Введение к работе
Актуальность работы. Главными задачами ускорения научно-технического прогресса в области капительного строительства является всеморкое снижение материалоемкости, стоимости и трудоемкости зданий и сооружений при высоких характеристиках их прочности и долговечности, внедрение в строительную практику прогрессивных видов железобетонных конструкций.
Широкие возможности для создания таких конструкций открываются в связи с использованием легких Сетонов на пористых заполнителях. В первую очередь это относится к керамзитобетону и бетонам, создаваемым по керамзитовой технологии, занимающим подавляющую долю в общем объеме легких бетонов. Строительной практикой выявлены существенные, специфические для легких бетонов свойства и особенности его поведения под нагрузкой, которые исследованы недостаточно как теоретически так и экспериментально. Это явилось причиной ряда ограничений, регламентируемых действующими нормативными документами и сдерживающих широкое комплексное применение железобетонных конструкции ив основе легких бетонов.
Решение указанных проблем связано с дальнейшим совершенствованием теории сопротивления бетона и железобетона на базе разработки новых концепций в методологии теоретических и экспериментальных исследований, применения современных эффективных методов оценки повеления железобетонных конструкций под нагруз-кой. Эффективность этих мер связана в первую очередь с правильны;.! учетом реальных физических закономерностей, обусловленных структурно-технологическими факторами, нелинейностью и неупругостью деформирования материалов, образованием и развитием тре-цин, видом и характером напряженного состояния, совместной работой бетона и арматуры и т.д.
Качественное изменение напряжеггно-деформированного состояния бетона и железобетонных элементов после образования трещин является следствием проявления значительной анизотропии свойств материала, а также влияния ряда малоизученных факторов, опреде-ляшях недоиспользуемые резервы несущой способности и поведение элементов с трещинами по деформированной схеме. Наибольшую неопределенность эти факторы вносят при разработке методологии расчета крупномасштабных сооружений либо конструкций, имеющих слохчый физический мехзнтам разрушения, как, например, это голе-
2 ет место в оценке сопротивления железобетонных элементов с трещинами в зоне действия поперечных сил.
Недостаточность исследований в этом направлении является серьезным препятствием для повышения надежности и достоверности соогветотвующих расчетов и оценок, в том числе и ориентированных на использование современных вычислительных комплексов и ЭВМ.
Целью диссертационной работы является: разработка комплекса новых физических представлений о прочности и процессах деформирования и разрущения тяжелых и легких конструкционных бетонов плотной структуры и их компонентов в рамках дальнейшего развития прикладной теории их сопротивления как общей основы для совершенствования методов расчета бетонных и железобетонных конструкций; научная разработка и экспериментальное обоснование новых физичеоких соотношений, моделей и инженерных методов расчета для бетонных и железобетонных элементов с микро- и макротрещинами, обеспечивающих более правильную оценку их несущей способности и жесткости на всех этапах работа вплоть до разрушения.
Достижение поставленной цели является теоретическим обобщением и решением крупной научной проблемы в области расчета, проектирования и производства железобетонных конструкций, направленной на снижение материалоемкости строительства и имеющей важное народнохозяйственное значение, поскольку позволит решить следующие задачи:
исследовать и обосновать теоретически и экспериментально механизм и закономерности поэтапного трещинообразования и разрушения материала для оценки и прогнозирования прочности и деформаций легкого бетона и его компонентов при одноосном кратковременном и длительном статическом нагружении с учетом структуры материала;
разработать комплекс моделей, основанных на методах механики разрушения, структурно-имитационного и вероятностно-статистического анализа, описывающих свойства и поведение бетонних и железобетонных элементов, содержащих трещины в микро- и макроструктуре; сформулировать основные принципы и алгоритмы их реализации в практических расчетах;
создать необходимые предпосылки для расчета бетонных и железобетонных конструкций, исходя из реальных физических представлений о процессах их деформирования и разрушения, а также факти-
ческого распределения напряжений и смещений в сечениях о трещинами;
выявить и использовать существенные особенности сопротивления и резервы повышения прочности проектируемых бетонных и железобетонных элементов с макротрещинами' при поперечном изгибе; повысить достоверность расчетных оценок их напряженно-деформированного состояния с учетом нелинейных свойств и структуры материала за счет применения теоретически и экспериментально обоснованных физических моделей и расчетных зависимостей взамен используемых частных эмпирических коэффициентов и формул;
внедрить результаты исследований в практику проектирования, расчета и изготовления конструкций;
Сравнительные экспериментальные исследования проводились на опытных образцах из тяжелых бетонов, конструкционных керамзито-бетонов плотной структуры, а также на образцах из растворной матрицы и цементного камня.
Автор защищает:
результаты и методологию комплексных экспериментальных исследований прочности, деформативности и трещиноотойкости конструкционных керамзитобетонов и их компонентов при кратковременном одноосном и многоосном, а также длительном одноосном статическом нагружении с учетом влияния структуры материала;
общий подход к прогнозированию прочностных и деформатив-ных свойств и моделированию процессов трещинообразования и разрушения легких бетонов плотной структуры, основанный на аналитических и феноменологических зависимостях и предпосылках теории
и технологии бетона в сочетании с применением методов линейной упругой механики разрушения неоднородных многокомпонентных композиционных материалов типа бетона, а также многофакторного статистического и структурно-имитационного моделирования;
эффективное направление экспериментально-теоретической оценки параметров трещиноотойкости, а также особенностей процессов развития трещин в микро- и макроструктуро материала, обуславливающих деформирование и разрушение легких конструкционных бетонов под нагрузкой;
уточненные аналитические зависимости для оценки и прогне-
4 зированкя кратковременной и длительной прочности и ползучести при сжатии и растяжении керамзитобетона и его компонентов, учитывающие структуру материала, нарастание его прочности во времени и кинетику встречных деструктивних процессов;
общие представления о роли и особенностях влияния механизма контактного взаимодействия берегов макротрещин на напряженно-деформированное состояние и сопротивление железобетонных элементов при срезе;
результаты и методику сравнительных экспериментальных исследований прочности и жесткости при срезе бетонных и железобетонных дисков и балок с трещинами с учетом влияния структуры материала ;
новую дилатационную модель контактного взаимодействия в трещинах железобетонных элементов, основанную на общих физических соотношениях и разрешающих уравнениях, отражающих реальные расчетные зависимости между напряжениями и смещениями в трещинах и базирующуюся на полученных и имеющихся экспериментальных данных о деформировании бетонных и железобетонных дисков с трещинами при сдвиге;
инженерный способ определения компонентов сопротивления железобетонных изгибаемых элементов прямоугольного и таврового сечения действии поперечного изгиба;
расчетные схемы и аналогии, отражающие выявленный характер работы и формы разрушения железобетонных балок с третинами на основе использования деформационной модели взаимодействующих блоков и принципов распределения энергии в элементах рассматриваемой системы.
Научная новизна работы. Совокупность приведенных в диссертации научных результатов можно классифицировать как новое научно? направление в развитии и совершенствовании бетонных и железобетонных конструкций. Среди них выделяются:
в области теории бетона и железобетона-
- развитие физических основ теории разрушения и деформирова
ния легких бетонов плотной структуры и"их компонентов, базирую
щейся на представлениях механики неоднородных многокомпонентных
сге- и линейной механики разрушения, э также на результатах
стт"ктугі-:с~и!.ч'?аШ!СННого и г.яогофакторного статистического моде
лирования;
математические модели и принципы их построения и использования для прогнозирования кратковременной я длительной прочности и деформаций легкого бетона, основанные на сочетании вероятностно-статистических подходов с апробированными физическими и феноменологическими представлениями и зависимостями;
теоретически обоснованные определяющие соотношения и зависимости между напряжениями и смещениями берегов в трещинах бетонных и железобетонных элементов при сдвиге;
разработанные методы оценки и модель контактного взаимодействия берегов трещин в бетоне и железобетоне, учитывающие структурные особенности и прочность бетона, характер армирования и ширину начального раскрытия трещин;
в области методов расчета бетонных и железобетонных конструкций:
предложенные новые аналитические выражения и реальные диаграммы зависимости между деформациями и напряжениями для керамзитобетоне и его компонентов при кратковременном статическом за-грукении с учетом влияния макроструктуры материала;
полученный комплекс новых экспериментальных данных о прочности, деформациях и структурно-механических характеристиках ке-рамзитобетонов различной макроструктуры при одноосном(и многоосном кратковременном нагружении и при длительном одноосном статическом сжатии и растяжении;
сформулированные новые подходы и полученные на их основании выражения для оценки и прогнозирования кратковременной и длительной прочности легкого конструкционного батона плотной структуры и его компонентов при одноосном сжатии и растяжении;
впервые разработанные функциональные зависимости между напряжениями и смещениями в трещинах бетонннх и железобетонных элементов, предназначенные для использования в расчетах их напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов;
предложенный новый аппарат расчета прочности на поперечную силу железобетонных балок с различным армированием и формой сечения;
в области методов исследований бетонных и железобетонных конструкций:
способы, средства изучения и экспериментальные данные, полученные в выполненных исследованиях о влиянии структурных особенностей, макро- и микротрещин на прочность и деформации бетонов при кратковременном и длительном одноосном и многоосном загружении;
рекомендации по экспериментальной оценке характеристик трециностойкости бетонов с различной структурой, основанных на практической реализации методов механики разрушения материалов;
общие принципы составления и использования разработанных расчетных и теоретических моделей, реализующих методы и алгоритмы структурного, многофакторного статистического и имитационного анализа поведения бетонов и железобетонных элементов при на-груженик;
методология экспериментальной оценки сил контактного взаимодействия (зацепления) и перемещений в трещинах на различных уровнях нагружения бетонных и железобетонных элементов, в том числе и перед разрушением.
Практическая ценность и эффективность работы определяется запросами производства. На основе комплекса проведенных теоретических и экспериментальных исследований были' выявлены определенные закономерности трещинообразования, изменения прочности и деформации легких бетонов и их компонентов при длительном сжатии и растяжении. Установлены некоторые новые особенности работы бетонных и железобетонных элементов в стадии после образования трещин, позволяющие учесть в определенных расчетных соотношениях физическую нелинейность и анизотропию, обусловленные смещениями беретов и жесткостью арматуры и бетона в трещинах. Эти исследования создали основу для дальнейшего развития современной механики деформирования и разрушения бетона и железобетона, позволили выявить резервы несущей способности и повысить надежность оценки напряженно-деформированного состояния железобетокнных конструкций. На практике это обеспечивает возможность при одинаковых затратах проектировать более надежные конструкции, а при заданно!! надежности снижать затраты на создание конструкций.
Применение разработанных моделей, методов и программ расчета позволит также получить экономический эффект за счет снижения трудоемкое?;, проектирования,' замены натурных испытаний чке— .-.ohhw vorr.-rrc в гниє у экспогтеонтов и прогноз нрованисм отдель-
ных свойств, а также вследствие снижения материалоемкости бетонних и железобетонных конструкций в результате качественного уточнения их расчетных схем.
Предложенные метода и рекомендации позволяют решить ряд практических важных задач, связанннх с решением области комплексного применения легких бетонов в практике строительства, в особенности сейсмических районах. При соответствующем использовании результатов исследований предложенные метода позволяют повысить расчетную несущую способность некоторих видов, железобетонных элементов я получить экономию материальных ресурсов в целом по стране и снижение стоимости конструкций, исчисляемой миллионами рублей.
Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты исследований использованы при разработке ГОСТ "Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости" (вязкости разрушения) при статическом нагружении", стандарта МИ "Характеристики трещиностойкости бетонов при кратковременном статическом нагружении" Государственной системы обеспечения единства измерений Госстандарта СССР, в стандарте СЭВ "Бетоны. Методы определения механических характеристик при кратковременном нагружении", подготовленных представителями стран - членов СЭВ в рамках темы 5.7 "Физико-механические свойства бетона и арматуры" плана координации ИКС СЗВ, в "Рекомендациях по определению параметров диаграммы " (5g-^n легкого бетона при кратковременном сжатии", подготовленных НШІСК Госстроя СССР, в "Стандартной методике определения прочности и границ микротрещинообразования в бетоне методом структурно-имитационного моделирования", подготовленных ВНИЩГРЇ! Госстандарта СССР. Отдельные рекомендации по исследованиям переданы в НШМБ Госстроя СССР и приняты для использования при разработке новой редакции норм проектирования бетонных и железобетонных конструкций. Результаты исследований нашли практическое применение при научном обосновании расчетов и проектировании ряда железобетонных.зданий и сооружений.
Результаты диссертационной работы использоввны также при написании учебников "Строительные конструкции" и "Железобетонные и каменные конструкции", учебного пособия "Элементы механики разрушения бетонов", а также при чтении лекций и подготовке методических указаний по спецкурсу "УИРС - Учебно-исследовательская работа студентов" и дисциплинам."Строительные конструкции"
и "Проектирование железобетонных мостов" для аспирантов, дипломантов и студентов строительных специальностей.
Достоверность и обоснованность научных положений, результатов и выводов диссертации обеспечивается достаточным экспериментальным обоснованием и аппроксимацией расчетных параметров прочности, деформативности и трещинообразования бетонных и железобетонных элементов; корректной постановкой и решением поставленных задач на основе традиционных допущений, предпосылок и гипотез; выбором апробированных (с позиций строительной механики, механики разрушения и теории железобетона) расчетных предпоснлок, схем конструкций и моделей прочности и процессов разрушения; применением вероятностно-статистических методов моделирования и обработки результатов исследований.
Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались и получили одобрение на: научно-технических конференциях ТАДИ в I976-I99I гг., ТашІШ в 1979, 1961, 1983, 1986, 1989 гг., ЛИСИ в 1984 г., МАЛИ в 1984, 1985, 1987 гг., ЮПИ в 1984-1987 гг.; на совещании стран - членов СЭВ по теме: "Физико-механические характеристики бетонов" (Ташкент, 1985 г.); на координационном совещании Госстроя СССР по прочности и трещиностойкости (Брест, 1984 г.); на Ш Всесоюзной конференции по легкому бетону и железобетону (Ереван, 1985 г.); на международном симпозиуме комитета "Евромех-204": "Структура и трещинообразование в композиционных материалах" (Яблонна, 1985 г.); на международной конференции "Механика разрушения бетонов" (Лозанна, 1985 г.); на IX Всесоюзной конференции по бетону и железобетону (Ташкент, 1983 г.); на Всесоюзной конференции "Теория, производство и при-мнвнение искусственных строительных конгломератов" (Ташкент, 1965 г.); на I и П Всесоюзных конференциях по механике разрушения бетона и железобетона (Севастополь, 1984 г., 1988 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "Моделирование и оптимизация технологических процессов и элементов конструкций сооружений инженерного назначения" (Хабаровск, 1989 г.).
Работа выполнена автором в период 1976-1989 гг. в Ташкентском азтсхобильнс—дорожном институте при научной консультации доктэтэ технических наук, профессора Райцева V.3. Часть исследований т.о ді'сгертяцп.' выполнена авторе:.' во время стажировки на олхкгст;' ст5тсго научного сотрудника но Всесоюзном ордена Tpj~
9 дового Красного Знамени заочном политехническом институте (ВЗПИ, г. Москва) и научной стажировки в Манчестерском университете (г. Манчестер, Великобритания). Автор выражает свою признательность докторам Д.Гуду и П.Монтегю (лаборатория Саймона -" Simon Cn^inesLiuxn" - Манчестерского университета), П.Ригану (Лондонский Политехнический колледж) и М.Котсовосу (Имперский колледж, г. Лондон) за плодотзорное и стимулирущое участие в обсуждении путей и методов решения задач, поставленных в диссертации.
В проведении экспериментальных исследований по диссертации принимали участие работавшие под научнш руководством и при научной консультации автора кандидаты технических наук Сума Абдул-лай, Раупов Ч.С. и инженеры Казанская И.Ю., Ниязов А.Х., Раддя-бов Т.Ю.
Работа выполнена в соответствии с тематическим планом на I98I-I985 гг. Постоянной комиссии по строительству СЭВ по теме 5.7 "Физико-механические характеристики бетонов";"с Координационным планом исследований НКС Госстроя СССР на 1986-1990 гг. по проблемам ползучести и усадки бетонз и прикладным задачам теории железобетона, связанным с длительными процессами; с координационным планом Научного совета АН СССР по строительной механике и теории конструктивных форм по проблеме "Развитие теории расчета бетонных и армированных элементов с использованием методов мохангаи разрушения применительно к прогнозированию показателей надокности и долговечности конструкций".
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений; изложена на ЗС6 страницах машинописного текста и содержит 156рисун-ков, 49 таблиц; перечень использованных литературных источников