двобічними зв'язками (рис. 10). Для податливих зв'язків було використано сталеві стержні, що спираються на жорсткі опори. Варіювання діаметром стержнів, їх прогіном і кроком дозволило моделювати різні закони зміни коефіцієнту постелі по довжині залізобетонних балок.

У поперечному перерізі залізобетонні стрічки розглядалися як симетрично завантажені фундаменти. Відпір основи представлено у вигляді симетричних членів виразу (14), а тріщиноутворення враховане законом (12). Основа моделювалася шаром, що лінійно деформується, і напівпростіром.

З використанням розробленої методики розрахунку було проведено чисельні дослідження гнучких і жорстких залізобетонних стрічок, завантажених центральним зосередженим зусиллям Р, які показали, що тріщиноутворення фундаменту приводить до трансформації епюри контактного тиску і зниження максимальних згинальних моментів. Так, для гнучких стрічок отримано зниження максимальних моментів на 14 %, а для жорстких стрічок - більше за 30 %. При цьому епюра відпору під жорсткими залізобетонними фундаментами змінюється в процесі навантаження від сідловидної до параболічної, що експериментально підтверджено нашими дослідами і випробуваннями стрічок і плит в лотках, виконаними Ю.М. Мурзенком, Є.А. Сорочаном, С.Б. Шматковим та інш. Аналітично встановлено, що граничне навантаження на жорсткий залізобетонний стрічковий фундамент дорівнює Рпр=16Мт/3l, в той час як за нормативною методикою, що використовує прямокутну епюру відпору, вона виявляється на 33 % менше.

Висновки

1. Розроблено нову модель основи у вигляді шару кінцевої ширини, що лінійно деформується, з`єднаного з навколишнім масивом податливими зв'язками. Запропоновано багатоярусні дискретні моделі основи обмеженої розподільної здатності, що дають можливість враховувати неоднорідність грунту по глибині і простяганню, а також описувати близькі до реальних розподільні властивості грунтового масиву.

Отримано рішення для напружень і деформацій в кінцевому шарі, завантаженому смуговим розподіленим навантаженням, і доведено неправомірність використання для широких вантажних площадок існуючих методів, заснованих на інтегруванні фундаментальних рішень Фламана, Буссінеска і Маргерра. Отримано нову спеціальну функцію Lu (x,a) і функцію впливу FL(x,a), які дозволяють визначити осідання шару під навантаженням і за його межами. Встановлено нелінійний зв'язок між шириною вантажної площадки, інтенсивністю зовнішнього навантаження і глибиною товщі, що стискається.

2. Проведено дослідження закономірностей розподілу горизонтального тиску грунту на захисні конструкції підземних споруд і підпірні стінки. Встановлено, що у разі розміщення на поверхні місцевих навантажень задача стає нелінійною, і принцип незалежності дії власної ваги грунту, зчеплення і навантаження не застосовуємо. Тому визначення активного тиску грунту можливе тільки при одночасному урахуванні всіх видів впливів на конструкцію.

3. Розроблено метод розрахунку технічних поверхів та фундаментів обладнання і здійснено його експериментальну перевірку на великомасштабних залізобетонних моделях. При цьому враховано спільну роботу верхньої та нижньої фундаментних плит з залізібетонними колонами і грунтовою основою. Експериментально і чисельно доведено неправомірність використання в проектній практиці методу розрахунку подібних систем, як окремих поверхів.

4. Вивчено характер розподілу тимчасових технологічних навантажень на перекриттях технічних поверхів і підвалів шляхом натурних обстежень підприємств чорної металургії і автотракторної промисловості. Створено нову методику диференційованого визначення еквівалентних технологічних навантажень на конструктивні елементи технічних поверхів і підвалів на основі дослідження закономірностей найневигіднішого розподілення навантажень від згрупованого обладнання, матеріалів, транспорту і т.п.

5. Розроблено методи розрахунку залізобетонних технічних підвалів і тунелів мілкого закладення, що враховують трансформацію тиску грунту в процесі деформування конструкцій тимчасовими технологічними навантаженнями на поверхні, а також тріщиноутворення, нелінійность деформування грунту і спільну роботу усіх елементів споруди.

6. Створено новий метод розрахунку залізобетонних одиночних паль і паль у ростверку на дію горизонтальних навантажень. На основі проведення численних експериментів у різних грунтових умовах створено розрахункову модель системи "горизонтально навантажена паля - грунт", що дозволяє врахувати нелінійні властивості залізобетону та грунту та виявити стадії їх роботи в процесі зростання навантаження.

Запропоновано метод "фіктивних початкових параметрів" для розрахунку стрижневих конструкцій на Вінклеровій основі з трапецієподібним розподілом по глибині коефіцієнту пропорційності, що дозволив створити єдину нелінійну методику розрахунку паль у зв'язних і незв'язних грунтах з урахуванням наявності зони граничної рівноваги і нелінійних властивостей залізобетону.

7. Експериментально і теоретично досліджено вплив на роботу плитних, стрічкових і пальових залізобетонних фундаментів тріщиноутворення, повзучості, в тому числі, при силових впливах, що циклічно повторюються.

Урахування тріщиноутворення шляхом використання безперервного зв'язку між жорсткістю згинальних елементів і діючим моментом дозволяє в ряді випадків виключити процес послідовних наближень, що застосовується для лінеарізації задачі.

Запропоновано нові методи алгебраїзації нелінійних реологічних рівнянь, на основі яких отримано рішення для розрахунку залізобетонних балок і плит на пружно-повзучій основі. На підставі дослідження циклічних навантажень грунтів отримано фізичні рівняння для цього вигляду впливів, аналогічні на вигляд реологічним рівнянням теорії повзучості. Запропоновано алгебраїчну форму цих рівнянь, що дозволило розробити метод розрахунку багаторазово завантажених паль. Проведено експериментальну перевірку методу шляхом натурних випробувань у різних грунтових умовах, що підтвердило його прийнятність.

Встановлено, що при повзучості основи і бетону фундаменту, що протікають одночасно, існує "критичний час навантаження", при якому може встановитися несприятливий саме для конструкції розподіл контактних напружень і внутрішніх зусиль.

8. Запропоновано раціональну модифікацію методу розрахунку залізобетонних елементів, що вигинаються, в тому числі горизонтально навантажених паль, на міцність по похилих перерізах. При розробці методу використано чотирьохпараметровий зв'язок між поперечною силою, що сприймається бетоном, і довжиною проекції похилої тріщини. Створено єдину методику розрахунку бетонних і залізобетонних елементів, що згинаються, по похилому перерізу.

9. Досліджено вплив технології будівництва і стадій експлуатації на взаємодію залізобетонних підземних споруд з навколишнім грунтовим масивом.

Отримано рішення для розподілу тиску грунту і сил тертя по глибині опускних споруд обмежених розмірів у плані на стадіях занурення, спливання і нормальної експлуатації, а також уздовж залізобетонних тунелів та колекторів, що продавлюються.

10. На основі проведених досліджень розроблено нові ефективні конструктивні рішення залізобетонних опускних споруд, тунелів, підпірних стін, захисних конструкцій колодязів, фундаментів обладнання, технічних поверхів, підвалів та інш.

11. Результати роботи широко впроваджено у вітчизняній і зарубіжній практиці будівництва, типовому проектуванні, а також у ряді нормативних і інструктивних документів.

залізобетонний нелінійний підземний

Література

1. Лучковский И.Я. Взаимодействие конструкций с основанием. - Х.:ХГПУ, 2000.- 264с.

2. Ушаков Н.А., Туголуков А.М., Лучковский И.Я., Левин В.М. и др. СНиП 2.09.03-85. Сооружения промышленных предприятий.- М.:Стройиздат, 1986.-57с.

3. Бахолдин Б.В., Илькевич Л.Я., Коновалов П.А., Лучковский И.Я. и др. Руко- водство по проектированию свайных фундаментов. - М.: Стройиздат, 1980.-151с.

4. Лучковский И.Я., Малый Э.Ю., Булгаков Е.Н., Поволоцкий Б.Н. и др. ВСН 1-83/МЧМ СССР. Нормы определения временных технологических нагрузок на перекрытия подвалов, технических этажей и междуэтажные перекрытия производственных зданий металлургических заводов.- М.: Минчермет СССР, 1983. - 17с.

5. Лучковский И.Я., Малый Э.Ю., Кузнецов Ю.Д., Рунцо Н.П. и др. Рекомен- дации по проектированию фундаментов под технологическое оборудование, возводимых в условиях реконструкции.- М.: Стройиздат. 1989.- 61 с.

6. Ушаков Н.А., Туголуков А.М., Лучковский И.Я., Булгаков Е.Н. и др. Руководство по проектированию фундаментов оборудования и сооружений подземного хозяйства прокатных и трубных цехов.- М.: Стройиздат, 1985.- 69с.

7. Лучковский И.Я. Практический метод учета ползучести оснований // Сб. "Строительные конструкции". Вып. XXVI.- К.:Будiвельник, 1975.- с. 66-72.

8. Лучковский И.Я. Влияние местных нагрузок на характер распределения давления грунта на ограждающие конструкции // Основания, фундаменты и механика грунтов.- 1991.-№ 4.- с. 24-27.

9. Лучковський І.Я. Новий принцип розрахунку міцності залізобетонних елементів по похилих розрізах // Будівництво України.- 1993.- № 1.- с. 38-39.

10. Лучковский И.Я. Исследование влияния распределенных нагрузок на напряженное состояние линейно-деформируемого основания и давление грунта на ограждающие конструкции подземных сооружений // Сб. ХГАГХ "Коммунальное хозяйство городов". Вып. 23.- К.: Техніка, 2000. - с. 14-27.

11. Лучковский И.Я. Парадоксы современной механики грунтов и модель линейно-деформируемого слоя конечной ширины // Інтегровані технології та енергозберігання. - ХГПУ. -2000. -№ 3- с. 63-71.

Размещено на Allbest.ru

...