Локально попередньо напружені сталезалізобетонні конструкції для нового будівництва та реконструкції

Актуальність теми. Сталезалізобетонні конструкції широко застосовуються в зарубіжній і вітчизняній будівельній практиці в перекриттях і покриттях, прольотних будовах мостів і ін.

Будучи в основному збірно-монолітними, вони достатньо технологічні, що зумовило їх потребу як у новому будівництві, так і в реконструкції, коли роботи ведуться усередині приміщень, в обмежених умовах. Проте при прольотах збільшеної довжини потрібно використання в сталезалізобетонних перекриттях сталевих балок достатньо великих висот перерізів.

Зменшення висоти перерізів, зниження металоємності при забезпеченні необхідної жорсткості конструкцій зазвичай досягається їх попереднім напруженням. Проте попередньому напруженню сталезалізобетонних елементів і статично невизначних систем до теперішнього часу належна увага не приділялася. Викладене дозволяє зробити висновок про актуальність розробки, дослідження і впровадження попередньо напружених сталезалізобетонних згинальних елементів і систем на їх основі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана в рамках тематичного плану МОН України, тема: «Локальне попереднє напруження сталезалізобетонних і залізобетонних конструкцій» (номер державної реєстрації 0106U012651); плану ХДТУБА, тема: «Розробка і дослідження ефективних попередньо напружених сталезалізобетонних перекриттів».

Мета роботи - створення і впровадження сталезалізобетонних згинальних елементів і статично невизначених систем з локальним і технологічним попереднім напруженням, що забезпечує зниження металоємності, перекриття прольотів збільшеної довжини; розробка методики їх розрахунку.

Задачі дослідження:

- запропонувати сталезалізобетонні згинальні елементи з локальним обтисненням, сумісним локальним і технологічним попереднім напруженням, розробити методику їх розрахунку з урахуванням фізичної, геометричної і технологічної нелінійності;

- розробити методику розрахунку натягнення арматури сталезалізобетонних локально попередньо напружених балок з прямолінійним і криволінійним нижнім поясом;

- експериментально дослідити закономірності роботи локально попередньо напружених сталезалізобетонних згинальних елементів, оцінити вплив локального обтиснення на їх несучу здатність і жорсткість;

- запропонувати ефективні протизсувні анкери, які можуть виготовлятися безпосередньо будівельними організаціями України, розробити відповідну методику їх розрахунку;

- дослідити напружено-деформований стан запропонованого вузла кріплення напружуваної зовнішньої арматури до сталевої балки, що забезпечує значне зниження величин напруження в зоні кріплення, експериментально підтвердити вказане;

- обґрунтувати можливість зміцнення арматури класу А500С безпосередньо в конструкції і розробити відповідний апарат розрахунку;

- експериментально дослідити вплив рівня локального попереднього напруження на роботу сталезалізобетонних згинальних елементів із залізобетонною полицею в розтягнутій зоні;

- запропонувати і дослідити нерозрізні сталезалізобетонні балки з локальним обтисненням на опорах, в прольотах, одночасно на опорах і в прольотах; розробити методики розрахунку їх несучої здатності з урахуванням спрямованого формирування перерозподілу зусиль; експериментально дослідити закономірності деформування і руйнування вказаних нерозрізних сталезалізобетонних балок;

- розробити інженерну методику розрахунку і раціонального формування опертих по контуру сталезалізобетонних локально попередньо напружених плит;

- експериментально оцінити можливість підсилення сталезалізобетонних конструкцій під навантаженням; розробити методику розрахунку підсилення сталезалізобетонних однопрольотних і нерозрізних балок, що експлуатуються;

- впровадити результати роботи.

Об'єктом дослідження є сталезалізобетонні згинальні елементи з локальним і технологічним попереднім напруженням і статично невизначені системи на їх основі.

Предмет дослідження - ступінь підвищення ефективності сталезалізобетонних згинальних елементів і статично невизначених систем їх локальним і технологічним попереднім напруженням зовнішньою арматурою підвищеної міцності.

Методи дослідження є поєднанням експериментальних і теоретичних:

- експериментальне встановлення характеру деформування і руйнування розроблених сталезалізобетонних локально попередньо напружених конструкцій і їх елементів;

- розробка методик розрахунку запропонованих конструкцій з урахуванням фізичної, геометричної і технологічної нелінійності.

Наукову новизну результатів дисертаційної роботи складають:

- експериментально і теоретично обґрунтоване запропоноване локальне попереднє напруження зовнішньою арматурою підвищеної міцності класу А500С сталезалізобетонних згинальних елементів, що знижує їх металоємність;

- поєднання локального і технологічного попереднього напруження, що істотно підвищує ефект обтиснення;

- виявлені в експериментах закономірності роботи і руйнування локально попередньо напружених сталезалізобетонних згинальних елементів, ступінь впливу рівня локального обтиснення на їх несучу здатність, тріщиностійкість залізобетонної полиці;

- розроблений апарат розрахунку по першій і другій групах граничних станів сталезалізобетонних згинальних локально і технологічно попередньо напружених елементів з урахуванням фізичної, геометричної і технологічної нелінійності;

- запропонований шлях зменшення напруження в зоні кріплення напружуваної арматури до сталевої балки, експериментальне підтвердження його ефективності;

- методика деформаційного зміцнення арматури А500С безпосередньо в конструкції, розрахунковий апарат реалізації;

- результати експериментальних досліджень впливу локального попереднього обтиснення сталезалізобетонних згинальних елементів із залізобетонною полицею в розтягнутій зоні на їх несучу здатність і тріщиностійкість, що відкрили можливість раціонального формирування статично невизначених локально попередньо напружених стержневих сталезалізобетонних систем;

- методика раціонального формирування сталезалізобетонних локально попередньо напружених нерозрізних балок за допомогою обтиснення на опорах, на опорах і в прольотах, результати їх експериментальних досліджень; методика розрахунку з урахуванням спрямованого формирування перерозподілу зусиль на основі утворення обмежених шарнірів пластичності;

- методика розрахунку і формирування локально попередньо напружених опертих по контуру сталезалізобетонних плит;

- експериментальне обґрунтування можливості підсилення сталезалізобетонних конструкцій під навантаженням, розроблена методика розрахунку підсилення.

Практичне значення роботи полягає в тому, що розроблені методики формирування конструкцій і їх розрахунку забезпечують можливість створення ефективних сталезалізобетонних згинальних елементів і статично невизначених систем, які дозволяють перекривати прольоти збільшеної довжини при зменшених висотах перерізів сталевих балок, зниженій металоємності і енерговитратності, зведення перекриттів, що є збірно-монолітними конструкціями, без використання великогабаритних вантажопідйомних механізмів, усередині приміщень; підсилення сталезалізобетонних конструкцій під навантаженням, в експлуатації.

Результати дослідження упроваджені при реконструкції в м. Харкові трьохпрольотного Рогатинського моста; будівель по вул. Сумській, 6; вул. Кримській, 5, вул. Артема, 48-б, Українського мобільного зв'язку по вул. Фрунзе, 18; Фармацевтичного університету по вул. Пушкінській, 27; по вул. Шевченка, 60 і ін.

Особистий внесок дисертанта:

- запропоновано ефективний клас сталезалізобетонних конструкцій, теоретично обґрунтовано підвищення несучої здатності, жорсткості сталезалізобетонних згинальних елементів і статично невизначених стержневих систем локальним попереднім напруженням стержньовою зовнішньою арматурою підвищеної міцності класу А500С;

- проведено експериментальні дослідження сталезалізобетонних локально попередньо напружених елементів із залізобетонною полицею в розтягнутій зоні;

- розроблена методика розрахунку сталезалізобетонних згинальних елементів, а також нерозрізних балок з обтисненням на опорах, на опорах і в прольотах; проведені експериментальні дослідження однопрольотних і нерозрізних сталезалізобетонних балок з локальним обтисненням;

- зіставлені результати виконаних по розроблених методиках розрахунків з даними, отриманими в проведених експериментальних дослідженнях;

- запропоновані принципи створення і розроблена методика розрахунку сталезалізобетонних згинальних елементів з сумісним локальним і технологічним попереднім напруженням;

- запропоновано направлене формирування перерозподілу зусиль в статично невизначених системах за допомогою локального попереднього напруження;

- проведено експериментальні дослідження конструкцій підтримуючих стійок для здійснення технологічного попереднього напруження;

- запропоновано ефективні конструкції протизсувних анкерів і методика їх розрахунку;

- експериментально підтверджено запропонований принцип зниження напруження в арматурі в зоні її кріплення до сталевої балки;

- запропоновано інженерний підхід до розрахунку опертих по контуру сталезалізобетонних плит і їх направленому формируванню;

- експериментально і теоретично доведена можливість підсилення однопрольотних і нерозрізних сталезалізобетонних балок під навантаженням за допомогою локального обтиснення;

- участь у впровадженні результатів роботи.

Апробація роботи. Основні положення дисертації, результати теоретичних і експериментальних досліджень, виконаних розробок, впровадження доповідались на 58-й (2003 р.), 59-й (2004 р.), 60-й (2005 р.), 61-й (2006 р.), 62-й (2007 р.), 63-й (2008 р.) Науково-технічних конференціях Харківського державного технічного університету будівництва і архітектури, Міжнародних конференціях «Раціональні енергозберігаючі конструкції, будівлі і споруди в будівництві і комунальному господарстві» (Бєлгород, 2002 р.), «Науково-технічні проблеми сучасного залізобетону» (Львів, 2003), 1-й Міжнародній науковій конференції «Ресурс і безпека експлуатації конструкцій, будівель і споруд» (Харків, 2003 р.), 2-й Міжнародній науковій конференції «Ресурс і безпека експлуатації конструкцій, будівель і споруд» (Харків, 2005 р.), Семінарі «Методи підвищення ресурсу міських інженерних інфраструктур» (Харків, 2006 р.), 3-й Міжнародній науковій конференції «Ресурс і безпека експлуатації конструкцій, будівель і споруд» (Харків, 2007 р.), 70-й Міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми надійності і довговічності інженерних будівель і споруд» (Харків, УкрДАЗТ, 2008 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 41 робота, з них 39 наукових статей у виданнях, рекомендованих ВАК України, 2 Декларативних патенти України.

Об'єм і структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, восьми розділів, висновків, списку використаних літературних джерел з 260 найменувань. Загальний об'єм роботи складає 282 сторінки основного машинописного тексту.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і завдання дослідження, викладена загальна характеристика дисертації.

Перший розділ присвячений аналізу досліджень сталезалізобетонних конструкцій, існуючих методик їх розрахунку, способів попереднього напруження залізобетонних і стальних несучих елементів.

Великий внесок до практики застосування і розвитку теорії розрахунку сталезалізобетонних конструкцій внесли Беленя Є.І., Гібшман Є.Е., Стрелецький М.М., Стороженко Л.І. та ін.

До сталезалізобетонних часто відносять конструкції з різного виду зовнішнім армуванням. Сталезалізобетонні конструкції без внутрішньої арматури класифікуються як сталебетонні, трубобетонні. Вони знайшли широке застосування в будівництві. Їх дослідженню присвячені роботи Аметова Ю.Г., Єфименка В.І., Клименко Ф.Є., Панаріна М.Я., Санжаровського Р.С., Семко А.В., Чихладзе Е.Д. та ін.

Особливо широке застосування в зарубіжному і вітчизняному будівництві і реконструкції знайшло зовнішнє листове армування з використанням профільованого сталевого настилу. Конструкціям, що працюють в агресивних середовищах, присвячені дослідження Пустовойтова В.П., Савицького М.В., Чернявського В.Л., Шагіна О.Л.; запропоновано зовнішнє склопластикове, вуглепластикове армування.

Строга методика розрахунку сталезалізобетонних конструкцій ґрунтується на нелінійній теорії залізобетону, створенню і розвитку якої присвячені роботи Бабича Є.М., Бамбури А.М., Барашикова А.Я., Бондаренко В.М., Гвоздєва О.О., Голишева О.Б., Гущи Ю.П., Клімова Ю.А., Клованіча С.Ф. і ін.

Важливу роль в підвищенні ефективності залізобетонних і металевих конструкцій грає їх попереднє напруження. Вказане переконливо обґрунтовано дослідженнями Белені Є.І., Бердичевського Г.І., Буракаса А.І., Васильєва О.П., Гнидця Б.Г., Гийона І., Дмитрієва С.А., Леонгардта Ф., Михайлова В.В., Стрелецького М.М. та ін. Клименко Ф.Є. розроблені попередньо напружені сталебетонні конструкції із зовнішнім смуговим армуванням, з рифленою смуговою арматурою.

Шагіним О.Л. запропонований спосіб локального попереднього напруження монолітних, збірно-монолітних, нерозрізних залізобетонних конструкцій, що забезпечує можливість зниження енергетичних і фінансових ресурсів.

На підставі виконаного аналізу досліджень сформульовані завдання роботи.

У другому розділі розглядаються розроблені локально попередньо напружені сталезалізобетонні згинальні елементи, пропозиції по підвищенню їх ефективності, розширенню можливостей.

Попередньому обтисненню згинальний елемент піддається не по всій його довжині, а локально - тільки в зоні дії максимальних моментів, що вигинають. Воно здійснюється зовнішніми стержнями із зварюваної арматури підвищеної міцності, наприклад, сталі класу А500С.

Оскільки міцність арматури вища, ніж у сталі двутавра, представляється можливим зниження металоємності, власної маси сталевої балки сталезалізобетонної конструкції. Ефективніше обтиснення здійснювати до бетонування залізобетонної полиці.

Перед здійсненням обтиснення до стінки сталевої балки з двох її сторін приварюються два арматурні стержні.

Ділянка між точками закріплення l_sp є такою, що піддається попередньому напруженню.

Потім обидва стержні одночасно відтягуються за допомогою спеціального ручного гвинтового двогілкового домкрата, тобто без витрати електроенергії.

Гвинт домкрата, який вивертається по різьбленню, упирається в полку двутавра, внаслідок чого відтягуються одночасно обидва напружувані стержні. Далі приварюються упори.

Положення відтягнутих стержнів фіксується упорами у вигляді відрізків труб, що приварюються з двох сторін стінки балки.

Деякі складнощі виникають, коли арматурні стержні необхідно пропустити через ребра жорсткості. В даному випадку в ребрах передбачаються прорізи.

Слід зазначити, що локальне попереднє напруження підвищує не тільки несучу здатність, але і жорсткість конструкції.

Для створення натягнення арматури N_sp необхідно прикласти силу відтягування

(1)

де Е_sp і A_sp - відповідно модуль деформації і сумарна площа поперечного перерізу стержнів напружуваної арматури.

У разі використання арматури класу А500С має місце співвідношення F_sp 0,13N_sp, що і дозволяє проводити відтягування ручним гвинтовим домкратом.

Стрілка відтягування визначається по залежності

,

де _sp - деформація напружуваної арматури в результаті відтягування.

На ділянці довжиною l_sp виникають подовжня сила обтиснення

H_sp = N_spcos (2)

і момент, що вигинає балку,

, (3)

де - кут відтягування арматури,

е_sp - відстань точок кріплення до фізичної осі елементу.

Підвищена технологічність забезпечується можливістю здійснення локального попереднього напруження до монтажу, внизу, з надійним контролем створюваного натягнення напружуваної арматури. Одночасно до верхньої полиці сталевої балки приварюються протизсувні анкера. Роботи можуть проводитися і поза будівельним майданчиком, на монтаж поступає вже готова локально обжата сталева балка. Сталеві елементи мають бути захищені від дії вогню і корозії.

Для забезпечення спільної роботи залізобетонної плити і сталевої балки запропоновані протизсувні анкери, ефективність яких підвищена за рахунок використання роботи бетону на зминання.

Розстановка по довжині конструкції і діаметри арматури анкерів визначаються розрахунком по розробленій методиці.

Практична значущість запропонованих анкерів полягає в тому, що вони можуть виготовлятися з відрізків арматури А300С та ін. із здійсненням гнуття на механічних ділянках або безпосередньо на будмайданчиках.

Запропонована конструкція вузла кріплення арматурних стержнів до стінки балки, новизна якої захищена патентом України 59242А. Проведені експериментальні дослідження підтвердили його ефективність. Розроблена методика розрахунку.

Запропонована методика розрахункової оцінки втрат напруження в напружуваній арматурі від обтиснення сталевої балки, повзучості і усадки бетону. Завдяки шпренгельній схемі роботи арматури втрати напруження менше, ніж при прямолінійному контурі напруженої арматури. Втрати від релаксації напруження визначаються як для стержньової арматури залізобетонного обтиснутого механічним способом елемента.

Розроблена методика визначення параметрів локального обтиснення сталезалізобетонних балок з нижнім поясом криволінійного контуру, які зустрічаються в практиці.

Одержано рівняння, що зв'язує необхідну величину стрілки f_sp при початковій стрілці нижнього поясу балки f₀ із значенням потрібного зусилля натягування арматури N_sp для випадку відтягування силою F_sp, прикладеної в середині довжини ділянки обтиснення l_sp.

Воно дозволяє при заданих значеннях f₀, l_sp, Е_sp, А_sp визначати величину стрілки відтягування f_sp, необхідну для створення зусилля натягування N_sp.

Величина сили відтягування F_sp, прикладеної до середини довжини l_sp напружуваної арматури і необхідної для створення зусилля натягнення N_sp, визначається по залежності

, (4)

відлік f₀ та f_sp від лінії, яка з'єднує точки кріплення арматури.

Зміцнення напружуваної арматури А500С витяжкою запропоноване як технологічно простий шлях зменшення її витрати в локально попередньо напружених сталезалізобетонних згинальних елементах.

При цьому пропонується здійснювати зміцнення арматури класу А500С її витягненням безпосередньо в конструкції до контрольованого подовження 3%.

Перший етап - досягнення заданої величини стрілки відтягування f_sp1, при якій значення напруження в арматурі перевищує величину межі текучості; другий етап - розвантаження, третій - задане локальне попереднє напруження.

З огляду на те, що після розвантаження довжина арматури збільшується в порівнянні з первинною, виникає провис з величиною стрілки

, (5)

Для створення заданого попереднього напруження _sp3 необхідна стрілка відтягування

, (6)

де _sp0 і _sp3 - відповідно деформації розвантаження і локального обтиснення.

Відлік величини стрілок відтягування ведеться від прямої, що з'єднує точки кріплення напружуваної арматури до стінки балки.

У розділі 3 представлені результати проведених експериментальних досліджень, мета яких полягала у встановленні характеру деформування і руйнування локально попередньо напружених однопрольотних сталезалізобетонних згинальних елементів із залізобетонною полицею в стиснутій зоні, з полицею в розтягнутій зоні, оцінці втрат напруження в арматурі, а також ефективності запропонованого вирішення вузла кріплення напружуваної арматури до сталезалізобетонної балки, захищеного патентом України 59242А. Наведена розроблена методика розрахунку арматури в зоні її кріплення до стінки балки.

Оскільки експерименти мали порівняльний характер, випробовувалися 4 типи сталезалізобетонних балок. Перший тип Б-1 без попереднього напруження. Решта балок була з локальним попереднім обтисненням: БН-1 з початковим напруженням в арматурних стержнях _sp1 = 230 МПа; БН-2 з _sp2 = 330 МПа; БН-3 з _sp3 = 400 МПа. Вказане дозволяло встановити ступінь впливу рівня попереднього напруження на роботу балок, що випробовувались.

Кожна сталезалізобетонна балка складалася із сталевого двутавра №14 і залізобетонної полиці висотою перерізу 60 мм, шириною 250 мм. Зв'язок між сталевим двутавром і залізобетонною полицею забезпечувався за допомогою протизсувних анкерів.

Довжина кожної балки складала l = 2500 мм.

В якості напружуваних стержнів була застосована арматура 16 мм класу А500С. Кінці стержнів приварювалися до стінок двутавру з двох сторін.

Балки БН-1 і БН-2 одночасно призначалися для експериментального встановлення величини втрат напруження в арматурі після здійснення з її допомогою локального обтиснення.

Встановлено, що втрати напружень в арматурі від повзучості і усадки бетону малі. Величини напруження в стержнях наведені в табл. 1.

Зразки випробовувалися з використанням спеціального стенду по схемі однопрольотної шарнірно опертої по кінцях балки, завантаженої в середині довжини прольоту зосередженим вертикальним навантаженням.

Таблиця 1 Зіставлення розрахункових і експериментально набутих значень напружень в арматурі при її відтягуванні

Навантаження велося етапами до утворення лещадки в стиснутій залізобетонній полиці.

Величина руйнівного навантаження у сталезалізобетонної балки без попереднього обтиснення склала F_u0 = 75 кН, у локально попередньо напружених балок БН-1 відповідно F_u1 = 97 кН, у БН-2 склала F_u2 = 101 кН, у БН-3 відповідно F_u3 = 110 кН.

Таким чином, завдяки локальному обтисненню зовнішньою арматурою 216 мм класу А500С несуча здатність балки БН-3 в 1,47 рази вище, ніж балки без обтиснення.

Як видно з приведених результатів, відносне зростання несучої здатності балок менше зростання рівня попереднього напруження арматури.

Вказане обумовлене характером процесу вичерпання несучої здатності. Він починається з текучості в арматурних стержнях. Тому, чим вище рівень натягування, тим менше залишковий ресурс напружуваної арматури - раніше наступає текучість, стержні виключаються з роботи, конструкція трансформується в сталезалізобетонну балку без шпренгеля і починається лавиноподібний процес: текучість в сталевому двутаврі і руйнування стиснутої залізобетонної полиці з утворенням лещадок.

Таким чином, необхідно розрахунком, послідовними наближеннями підбирати раціональний рівень натягування арматури.

Навантаження тріщиноутворення в залізобетонній полиці у зразка БН-3 вище на 60%, чим у Б-1.

Попереднє напруження зменшує деформативність балок, проте після досягнення текучості в напруженій арматурі зростання прогинів значно випереджає зростання навантаження.

У випробуваннях було встановлено, що розроблена конструкція вузла кріплення арматури (патент України 59292А) практично виключає концентрацію напруження в арматурі у цій зоні.

Згідно програми досліджень випробовувалися три типи балок із залізобетонною полицею в розтягнутій зоні.

Перший тип представляла сталезалізобетонна балка БР-1 без попереднього напруження.

Решта типів балок була з локальним попереднім напруженням різного рівня і відповідно стрілками відтягування різної величини: у балки БНР-1 напруження в арматурних стержнях склали _sp1 = 70 МПа при стрілці відтягування f_sp1 = 20 мм, у балки БНР-2 відповідно _sp2 = 210 МПа і f_sp2 = 40 мм.

Кожна сталезалізобетонна балка довжиною l = 2500 мм складалася із сталевого двутавра № 16 і залізобетонної полиці висотою перерізу 60 мм, шириною 250 мм. Полиця армувалася подовжніми стержнями 35 мм класу Вр-1. Перпендикулярно вказаним подовжнім стержням прив'язувалися поперечні стержні 5 мм класу Вр-1, крок 150 мм.

Локальне попереднє напруження створювалося двома стержнями 16 мм класу А500С.

Після досягнення заданої величини напруження в арматурі в середині довжини балки між арматурою і полицею двутавра встановлювався сталевий циліндричний упор, після чого домкрат видалявся.

Після набору бетоном міцності послідовно проводилися випробування балок БР-1, БНР-1 і БНР-2.

Величина руйнівного навантаження для сталезалізобетонної балки без попереднього обтиснення склала F_u0 = 70 кН, для локально попередньо напружених балок БНР-1 відповідно F_u1 = 90 кН, для БНР-2 зафіксована F_u2 = 95 кН.

Таким чином, при локальному обтисненні арматурою 216 мм класу А500С із стрілкою відтягування f_sp = 40 мм здатність сталезалізобетонного несучого згинального елементу із залізобетонною полицею в розтягнутій зоні була підвищена на 36%.

Величина навантаження тріщиноутворення сталезалізобетонної балки без попереднього напруження склала F_crc1 = 8 кН, у локально попередньо напружених балок БНР-1 і БНР-2 відповідно F_crc2 = 10 кН, і F_crc3 = 16 кН.

Попереднє напруження відсовує момент настання текучості у двутаврі. Локально попередньо напружений згинальний елемент є системою з шпренгельним підкріпленням. Чим більше діюче навантаження, тим більше розпір, що виникає при цьому. За рахунок даного ефекту додаткового обтиснення полиці двутавра і передачі через протизсувні анкери зусилля на бетон підвищується тріщиностійкість залізобетонної полиці, що знаходиться в розтягнутій зоні.

Таким чином, локальне попереднє напруження є інструментом збільшення міцності конструкції і підвищення тріщиностійкості розташованої в розтягнутій зоні залізобетонної полиці. Одержані результати є важливими для розробки, наприклад, локально обтиснутих нерозрізних сталезалізобетонних балок, в зонах проміжних опор яких діють негативні вигинаючі моменти.

Розділ 4 присвячений розробленій методиці розрахунку локально попередньо напружених сталезалізобетонних згинальних елементів.

Методика враховує послідовність: здійснення локального обтиснення, улаштування залізобетонної плити, зміна складу перерізу конструкції після набору бетоном заданої міцності, навантаження, руйнування.

Вважається, що в розтягнутій зоні залізобетонної полиці можуть бути тріщини, проте внесок розтягнутого бетону з тріщинами в роботі сталезалізобетонного згинального елементу не враховується.

У пропонованій конструкції унаслідок статичної невизначеності при дії навантаження має місце перерозподіл зусиль між сталезалізобетонною балкою і напружуваною арматурою; в перерізах відбувається перерозподіл зусиль між залізобетонною полицею і сталевою балкою, в самій плиті - перерозподіл напруження між бетоном і її арматурою.

Урахування геометричної нелінійності диктується зміною під навантаженням конфігурації шпренгельного підкріплення з напружуваної арматури і розташування фізичної осі перерізу.

Розроблена методика розрахунку включає:

- оцінку зусиль в сталевій балці і її вигину у₁ при локальному обтисненні;

- визначення напруження в сталевій балці і прогину у₂ від ваги свіжоукладеного бетону плити і самої балки;

- перевірку конструкції, що сформувалася, по другій групі граничних станів;

- оцінку несучої здатності.

Зважаючи на порівняно невелику величину напруження, що виникає в сталевій балці, розрахунок для першої і другої стадій виконується в лінійній постановці.

При дії нормативного навантаження величина напруження знаходиться на висхідній гілці діаграми «_в-_в». У третю стадію бетон, який набрав міцність, входить з напруженням _в = 0.

Умова задоволення вимогам другої групи граничних станів

у₁ + у₂ + у₃ у_п (7)

де у₃ - прогин конструкції від дії нормативного навантаження;

у_п - значення граничного прогину, що регламентується нормами.

Отримані залежності для підрахунку у₁ і у₂.

Визначення у₃ проводиться в нелінійній постановці, використовується величина приведеної жорсткості сталезалізобетонного перерізу. По висоті залізобетонна полиця розбивається на смужки, кожній з яких відповідає своє значення січного модуля деформації, яке відповідає величині напруження в смужці. Розрахунок ведеться методом послідовних наближень, в яких уточнюються значення модулів деформацій бетону, положення фізичної осі і конфігурація шпренгельного підкріплення.

Арматура, сталь двутавра на даній стадії деформуються пружно.

Оскільки величина напруження в бетоні порівняно невелика, процес ітерацій досить швидко сходиться.

Виявлена в експериментах практично одночасність руйнування бетону полиці і досягнення текучості в арматурах і в сталевій балці дозволяє визначати несучу здатність конструкції методом граничної рівноваги у формі статичного способу. Даний метод зазвичай застосовується, коли склад перерізу і схема навантаження конструкції від його початку до руйнування не змінюється. У цій роботі пропонується методика, що враховує зміни в доексплуатаційній стадії виду навантаження (локальне попереднє напруження, дія ваги свіжеукладеного бетону полиці) і складу перерізу (сталеве, сталезалізобетонне).

Для повністю сформованого сталезалізобетонного локально обтиснутого згинального елементу визначається величина руйнівного тільки змінного навантаження q_и, виходячи з того, що напруження в бетоні полиці зміняться від _в = 0 до _ви = R_в, в арматурі плити від _s = 0 до R_s = R_sc, в сталевому двутаврі від _с = _с0 (напруження безпосередньо перед прикладенням змінного навантаження) до _с = R_сu, в напружуваній арматурі від _sp = _sp0 (перед навантаженням) до _sp = R_sp. Таким чином, при визначенні руйнівного змінного навантаження враховується тільки залишковий деформативно-міцнісний ресурс компонентів конструкції. Сумарне руйнівне навантаження складається з попередексплуатаційної і руйнівної змінної q_u.

Розділ 5 присвячений сталезалізобетонним згинальним елементам з локальним і технологічним обтисненням. Відоме технологічне формування зусиль досягається підведенням під сталеву балку перед бетонуванням плити тимчасової стійки. В цьому випадку сприйняття навантаження від ваги свіжоукладеного бетону відбувається по схемі двопрольотної нерозрізної балки, в середині якої (на опорі) виникає максимальний згинальний негативний момент М_мах і реакція R на опорі (підтримуючій стійці).

Проведений з використанням отриманих у роботі залежностей аналіз показав, що у разі установки тимчасової стійки під упором шпренгельного підкріплення в напружуваних стержнях зусилля вельми малі, тобто на даній стадії шпренгель практично не працює і зусилля визначаються як для сталевої двопрольотної балки. арматура сталезалізобетонний конструкція

Вказане виключення стержнів із роботи на стадії сприйняття навантаження від власної ваги свіжеукладеного бетону і сталевої балки відтягує момент досягнення текучості в напруженій арматурі, тобто фактично збільшується її ресурс, що еквівалентно збільшенню несучої здатності конструкції у цілому.

Після набору бетоном плити заданої міцності і видалення стійкі конструкція починає працювати як сталезалізобетонна з локальним і технологічним попереднім напруженням.

Технологічне обтиснення виникає в зв'язку з тим, що фізична вісь перерізу, яке трансформується в сталезалізобетонне, переміщається вгору (до залізобетонної плити), зростає величина ексцентриситету прикладення зусилля обтиснення Н_sp і відповідно під навантаженням виникає додатковий момент вигину

(8)

де е_spo - відстань лінії дії зусилля локального обтиснення до осі сталевої балки,

е_sp1 - відстань зусилля обтиснення до фізичної осі сталезалізобетонного перерізу.

При подальшому навантаженні ефект зростає. У появі додаткового моменту вигину основна суть технологічного обтиснення.

Проведеними експериментами підтверджена можливість використання при бетонуванні перекриттів у якості тимчасових опор трубчастих дволанкових висувних стійок висотою Н = 3 м і Н = 3,5 м.

Розроблені методики розрахунку для кожної стадії роботи сталезалізобетонної конструкції з локальним і технологічним обтисненням.

Для стадії 1 (локальне обтиснення) і стадії 2 (навантаження стальної балки вагою свіжеукладеного бетону і власною вагою) розрахунок ведеться в пружній постановці.

Для стадії 3 (після видалення підтримуючої стійки) розглядається сталезалізобетонна балка, завантажена власною вагою свіжеукладеного бетону. Зважаючи на порівняно невелику величину навантаження і включення в роботу сформованої залізобетонної полиці, розрахунок представляється можливим також вести в пружній постановці. Урахування зміни складу перерізу можна вважати за урахування технологічної нелінійності.

Для стадії 4 (сприйняття змінного навантаження) розрахунок ведеться у фізично і геометрично нелінійній постановці з використанням методу послідовних наближень.

Для стадії 5 (вичерпання несучої здатності) величина руйнівного змінного навантаження визначається методом граничної рівноваги з урахуванням залишкового після завершення стадії 3 деформативно-міцнісного ресурсу компонентів конструкції. Склад перерізу конструкції на стадії 4 і стадії 5 є однаковим.

Розділ 6 присвячений експериментальній оцінці запропонованих нерозрізних сталезалізобетонних балок з локальним обтисненням в зонах проміжних опор і в прольотах, вивченню їх роботи під навантаженням, а також розробленій методиці розрахунку з урахуванням спрямованого формирування перерозподілу моментів.

Досліджувалися дві схеми розташування ділянок двопрольотної балки, де проводилося локальне обтиснення.

Балки БД-1 - без обтиснення; балки БНД-1 - з обтисненням в зоні проміжної опори; балки БНД-2 - з обтисненням в зоні проміжної опори і в прольотах.

Кожна сталезалізобетонна балка складалася із сталевого двутавра № 14 і залізобетонної полиці з товщиною 60 мм, шириною 250 мм. Зв'язок між сталевим двутавром і залізобетонною полицею забезпечувався за допомогою протизсувних анкерів запропонованої конструкції.

Попереднє напруження в опорній частині балок створювалося двома стержнями 12 мм класу А500С, привареними до верхньої полиці двутавра через проміжні пластини.

Попереднє напруження в прольотах балок здійснювалось двома стержнями 10 мм класу А500С. Вказані стержні приварювалися до стінки двутавра з двох сторін в кожному прольоті.

Локальне попереднє напруження в майбутній середній опорній зоні створювалось до бетонування, в прольотах - після бетонування залізобетонної полиці. Відтягування напружуваної арматури виконувалося ручним гвинтовим домкратом.

Випробування проводилися з використанням стенда, закріпленого до силової підлоги.

Дані таблиці 2 показують ефект локального обтиснення.

Таблиця 2 Результати випробувань балок

За рахунок обтиснення у балок БНД-1 значення руйнівного навантаження зросло на 25%, БНД-2 - на 30%, з чого можна зробити виисновок, що швидкість росту ефекту локального обтиснення знизилась, тому доцільно здійснювати обтиснення тільки в зоні проміжних опор.

У випробуваннях всіх зразків зафіксовано, що перед утворенням лещадок в стиснутій зоні бетону в прольотах напруження в напружуваних стержнях, а потім в сталевій балці досягали межі текучості.

Даний результат вельми важливий для побудови методик розрахунку нерозрізних конструкцій, які розглядаються в цій роботі.

Фізична нелінійність, утворення тріщин в залізобетонних полицях, виключення вказаних полиць з роботи на опорах нерозрізних багатопрольотних сталезалізобетонних балок, пластичні деформації арматури сталевих двутаврів обумовлюють перерозподіл зусиль з опорних перерізів, які мають меншу жорсткість, в прольотні перерізи, що мають відповідно більші жорсткості.

Зокрема, відбувається перерозподіл моментів з опорних зон, де внаслідок певного виключення з роботи розтягнутої залізобетонної полиці (внаслідок чого зусилля сприймає в основному сталевий двутавр), в прольотні зони, де залізобетонні полиці стиснуті і перерізи конструкції працюють як сталезалізобетонні. Очевидно, що жорсткість і міцність сталезалізобетонних перерізів істотно вищі, ніж перерізів сталевих двутаврів (при наявності тріщин в розтягнутій залізобетонній полиці). Внаслідок вказаного матиме місце перерозподіл зусиль у вигляді зменшення опорних згинальних моментів і відповідно збільшення прольотних. Проте вказаного зменшення недостатньо для забезпечення працездатності опорних зон і конструкції в цілому внаслідок виникнення значних пластичних деформацій у сталевому двутаврі на проміжних опорах, що обумовлене самою статичною схемою нерозрізних балок, відповідно до якої величини згинальних моментів на опорах істотно більше, ніж в прольотах.

Викладене диктує необхідність раціонального підсилення опорних зон. Підсилення опорних зон пропонується здійснювати локальним попереднім напруженням сталевої балки на проміжних опорах.

Результати експериментальних досліджень відкривають можливість побудови методики розрахунку несучої здатності сталезалізобетонних локально попередньо напружених нерозрізних балок на основі використання методу граничної рівноваги.

Шарніри пластичності утворюються одночасно в прольотній частині сталезалізобетонної балки, де виникає граничний згинаючий прольотний момент М_пи і на опорах М_опи. При цьому величина граничного згинального опорного моменту М_опи визначається в основному силовими можливостями сталевого двутавра, оскільки залізобетонна полка з тріщинами надає тільки невелику допомогу.

Порядок розрахунку аналогічний визначенню руйнівного навантаження для залізобетонних нерозрізних балок.

Слід зазначити, що в розрахунках залізобетонних нерозрізних балок часто приймається рівномоментна схема розподілу зусиль.

У розрахунках сталезалізобетонних нерозрізних балок рівномоментну схему реалізувати скрутно, оскільки несуча здатність прольотного сталезалізобетонного перерізу істотно більше аналогічної характеристики практично (внаслідок наявності тріщин в залізобетонній розтягнутій зоні) сталевого опорного перерізу. У зв'язку з вказаним призначення величини опорного моменту М_опи рівним значенню М_пи зумовлюватиме розвиток в опорній частині сталевого двутавра надмірних пластичних деформацій.

Щоб запобігти вказаному, пропонується проводити підсилення опорних ділянок їх локальним попереднім напруженням, яке створює згинальний момент , зворотний за знаком опорному моменту М_опи.

Завдяки вказаному схема розподілу зусиль між проміжними прольотами і опорами може бути лише більш наближеною до рівномоментної. У прольоті утворення пластичного шарніра відповідає досягненню граничної величини згинального моменту в сталезалізобетонному перерізу М_пи з полицею в стиснутій зоні.

Приймається, що утворення пластичних шарнірів у надопорних ділянках відбувається при

. (9)

В цілях забезпечення експлуатаційної придатності конструкцій повинна виконуватися умова обмеження пластичних деформацій у вигляді обмеженого шарніру пластичності. При цьому величини і обтиснення визначаються послідовними наближеннями до виконання вказаної умови утворення обмеженого шарніру пластичності.

Викладене вище по суті є запропонованим у даній роботі принципом спрямованого формирування перерозподілу зусиль.

Утворення обмеженого шарніра пластичності на рядовій проміжній опорі нерозрізної балки забезпечує як нормальну її експлуатацію, так і певний ступінь перерозподілу зусиль в ній.

Обмеження можливостей шарніра пластичності по своїй суті є умовою виконання вимог другої групи граничних станів.

Для прольоту, розташованого між двома проміжними опорами,

. (10)

Другим важливим випадком є формирування зусиль в крайньому прольоті нерозрізної балки з крайньою шарнірною опорою. При рівномірно розподіленому навантаженні максимальний згинальний момент виникає в перерізі на відстані 0,414l від крайньої опори і складає

, (11)

умова рівноваги

, (12)

звідки величина руйнівного навантаження

. (13)

Таким чином, в дисертації розглянуті основні випадки розрахунку нерозрізних локально обтиснутих сталезалізобетонних балок.

У розділі 7 висловлюється сутність запропонованої інженерної методики розрахунку і формирування опертих по контуру сталезалізобетонних плит із співвідношенням довгої l_д до короткої l_к сторони . Завдяки просторовому характеру роботи плити її сталезалізобетонні умовно виділені смуги-балки мають різну напруженість (значення напруження в двутаврі). Кількісну оцінку дали чисельні дослідження, виконані в лінійній постановці. Їх результати наведені в роботі.

На всьому дослідженому діапазоні співвідношень жорсткостей плит і балок напруженість, наприклад, крайньої балки суттєво менше, ніж середньої. Тому можна прийняти двутавр меншого перерізу, перевіривши повторним розрахунком.

Викладене дозволяє зробити висновок про можливість спрямованого формирування перекриттів за умови розрахункового обґрунтування.

У основу запропонованого інженерного підходу до розрахунку сталезалізобетонної плити покладено допущення

(14)

Тут q_і і _і - відповідно завантаженість і напруженість умовно виділеної з плити сталезалізобетонної балки-смуги,

і _ср - відповідно завантаженість і напруженість середньої сталезалізобетонної балки-смуги.

Розрахунок сталезалізобетонної плити в лінійній постановці дозволяє виявити характер розподілу напруженостей і відповідно до залежності (14) визначити величини рівномірно розподіленого навантаження q_i, що доводиться на кожну відповідну балку-смугу.

Розрахунок кожної умовно виділеної з плити нелінійно деформованої локально обтисненої сталезалізобетонної балки-смуги на дію виявленого навантаження q_i в даній постановці автоматично враховує просторовий характер роботи сталезалізобетонної опертої по контуру плити. Таким чином, розрахунок плити зводиться до розрахунку окремих сталезалізобетонних балок-смуг з локальним попереднім напруженням. Для раціональної компоновки сталевих балок доцільно використовувати їх різне за величиною локальне обтиснення.

Розділ 8 присвячений підсиленню сталезалізобетонних згинальних елементів і нерозрізних балок (патент України 50136А) шляхом їх локального попереднього напруження додатковою зовнішньою стержньовою арматурою під навантаженням. Підсилена конструкція повинна сприйняти навантаження q₂, що складається з діючого q_д і запланованого q₁ додаткового навантаження.

Насамперед, виходячи з епюри моментів, визначається довжина ділянки l_sp, яка потребує підсилення.

На другому етапі, використовуючи метод граничної рівноваги, представляється можливим визначити потрібну сумарну площу поперечного перерізу двох арматурних стержнів

. (15)

де М_сжи - несуча здатність перерізу сталезалізобетонної балки з урахуванням сили обтиснення.

Таким чином, запропоноване забезпечує можливість прямого проектування підсилення сталезалізобетонного згинального елементу.

Розроблена методика може бути використана і при проектуванні нових локально попередньо напружених сталезалізобетонних згинальних елементів.

Для підсилення нерозрізних сталезалізобетонних балок в проміжних прольотах l_п потрібна з урахуванням перерозподілу зусиль площа перерізу двох напружуваних стержнів

, (16)

де М_опи - граничний опорний момент.

Одержана також залежність для визначення з урахуванням перерозподілу зусиль величини A_sp для крайнього прольоту нерозрізної балки при крайній шарнірній опорі.

У проведених експериментальних дослідженнях ставилося завдання оцінити технологічну можливість підсилення сталезалізобетонних балок під навантаженням і його ефективність.

Далі завантаження продовжувалося, при цьому ручні гвинтові домкрати не видалялися. Руйнування балки відбулось, коли практично одночасно досягалась текучість в напружуваній арматурі, двутаврі і з'являлись лещадки в стиснутому бетоні.

Завдяки локальному обтисненню додатковою арматурою величина руйнівного навантаження зросла на 16%, навантаження тріщиноутворення в полиці в 2,25 рази. При більшій кількості напружуваної арматури ефект зростає. Практика підтвердила технологічність і ефективність способу підсилення сталезалізобетонних конструкцій локальним обтисненням під навантаженням. Достатньо широке застосування знайшов спосіб підсилення не придатних до нормальної експлуатації дерев'яних перекриттів підведенням під них сталезалізобетонних локально попередньо напружених перекриттів з улаштуванням залізобетонної плити «мокрим» торкретуванням знизу. В даному випадку особливо ефективне сумісне застосування локального і технологічного попереднього напруження.

Локальне обтиснення додатковою зовнішньою арматурою класу А500С показало себе як засіб зниження хиткості, підвищення жорсткості сталезалізобетонних перекрить будівель та споруд, що експлуатуються.

Досвід практичної реалізації результатів цієї роботи підтвердив доцільність застосування запропонованого попереднього напруження.

Загальні висновки

1. Запропонований ефективний клас несучих конструкцій - сталезалізобетонні локально попередньо напружені згинальні елементи і статично невизначні системи на їх основі.

Підвищені несуча здатність і жорсткість досягаються попереднім обтисненням сталевих балок сталезалізобетонних конструкцій додатковою (на відміну від традиційних залізобетонних) зовнішньою арматурою не по всій їх довжині, а тільки в зоні дії максимальних згинальних моментів. Металоємність конструкції знижується також завдяки тому, що міцнісні показники напружуваної арматури, наприклад, класу А500С в два рази вище, ніж у сталі двутавра.

2. Додатковий ефект полягає в тому, що після здійснення обтиснення напружувані арматурні стержні спільно з упорами утворюють шпренгельне підкріплення, яке у міру зростання навантаження створює додаткове локальне обтиснення.

3. Експериментально виявлені закономірності деформування і руйнування сталезалізобетонних згинальних елементів з локальним попереднім напруженням; завдяки обтисненню напружуваною арматурою несуча здатність при прийнятих співвідношеннях параметрів компонентів випробуваних конструкцій підвищилася в 1,47 рази, тріщиностійкість залізобетонної полиці в 1,6 рази, деформативність зменшилася приблизно в 2 рази. Ефект зростає із зростанням початкового рівня попереднього напруження, проте обмежено. Величина початкового напруження повинна визначатися розрахунком.