Штангове армування конструкцій, що мають тріщини

На підставі аналізу стану питання з використання штангового армування для підсилення конструкцій із тріщинами, у тому числі цегельних стін будинків і склепінь штреків, сформульовані завдання дослідження даної роботи.

У другому розділі наведене аналітичне рішення задачі про напружено-деформований стан штангової арматури та масивної частини, що зміцнює конструкцію у місці їх з'єднання. Штангова арматура разом з полімерним шаром з'єднує окремі частини конструкції, які були роз'єднані тріщинами. Арматура працює здебільшого на розтягнення. Шар полімеру, що працює на зсув, передає зусилля з арматурного стержня на навколишню частину конструкції. Рішення виконано за припущенням про асиметричний напружено-деформований стан у масиві, що міститься навколо штангової арматури. Для штангової арматури прийнята звичайна стержнева модель, у основі якої лежить гіпотеза плоских зрізів.

Рішення для переміщення стержня та масиву знаходиться у вигляді (у циліндричній системі координат):

- для штангової арматури:

 w_s = w₁(z); (1)

- для масиву конструкції:

(2)

Для полімерного шару визначений зсув:

. (3)

Тут та вище: d - діаметр арматури, д - товщина клійкого шару.

Використовуючи методи варіаційного обчислення, приймаючи у якості функціоналу вираження потенційної енергії системи, одержана система диференційних рівнянь восьмого порядку для невідомих функцій w₁, w₂, w₃ та u. При постійних параметрах з'єднання уздовж осі z, підстановкою Ейлера знайдено рішення даної системи рівнянь. Корені характеристичного рівняння при цьому знайдені за допомогою програми Mathcad-2000. Вільні постійні величини визначаються заданими гарантійними умовами на поверхні масиву та у його глибині, для цього також була використана ця програма.

Розглянутий приклад рішення задачі та НДС для поодинокого випадку вихідних даних - діаметру штангової арматури, діаметру з'єднаних частин, розділених тріщинами, деформаційних характеристик стержня, матеріалу масиву та клейкого шару.

Знайдено поодиноке рішення щодо розподілу напруги при висмикуванні штангової арматури з масиву при умові D>?. Максимальна дотична напруга визначається величиною:

< R_ср, (4)

а довжина заглиблення штангової арматури у масив повинна бути не менше, ніж:

l. (5)

де G_c - жорсткість клійкого шару на зсув.

Отримані співвідношення дозволяють встановити необхідні параметри кріплення штангової арматури до конструкції.

У розділі також отримані анаметичні співвідношення для оцінки несучої здатності склепіннів із розвинутою структуою трещиноутворення у горизонтальному і вертикальному напрямках, посилених штанговою арматурою.

Несуча здатність склепіння із тріщинами визначається з дного боку міцністю штангової арматури, якя знаходиться у складному напруженому стані; а з іншого - міцністю матеріалу блоків склепінів на зім'яття та згинання.

При досягненні межі допустимого стану,склепіння з тріщинами і штанговою арматурою, діється послідовне розкриття вертикальних тріщин, зсув шарів відносно один другого. Це призводить до необхідності врахування змін розрахункової висоти поперечного перерізу і розгляду декількох розрахункових схем, які отримані із врахуванням геометричної і конструктивної нелінійностей.

Схожість процесу деформування і руйнування склепіння з тріщинами визначає необхідність проведення експериментальних досліджень на основі чисельних методов за допомогою використання програм з дискретними елементами, або на основі лабораторних досліджень.

У третьому розділі проведені результати чисельного експерименту по дослідженню роботи склепіння, яке має регулярні тріщини, за допомогою спеціальної DEM - програми. Програма заснована на використанні дискретних елементів і дозволяє розглядати НДС плоскісного середовища, зкладеного з окремих блоків, відокремлених між собою тріщинами. Програма враховує зв'язок між блоками лише в тому випадку, якщо виникає контаткт або в откремих пунктах, або по лінії.

Чисельний експеримент показав, що вплив на деформативність і міцність склепіннів з тріщинами є відною велтчиною трещиноустворення, яка дозволяє встановити три типи склепіннів:

Склепіння з тонкими шарами (a/L?1/30),

Склепіння з шарами середньої товщини (1/30<a/L<1/10),

Склепіння с товстими шарами (a/L?10),

Де a - товшина шару, L - прогін склепінню.

За допомогою чисельного експерименту встановлено існування визначеного механізму руйнування для трьох типів склепіннів з різними співвідношеннями трещиностворювання при штанговому кріпленні і без нього.

На мал. 1-3 приведені окремі отримані результати чисельного розрахунку.

Виявлені закономірності шарів склепіння при всіх трьох його типах із штанговим армуванням і без нього.

Висновки чисельного експерименту, які потім знайшли підтвердження на моделях склепіннів, що пройшли іспити лабораторних умовах, вказують на можливість використання программ DEM для розробки надійного і економічного укріплення конструкцій з тріщинами за допомогою штангового армування.

У четвертому розділі викладаються результати дослідження роботи армованого штангами склепіння з розвинутою структурою тріщин, проведеного у лабораторних умовах на моделях.

На спеціальній установці Хебійського університету були реалізовані в умовах плоскої деформації напружений і деформований стани склепіннів, котрі мали развинутий стан тріщин і різну відносну товщину шарів a/L = 1/8, 1/16, 1/32/. Параметри моделей склепіння були підібрані згідно із законами аналогії, сформульованими: І. Ньютоном, Бертраном, А. Ф. Фаєрманом, Е. Букінгаром, М. К. Кірпічовим, А. А. Гухманом, і спідпадали із параметрами проведеного чисельного експерименту.Результати дослідження моделей з розвинутою структурою тріщин підтвердили наявнтсть закономірностей деформування та руйнування в залежності від величини відносних розмірів тріщин, з'явившися при проведенні чисельнного експерименту за допомогою програми DEM. Майже співпали форми граничної рівновагти, отримані в лабораторних умовах на моделях та в результаті чисельного експерименту за допомогою програми DEM.

Деформування склепіння без штанговової арматури з розвинутою структурою тріщин супроводжується послідовним збільшенням ширини тріщини завдяки відділенню шарів один від одного, а деформування склепіння із штанговою арматурою трапляється як для шаруватих балок, висота котрих визначається довжиною штанг, за рахунок спільного переміщення усієї товщини з'єднаних шарів.

У пятому розділі розлянуто вплив штангового армування на відновлення початкової жорсткості цеглових стін споруд, маючих тріщини. Розглянуто стіни будівель різної етажності, з наявністю віконних отворів та без них, з різною кількістю тріщин та різним їх розміміщенням по висоті. Оцінка впливу укріплення штанговим армуванням виконана (прогарамний комплекс SCAD для windows) для розрахункової схеми стіни у вигляді балки - стіни з віконними отвірами у двох рівнях; збудовані графіки, які дозволяють оцінити змінення жорсткості стіни будівлі в залежності від зведеної штангової арматури. Також накреслені графіки, які дозволяють отримати такі ж оцінки при вивчанні роботи пружнього фундаменту, та графіки, які показують вплив вищеназваних факторів на відносну величину розкриття тріщин.(мал.9)

Слід відзначити, що штангове армизвання дат ефект лише при наявності тріщин довжиною, яка досяіає по висоті споруди більш, ніж 2 поверхи.

На підставі отриманих результатів маємо можливість підібрати оптимальні параметри штангового армування стін будівель з тріщинами, кількість штанг, їх довжину, розмір і діаметр.

У шостому розділі доказана можливість використання лічильного апарату для оцінки роботи вугільних склепінніве, зміцнених штанговим армуванням; наведені результати впровадження та натурного експерименту по зміцненню склепіння з тріщинами, проведеного для з'ясування вплимву просторових умов роботи склепіння у вугільному штреку на ефект зміцнення штанговим армуванням. Експеримент проводився на шахті свід-13227 за допомогою десяти вимірювальних станцій. Були заміряні переміщення склепіння, стін та підлоги штрека, а також переміщення у глибині породи на різних відстанях від очисного забою. Для порівняння ефекта штангового армування частину склепіннів було посилено штангами, а частину - двотавровими балками. Виконано аналіз результатів експерименту, який свідчить про ефективність штангового армування. У результаті аналізу даного природнього експерименту виявлено вплив штангового армування в умовах просторової роботи на підвлищення несучої спроможності конструкцій з тріщинами, встановлені три послідовні зони деформування армованих склепеннів в залежності від відстані до очисного забою, що пов'язано із зміною навантаження на склепіння. Впровадження штангового армування виконано в розрізі Схід - 221шахти Ваннянь у Кітайській Народній Республіці.

ВИСНОВКИ

1. Аналітично встановлений зв'язок між параметрами напружено-деформованого стану штангової арматури, що навантажуеться, і параметрами напружено-деформованого стану частин тріснутої конструкції цегельних стін і склепіннів,що з'єднуються, з якого випливає, що:

нормальні напруги в штанговій арматурі і дотичні напруження в шарі, що клеїть, у місці закріплення міняються за законом показової функції з негативним аргументом;

необхідна глибина закладення штангової арматури в масив залежить від твердості штангової арматури, модуля зсуву матеріалу шару, що клеїть, товщини цього шару і діаметру штанги;

при натязі штангової арматури тріщини між окремими частинами конструкції закриваються, а ці частини виявляються зтиснутими;

штангова арматура в склепіннях із регулярною структурою тріщин сприймає зсуви, що виникають між окремими шарами структури;

опорна деталь штанги працює як тонка кільцева плита, навантажена розподіленим навантаженням із вільним зовнішнім краєм і затиснена по внутрішньому краю.

2. Чисельно досліджений вплив штангового армування на відновлення жорсткісних сткостных параметрів цегельних стін із тріщинами, із якого робиться висновок, що:

стягування тріснутих стін будинку і всього будинку в цілому за допомогою штангового армування лише частково відновлює вихідну міцність стін і будинку;

вплив штангового армування на відновлення вихідної міцності стін будинку значною мірою залежить від розташування тріщин по фасаду і від довжини тріщин;

оцінити вплив діаметра, довжини й кількості штанг на зміну відносної твердості стін із тріщинами при різних умовах обпирання на фундамент можна за допомогою графіків, побудованих у роботі з результатів чисельних розрахунків, виконаних за допомогою програмного комплексу SCAD, в основу якого закладений метод кінцевих елементів.

3. Вплив штангового армування на роботу склепінь, що мають регулярну структуру тріщин, залежить від співвідношення товщини окремого шару до прогону; тому запропонована наступна класифікація покрівель штреку з тріщинами:

покрівля з тонкими шарами (a/L ? 1/30);

покрівля із шарами середньої товщини (1/30 < a/L < 1/10);

покрівля з товстими шарами (a/L ? 1/10).

4. Механічна дія штангової арматури на покрівлю полягає в утворенні конуса стиску між двома кінцями штанги за рахунок ущільнення шарів покрівлі між собою, що приводить до збільшення сили тертя між шарами і, отже, до стабілізації всього склепіння.

5. Радіальні і тангенціальні сили, що діють на штангу, пов'язані між собою, тому що відносні переміщення шарів, призводять до збільшення подовжньої сили, що діє в штанговій арматурі.

У свою чергу, збільшення подовжньої сили збільшує опір пересуванню шарів у поперечному напрямку.

6. Несуча здатність склепіння покрівлі з регулярною структурою тріщин, посилена штанговим армуванням, зростає в порівнянні з несучою здатністю склепіння покрівлі без штангового армування в такий спосіб:

для покрівлі з товстими шарами в 3 рази;

для покрівлі із шарами середньої товщини в 3,6 рази;

для покрівлі з тонкими шарами в 4,4 рази.

7. Переміщення склепіння покрівлі зі штанговим армуванням у момент обвалення зростає порівнянні з аналогічним переміщенням склепіння без штанг таким чином:

для покрівлі з товстими шарами в 1,8 рази;

для покрівлі із шарами середньої товщини в 2,4 рази;

для покрівлі з тонкими шарами в 4,2 рази.

8. Штангове армування призводить до зміни місць розшарування окремих шарів склепіння штреку.

При штанговому армуванні розшарування спостерігається в глибині, у верхній частині анкерованих шарів, без штанг - у кутах між покрівлею й стінками, і в нижній частині склепіння.

9. Руйнування склепіння покрівлі з розвинутою структурою тріщин відбувається послідовно, воно супроводжується розшаруванням і обваленням окремих шарів покрівлі.

Руйнування склепіння покрівлі з розвинутою структурою тріщин, посиленого штанговим армуванням, відбувається миттєво через вичерпання несучої здатності всього склепіння або від зрізу в місці стику склепіння зі стінкою.

10. Розрахункова схема покрівлі штреку з розвинутою структурою тріщин, посиленої штанговим армуванням, змінюється в часі:

спочатку - це складена балка, стягнута штангами в поперечному напрямку;

потім склепіння, близьке до кругового, працююче за арковою схемою, і армоване штангами в похилих поперечних перерізах.

11. Чисельний експеримент, проведений за допомогою програми DEM, для вивчення роботи склепіння покрівлі штреку з розвинутою структурою тріщин і посиленого штанговим армуванням, підтвердив можливості використання програм, заснованих на методі дискретних елементів, для аналізу роботи й руйнування подібних типів конструкцій.

12. Параметри штангової арматури при зміцненні склепіння штреків із розвинутою структурою тріщин повинні проектуватися в середній частині прогону на основі роботи складеної балки.

Параметри кутових штанг визначаються з умови міцності на зрушення в опорних зонах склепіння.

13. Оптимальне проектування посилення склепінь штанговим армуванням складається в підборі таких параметрів штанг, при яких відбувається одночасне руйнування склепіння в конику й п'ятах.

14. Результати дисертаційної роботи впроваджені під час проектування підсилення склепіння вугільних штреків у розрізі Схід - 221 шахті Ваннянь, у Китайській Народний Республіці.

ПУБЛІКАЦІЇ

Ли Чинкей. Исследование моделирования крепления штанговой крепи в боковой породе угольного штрека, характеризующейся полосчатой структурой трещин пластов // Вестник национального технического университета “ХПИ”.-2001. - Вып. 15, с. 136-142.

Ли Чинкей. Исследование взаимодействия штанг и боковой породы кровли, характеризующейся полосчатой структурой трещин // Науковий вісник будівництва (ХДТУБА).- 2001. - Вып. 15, с. 52-57.

Ли Чинкей. Аналоговое DEM-исследование механизма “угольный штрек - штанговая крепь”, кровлей которого являются пласты, имеющие полосчатую структуру трещин // Коммунальное хозяйство городов (ХДАМГ).- 2001. - Вып. 33, с. 63-67

Ли Чинкей. Натурный эксперимент в угольном штреке со штанговой крепью пластов с полосчатой структурой трещин // Вестник национального технического университета “ХПИ”.-2002. - Вып. 3, с. 151-156.

Ли Чинкей. The effect of the horizontal stresses to roof beam in underground mines // Науковий вісник будівництва (ХДТУБА).- 2002. - Вып. 16, с. 56-61.

Ли Чинкей. Напряженное состояние грунтового массива, армированного металлическими стержнями // Науковий вісник будівництва (ХДТУБА).- 2002. - Вып. 17, с. 64-69.

Воблых В.А., Кичаева О.В., Ли Чинкей. Влияние штангового крепления на жесткость стен зданий, имеющих трещины // Коммунальное хозяйство городов, “Технiка”, вып. 39, Київ, 2002, с. 116-120.

Воблых В.А., Ли Чинкей. К вопросу о прочности крепления штанговой арматуры в конструкциях с трещинами // Науковий вісник будівництва, вып.18, ХДТУБА, Харків, 2002, с. 384-393

АНОТАЦІЯ

Лі Чинкей. Штангове армування конструкцій, що мають тріщини. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Харків, 2002.

Дисертація присвячена розробці посилення конструкцій, що мають тріщини, штанговою арматурою, яка закладається в спеціальні пробурені отвори, які закріплюються з одного боку клеєним шаром, з другого - гайкою, за допомогою якої напружується. Аналітично здобуто співвідношення між параметрами штангової арматури та конструкції, що підсилюється, яке дозволяє підібрати оптимальні розміри та розміщення штанги з найбільшим ефектом. Побудовані графіки, що дають змогу знайти розташування, довжину, діаметр штангової арматури для підсилення стін будівель із цегли, при наявності тріщин, для відновлення необхідної жорсткості.

Виконані лабораторні, чисельні (за допомогою програми DEM) та натурні дослідження по виявленню ефективності штангового армування склепінь, що мають розгалужену структуру розташування тріщин, та встановлення механізму взаємодії конструкції і штанг як у стаціонарному стані, так і в стані руйнування.

Виявлений вплив відносної товщини шарів склепіння на підвищення несучої здатності при штанговому армуванні.

Здійснено впровадження результатів роботи в склепінні зі штанговим армуванням в КНР.

Ключові слова: штангове армування, цегляні стіни із тріщинами, склепіння, що мають розгалужену структуру тріщин, посилення штанговим армуванням, проектування посилення штангами.

АННОТАЦИЯ

Ли Чинкей. Штанговое армирование конструкций с трещинами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. - Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры.

Диссертация посвящена разработке усиления кирпичных стен зданий, имеющих трещины, а также сводов, имеющих развитую структуру трещин, с помощью штангового армирования, выполненного в специально просверленных отверстиях. Штанговая арматура одним концом заделывается в массив конструкции, а другим - натягивается с помощью гайки, опирающейся на массивную шайбу.

Аналитически найдены соотношения между параметрами штанговой арматуры и усиливаемой конструкции для обеспечения надежной длины ее заделки в конструкцию. Дан анализ напряженного состояния в местах усиления на обоих концах штанги, в том числе распределения нормальных и касательных напряжений в конструкции вдоль закрепления.

Проведен численный анализ с помощью программного комплекса SCAD влияния штангового армирования на восстановление исходной жесткости кирпичных стен здания, имеющих трещины. Приведены графики, отражающие это влияние, в зависимости от длины, расположения, количества трещин и длины, расположения, количества элементов штанговой арматуры. Анализ выполнен как с учетом пространственной работы всего здания, так и без учета. Принято во внимание участие в работе конструкций упругого основания в виде модели Власова-Леонтьева.

Для проектирования надежного усиления штанговым армированием сводов, имеющих развитую структуру трещин, предложена классификация сводов - по относительной толщине отдельных слоев: своды с толстыми слоями a/L ? 1/10, своды со слоями средней толщины 1/10 > a/L ? 1/30 и своды с тонкими слоями 1/30 > a/L.

Выполнены лабораторные исследования по определению влияния штангового армирования на несущую способность и деформативность сводов с развитой структурой трещин для сводов со слоями различной толщины. В лабораторных условиях выявлен характер предельного равновесия свода с трещинами и его изменение в случае штангового армирования. Подтверждена зависимость эффекта усиления от толщины отдельных слоев свода.

В условиях плоской задачи с помощью программы DEM проведен численный эксперимент по определению параметров НДС свода, имеющего развитую систему трещин. Метод дискретных элементов, используемый в программе, позволил проследить этапы развития перемещений всех слоев свода штрека, вплоть до обрушения. Подтверждены результаты, полученные в лабораторных испытаниях, по эффективности штангового армирования в зависимости от относительной толщины слоев свода. Проанализировано влияние динамических процессов, связанных с обрушением, на распределение напряжений и перемещений в своде. Доказана возможность использования программ (типа DEM) для численного моделирования конструкций, состоящих из несвязанных между собой частей, разъединенных трещинами.

Для внедрения работы осуществлен натурный эксперимент в шахтном забое по выяснению влияния штангового армирования сводов с развитой структурой трещин в пространственных условиях. В эксперименте, кроме напряжений, измерялись перемещения контурных точек свода, а также перемещения в глубине массива. Выполнено сравнение в натурных условиях эффективности разных видов усиления - штанговым армированием и рамами, выполненными из двутавровых стальных элементов. Выявлены три стадии развития и стабилизации деформаций свода, усиленного штанговым армированием.

Приведены соотношения, позволяющие найти силы, действующие на отдельные элементы штанговой арматуры, и подобрать оптимальные параметры штангового армирования для усиления сводов, имеющих развитую структуру трещин.

Результаты работы внедрены при проектировании штангового армирования сводов штреков в разрезе Восток-221 шахты Ваннянь (КНР).

Ключевые слова: штанговое армирование, кирпичные стены с трещинами, своды с развитой системой трещин, усиление штанговым армированием, проектирование усиления штангами.

ABSTRACT

Li Jinkui. Bolting reinforcements of constructions with cracks - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a specialty 05.23.01 - building designs, engineering, building and structure. - Kharkov state engineering university of building and architecture.

The thesis is devoted to development of amplification of constructions with cracks by bolting reinforcement, which is included in the specially drilled holes. The state sticks are fastened on the one hand by glutinous bed, with second - screw box, with the help by which one strains.

The relations between arguments of bolting reinforcements and boosted construction are analytically retrieved, which one resolve to select optimal sizes and placements of bolting with the greatest effect.

The graphs are constructed, which one enable to define a disposition, length, diameter of bolting reinforcements for amplification of bricky walls of buildings with cracks, - for reduction of indispensable hardness.

Carried out laboratory, numerical (with the help of the program DEM), and full scale researches on detection of effectiveness of bolting reinforcements of crests of drifts having developed pattern of a fracture spacing, and the dodge of interplay of a construction and bolts both in a stationary status, and in a status of breaking down is established.

The influence of relative width of beds of crests to a heightening of bearing strength is detected at bolting reinforcements.

The outcomes of operation are inserted at projection of baring dressing of crests of drifts in a section East - 221 of shaft Bannian (PEOPLE'S REPUBLIC OF CHINA).

Keywords: Bolting reinforcements, bricky walls with cracks, roof with developed pattern of cracks, amplification by bolting reinforcements, projection of amplification by bolt.

Размещено на Allbest.ru