Экспериментальные исследования прочности гибких трубобетонных колонн

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ

УДК 624.012.3/4

Кришан А.Л., Суровцов М.М.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ ГИБКИХ ТРУБОБЕТОННЫХ КОЛОНН

Аннотация. Приведены основные результаты экспериментальных исследований несущей способности трубобетонных колонн с учетом их гибкости. Получена статистическая зависимость для учета гибкости в расчетах прочности трубобетонных колонн.

Ключевые слова: экспериментальные исследования, несущая способность, трубобетонные колонны, гибкость.

Krishan A.L., Surovtsov M.M.

EXPERIMENTAL RESERCHES OF STRENGTH OF FLEXIBLE CONCRETE-FILLED TUBE (CFT) COLUMNS

Abstract. The paper presents the basic results of the experimental researches of the bearing capacity of the concrete - filled tube columns, taking into account their flexibility. Statistical relationship is received to account flexibility in the calculations of strength of the concrete-filled tube columns.

Keywords: experimental researches, bearing capacity, concrete-filled tube columns, flexibility.

Трубобетонные колонны (ТБК) представляют собой композитные конструкции, состоящие из стальной трубы и бетонного ядра, работающих совместно. Ввиду целого ряда преимуществ такие конструкции находят все большее применение в мировой строительной практике. Самый распространенный цилиндрический профиль рассматривается как наиболее прогрессивный и целесообразный, требующий минимального количества сварочных работ. Хорошая обтекаемость цилиндрической поверхности способствует меньшей осаждаемости грязи и влаги и повышению коррозионной стойкости и долговечности. Внутренняя поверхность стальной трубы надежно защищена от коррозии бетоном.

Особенно рационально использование ТБК в качестве вертикальных несущих элементов высотных и большепролетных зданий, так как при относительно малых поперечных сечениях они обладают высокой несущей способностью, что приводит к существенной экономии используемых материалов. Однако в случае увеличения эксцентриситета приложения сжимающей нагрузки целесообразнее применение трубобетонных колонн квадратного сечения [1].

В то же время негативным фактором при работе ТБК может стать достижение первого предельного состояния вследствие больших необратимых деформаций и потери устойчивости.

Методика расчета прочности и оценки напряженно-деформированного состояния коротких трубобетонных колонн при кратковременном и длительном сжатии, учитывающая физическую нелинейность компонентов, неоднородность их напряженного состояния, наличие предварительного обжатия бетона, разработана ранее и изложена в ряде публикаций [2,3]. Для

обеспечения возможности широкого использования ТБК в практике строительства необходимо разработать достоверную методику расчета их прочности с учетом гибкости.

Для определения закономерности влияния гибкости на прочность трубобетонных колонн были выполнены экспериментальные исследования 8 серий опытных образцов с различными геометрическими и конструктивными параметрами, имеющими гибкость X = 20, 40, 60 и 80. Все образцы имели круглое поперечное сечение с диаметром 108 мм. В качестве внешней стальной оболочки для них использовались электросварные прямошовные трубы с толщиной стенки 5 мм из стали марки 09Г2С по ГОСТ 8732-78. Исходная прочность бетона, применяемого в качестве ядра ТБК, примерно соответствовала классам В35 иВ55.

Все опытные элементы закрывались с торцов металлическими пластинами, выполненными из стали Ст.3 толщиной 10 мм и размерами 110x110 мм. Непосредственно перед проведением испытаний лабораторных образцов трубобетонных элементов определялись предел текучести и модуль упругости материала стальной трубы, кубиковая, призменная прочности и начальный модуль упругости исходного бетона конструкций.

Кратковременные испытания на центральное сжатие трубобетонных образцов с гибкостью X = 20 и 40 проводились на 500-тонном гидравлическом прессе марки 2ПГ500 (рис. 1). Для исследования прочности колонн с гибкостью X = 60 и 80 был изготовлен специальный испытательный стенд (рис. 2). Нагружение сжатых трубобетонных образцов осуществлялось до полной потери их несущей способности.

Экспериментальные исследования прочности гибких трубобетонных колонн

Кришан А.Л., Суровцов М.М.

Рис. 1. Образцы серий Ц.20.55 и Ц.40.55 перед испытаниями

Рис. 2. Образцы серий Ц.60.55 и Ц.80.55 перед испытаниями

Основные численные результаты эксперименталь -ных исследований центрально сжатых образцов ТБК приведены в таблице. В ней представлены осреднен-ные по сериям данные по призменной (Яь) прочности исходного бетона, а также экспериментально определенные значения нагрузок, соответствующие:

- пределу упругой работы Ые(,

- максимально достигнутой нагрузке Ыи.

Для количественной оценки эффективности рабо-ты трубобетонных элементов под нагрузкой подсчитаны следующие соотношения:

Ме/Ми - отношение предела упругой работы образца к разрушающей нагрузке;

ф= М/Мтах (Мтах - ПрОЧНОСТЬ КОЛОННЫ С ГИбкОСТЬЮ

X = 20)

Основные результаты испытания образцов

Серия Высота [мм] [МПа] Ые! [кН] Ыи [кН] Ые!/Ыи Ф

1 2 3 4 5 6 7

Ц.20.55 560 55,0 752 1127 0,67 1,0

Ц.20.35 560 33,6 738 1100 0,67 1,0

Ц.40.55 1120 53,4 668 907 0,74 0,8

Ц.40.35 1120 30,4 570 760 0,75 0,75

Ц.60.55 1640 53,4 665 797 0,83 0,71

Ц.60.35 1640 30,4 632 735 0,86 0,7

Ц.80.55 2200 55,0 724 762 0,95 0,68

Ц.80.35 2200 33,6 685 714 0,96 0,67

Закономерность снижения несущей способности ТБК сростом их гибкости проиллюстрирована на рис. 3. В результате статистической обработки опытных данных получена зависимость, связывающая относительную величину прочности гибкой колонны ф= М/Мтах (Ытах - прочность колонны с гибкостью X = 0) и гибкость:

<р=(1-2,5^103^Х)2.

По результатам замера деформаций на поверхности стальной оболочки и в бетонном ядре построены зависимости «п-е» (п-относительный уровень нагружения, определяемый отношением п=М/Ми, е - относительные продольные деформации трубобетонных элементов). Характерные зависимости для образцов серий Ц.20.55 и Ц.20.35 приведены на рис. 4. Причем положительные деформации соответствуют укорочению волокон.

Закономерность снижения несущей способности ТБК с увеличением гибкости

Рис. 3. Опытная зависимость несущей способности ТБК от гибкости

ОС

S

X

ш

Ї

>

Q.

i_

го

I

JÜ

X

ш

со

о

о.

>

з

X

с;

си

н

5

U

о

X

н

о

—1.00 л ол

\

\

\

1 п чл

Ь 40

л\зг*Ь

0.00

-100 -50 0 50 100 150 200 250

Относительные деформации, х10Л-5

—Ф— Ц.20.55, продольные /трубы/ -И-Ц.20.55, поперечные /трубы/ -4— Ц.80.55, продольные /трубы/ Ц.80.55, поперечные /трубы/

300

Рис. 4. Результаты испытаний образца серии Ц.20.55 и Ц.80.55

Из приведенных графиков видно, что предельная деформа-тивность коротких образцов ТБК существенно больше, чем в традиционных железо бетонных конструкциях. С увеличением гибко -сти колонн наблюдается снижение величины деформаций образцов при одинаковых относительных уровнях загружения. Так, продольные деформации образцов серии Ц.20.55 при п=0,8 оказались почти в два раза меньше по сравнению с образцами серии Ц.80.55. Этот факт свидетельствует о повышении уровня упругой работы ТБК по отношению к предельной нагрузке при увеличении их гибкости.

По окончании испытаний с части разрушенных образцов разных серий срезались торцевые крышки, а их оболочка разрезалась вдоль и снималась (рис. 5).

При визуальном осмотре торцов бетонного ядра не было обнаружено видимых трещин. После разрезки оболочки бетонное ядро сохраняло свою форму, повторяя все деформации стальной оболочки, что свидетельствует о псевдопластичном характере его разрушения. Стальная оболочка при этом практически по всей поверхности загружаемых образцов находилась в стадии текучести и повторяла деформации ядра.

На боковой поверхности бетонного ядра центрально сжатых образцов при визуальном осмотре были обнаружены микротрещины. Максимальная концентрация их наблюдалась в зоне образования

складок. Ярко выраженной магистральной трещины не наблюдалось. Микротрещины в бетонном ядре ориентировались по отношению к вертикальной оси под углом 30-45°. Таким образом, разрушение ядра было сопряжено со срезом, что характерно для объемного напряженного состояния бетона.

В целом результаты проведенных экспериментов свидетельствуют о том, что в сжатых трубобетонных элементах гибкость оказывает большее влияние на несущую способность, чем в традиционных железобетонных конструкциях. Существенной особенностью работы ТБК является проявление псевдопластического характера их разрушения, обусловленного работой бетонного ядра и стальной оболочки в условиях объемного сжатия. Данные обстоятельства необходимо учесть при разработке методики расчета прочности трубобетонных колонн с учетом их гибкости.

. Образцы серии ЦН.108.20 после испытаний

Список литературы

1. Кришан А.Л., Мельничук А.С. Прочность трубобетонных колонн квадратного сечения при осевом сжатии // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова.

2012. № 3. С. 51-54.

2. Кришан А.Л., Заикин А.И. Расчет прочности трубобетонных колонн //

Бетон и железобетон. 2011. № 3. С. 17-19.

3. Кришан А.Л., Мельничук А.С. Трубобетонные колонны квадратного

сечения // Жилищное строительство. 2012. № 5. С. 19-22.

References

1. Krishan A.L., Melnichuk A.S. Strength of concrete-filled steel tubes with square cross-section under axial compression // Vestnik MGTU named after G.I. Nosov. 2012. № 3. P. 51-54.

2. Krishan A.L., Zaikin A.I. Calculation the strength of concrete-filled tube (CFT) columns // Concrete and reinforced concrete. 2011. № 3. P. 17-19.

3. Krishan A.L., Melnichuk A.S. Concrete-filled steel tubes with square

cross-section // Housing Construction. 2012. № 5. P. 19-22.