Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 16
Конструктивные схемы многоэтажных каркасных
зданий 16
Анализ пространственной работы многоэтажных
каркасов 20
Методы расчета многоэтажных каркасных систем из
сборного железобетона 31
Способы учета нелинейности деформирования несущих систем многоэтажных зданий и железобетонных элементов.. 42
Выводы по главе и задачи исследований 49
ПОДАТЛИВОСТЬ СОПРЯЖЕНИЙ СТЕРЖНЕВЫХ
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ 51
Сопряжения в рамах многоэтажных каркасов 51
Вертикальные стыки колонн 53
Сопряжение ригеля с колонной 56
Дискретно связевая модель стыка 68
Практические методы определения податливости сопряжения
ригеля с колонной 75
Жесткость сопряжения ригеля с колонной на стадии монтажа 77
Выводы по главе 84
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ РАБОТЫ
СОПРЯЖЕНИЙ КОЛОНН СО СБОРНЫМ
ПЕРЕКРЫТИЕМ 85
Напряженно-деформированное состояние узла сопряжения
ригеля с колонной 85
К оценке жесткости омоноличенного рамного узла до
образования трещин 92
Жесткость сопряжения ригеля с колонной после образования
трещин в бетоне омоноличивания 95
Экспериментальные исследования работы сопряжения
колонны с перекрытием в рамном каркасе 98
Податливость узла сопряжения ригеля с колонной связевого
каркаса 107
Экспериментальные исследования жесткости защемления
колонн в сборном перекрытии связевого каркаса 114
Деформативность узла сопряжения колонны с перекрытием в
плоскости поперечной рамы 117
Деформативность узла сопряжения колонны с перекрытием в
плоскости продольной рамы 122
Экспериментальные исследования влияния распора на
жесткость сопряжения колонн с перекрытием 126
Конструкция фрагмента здания и методика испытаний 127
Влияние распора на жесткость сопряжения ригеля с колонной 130
Влияние распора на жесткость сопряжения колонны с
плитами перекрытий 133
Выводы по главе 138
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ РАБОТЫ
СБОРНОГО ПЕРЕКРЫТИЯ ИЗ МНОГОПУСТОТНЫХ
ПЛИТ 142
Общие данные 142
Расчетная модель пространственно работающего перекрытия 146
Расчетная модель многопустотной плиты 147
Моделирование продольных швов 148
4.3. Экспериментальные исследования совместной работы плит в
составе фрагмента перекрытия 150
Конструкция опытного фрагмента перекрытия 150
Совместная работа плит с трапециевидными шпонками 153
Совместная работа плите круглыми шпонками 159
4.3.4. Оценка прочности межплитных швов 161
Расчет фрагментов перекрытия и их сравнение с результатами эксперимента 164
Формирование расчетной модели ячейки перекрытия для расчета на горизонтальную нагрузку 167
Анализ напряженно-деформированного состояния перекрытия из многопустотных плит 167
Жесткостные характеристики элементов пластинчато-стержневой модели ячейки перекрытия 172
Экспериментальные исследования сопротивления продольных швов при совместном действии на плиты горизонтальных и вертикальных нагрузок 173
Анализ деформативности связевых многопустотных плит при изгибе 178
Жесткость связевых плит при растяжении в плоскости диска перекрытия 188
Экспериментальные исследования работы связевых плит при совместном действии вертикальных и горизонтальных
нагрузок 190
Выводы по главе 199
5. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ РАБОТА ПЕРЕКРЫТИЙ ИЗ ПЛИТ
ТИПА2Т 202
Общие сведения 202
Расчетная модель ребристой плиты 203
Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния плиты 2 Т 212
5.3.1. Конструкция опытной плиты и методика испытаний 212
5.3.2. Анализ результатов испытаний 215
Работа пространственной модели ячейки перекрытия 227
Формирование расчетной модели ячейки перекрытия для расчета на горизонтальные нагрузки 232
Деформационные характеристики связей 234
Определение параметров конечных элементов расчетной модели 241
5.6. Экспериментальные исследования работы ячейки перекрытия
из плит 2 Т 243
Конструкция ячейки перекрытия 244
Методика испытаний 244
Работа фрагмента перекрытия при вертикальных нагрузках... 250
Деформирование фрагмента перекрытия при горизонтальной нагрузке 255
Сравнение опытных и теоретических данных 257
Выводы по главе 261
6. ФОРМИРОВАНИЕ ДИСКРЕТНЫХ РАСЧЕТНЫХ
МОДЕЛЕЙ НЕСУЩИХ ПОДСИСТЕМ
ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО МНОГОЭТАЖНОГО КАРКАСА 264
Общие требования к расчетным моделям несущих элементов каркаса 264
Расчет сборных перекрытий из многопустотных плит на горизонтальные нагрузки 267
Расчет дисков перекрытия из плит типа 2 Т 271
Расчет рам каркаса с учетом податливости узловых сопряжений 281
Расчет связевого каркаса с учетом податливости сопряжений. 285
Конструктивные особенности и расчет сквозных связевых панелей 288
Экспериментальные исследования работы связевой панели... 296
Конструкция связевой панели и методика испытаний 297
Напряженно-деформированное состояние связевой панели при горизонтальных нагрузках 301
Напряженно-деформированное состояние связевой панели
при неравномерно вертикальных нагрузках 304
Работа связевой панели при одновременном действии горизонтальных и вертикальных нагрузок 307
Податливость сопряжений металлической решетки с железобетонными колоннами 309
Экспериментальные исследования узла крепления подкоса связевой панели к фундаменту 312
Анализ расчетной схемы связевой панели 318
Выводы по главе 327
7. ПРАКТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ
ПРОСТРАНСТВЕННЫХ РАСЧЕТНЫХ СХЕМ
МНОГОЭТАЖНЫХ КАРКАСОВ 330
Выбор рациональной схемы разбивки на конечные элементы 330
Жесткостные характеристики конечных элементов сложных сечений 334
Жесткостные характеристики конечных элементов, моделирующих сопряжения сборных конструкций 344
Учет нелинейности деформирования железобетонных элементов с использованием диаграмм деформирования арматуры и бетона 349
Учет нелинейности деформирования изгибаемых железобетонных элементов на основе диаграмм «М-1/р» 356
Учет нелинейности деформирования сопряжения ригеля с колонной 361
Учет деформированного состояния многоэтажного каркасного здания 366
7.8. Численные исследования работы каркасной системы 371
Выводы по главе 378
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 380
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 385
Введение к работе
Каркасные здания промышленного и гражданского назначения
являются массовыми конструктивными системами. Они получили
распространение благодаря широким возможностям объемно-
планировочных решений внутреннего пространства, а также за счет полной индустриализации изготовления и монтажа конструкций, дифференциации несущих и ограждающих элементов по назначению, что позволяет на основе системы унификации и типизации эффективно использовать и распределять материалы и сократить их общий расход.
Особенностью каркасов многоэтажных зданий из сборного
железобетона является большое количество узловых сопряжений, которые в
соответствии с принятой системой разрезки здания на элементы,
располагаются, как правило, в наиболее напряженных зонах. При этом для
стыков сборных элементов характерна повышенная деформативность
вследствие обмятия бетона по контактным поверхностям и
трещинообразования, податливости сварных соединений арматуры и закладных деталей. Кроме того, в узловых сопряжениях в большей степени проявляется физическая и конструктивная нелинейность и их податливость меняется в зависимости от напряженно-деформированного состояния. Экспериментальные исследования показывают, что переменная податливость сопряжений приводит к существенному (до 40%) перераспределению усилий.
За основу определяющий конструктивную схему каркаса принят способ восприятия горизонтальных нагрузок а это в свою очередь влечет решение конструкции узла сопряжения колонн с перекрытием. В унифицированной отечественной системе многоэтажных каркасных зданий принято на основании этого различать рамные и связевые каркаса или их комбинации - рамно-связевые.
*
В создание и развитие методов расчета многоэтажных каркасных конструкций большой вклад внесли такие известные ученые как А.В. Александров, В Н.Байков, В.М. Бондаренко, А.П. Васильев, Б.С. Васильков, А.А. Гвоздев, П.Ф. Дроздов, Ю.В. Зайцев, А.С. Залесов, А.С. Калманок, Б.В. Карабанов, Н.И. Карпенко, В.А. Клевцов, Э.Н. Кодыш, П.И. Кривошеев, СМ. Крылов, Л.Л. Лемыш, Л.Л. Паныпин, Д.М. Подольский, СВ. Поляков, А.Р. Ржаницын, Э.Е. Сигалов, В.Е. Сно, В.И. Травуш, В.В. Ханджи, Ю.Н. Хромец, Н.Н. Шапошников, П.П. Шагин и многие др.
Применяемые методы расчета многоэтажных каркасов основываются на плоских или пространственных моделях, взаимодействие элементов которых характеризуются, как правило, фиксированными жесткостными характеристиками, имеющими достаточную обоснованность для предельных состояний. Реальная картина схемы работы многоэтажных каркасов достаточна сложна и по многим параметрам отличается от принятых на данном этапе расчетных схем. Отсутствие шарниров в местах сопряжения колонн с перекрытием в связевых каркасах приводит к возникновению изгибающих моментов в колоннах. А это в свою очередь увеличивает пространственную жесткость каркаса и одновременно требует учитывать дополнительное армирование в колоннах. Практически не рассматривается конструктивная анизотропия, а именно изменение сопротивление узлов сопряжений в зависимости от направления нагрузки, особо проявляемая в стыках.
В рамных каркасах имеет место большая деформативность сопряжения ригеля с колонной по сравнению с жестким защемлением, что связано с конструкцией узла и свойствами самого железобетона. Это приводит к перераспределению усилий, вплоть до перемены знака, от вертикальных нагрузок и к большей деформативности всего каркаса при горизонтальных воздействиях.
Переменный величина податливости сопряжения колонн с перекрытием приводит к сложному взаимодействию каркаса с вертикальными элементами жесткости. Возникновение частичного защемления колонн в перекрытиях изменяет форму прогиба связевого каркаса. В следствии этого в уровне второго этажа в местах сопряжения с диафрагмами жесткости возникает концентрация усилий от горизонтальных нагрузок.
Пространственная жесткость каркасных зданий обеспечивается
дисками перекрытий. Экспериментальные и теоретические исследования
работы сборных перекрытий свидетельствует о сложности и
неоднозначности напряженно-деформированного состояния. Большинство исследователей склоняются к тому, чтобы принимать сборные перекрытия в своей плоскости абсолютно жесткими. Между тем проведенные многочисленные исследования, особенно в направлении сейсмостойкости зданий, показали, что жесткость сборных перекрытий в своей плоскости имеет конечные значения и в основном зависит от конструкции плит и способа их сопряжения. Однако до настоящего времени нет достаточно обоснованных расчетных моделей для оценки фактической интегральной жесткости сборного перекрытия при деформировании в плоскости и из плоскости
Фактические условия работы конструкции существенно зависят от конструктивных, эксплуатационных факторов и меняются во времени и нет достаточно обоснованных рекомендаций по определению жесткостных характеристик узловых сопряжений сборных конструкций, описанию закономерностей их изменения в процессе нагружения. Поэтому не в полной мере учитывается реальное пространственное распределения усилий и деформаций между каркасообразующими подсистемами такими как продольные и поперечные рамы, диафрагмы жесткости, защемленные в дисках перекрытий и деформирование сборного диска перекрытия в
плоскости и из плоскости. Между тем в настоящее время предъявляются все более жесткие требования к экономической эффективности конструктивных решений. Особую важность в период снижения объемов капитального строительства имеют вопросы безопасной эксплуатации и реконструкции существующих зданий и сооружений.
Современное перспективное направление совершенствования зданий
включает разработку методов расчета пространственных конструкций как
единых систем. Это стало возможным с одной стороны благодаря развитию
методов расчета на основе дискретных моделей, хорошо поддающихся
алгоритмизации и, с другой - расширению возможностей вычислительной
техники. Использование дискретных пространственных расчетных моделей,
реализуемых по МКЭ в расчетах каркасных систем позволяет более полно
учитывать прочностные и деформативные свойства отдельных конструкций
и узловых сопряжений. Характер изменения параметров взаимодействия
сборных элементов представляется важными для правильного построения
итерационного процесса в расчетах для учета нелинейности
деформирования и как показала практика оказывает существенное влияние на прочность и жесткость, как самих элементов каркаса, так и всей конструктивной системы в целом.
Для получения надежных результатов необходима методика,
позволяющая обоснованно производить уточнения расчетных схем с учетом
реальных свойств материалов, конструкций, их сопряжений и
пространственного характера деформирования, формировать
пространственные расчетные модели для реализации например по методу конечных элементов. Это относится к процессу дискретизации несущих конструкций, моделирования их работы' и взаимодействия. Особую актуальность эта проблема приобретает при реконструкции зданий с целью оценки резервов несущей способности, перераспределения усилий,
вызванных изменением характера и величин внешних воздействий и расчетных схем.
Целью диссертационной работы является разработка и экспериментальная проверка метода расчета каркасов многоэтажных зданий комплексно учитывающего пространственную работу, а также нелинейность и податливость узловых сопряжений сборных железобетонных конструкций.
Для достижения поставленной цели был выполнен ряд теоретических и экспериментальных работ.
Теоретические работы:
а) проведены численные исследования работы конструктивных систем
и анализ факторов, определяющих напряженно-деформированное состояние
каркасов многоэтажных зданий из сборного железобетона;
б) разработаны методы определения податливости различных типов
узловых сопряжений сборных железобетонных конструкций с учетом
физической нелинейности;
в) предложена методика формирования плоских расчетных моделей
несущих подсистем каркаса - продольных и поперечных рам, диска
перекрытия, диафрагм жесткости, учитывающих податливость спряжений и
конструктивную нелинейность взаимодействия сборных элементов и
методика формирования пространственной расчетной схемы здания;
г) даны рекомендации по совершенствованию конструктивных
решений многоэтажных каркасных зданий, повышающие их надежность;
экспериментальные исследования:
а) напряженно-деформированного состояния пространственных узловых сопряжений колонн со сборным перекрытием в связевом и рамном каркасах с учетом разной степени сборности и стесненных условий деформирования;
б) влияния прочности и деформативности швов, а также условий
нагружения на пространственную работу многопустотных плит в составе
перекрытия;
в) напряженно-деформированного состояния связевых плит-распорок
при совместном действии вертикальных и горизонтальных нагрузок;
г) совместной работы ребристых плит типа 2Т без поперечных ребер в
составе диска перекрытия;
д) напряженно-деформированного состояния сквозной трехэтажной
связевой панели (устоя) с металлической решеткой.
Научная новизна работы заключается в следующем:
а) разработан комплексный подход к формированию пространственной
расчетной модели каркаса многоэтажного здания, основными элементами
которой являются расчетные модели несущих подсистем:
многоэтажных плоских рам каркаса с учетом податливости защемления колонн в сборном перекрытии, конструктивной и физической нелинейности;
диска перекрытия из сборных плит с учетом податливости бетонных швов, сварных соединений и сопряжений;
связевой панели (устоя) с учетом податливости сопряжений металлических связей с железобетонными колоннами и фундаментом;
б) на основе экспериментальных исследований работы несущих
элементов и узловых сопряжений натурных фрагментов многоэтажных
каркасных зданий:
выявлены закономерности пространственного взаимодействия сборных элементов перекрытия (ригелей и плит) с колонной в стадии монтажа, эксплуатации в связевом и рамном каркасах и разработаны рекомендации по определению податливости соединений;
разработаны рекомендации по учету влияния деформативности швов и сварных соединений на совместную работу рядовых и связевых плит в составе диска перекрытия при вертикальных и горизонтальных нагрузках;
получены данные о напряженно-деформированном состоянии сквозной связевои панели при вертикальных и горизонтальных нагрузках, а также о жесткостных характеристиках сопряжений металлической решетки с железобетонной рамой и фундаментом;
в) на основе численных исследований установлены особенности влияния нелинейности и податливости узловых сопряжений на напряженно-деформированное состояние несущей системы многоэтажного каркаса.
Практическое значение работы заключается в том, что разработаны:
метод расчета каркасов многоэтажных зданий на основе пространственной модели с учетом нелинейной работы железобетонных элементов и податливости сопряжений;
методика определения податливости сопряжений колонн с
перекрытием с учетом их напряженно-деформированного состояния и конструктивных особенностей связевых и рамных каркасов;
методика определения податливости сопряжений в сборных дисках перекрытий;
методика расчета сборных перекрытий из многопустотных плит как пространственных конструкций на вертикальные и горизонтальные нагрузки и методика определения интегральной жесткости сборного диска перекрытия в своей плоскости с учетом податливости сопряжений;
методика расчета сквозных связевых панелей с учетом податливости узлов сопряжений металлической решетки с колоннами и фундаментом.
На защиту выносятся:
метод расчета многоэтажных каркасных зданий основанный на формировании пространственной расчетной модели из несущих подсистем в
/J
которых комплексно учитывается нелинейность деформирования и податливость узловых сопряжений сборных железобетонных конструкций;
расчетные модели несущих подсистем многоэтажного каркаса (плоские продольные и поперечные рамы, сборный диск перекрытия, связевая панель);
выявленные закономерности изменения податливости узловых сопряжений колонны со сборным перекрытием и методику ее определения, учитывающую напряженно-деформированное состояние и конструктивные особенности рамных и связевых каркасов;
рекомендации по учету влияния деформативности швов и сварных соединений на совместную работу рядовых и связевых плит в составе диска перекрытия при вертикальных и горизонтальных нагрузках;
методика учета влияния жесткости сопряжений металлической решетки с железобетонной рамой и фундаментом на напряженно-деформированное состояние сквозной связевой панели при вертикальных и горизонтальных нагрузках;
методика учета деформированного состояния многоэтажных каркасов.
Результаты работы внедрены:
а) в типовое проектирование сборных железобетонных конструкций:
каркаса межвидового применения для многоэтажных общественных зданий, производственных и вспомогательных зданий промышленных предприятий серии 1.020-1;
рамного каркаса межвидового применения для МЕЮГоэтажных общественных зданий, производственных и вспомогательных зданий промышленных предприятий серии 1.020.1-4;
б) в типовое проектирование сборных железобетонных
многопустотных плит перекрытий многоэтажных общественных зданий,
производственных и вспомогательных зданий промышленных
предприятий серии 1.041.1-2;
в) в экспериментальное проектирование плит увеличенной высоты с
каплевидными пустотами;
г) при проектировании промышленных объектов в Сумской области и
реконструкции многоэтажных зданий в г. Москве.
Результаты исследований использованы Госстроем России в тематическом направлении повышения надежности конструктивных решений зданий и сооружений.
Результаты исследований послужили основой для разработки Рекомендаций по расчету каркасов многоэтажных зданий с учетом податливости узловых сопряжений сборных железобетонных конструкций, изданных Ассоциацией «Железобетон» совместно с ОЛО «ЦНИИПромзданий».
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на 20 научных и научно-технических семинарах, конференциях, симпозиумах в России и за рубежом, основные из которых: координационное совещании по гидротехнике (Л., 1987г.); VII Международная конференция ЭИИС (Сумы, 1991г.); Международный конгрессе МКПК-98 (М., 1998г.); 3-я Российская конференции по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию (Сочи, 1999г.); региональная научно-практическая конференция «Трансиб-99» (Новосибирск, 1999г.); IV Международная конференция «Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте» (С-П., 1999г.); ежегодные межвузовские научно-методические конференции в Российском Государственном Открытом Техническом Университете Путей Сообщения (М.,1997-2000гг.); 5lh International Symposium on Utilization of High Strenght/High Performance (Oslo,1999r.); научно-техническая конференция Ассоциации «Железобетон» (М.,2000г.); научно-технические конференции в ЦНИИПромзданий (Москва, 2001-2003 гг.); международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы развития транспортных
систем и строительного комплекса» в Белорусском государственном университете транспорта (Гомель,2001г.); 1-ая Всероссийская конференция «Бетон на рубеже третьего тысячелетия (М.,2001г.); международная научно-практическая конференция, посвященная 50-летию Томского ГАСУ и 100-летию строительного образования в Сибири (Томск,2002г.); научно-методический семинар кафедры ЖБК МГСУ.
Экспериментальные исследования проведены в лаборатории экспериментально-производственных исследований Сумского филиала ЦНИИпромзданий под руководством и непосредственном участии автора и при научном консультировании д.т.н., проф. Кодыша Э.Н. и участии к.т.н. Лемыша Л.Л., к.т.н. Мамина А.Н., к.т.н. Мордуховича И.И., к.т.н. Нисконена И.А.
