Ю В Глазунов - Работа сталебетонных стержней при центральном сжатии - страница 1

Страницы:
1 

УДК 574.075

Ю.В.ГЛАЗУНОВ, канд. техн. наук

Украинская государственная академия железнодорожного транспорта, г.Харьков

РАБОТА СТАЛЕБЕТОННЫХ СТЕРЖНЕЙ ПРИ ЦЕНТРАЛЬНОМ СЖАТИИ

Рассматриваются особенности работы сталебетонных стержней под нагрузкой, приведены их технико-экономические характеристики. Описаны результаты теоретиче­ских и экспериментальных исследований работы сталебетонных стержней при цен­тральном сжатии. Рассматривается влияние ползучести бетона на несущую способность стержней.

С развитием производительных сил в строительстве возникает необходимость внедрения все более эффективных и экономичных кон­струкций. Бетон в сочетании со стальной арматурой является основ­ным материалом для жилищно-гражданского, промышленного, энер­гетического, транспортного и сельскохозяйственного строительства.

Известно, что основные направления прогресса в современных строительных конструкциях тесно связаны с проблемой экономии ста­ли. Замена стальных конструкций железобетонными приводит к более экономному расходу стали, но это не всегда связано с экономией де­нежных средств. Поэтому наряду с поисками успешно конкурирую­щих решений в железобетоне стимулируется развитие других ком­плексных материалов и конструкций, в частности, сталебетонных.

Этому способствует ряд преимуществ сталебетонных конструк­ций: упрощение технологии изготовления; сокращение расходов на опалубку и закладные детали; простота сборки, ремонта и усиления; совмещение функций рабочей арматуры с защитным ограждением от механических и других воздействий. Для изготовления сталебетонных конструкций не требуется применение специальных форм; монтаж элементов осуществляется так же, как и металлических; стальная обойма выполняет роль продольной и поперечной арматуры. Бетон за счет объемного напряженного состояния воспринимает напряжения, значительно превышающие призменную прочность, что позволяет достичь экономии стали и бетона.

Экономичность сталебетонных конструкций с внешним армиро­ванием, по сравнению с традиционными железобетонными, обеспечи­вается за счет более эффективного использования арматуры. Однако, несмотря на высокую экономичность, широкое применение сталебе­тонных конструкций сдерживается из-за недостаточной разработанно­сти способов их расчета. Поэтому исследование сталебетонных конст­рукций является актуальной задачей.

Технико-экономические исследования [1, 2] показали, что приме­нение сталебетонных элементов для колонн промышленных зданий позволяет экономить до 35-45% стали по сравнению со стальными ко­лоннами и до 14% - с железобетонными. Приведенные затраты сни­жаются в первом случае на 28-33%, во втором - на 51-57%. Использо­вание сталебетонных колонн в подкрановых эстакадах позволяет эко­номить до 17-22% стали по сравнению со стальными и до 9% - с желе­зобетонными. Приведенные затраты снижаются на 28-36%.

Создание необычных конструктивных схем, освоение новых тех­нологических процессов изготовления труб и разработка узлов [3, 4], использование на заводах ЖБК вибрационных процессов для скорост­ного заполнения труб бетоном способствуют развитию сталебетонных конструкций.

Сборка конструктивных элементов трубобетонных конструкций, как и стальных, производится при помощи электросварки. Стык эле­ментов по длине осуществляется впритык. Конструктивные особенно­сти соединений трубобетонных элементов позволяют образовывать из них пространственные решетчатые системы различных конструкций.

Применение трубобетонных конструкций обусловливается требо­ваниями технологии строительства, условиями температурно-влажно-стного режима, агрессивностью среды, характером оборудования и длиной пролета. Бетон, защищенный от влияния внешней среды, мож­но использовать в строительстве, где обычный железобетон не приме­няется [5, 6].

Применение сталебетона наиболее целесообразно в элементах, работающих на большое сжимающее усилие. Сталебетон также при­меняется в сжатых поясах арок, в опорных раскосах и элементах большепролетных ферм, мостовых опорах, стойках сооружений рам­ной конструкции, несущих конструкциях гражданских сооружений, опорах линий высоковольтных электропередач, в высотных радио- и телевизионных мачтах и стойках шахтного крепления.

Трубобетонный стержень является комплексной конструкцией, состоящей из стальной трубы и бетонного ядра, работающих совмест­но. Такая конструкция обладает многими положительными качества­ми. Прочность бетонного ядра, стесненного стальной оболочкой как обоймой, повышается примерно в два раза по сравнению с первона­чальной.

Исследованиями [7, 8] установлено, что вместо ожидаемой усадки происходит набухание бетона в трубе и его расширение, сохраняю­щееся на протяжении многих лет, что создает благоприятные условия для его работы. Разбухание характерно для бетона, не только заклю­ченного в стальную трубу, но и изолированного любым другим спосо­бом от окружающей среды, что подтверждается известными опытами О.Я.Берга с изолированными бетонными образцами [9].

Причиной разбухания является отсутствие влагообмена между бетоном и внешней средой. В вышеуказанных опытах через 135 дней на одном из образцов была снята изоляция, что вызвало быстрое раз­витие деформаций усадки, которые стали почти такими же, как и у аналогичных неизолированных образцов. Величины усадочных про­дольных деформаций изолированного образца весьма незначительные и составляют £2=(2"="3)-10-5. Это является одним из преимуществ тру-бобетона в сравнении с железобетоном.

Изоляция бетона от окружающей среды создает лучшие условия для работы бетона под нагрузкой. Эксперименты свидетельствуют, что в неизолированном бетоне нагрузка вызывает более значительную де­струкцию во времени, чем в изолированном. В неизолированном бето­не развитие микротрещин все время прогрессирует, у изолированного бетона при том же напряжении оно полностью прекращается в первые 2-3 дня. В неизолированных образцах нелинейность деформаций пол­зучести наблюдается в течение 20-30 суток, а в изолированных - нели­нейность исчезает при аналогичных напряжениях за 2-7 суток.

Заполнение стальной трубы бетоном повышает ее противокорро­зионную стойкость, защищая от коррозии ее внутреннюю поверхность, уменьшает гибкость элементов, увеличивает местную устойчивость стенок трубы, повышает сопротивление оболочки вмятию в узлах со­пряжения и при ударных воздействиях во время транспортирования и монтажа.

Наружная поверхность трубобетонных конструкций примерно в два раза меньше, чем конструкций из профильного проката, вследст­вие этого у них меньше расходы по окраске и эксплуатации. На ци­линдрических поверхностях задерживается меньше пыли и грязи, яв­ляющихся активизаторами процессов атмосферной коррозии, поэтому трубобетонные конструкции имеют повышенную коррозионную стой­кость.

Использование цилиндрических стержней в сооружениях, под­верженных ветровым нагрузкам, позволяет снизить эти нагрузки за счет улучшения аэродинамических свойств. Стержень круглого сече­ния является равно устойчивым при одинаковых расчетных длинах. Жесткость на кручение такого стержня значительно выше, чем у стержней открытого профиля. При применении трубобетонных конст­рукций не требуется окраски, металлизации или герметизации внут­ренних поверхностей труб, что необходимо для трубчатых конструк­ций, не заполненных бетоном.

Применяя стальные конструкции вместо железобетонных, необ­ходимо учитывать условия, в которых они будут находиться при экс­плуатации. Обследованиями установлено, что при повышенных тем­пературах конструкции из железобетона с бетонами обычных марок разрушаются через 5-10 лет вследствие пересушивания бетона и де­гидратации цементного камня. В агрессивных средах агломерацион­ных фабрик в условиях воздействия мышьяковистого ангидрита были случаи разрушения конструкций за четыре года. Значительная корро­зия железобетона в цехах цветной металлургии. В этих и других по­добных неблагоприятных условиях с успехом можно применять тру-бобетон, в котором бетон защищен от агрессивных воздействий сталь­ной оболочкой.

Оценка эффективности сталебетонных колонн производилась в сопоставлении с эффективностью железобетонных колонн. Для обес­печения условий принятых вариантов соблюден принцип сопостави­мости, который предусматривал расчет конструкций на одинаковые нагрузки. Сопоставляемые конструкции запроектированы в соответст­вии с действующими строительными нормами и правилами, имеют одинаковые нормативные и расчетные характеристики бетона и стали, длины, назначения и условия эксплуатации.

Основная цель сочетания стальных конструкций с железобетон­ными - достижение более высоких технико-экономических показате­лей сооружений за счет использования преимуществ каждого из ком­понентов комбинированных конструкций при одновременном устра­нении их недостатков. Этому способствует хорошая сочетаемость стальных конструкций с тяжелым и легким бетонами, монолитным и сборным железобетонами.

Армирование бетона внешней оболочкой означает его изоляцию от окружающей среды. Таким образом, создаются лучшие условия для работы бетона под нагрузкой. Тонкостенные колонны с металлической оболочкой, заполненной бетоном, отличаются от обычных колонн из армированного бетона более рациональным использованием материа­лов.

По сравнению с неизолированным бетоном бетонное ядро имеет повышенную прочность благодаря боковому обжатию, создаваемому оболочкой, и меньшую усадочную деформацию, так как отсутствует влагообмен между материалом и внешней средой. Предельная дефор­мация ползучести железобетонных образцов в сравнении со сталебе­тонными, больше в 3-4 раза. Нелинейность деформаций ползучести внеизолированных образцах проявляется в течение 20-30 суток, а в изо­лированных - в первые 2-7 суток. Железобетонные образцы, армиро­ванные продольной арматурой, равной по площади сечению оболочки, разрушаются при нагрузке, в два раза меньшей, чем разрушающая на­грузка сталебетонных элементов. Прогибы сталебетонных образцов в 5-10 раз меньше, чем железобетонных, если нагрузка одинакова.

Наряду с этим необходимо отметить такие преимущества стале­бетонных конструкций, как упрощение технологии их изготовления, сокращение расходов на опалубку и закладные детали, простота сбор­ки, ремонта и усиления, лучшая сопротивляемость в агрессивных сре­дах, уменьшение высоты элементов благодаря отсутствию защитного слоя и компактному расположению арматуры.

В сталебетонных конструкциях стальная оболочка выполняет од­новременно функции как продольного, так и поперечного армирова­ния, воспринимает усилия по всем направлениям и под любым углом. Боковое давление обоймы препятствует развитию микротрещин раз­рыва в бетонном сердечнике, который в условиях всестороннего сжа­тия выдерживает напряжения, значительно превосходящие призмен-ную прочность. Одновременно обойма, заполненная бетоном, оказы­вается в значительной степени предохраненной от потери местной и общей устойчивости.

Сталебетонные конструкции очень надежны в эксплуатации - в предельном состоянии они не теряют несущую способность мгновен­но, как железобетонные, а еще длительное время способны выдержи­вать нагрузку. Бетон в обойме приобретает новые, выгодные для него свойства. Стальная оболочка в поперечном направлении начинает ра­ботать только после достижения бетоном предельного состояния по прочности.

Эффективность строительных конструкций определяется расхо­дом материалов для их производства, трудозатратами и, в конечном итоге, стоимостью. Применение сталебетонных конструкций взамен железобетонных позволяет снизить их металлоемкость и трудоемкость изготовления, повысить надежность.

Преимущество сталебетонных конструкций по сравнению с желе­зобетонными состоит в том, что они не нуждаются в закладных дета­лях и в опалубке, так как в этом случае используется стальная обойма. Особенно ощутимо преимущество сталебетонных элементов там, где закладные детали составляют относительно большую удельную массу от общей массы металла.

В результате применения сталебетонных колонн взамен железо­бетонных одинаковой несущей способности снижается себестоимостьстроительства и на 30-40% уменьшается расход металла.

1.Кикин А.И., Санжаровский Р.С. Конструкции из стальных труб, заполненных бетоном // Строительство и архитектура. - 1998. - № 5. - С.35-37.

2.Клименко Ф.Е. Прочность и деформативность сталежелезобетонных изгибаемых элементов с листовой сталью на тяжелом и легком бетоне // Вестник Львовского поли­технического института. - 1996. - № 11. - С. 24-28.

3.Росновский В.А. Трубобетон в мостостроении. - М.: Трансжелдориздат, 2001. -

195 с.

4.Скворцов Н.Ф. Применение сталетрубобетона в мостостроении. - М.: Авто-трансиздат, 2002. - 98 с.

5.Власов В.З. Тонкостенные упругие стержни. - М.: Стройизат, 1997. - 233 с. 6.Smith F., Brown R. The Shearing Strength of Concrete, Bull. Univ. of Washington, N 106, 2001, p. 205.

7.Долженко А.А. Усадка бетона в трубчатой обойме // Бетон и железобетон. -1990. - № 7. - С.14-17.

8.Санжаровский Р.С., Кусябгалиев С.Г. К технологии заполнения и твердения бе­тона в стальных трубах // Доклады к XXIV научной конференции ЛИСИ. Строительные материалы. - Л., 1994. - С.44-48.

9.Берг О.Я., Рожков А.И. Исследование неупругих деформаций и структурных из­менений высокопрочного бетона при длительном действии сжимающих напряжений // Тр. ЦНИИС. Вып.70. - М., 1999. - С.57-61.

Получено 28.10.2004

 

УДК 624.01

Я.О.СЛОБОДЯН, канд. техн. наук

Державний науково-дослідний інститут автоматизованих систем у будівництві, м.Київ

АВТОМАТИЗАЦІЯ НЕЛІНІЙНОГО РОЗРАХУНКУ ПРОСТОРОВИХ СИСТЕМ СПОРУД В СКЛАДНИХ УМОВАХ ДЕФОРМАЦІЙНИХ НАВАНТАЖЕНЬ

Робота присвячена створенню автоматизованого методу нелінійного розрахунку на основі теорії методу скінчених елементів та шагового методу послідовного наванта­ження, чисельним дослідженням нелінійного деформування складних просторових сис­тем експериментальних споруд у всьому діапазоні силових та деформаційних наванта­жень у вигляді ступінчатих деформацій земної поверхні із застосуванням програмного комплексу ЛІРА [1].

Для отримання оптимальних проектних рішень сучасних склад­них технічних об'єктів, зведених у складних ґрунтових умовах, що складають майже 70% території України, необхідно вирішити важливу проблему автоматизації проектування на основі створення універсаль­них математичних моделей та загального методу нелінійного розраху­нку просторових систем споруда-основа, що дозволяє проводити до­слідження складних режимів силових та деформаційних навантажень у вигляді нерівномірних вертикальних і горизонтальних переміщень

Страницы:
1 


Похожие статьи

Ю В Глазунов - Особенности работы сталежелезобетонных конструкций под нагрузкой

Ю В Глазунов - Технико-экономические исследования и область применения сталежелезобетонных конструкций

Ю В Глазунов - Исследование динамических воздействий на сооружения городской застройки, расположенные вблизи трасс метро

Ю В Глазунов - Конструктивная эффективность внешнего армирования

Ю В Глазунов - Конструктивные и технологические особенности сталебетона