Содержание к диссертации
Введение
1, Обзор экспериментальных и теоретических исследований работы фундаментных плит. Постановка задач исследований 12
1.1. Обзор методов расчета фундаментных плит. Учет нелинейности железобетона и грунта основания 12
1.2. Анализ экспериментальных данных о работе фундаментных плит . 18
1.3. Цель и задачи диссертационной работы 22
2 Изучение влияния масштабного фактора на работу системы "фундаментная плита - грунтовое основание" 23
2.1. Условия подобия для фундаментных плит 24
2.2. Установка и аппаратура для экспериментальных исследований 29
2.3. Методика проведения опытов с келезобетонными фундаментными плитами под колонны 31
2.4. Анализ влияния масштабного фактора на работу келезобетонных фундаментных плит 41
3 Экспериментальные исследования работы фундаментных плит в упругой стадии на моделях 60
3.1. Задачи и методика исследований 60
3.2. Стенд для модельных испытаний плит в упругой стадии работы 65
3.3. Описание опытов и результаты исследований 69
3.4. Сопоставление результатов с теоретическим решением 75
4. Экспериментальные исследования фундаментных плит на же лезобетонных моделях 79
4.1. Методика исследований на железобетонных моделях 79
4.2. Прогибы и осадки плиты 87
4.3. Развитие контактных нормальных и касательных напряжений под подошвой фундаментных плит .89
4.4. Особенности трещинообразевания и перераспределения напоєний в армаоуре и бетоне плиты 97
4.5. Схема излома и предельная несущая способность фундаментных плит 104
4.6. Распределение усилий в колоннах модели плиты 109
Выводы 114
5. Натурные исследования фундаментных плит каркасного здания и сооружения 117
5.1. Прогибы и осадки фундаментной плиты здания Главного вычислительного центра Госбанка СССР 117
5.2. Прогибы, осадки фундаментной плиты и усилия в колоннах склада клинкера Брянского цементного завода125
5.3. Сравнение результатов натурных наблюдений с теоретическими расчётами 134
Выводы 135
6. Расчёт прочности фундаментных плит каркасных зданий кинематическим методом 137
6.1. Экспериментальное обоснование применения кинематического метода к расчётам прочности фундаментных плит 137
6.2. Расчёт прочности фундаментных плит кинематическим методом предельного равновесия 139
6.3. Пример расчёта 143
Экономическая эффективность расчёта фундаментных плит по кинематическому методу 148
Общие вывода 150
Литература 155
Результаты внедрения 173
- Анализ экспериментальных данных о работе фундаментных плит
- Установка и аппаратура для экспериментальных исследований
- Стенд для модельных испытаний плит в упругой стадии работы
- Прогибы и осадки плиты
Анализ экспериментальных данных о работе фундаментных плит
Объем экспериментальных исследований фундаментных плит чрезвычайно ограничен,
На Всесоюзных координационных совещаниях по фундаментным плитам (Тбилиси - 1977, Львов - 1978, Свердловск и Симферополь - 1980) были представлены, в основном, теоретические исследования и в единичных случаях - результаты экспериментальных ис-ледований [98, 99]. Это показывает на явно недостаточную изученность работы плит на грунтовом основании.
Экспериментальные исследования фундаментных плит выполнялись как правило в натурных условиях. Зти опыты охватывали стадии строительства и работу плит под действием эксплуатацион ной нагрузки. В натурных опытах, разумеется, не мог быть получен материал о характере разрушения и предельной несущей способности плит.
Экспериментальными исследованиями фундаментных плит на натурных объектах строительства занимались, в основном, Г.Е. Ла-зебник и др. [100, l01], А.П. Криворотов и др. [і022 1033] ,аборатории НИИОСІІ им. Н,М, Герсеванова [29, 33] и ОДИИпромзерно-проекта [l04], В.Г. Немов [105], А.А, Тепляков 06] и др.
Г.Е. Лазебником [l07j приведены результаты натурных исследований фундаментных плит трех зданий: 12-этажного жилого дома; 16-ти этажной части Института технической информации и круглого железобетонного ребристого фундамента. Им был зарегистрирован случай перераспределения реактивных контактных напряжений в процессе строительства здания. Было также отмечено увеличение реактивных давлений в центральной части и особенно в местах передачи сосредоточенных нагрузок на плиту.
Измерение контактных давлений под силосным корпусом элеватора А.П. Криворотовым и В.К. Федоровым [l03J показало, что: а) характер эпюр контактных давлений изменяется в связи с изменением изгибной жесткости сооружений в процессе их строительства и последовательности нарастания внешней нагрузки; б) по окончании строительства силосного корпуса эпюры контактных давлений имеют седлообразную эпюру с меньшей неравномерностью распределения давления, чем в решении для жесткого фундамента на поверхности упругого полупространства. Исследования работы фундаментных плит на моделях ограничены еще больше.
Одними из первых являются опыты Б.Г.Коренева и М,Н.І чим ского [l08] по изучению работы моделей плоских неармированных плит из цементного раствора и из высокопрочного гипса. Основанием служил слой песка толщиной 10 см. Изучались деформации и характер разрушения плит. Был выявлен их значительный запас прочности. В опытах было отмечено, что для мелкомасштабных моделей плит наблюдался отрыв краев плиты от основания. Авторы это явление объяснили резким уменьшением влияния собственного веса модели плиты на ее БДС по сравнению с натурными конструкциями. Из-за малого масштаба опыты выявили лишь качественную картину работы плит.
Исследования на моделях выполнены в работах А.Н. Тетиора [l09 IIIl , Т.Р. Кикавы [П2], В.К. Чернова [П3]и автора настоящей работы в соавторстве с Ю.Н. 1Дурзенко и др. [73, 74 , 114 117] .
В работах А.Н» Тетиора и др. исследуются вопросы о реальных механизмах хрупкого разрушения столбчатых фундаментов [по] и особенности работы [ill] и расчет фундаментных плит при хрупком разрушении [Ю9І.
Установка и аппаратура для экспериментальных исследований
Экспериментальные исследования проводились в лаборатории модельных испытаний кафедры строительного производства, оснований и фундаментов НПИ. Испытательный комплекс включает в себя испытательную машину ММ, измерительные приборы, регистрирующую аппаратуру и другие дополнительные приспособления.
Испытательная установка ММ конструкции проф.ВДурзенко Ю.Н. состоит из лотка с внутренними размерами 3,0x3,0x2,2 (/? ) м, заполненного среднезернистым воздушно-сухим песком Орловского карьера Волгоградской области, моделирующим собой песчаное основание. Угол естественного откоса песка составил 33, угол внутреннего третя - 41.
Силовая рама машины состОИТ из мощных анкерных колонн и балки траверсы, к которой шарнирно подвешиваются три гидравлических домкрата, каждый из которых может создать сосредоточенное усилие до 500 кН. Домкраты могут перемещаться по всей длине траверсы и создавать суммарное усилие 1500 кН. Передача нагрузки регулируется через пульт управления машиной, которая имеет измерительную шкалу с тремя пределами измерений: до 100, 200, 500 кН и ценой деления соответственно 200, 500 и 1000 Н. Машина имеет диаграммный аппарат для записи графика "нагрузка-осадка". Погрешность измерения нагрузок составляет не более 1%, Наличие внутри пульта насосной станции высокого давления с регулируемой производительностью, позволяет фиксировать постоянную нагрузку на любой ступени нагружения в течение длительного времени и обеспечивать возможность разрушения моделей при значительных осадках.
Для измерения нормальных контактных напряжений в опытах применялись балочные месдозы конструкции Ю«Н. Мурзенко, Основной конструктивной особенностью данного преобразователя (рис, 2,2.I) является наличие кольцевой проточки I в мембране, которая обеспечивает .плоскопараллельное перемещение жёсткого диска 2 относительно основания месдозы 3, Перемещение диска передается на рабочую балочку 4 при помощи упорного винта 5. Податливая закраина 6 уменьшает концентрацию напряжений вокруг месдозы. С обеих сторон на балочку наклеиваются тензорезисторы марки 2ПКБ5-50 IB, которые подвергались последующей термообработке согласно требованиям, предъявляемым руководством l23j . Затем тензорезисторы соединялись по полумостовой схеме и подключались к цифровому тензометричеокому мосту ЦТМг-3 через переключатель каналов ПД—100
К основным достоинствам месдозы данной конструкции, как преобразователю напряжений, относятся: - большие пределы измерения напряжений - до 1,8 МПа и способность работать при больших нагрузках, что играет основную роль при доведении железобетонных моделей плит до разрушения; - простота конструкции и наименьшая погрешность измерений, которая обеспечивается способом перемещения дисков месдозы, о чем упоминает в своих исследованиях Г.Е.Лазебник [124], Там же указывается, что " оптимальное соотношение модуля упругости да-намсшетра и модуля деформации грунта, при котором величина ошибки находится в пределах 3-4 близко к 5". В нашем случае модуль упругости месдозы состовляет 300 ШПа, модуль деформации песчаного основания с плотностью 1,75 т/м , которая была принята во всех эксперементах, равна 45 МПа, то есть соотношение модулей ( Ем/Еа -St7 ) близко к рекомендациям [l24] ; относительно высокий порог чувствительности - 0,001 МПа.
Осадка плиты измерялась с помощью двух прогибомеров марки бПАО с ценой деления 0,01 мм. Прогибы плиты измерялись с помощью механических индикаторов часового типа с ходом штока 10 мм и ценой деления - 0,01 мм. На диаграммном аппарате машины ММ вычерчивался график зависимости "нагрузка-осадка" в ходе опыта,
Для проведения опытов было изготовлено три одинаковые плиты размерами 1,0x1,0x0,1 (о) м. Состав бетона подбирался для условий нормального твердения в течение 28 суток. Конструкция модели фундамента показана на рис. 2,3,1,
Арматура обычная, гладкая, $ 6,8 мм и На - 3Jf /0SMf7e , изготовлялась в виде вязаных сеток с одинаковым шагом стержней 9 см в обоих направлениях. Опалубкой для моделей служил специальный поддон. Для обеспечения точной толщины защитного слоя, равного 10 мм, под сетку укладывались специально изготовленные цементные бруски соответствующей толщины. При укладке бетона в опалубку производилось его уплотнение. Лицевая сторона моделей тщательно выравнивалась. Одновременно из этой партии бетона изготавливались бетонные кубики с размерами сторон 10 см в количестве 6 шт. После схватывания бетон укрывался влажными опилками, через 3 дня модели и кубики разопалубливались и, затем хранились вместе во влажных опилках
Стенд для модельных испытаний плит в упругой стадии работы
Стенд (рис, 3,2.1) предназначен для изучения деформированного состояния упругой модели фундаментной плиты под сетку колонн, опирающейся на упругое основание.
При выборе моделей основания и плиты помимо соблюдения условий геометрического подобия, мы исходили из равенства соотношений (2.1,13). Так как в настоящих опытах моделировалась работа железобетонных фундаментных плит с модулем упругости материала плит Е/н = 31500 МПа и модулем деформации основания Еон = 45 МПА, то соотношение упругих характеристик материалов моделей плиты и основания должно составить: Этому соотношению в достаточной степени удовлетворяют модель плиты из оргстекла (EjM = 1400 МПа) и модель основания из пористой резины (Еом = 1,9 ШПа),
Стенд состоит из отфрезированного по плоскости металлического стола I (рис, 3.2.2), установленного на жесткий каркас 2. Для придания горизонтальности поверхности стола, в его ножки вкручены регулировочные болты 3. Моделью основания служила многослойная пористая резина 4, на которую укладывается модель плиты 5 из оргстекла. Нагрузка на каждую колонну 6 передается центрально через шаровую опору при помощи нагрузочной рамы 7 и подвески 8, на которую устанавливается груз 9. Осадки и прогибы фундаментной плиты определяются по мере за-гружения при помощи индикаторов часового типа 10, установленных на траверсу II, жестко скрепленную со станиной стенда,
Подготовка стенда к работе выглядит следующим образом. В первую очередь при помощи регулировочных болтов 3 придается горизонтальность поверхности стола I, контролируемая рамным уровнем. Затем, в зависимости от моделируемой сетки колонн (см, табл, 3.0,1), в плите стола просверливаются отверстия 0 2,0 мм под тяги нагрузочной рамы 7, которые изготавливаются из стальной проволоки 0 1,0 мм. Основание 4, в зависимости от требуемой мощности, набирается из отдельных слоев листовой пористой резины толщиной 10 мм каждая. На резиновом основании по шаблону размечаются места отверстий подобно плану их размещения на плоскости стола. При помощи пробойника 0 3,0 мм устраиваются отверстия в резиновом основании, на которое, затем, укладывается модель плиты 5 толщиной 3,0 мм из оргстекла с заранее просверленными по соответствующей схеме отверстиями 0 2,0 мм. В модели, в местах пересечения разбивочных осей колонн, дополнительно просверливаются отверстия 0 1,0 мм, которые предназначены для фиксации при помощи игольчатой шпонки расположения модели колонны 6 на плите.
В верхних плоскостях колонн устраивались гнезда 0 3,0 мм, в которые с целью центральной передачи нагрузки вставлялись сферические металлические шарики 0 6,0 мм. Следующим этапом подготовки стенда к опыту является монтаж пригрузочной рамы 7, состоящей из верхнего и нижнего горизонтальных жестких металлических пластин, связанных между собой тягами из проволоки 0 0,9 мм. Тяги проходили через отверстия в плите, основании, плоскости стола и защемлялись по концам в нижней и верхней пластинах зажимными болтами. К нижней пластине рамы через проволочный крюк присоединялась подвеска В. Траверса II из металлического уголка имеет жесткое крепление со станиной стенда и предназначена для установки на ней индикаторов часового типа 10. Индикаторы устанавливались над центрами колонн в пролетных и консольных частях плиты по соответсвуующей схеме ( см. рис, 3,1,1, 2) и служили для замера прогибов и осадок плиты, В целях упрощения монтажной схемы стенда ножки индикаторов замннялись удлинителями (см. рис. 3,2,2.). Для уменьшения трения проволочных тяг пригрузочной рамы по резиновому основанию (особенно при сжатии основания) в пробитые в резиновом основании отверстия вставлялись отрезки полихлорвиниловых трубок 0 2,0 мм и дополнительно на тяги тщательно наносилась избыточная консистентная смазка, затем, нагрузочная рама несколько раз вхолостую прогонялась поступательно ВЕерх-вниз. Боковые грани всех колонн выставлялись по рейке параллельно сторонам модели плиты.
Прогибы и осадки плиты
Измерение прогибов плит под регулярную сетку колонн в процессе загружения модели производили индикаторами часового типа в количестве 22 штук, установленными в десяти характерных точках (см. рис. 4.IЛ, г). Осадки плиты замеряли двумя прогибо-мерами марки 6ПА0, установленными на отдельно стоящей ферме. На рис. 4.2.1 приведены эпюры прогибов плиты под квадратную сетку колонн в опыте I по оси Б-Б. На начальных ступенях натру кения вся плита совершает, практически, плоскопараллельное перемещение вниз. С нагрузки 0,3/ прогибы плиты усиливаются. Подко-ленные части плиты опускаются и происходит постепенный подъем пролетных и консольных участков плиты. На 2-ой ступени нагру-жения при 6- = 0,86 от предельной, когда началось интенсивное раскрытие трещин, индикаторы были сняты.
Зафиксированные прогибы плиты в пролетах между колоннами составили 2,4 мм, в консольных частях - 0,4 мм.
Для остальных плит под квадратную сетку колонн эпюры прогибов в качественном и количественном отношении практически не отличаются от рассмотренного примера.
Графики осадок железобетонных моделей плит приведены на рис. 4,2.2, Как следует из анализа графиков осадок плит, во всех опытах (за исключением серии 3) график осадок можно разделить на два участка - линейной ((& ) и нелинейной зависимости мевду напрякениями и осадками плиты, что неоднократно подтверждалось многими авторами [22, 3, 55, 134, I35]. Для всех железобетонных моделей плит в линейной стадии их работы были проведены расчеты на ЭВМ. Было обнаружено, что согласно теоретических расчетов плита выгибается выпуклостью вниз (см. рис. 4,2.1) независимо от размещения колонн на ней и общая осадка, например, для плит 1-ой серии составила 1,5 мм. По результатам экспериментов прогибы плит четко характеризуют схему передачи усилий на плиту, то есть перемещения вниз под колоннами значительно превышает перемещения пролетных участков плит. Средняя осадка модели по расчету оказалась приблизительно в 1,7 раза меньше фактической осадки плиты при той же нагрузке.
Силовое взаимодействие железобетонной фундаментной плиты и грунтового основания характеризуется развитием нормальных и касательных контактных напряжений. В опытах Ю.Н, Цурзенко и А.А, Цесарского было экспериментально установлено, что касательные напряжения на контакте гибкой плиты и песчаного основания существенно повышают несущую способность плит. Однако, измерения этих напряжений в указанных опытах и в известных из литературы опытов других авторов не проводились CI09, 136,137]. Поэтому, в диссертации была поставлена задача измерения как нормальных С , так и касательных Хк напряжений, Дяя измерения
В результате исслелования распределения нормальных напряжений по подошве фундаментной плиты было обнаружено следующее.
Зпюра контактных нормальных напряжений имеет волнообразную форму и достигает максимальных значений в местах действия усилий (рис. 4.3.1). В предельном состоянии, в момент излома плиты нормальные напряжения в пролетах плиты практически равны нолю. В плитах с малым вылетом консолей (см. рис. 4.3.1) напряжения по граням консолей мало отличаются от напряжений непосредственно под крайней опорой плиты. Зто объясняется тем, что из-за малого вылета консоли, она не прогибается, а входит в зону пирамиды продавливания подколонной части краевой опоры и, практически, совершает плоскопараллельное перемещение вниз.
Под консолями с вылетом 0,2 от длины пролета наблюдается значительное расхождение между нормальными напряжениями непосредственно под краевой опорой и по грани консоли. Это происходит за счет образования трещин в нижней части плиты по грани колонны и вследствии этого происходит поворот консоли около опоры, в предельном состоянии напряжения по грани консоли составляют 68 от напряжений под колонной
