Введение к работе
Актуальность проблемы. Повышение эффективности капитальных вложений с целью ускоренного социально-экономического развития общества является важнейшей задачей для любого государства. Ускорение научно-технического прогресса предопределяет резкое увеличение инвестиций, направляемых на реконструкцию и расширение действовавшего производства. Это обусловливается тем, что срок морального износа оборудования составляет порядка пяти лет, а внедрение принципиально новых технологий происходит каждые три - пять лет. Обновление Производства, поэтому, должно предполагать не замену существующих строительных конструкций, а осуществляться путем реконструкции здания. При этом конструкции должны подвергаться требуемым, в соответствии с новым функциональным назначением здания, изменениям (усилению, перестройке). Не менее актуальной является проблема реконструкции физически изношенных промышленных сооружений, капитального ремонта и реконструкции гражданских зданий. Поэтому, в настоящее время является актуальной проблема разработки теории и методов расчета реконструируемых конструкций.
Статически-неопределимые железобетонные конструкции до и после усиления традиционно рассчитываются обычными методами строительной мханики упругих систем. Затем производится поэлементный расчет конструкции. Такой подход не позволяет учесть предысторию иагружения, особенности работы композитных физически и геометрически нелинейных систем, которыми являются железобетонные конструкции, специфические свойства реконструируемых (усиливаемых) строительных систем. Существующие методы, основанные на упрощенном учете комплекса физической и геометрической нелинейности, решая в рамках линеаризованной постановки важные, но частные задачи (определение напряженно-деформированного состояния при эксплуатационных нагрузках, выявление предельного состояния, расчет отдельных типов усиленных конструкций на основе экспериментальных зависимостей) не позволяют достоверно оценить состояние конструкций.
В настоящее время в области расчета статически-неопределимых железобетонных реконструируемых стержневых систем являюся наиболее важными следующие проблемы:
отсутствует единая теоретически обоснованная методика расчета стержневых статически-неопределимых конструкций на всех этапах их существования;
существующие методики по расчету несущей способности и дефор-мативности, позволяя с определенной надежностью проектировать сооружения, тем не менее, являются недостаточно теоретически обоснованными (в части учета перераспределения усилий, изменения жесткосгных и
2 деформационных параметров статически-неопределимых конструкций, чю особенно проявляется при расчетах на длительную нагрузку и п гибких, конструкциях). Существенной пооблемой является их изолированносгь друг от друга - нет их методологического единства;
не решена задача определения напряженно-деформированного состояния и несущей способности физически и геометрически нелинейных статически-неопределимых систем (каковыми являются железобетонные конструкции). Процессы перераспределения усилий при загружении и длительной эксплуатации, несмотря на многочисленность трудов ученых, работающих в этой области, до сих пор не получили должного теоретического описания;
недостаточно изучены вопросы о критерии устойчивости физически и геометрически нелинейных статически-неопределимых стержневых систем;
при расчетах рассматривается так называемое "простое" загружение, не учитывается изменение деформированной схемы конструкции во времени, что, наряду с отмеченным выше, ставит под вопрос достоверность получаемых проектных решений;
отсутствуют обоснованные предложения по учету истории работы конструкции до усиления.
Следовательно, задача расчета реконструируемых конструкций в настоящий момент не решена и является крайне актуальной.
Общая постановка задачи. Разработать общую теорию и метод расчета напряженно-деформированного состояния физически и геометрически нелинейных статически-неопределимых стержневых систем.
Разрабатываемая методика должна моделировать работу конструкции в течение всего времени ее существования - от момента возведения до реконструкции и возможного исчерпания несущей способности. При этом ставится задача обеспечить единство, системность и комплексность решения физически и геометрически нелинейной задачи.
Цель и задачи диссертационной работы;
сформулировать основы теории расчета физически и геометрически нелинейных композитных стержневых систем (в том числе реконструируемых);
разработать общий теоретический метод расчета напряженно-деформированного состояния физически и геометрически нелинейных статически-неопределимых стержневых систем на всех этапах их существования - от момента возведения до исчерпания несущей способности;
создать математическую модель поведения (изменения напряженно-деформированного состояния и геометрической схемы, перераспределения усилий) конструкции на базе единых систем уравнений и алгоритмов их решения в разные моменты времени;
разработать критерий устойчивости физически и геометрически нелинейных статически-неопределимых стержневых систем;
создать математическую модель работы усиливаемых стержневых конструкций. Проследить изменения напряженно-деформированного состояния и геометрической схемы, перераспределение усилий в реконструируемой конструкции;
провести экспериментальные и численные исследования работы статически-неопределимых железобетонных рам при различных видах загружения, а также при усилении под нагрузкой с целью исследования несущей способности, выявления деформированной схемы на всех стадиях работы конструкции и проверки предлагаемых теоретических положений.
Автор защищает:
теорию расчета реконструируемых композитных физически и геометрически нелинейных стержневых систем;
методику расчета напрпженно-деформированного состояния и несущей способности статически-неопределимых стержневых железобетонных конструкций на всех этапах их существования;
методику расчета усиливаемых под нагрузкой железобетонных стер-жнеаых систем. Рассматриваются способы усиления: увеличением попе-реречных сечений элементов (наращивания, рубашки, обоймы); включением в работу дополнительных усиливающих элементов (дополнительные жесткие и упругие опоры); включением в работу предварительно напрягаемых элементов (напрягаемыезатяжки, арматура, распорки и пр.);
результаты комплексных экспериментальных исследований работы усиливаемых под нагрузкой железобетонных рам при кратковременном и длительном загружениях;
инженерную методику по определению несущей способности физически и геометрически нелинейных элементов композитных конструкций.
Научная новизна проведенного исследования:
предложены основы общей теории расчета композитных физически и геометрически нелинейных стержневых систем, распространяемой из произвольные типы конструкций, в том числе реконструируемые, работающие при сложных непропорциональных режимах загружения, п также в услових нелинейной ползучести матрицы;
разработана теоретическая методика расчета напряженно-деформированного состояния элементов и в целом физически и геометрически нелинейных статически-неопределимых стержневых систем на всех этапах их существования - от момента возведения до исчерпания несущей способности;
создана математическая модель изменения напряженно-деформи-рсн-тнного состояния, геометрической схемы, перераспределения усилий конструкции на базе единых систем уравнений и алгоритмов;
сформулирован критерий устойчивости физически и геометрически нелинейных статически-неопределимых стержневых систем, в том числе и реконструируемых;
получены экспериментальные данные о работе статически-неопределимых железобетонных конструкций при кратковременном и длительном загружении, а также при усилении под нагрузкой. В условиях эксперимента смоделированы все основные этапы существования реконструируемых железобетонных конструкций, определена их несущая способность, выявлено изменение деформированной схемы.
Достоверность разработанных теоретических положений и математических моделей обеспечивается использованием общепринятых допущений строительной механики и теории железобетона, подтверждается данными экспериментальных исследований автора, а также сравнительным анализом результатов расчетов по предлагаемой методике на ЭВМ и опытных данных других исследователей.
Практическое значение и реализация результатов работы.
Методика расчета напряженно-деформированного состояния стержневых конструкций позволяет теоретически обоснованно и адекватно действительности прогнозировать работу строительных конструкций, учитывать перераспределение усилий, истинное изменение напряженно-деформированной схемы, достоверно оценивать несущую способность сооружений. Предлагаемая методика, позволяя выявить истинное напряженно-деформированное состояние конструкции, дает возможность вскрывать резервы несущей способности сооружений при надлежащей надежности принимаемых проектных решений. Разработана инженерная методика по определению несущей способности внецентренно-сжатых и сжато-изогнутых элементов железобетонных стержневых конструкций при кратковременном и длительном загружении. Получены: коэффициенты свободной длины железобетонных элементов цгс в зависимости от их
гибкости при различных схемах закрепления стержней; коэффициенты длительного сопротивления під для различных классов бетона в
зависимости от процента армирования и эксцентриситета приложения нагрузки. Уточнено значение коэффициентов продольного изгиба у для
железобетонных элементов с арматурой с условным пределом текучести.
Новая теоретическая методика расчета реконструируемых композитных стержневых железобетонных конструкций, разработанная в диссертационной работе, принята государственным научно-исследовательским проектно-конструкторским и технологическим институтом бетона и железобетона (НИИЖБ) для использования при разработке новых нормативных документов.
Апробация работы. Настоящее диссертационное исследование проводилось автором в рамках научно-технических программ "Градо-
5 строительные основы архитектуры и строительства", "Строительство" ГК РФ по высшему образованию, было включено в единый заказ-наряд научно-исследовательских работ, проводимых в вузах и научных организациях Комитета по высшей школе Министерства науки, высшей школы и технической политики РФ (работа выполнялась в СПбГАСУ с 1991 по 1994 г.).
Материалы исследования докладывались и получили одобрение на "Координационном совещании по длительной прочности бетонных и железобетонных конструкций" комиссии по длительной прочности бетона научно-координационного Совета по бетону и железобетону Госстроя СССР (Одесса, 1989г.), на международных симпозиумах: "Реконструкция -Ленинград - 2005" (Ленинград, 1991г.), IABSE (Стамбул, 1991г.), "Реконструкция - Санкт-Петербург - 2005" (С.-Петербург, 1992 г., 1S94 г.); на итоговой конференции по межвузовской научно-технической программе "Строительство" (Нижний Новгород, 1993г.), а также на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГАСУ в период с 1988г. по 1995г.
Основные положения диссертации изложены в монографии и 15 научных статьях.
Структура и обьем работы. Диссертация состоит из предисловия, введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и четырех приложений. Включает 286 страниц основного машинописного текста, 131 рисунок, 39 таблиц и библиографию из 194 наименований.
Работа выполнена при научных консультациях заслуженного деягепя науки и техники РФ, доктора технических наук, профессора Р.С.Санжаровского.