Применение косвенного сетчатого армирования для повышения жесткости и трещиностойкости железобетонных элементов

Повышение эффективности вкладываемых средств в строительство неразрывно связано с совершенствованием железобетонных конструкций, которые являются основой капитального строительства в большинстве индустриально развитых и развивающихся странах. Решение этой проблемы осуществляется на основе различных подходов. Одним из направлений является расширение применения высокопрочных бетонов и арматуры, позволяющие снижать материалоемкость и стоимость конструкций традиционных форм. Другое направление связано с совершенствованием применяющихся конструкций и с разработкой новых, прогрессивных конструкций, обеспечивающих экономию материалов, с обязательным условием их достаточной технологичности от возможности внедрения на практике. Развитие этих направлений требует использования достаточно сложных технологий, что затрудняет широкое внедрение качественно новых конструкций в современном строительстве. В настоящее время наибольшее применение находят способы, позволяющие совершенствовать конструкции на основе обычно применяемых материалов.

В прошлом столетии учеными и специалистами были выполнены значительные теоретические и экспериментальные исследования различных способов косвенного армирования в элементах железобетонных конструкций. Были построены также разнообразные крупные сооружения с использованием косвенного армирования. В связи с интенсивным развитием науки и техники, большое значение приобретает совершенствование методов исследования элементов железобетонных конструкций, теории их расчета, а также разработка новых конструктивных форм. Стремление создать экономичные по расходу материалов элементы железобетонных конструкций, работающие на центральное сжатие, привело к их косвенному армированию в виде спиральных обмоток, сеток, заключение бетона в металлические трубы большого диаметра или в трубки небольшого диаметра[12,31]. Все эти способы армирования нашли применение в строительной практике, хотя они не равноценны по своим техническим и экономическим показателям.

Как известно исчерпание несущей способности железобетонных конструкций связано с достижением предельных деформаций в сжатом бетоне, увеличение этих деформаций позволяет более полно использовать прочностные свойства арматуры, что особенно важно при использовании высокопрочных сталей.

Наиболее распространенными способами повышения прочности и деформативности бетона в конструкции является специальные виды армирования: косвенное армирование в виде сварных сеток, спиральной или кольцевой арматурывнешнее армирование в виде обойм из стальных листов или труб. К особенно эффективным относится косвенное армирование, способное создавать наиболее значительное сопротивление поперечным деформациям бетона при действии продольного сжимающего усилия. Влияние косвенного армирования на напряженно-деформированное состояние центрального и внецентренного сжатых элементов при статических и динамических нагрузках изучено достаточно полно.

4,5,12,14,15,21,28,30,32,33,37,39,53,55,57,59,62,63], и методика их расчетов включена в нормативные документы. Имеются предложения по применению сетчатого косвенного армирования в сжатых зонах изгибаемых элементов и опубликованы несколько работ [19,42,43,58,60,63,64,65,66], содержащих экспериментальные данные по деформированию таких элементов, свидетельствующие о возможной эффективности этого способа армирования.

Однако этих данных недостаточно для полной характеристики напряженно-деформированного состояния изгибаемых элементов с косвенным армированием.

Целью диссертационной работы являются:

• оценка эффективности косвенного сетчатого армирования сжатых зон изгибаемых элементов, на их деформативность, на основе экспериментальных исследований.

• разработка метода расчета изгибаемых железобетонных элементов с косвенным армированием сжатой зоны по прогибам и раскрытию трещин, при статических нагрузках в стадии эксплуатации.

Научную новизну работы составляют:

• результаты экспериментальных исследований балочных элементов с косвенным сетчатым армированием сжатой зоны;

• метод расчета центрально сжатых элементов с поперечным косвенным армированием в стадиях упругого и неупругого деформирования продольной и поперечной арматуры;

• метод расчета изгибаемых элементов с косвенным армированием сжатых зон, в стадии деформирования арматуры в упругой стадии.

Достоверность полученных результатов обеспечивается:

• использованием методов регистрации и обработки результатов испытаний балок, обеспечивающих необходимую точность измерений;

• удовлетворительным совпадением результатов расчетов по разработанной методике с опытными данными автора и других исследователей.

Практическое значение работы состоит в разработке инженерного метода расчета железобетонных сжатых и изгибаемых элементов с поперечным сетчатым армированием, позволяющей определять параметры сеток косвенной арматуры обеспечивающей требуемую жесткость и трещиностойкость конструкций.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы. Работа изложено на 184 страницах печатного текста, иллюстрирована 49 рисунками, 18 таблицами.

Список литературы

содержит 69 наименований.

5. Общие выводы.

1. Для проведения экспериментальных исследований изгибаемых элементов с сетчатым армированием сжатой зоны было изготовлено две серии, каждая из трех однопролетных железобетонных балок (200×150×1700) мм и различным шагом сеток:8=10 см с различным содержанием продольной 2014 (ц=0,012) и 2022 ц= 0, 0317) и косвенной сетчатой арматуры, состоящие из сеток с ячейками 20×20мм и с различным шагом сеток 8= 10 см (цху= 0,022) и Б=5 см (цху= 0,044). В процессе испытании были измерены: деформации продольной арматуры и стержней сетокдеформации бетона по высоте сеченияпрогибы в середине пролетавысота сжатой зоныширины раскрытия трещин и расстояния между трещинами, а также вычислялся коэффициент^.

2.При испытаниях получено, что значения всех измеренных величин уменьшались с увеличением |1ху. Для оценки в среднем влияния косвенного армирования определены средние значения коэффициентов влияния и для основных характеристик балок получено, что косвенное армирование приводит к снижению: прогибы, ширины раскрытия трещин, деформация продольной арматуры, деформация бетона сжатой зоны, расстояние между трещинами. Полученные опытные данные свидетельствуют, что косвенное армирование сжатых зон повышает жесткость и трещиностойкость изгибаемых элементов. Эти особенности характеризуются соотношениями для средних коэффициентов влияния прогибов р / и ширины раскрытия трещин расгс.

— для балок серии Б-1 (ц= 0,012): Р/ = • /л^, р^ = 7,27 • ц^.

— для балок серии Б-И (ц= 0,0317): Р/ = 5 ' Мху" Ра^ = 7>95 ' Рху.

3. Косвенное армирование сжатой зоны балок на значении нагрузок трещинообразования влияет не значительно и повышает несущую способность на 4−13%. Разрушение балок начиналось с разрушения защитного слоя бетона и заканчивалось раздроблением бетона сжатой зоны на участке чистого изгиба.

4. Деформационная модель армированными сетками бетона учитывает объемное напряженное состояние, возникающее вследствие трехосного сжатия от продольных и поперечных напряжения в бетоне. Для характеристики объемно напряженного состояния элемента использован обобщенный закон Гука. Нелинейные деформации бетона учитываются секущими модулями деформаций и коэффициентами поперечных деформаций. Из решения общих систем уравнения деформированного элемента найдены выражения для деформации стержней сеток и для продольных и поперечных деформаций бетона. Получено, что сетчатое армирование повышает жесткость, вследствие повышения предельных сопротивлений сжатого бетона и создания дополнительной продольной жесткости элемента.

5. Расчетные зависимости для центрально сжатого элемента с поперечной сетчатой и продольной арматурой получены на основе представления диаграммы деформированного бетона с использованием секущих коэффициентов упругости," учитывающие нелинейные деформации бетона. Продольные деформации элемента характеризуются осевыми жесткостями, которые учитывают деформирование продольной и поперечной сетчатой арматуры в упругой и неупругой стадиях.

6. Расчетные зависимости для изгибаемого элемента с сетчатым армированием сжатой зоны получены исходя из параболо-прямоугольной диаграммы деформирования сжатого бетона. Распределение деформаций по высоте сечения принято на основе закона плоских сечений. Вследствие продольной жесткости сеток возникают интегральные члены в уравнениях для относительной высоты сжатой зоны и в выражении для момента внутренних сил. При этом происходит повышение изгибной жесткости и трещиностойкости элемента в зависимости от параметров сеток косвенного армирования.

7. Приведенные расчеты испытаний центрально сжатых и изгибаемых элементов (балки) выявили удовлетворительное совпадение расчетных и опытных данных.

8. Проведенная технико-экономическая оценка применения косвенной сетчатой арматуры в сборной железобетонной предварительно напряженной подкрановой балке выявила возможность экономии общего расходе стали в 8−9%.

6. Справка о внедрении результатов диссертационной работы.