Влияние неполноты сцепления на свойстве сталебетонных элементов
INFLUENCE OF INCOMPLETENESS OF COUPLING ON THE PROPERTIES OF STEEL-CONCRETE ELEMENTS
V. ALMAZOV, MGSU, Z. AMIRASLANOV, Momeftegas
Substantiation of opportunity and expediency of application of steel-concrete designs with external reinforcing
at possible infringing of solid-mass.
Keywords: steel-concrete stand pipes, design the offshore oil-field constructions, infringing of solid-mass
Опытные сталебетонные балки, предварительно подвергнутые внешним климатическим воздействиям: водонасы-щению, циклическим замораживаниям и оттаиваниям, показали, что эти воздействия, хотя и оказывают влияние на поведение сталебетонного изгибаемого элемента, тем не менее, не приводят к заметному ухудшению свойств бетона заполнения и, как следствие, изменению прочностных и деформационных характеристик конструкции в целом.
Цель представленной статьи - дать достаточно полное обоснование возможности и целесообразности применения сталебетонных конструкций с внешним армированием при возможных нарушениях сплошности, вызванных климатическими воздействиями, коррозионными процессами и развитием деформаций по контактным поверхностям, которые могут вызывать неблагоприятные изменения в поведении подобных конструкций.
Опытные балки коробчатого сечения (из стали класса С 325) без бетонного заполнения (рис. 1) и с бетонным заполнением были предварительно подвергнуты О, 15, 30 и 45 циклическим замораживаниям до - 50°С и оттаиваниям. Такое воздействие эквивалентно стандартным испытаниям морозостойкости до, соответственно, 150, 300 и 400 циклов замораживаний. Принятый для опытов бетон соответствовал классу В 25 и не содержал противомо-розных добавок.
Незащищенный металлической оболочкой бетон после таких воздействий должен был существенно снизить свою прочность, уменьшить сцепление с арматурой и, следовательно, заметно снизить влияние бетона на сопротивление сталебетонной конструкции.
Каждая балка нагружалась двумя силами Р, расположенными в третях 2-метрового пролета. Представленные на рис. 2 результаты опытных исследований с полной очевидностью демонстрируют повышение несущей способности (~ 1,5 раза большую, чем несущая способность стальной балки).
Кроме того, результаты подтверждают, что бетон, заключенный в стальную оболочку и не имеющий прямого контакта с агрессивной окружающей средой, обладает пониженной деструкцией после 45 циклов замораживаний до -50°С и оттаиваний.
Испытания показали, что деструктивные процессы в бетоне заполнения в условиях циклических замораживаний не приводят к существенному снижению основных свойств сталебетонной конструкции. Сравнение полученных результатов с результатами расчетов по отечественным и международным нормам [4], [5] (рис. 2) показало также, что эксплуатация в суровых климатических условиях может сохранить требуемые прочностные свойства сталебетонной балки.
Поскольку среди противников сталебетона основным аргументом является негативное влияние усадки, которая может нарушить сцепление стальной оболочки и бе-
В.О. АЛМАЗОВ,
д.т.н., профессор
Московский государственный строительный институт
V almazov33@mail,ru
I
Г
З.А. АМИРАСЛАНОВ,
ведущий научный сотрудник
ЗАО НТЦ «Морнефтегаз»
Предыдущие исследования [1,2,3] показали, что стальная балка коробчатого сечения после заполнения ее бетоном имеет значительно большую несущую способность.
Рис. 1. Конструкция опытной стальной балки
ив 1« I а.' 90 £ н X 40 го л
Л й А
=1 3" ■у
1 /
\ \ У У *
/ Р
» 1« 200 ЭОС 440 ■У. «о тя не ко 1003 тн 12« 13« им 1ис кос 1ти « Прогиб, им х 100
Ю- Сильная болы (мл) -Стальная балка (расчее СНиП) —А-Счапебсиж и. у. (слит} —в— Сталебетеи и. у. (расч« СНиП) -ф-Стапшбмси 15 ЦЗО (мы-) 4 Сгаг*6*!он 30 ЦЗО {опит} —V" Сгатбвюм 45 ЦЗО {опыт}
- 2490 кг! см1
Утах= 9,713 мм, ^ = 1904 кг/см,
тал
при разрушающей нагрузке Рш= 7,34 т.
Разрушение произошло в результате потери устойчивости сжатой полкой сечения.
Модель 2. Стальная балка с диафрагмами.
Расчетная модель балки представлена на рис. 3. Передняя стенка балки условно удалена. Результаты численного опыта представлены в виде максимального прогиба утах и экстремальных напряжений в полках стального коробчатого сечения с„
ПГ1 ■
[пах.
Рис. 2. Прогибы стальной и сталебетонных балок под нагрузкой, эксплуатируемых в различных условиях
тонного ядра, в этой статье рассматриваются свойства сталебетонной балки при неполном сцеплении бетона и стали.
Анализ основан на сравнении результатов расчетов стальной балки, сталебетонной балки с ненарушенным сцеплением, сталебетонной балки с поперечными диафрагмами и частично нарушенным сцеплением.
Многочисленные опыты и, главное, опыт эксплуатации современных железобетонных конструкций, в особенности предварительно напряженных, показывают способность железобетонных конструкций-балок иметь высокие эксплуатационные качества и при частичном и даже полном отсутствии сцепления бетона и арматуры в традиционном смысле [6]. При этом необходимой и достаточной в предварительно напряженных конструкциях является надежная анкеровка концов арматурного стержня.
Для подтверждения возможности эксплуатации сталебетонной балки при неполном сцеплении бетона и стальной оболочки проведены численные опыты МКЭ в упругой и физически нелинейной постановке. В статье приводится описание части этих опытов, показывающих эффективность сталебетонных балок с диафрагмами при частично или полностью нарушенном сцеплении. Чтобы можно было использовать полученные результаты в практике проектирования и строительства, рассмотрено несколько расчетных моделей.
Модель 1. Стальная балка (аналог опытной) (рис. 1).
Результаты численного опыта представлены в виде максимального прогиба утах и экстремальных напряжений в полках стального коробчатого сечения <та
: 6,75 мм, етт}й =
-2442 кг!см1
шт 1
шах.
= 1719 кг/см2
Разрушение также произошло в результате потери устойчивости сжатой полкой сечения при Ри! = 12,24 т. Несущая способность балки возросла почти на 60%, однако разрушение произошло при напряжениях в стали существенно меньших нормативного сопротивления стали на сжатие.
Модель 3. Усиленная стальная балка с диафрагмами.
Расчет физически нелинейной задачи для стальной балки (модель 1) показал, что причиной разрушения (исчерпания несущей способности) была местная потеря устойчивости сжатой полки на участке между точками приложения сил Р. Расчетная модель в рассматриваемом случае изменена путем замены опасного участка верхней полки на лист толщиной 10 мм. Результаты численного опыта представлены в виде максимального прогиба утах и экстремальных напряжений в полках стального коробчатого сечения о . :
14,67 мм, <т„™ =
ПИП П1ЭХ
-3261 кг/см~ 2842 кг/см2
при разрушающей нагрузке Ри|=12,24т.
Очевидно, что помимо достижения прямого результата- полной реализации напряженного состояния при изгибе значительно увеличилась пластичность балки, прогиб при разрушении увеличился более чем в два раза.
Модель 4. Сталебетонная балка без диафрагм.
Опыт предпринят для того, чтобы оценить влияние бетонного ядра на работу стальной балки. Результаты численного опыта представлены в виде максимального проги-ба утах и экстремальных напряжений в полках стального коробчатого сечения <тт
П11П 1
[пах.
Рис. 3. Расчетная (МКЭ) схема стальной балки с диафрагмами
— 2295 кг!см'
Углах= 10<25 ММ> -7-2
— 2190 кг 1см
при разрушающей нагрузке Ри| = 9,79 т.
По сравнению с результатами расчета модели 1, наблюдаются увеличение несущей способности прогиба при разрушении и благоприятное изменение соотношения напряжений в растянутой и сжатой полках стальной балки.
Отметим, что по прогибам и пределу несущей способности модель 4 дает более осторожный результат, чем физический опыт.
Модель 5. Сталебетонная балка с диафрагмами.
Диафрагмы в сталебетонной балке должны решить две задачи:
• дополнить сопротивление контактному сдвигу;
• увеличить местную устойчивость полок и стенок стальной оболочки.
Размещение диафрагм показано на рис. 3. Толщина диафрагмы - 4 мм. Результаты численного опыта представлены в виде максимального прогиба утах и экстремальных напряжений в полках стального коробчатого сечения <7„
min ■ та*
_-3005 кг/см' 2791 кг/см1
О. В
- -
- □ л. -»
i •
fj - - -
г г л ■ Г
г /
/
Прогиб, UU X 100
при разрушающей нагрузке Ри! = 12,24 т. В сравнении с результатами расчета модели 4 наблюдается заметное увеличение несущей способности и прогибов при исчерпании несущей способности.
Модельб.Усиленная сталебетонная балка с диафрагмами.
Бетонное ядро не позволило в достаточной степени решить задачу потери местной устойчивости сжатого пояса стальной балки. Комбинация диафрагм и увеличения толщины сжатой полки на участке между силами Р позволила получить наилучшие результаты. Результаты численного опыта представлены в виде максимального прогиба Утах и экстремальных напряжений в полках стального коробчатого сечения :
тах.
-3191 кг/см1
* Слмр Бт |mr| --- Сютьнш J'n :>r СНнП*
□ CTH4,h*nflai4i ша □ с™ч.надОжлка : диJSPJTUJMH {МО) О ЛилямнсиымЛнисдЩвишшЛЯЭ)
А tentiW»V имбсюмия 6mu f .ttwtftiMXM 4.--. i.
Рис. 4. Прогибы стальных и сталебетонных балок под нагрузкой
ны балки не приводит к существенным изменениям несущей способности, прогибов и напряжений в стальной оболочке.
Модель 9. Усиленная сталебетонная балка с проемными д
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.