Экспериментальные исследования пространственной работы сталежелезобетонных конструкций

УДК 624.014

Ф.С. Замалиев

ФГБОУ ВПО «КазГАСУ»

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ РАБОТЫ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Приведены результаты экспериментальных исследований пространственной работы сталежелезобетонных конструкций. Приведены описание экспериментальной модели фрагмента перекрытия и перекрытия в натуральную величину, методика испытаний и анализ результатов испытаний. Даны сравнения напряженно-деформированного состояния фрагментов сталежелезобетонных перекрытий с испытаниями отдельных сталежелезобетонных балок.

Ключевые слова: экспериментальные исследования, сталежелезобетонная конструкция, пространственная работа, деформации.

Наметившаяся тенденция расширения применения сталежелезобетонных конструкций в отечественной строительной практике актуализирует их дальнейшие исследования. Проводятся на сегодняшний день как теоретические, так и экспериментальные исследования. Экспериментальные исследования в основном посвящены исследованиям моделей отдельных балок, которые позволяют выявить напряженно-деформированное состояние изгибаемых элементов, особенности их работы по нормальным и наклонным сечениям, работу слоев на сдвиг и анкерных устройств [1—3]. Однако в реальных конструкциях гражданских и промышленных зданий балки в изолированном виде редко находят применение. В промышленном и гражданском строительстве сталежелезобетонные конструкции в основном применяют в качестве перекрытий и покрытий. Конструктивная система состоит из ряда стальных балок и железобетонной плиты, устроенной по верху балок и работающей как в продольном, так и в перпендикулярном направлениях. Другими словами, сталежелезобетонная конструкция работает не только вдоль стальных балок, но и как пространственная конструкция, т.е. железобетонная плита вдоль стальных балок работает в составе сталежелезобетонной балки, а поперек — по наразрезной схеме, используя стальные балки как опоры.

Экспериментальные исследования дают наиболее обширные и фактические данные по напряженно-деформированному состоянию конструкций [4]. Для исследования пространственной работы сталежелезобетонных конструкций изготовлены и испытаны: одна крупномасштабная модель перекрытия в масштабе 1:3, а другой фрагмент перекрытия в натуральную величину. Крупномасштабная модель сталеже-лезобетонного перекрытия имела следующие состав и геометрические параметры: железобетонная плита высотой 50 мм, шириной 1664 мм и длиной 2000 мм, подкрепленная тремя стальными балками из прокатного двутавра № 12 ГОСТ 8239—89 длиной 2000 мм, которые расположены на равных расстояниях [5]. Совместность работы железобетонной плиты и стальных частей достигалась за счет двух рядов вертикальных анкерных стержней (2е6А300) высотой 40 мм, приваренных по всей длине к верхнему поясу стальных балок с шагом 150 мм по концам на четверти пролета и 100 мм — в середине на половине пролета.

В качестве фрагмента перекрытия для натурных испытаний была изготовлена сталежелезобетонная плита размерами 6000*6000 мм. Стальная часть перекрытия состоит из шести прокатных двутавровых балок № 20 по ГОСТ 8239—89 длиной

6000 мм, расположенных с шагом 1200 мм; бетонная часть: длина — 6000, ширина — 6000, высота — 80 мм [6]. Армирование бетонной части производилось арматурными сетками из проволоки 05 Вр-1 с шагом 100 мм по классической схеме для неразрезной плиты. Совместность работы стальной и бетонной частей сталежелезобетонной конструкции достигалась за счет двух рядов вертикальных анкерных стержней (2010 А300), приваренных по всей длине к верхнему поясу стальных балок с шагом 250 мм в середине пролета, и 150 мм — по концам.

Применялся бетон класса В22,5 (М 300). Для определения его расчетных характеристик были изготовлены контрольные образцы — кубы 100*100x100 мм. При заливке монолитного бетона его уплотнение производилось глубинным вибратором.

Для измерения деформаций стали и бетона на их поверхности наклеивались тен-зорезисторы с базой 50 мм (для бетона) и 20 мм (для стали). Продольные прогибы конструкции замерялись по центрам стальных балок с помощью линеек, укрепленных жестко на металлических треногах. Сдвиг по контакту сталь — бетон замерялся индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм, установленных по концам стальных балок. Момент образования трещин и характер трещинообразования определяли визуально, а величина раскрытия трещин определялась с помощью микроскопа МБП-2 с 24-кратным увеличением.

Испытания модели фрагмента перекрытия проводились в лаборатории КазГАСУ статической кратковременной нагрузкой посредством гидравлического домкрата ДГ-100-2 (рис. 1). Величина задаваемой нагрузки фиксировалась и контролировалась при помощи манометра ручной насосной станции, предварительно оттарированного на испытательной машине УММ-200. При планировании эксперимента для моделирования равномерно распределенной нагрузки рассматривались различные варианты нагружения: от сыпучих материалов до железобетонных блоков. Учитывая ограниченность лабораторных условий, остановились на использовании системы траверс. Равномерно распределенная нагрузка была смоделирована пятиуровневой системой траверс, работающих по разрезной схеме и передающей нагрузку по площади фрагмента в двадцати точках (рис. 2).

Рис. 1. Общий вид установки испытания мо- Рис. 2. Система траверс нагружения модели дели перекрытия

Для нагружения фрагмента перекрытия в натуральную величину использованы штучные грузы: в нижних слоях от кирпича до поребрика, а в верхних слоях фундаментные блоки. Опытная нагрузка определялась путем предварительного взвешивания веса всех грузов, а ожидаемая разрушающая нагрузка — путем математического сложения всех грузов от нижнего до последнего слоев. Нагружение сталежелезобе-тонной плиты перекрытия проводилось однократной кратковременной статической нагрузкой ступенями по 1/20 от ожидаемой разрушающей нагрузки. После каждого этапа нагружения снимались показания всех датчиков, индикаторов и прогибы.

При испытаниях изучались характер трещинообразования верхней и нижней граней железобетонной полки сталежелезобетонной плиты, а также закономерности развития деформаций бетона монолитной плиты и стали несущих балок опытной сталежелезобетонной конструкции.

Модель сталежелезобетонного перекрытия 1664 х 2000 мм разрушилась по нормальному сечению в зоне чистого изгиба балок из-за местного раздробления бетона сжатой зоны центральной части плиты и практически одновременно плиты над крайними балками, а также вследствие развития пластических деформаций в стальных балках фрагмента перекрытия и, соответственно, при быстром росте прогибов. При этом в момент разрушения максимальный изгибающий момент достигал значения: в сечении по средней стальной балке — 4,5; в сечении по крайним стальным балкам — 1,969; в средней части пролета монолитной плиты — 0,281 тм.

Трещинообразование верхней грани железобетонной полки модели перекрытия имело следующий характер. Первые продольные трещины (до 0,03...0,05 мм) появились над крайними балками у торца железобетонной плиты длиной 5.10 см при максимальном изгибающем моменте в сталежелезобетонном сечении по крайней балке 1,772 тм, и, практически одновременно, в средней части пролета у торца плиты при изгибающем моменте — 0,253 тм. С дальнейшим увеличением уровня нагружения появлялись слабые, прерывистые трещины (до 0,05 мм) по всей длине плиты над средней балкой при изгибающем моменте, соответствующем значению 4,275 тм. При этом ранее появившиеся трещины в железобетонной полке получали дополнительное незначительное развитие по ширине (до 0,1 мм) и длине (10.15 см). В момент достижения изгибающим моментом максимального значения — перед разрушением — продольные трещины раскрывались до 0,1 мм над средней стальной балкой, до 0,2 мм над крайними балками и в пролете железобетонной плиты.

Развитие деформаций бетона железобетонной плиты, перпендикулярно направленных по отношению к балкам, происходило по классической схеме с достижением максимальных значений в сечении над стальными балками и, соответственно, минимальных значений в середине пролета железобетонной полки и завершилось местным раздроблением бетона сжатой зоны над балками в момент физического разрушения. Основное развитие трещин происходило после достижения нагрузкой максимального значения в момент, когда величина нагрузки падала, но сталежелезо-бетонная конструкция продолжала еще воспринимать определенную долю нагрузки, и, соответственно, началось интенсивное развитие: 1) пластических деформаций стальных балок; 2) деформаций абсолютного сдвига на границе сталь — бетон.

Результаты экспериментальных исследований модели фрагмента сталежелезо-бетонного перекрытия приведены в виде эпюр и графиков (рис. 3, 4).

въ 0,9 т-м 2,7 т-м 4,5 т-м

7 / / х /

/ / * У es

а въ 0,394 т-м 1,181 т-м 1,969 т-м

7 г 1 / /

/ / / / es

б

Рис. 3. Эпюры развития продольных деформаций по высоте перекрытия: а — по крайним балкам; б — по средней балке

М, т-н

5 4,5 4 3,5 3

2,5 2 1,5 1

0,5 0

0

М, т-н 5

4,5 4

3,5 3

2,5 2

1,5 1

0,5 0

20 30 £-0,1 мм

А$к-0,01 мм

М, т-н 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1

0,5 0

0

М, т-н 5

4,5 4

3,5 3

2,5 2

1,5 1

0,5 0

0

20 25 £•0,1 мм

30 35 40 45

40 60 А$к-0,01 мм

5

4,5 4 3,5 3

2,5 2 1,5 1

0,5 0

100 150 / -0,1 мм

М, т-н 5

4,5 4

3,5 3

2,5 2

1,5 1

0,5 0

в

100 150 / -0,1 мм

Рис. 4. Графики основных деформаций в сечении крайних и средних балок фрагмента: а — графики деформирования нижнего пояса стальных балок в зоне чистого изгиба; б — графики сдвига по контакту сталь — бетон на торцах; в — графики максимальных прогибов

5

10 15

100

б

М, т-н

0

50

200

250

Из рис. 3 видно, что уже при упругой работе сталежелезобетонных конструкций существует разница деформаций (напряжений) у средних и крайних балок на границе контакта сталь — бетон. По мере нагружения и вхождения элементов сталеже-лезобетонных конструкций в зону пластических деформаций разница деформаций (напряжений) становится более существенна, и ею нельзя пренебрегать, особенно при практических расчетах. Разница напряжений в сталежелезобетонных сечениях крайних и средних балок показывает разное участие крайних и средних балок в пространственной работе перекрытий.

Из анализа графиков, приведенных на рис. 4, следует, что, ввиду различной несущей способности сталежелезобетонного сечения крайних и средней балок, деформирование крайних балок происходит менее интенсивно. Причем в зоне упругой работы всех сталежелезобетонных балок фрагмента деформирование происходит практически по линейному закону.

Разрушение модели сталежелезобетонного перекрытия происходило за счет появления и увеличения растянутой зоны железобетонной полки и постепенного ее «выключения» из работы. В дальнейшем, с увеличением уровня нагружения, происходило появление двух нейтральных осей и перераспределение усилий, приходящихся на составные элементы композиционного сечения.

Ввиду пространственной работы фрагмента сталежелезобетонного перекрытия несущая способность его средней балки по нормальному сечению была в 1,24 раза, а у крайних балок — в 1,14 раза больше несущей способности отдельно исследуемых сталежелезобетонных балок серии СБ-2 с такими же конструктивными параметрами и большей прочностью бетона у балок серии СБ-2 [6]. Аналогичная картина

складывается и при развитии прогибов. На начальном этапе нагружения при одинаковом изгибающем моменте наблюдаются практически одинаковые значения прогибов. С увеличением уровня нагружения прогибы в отдельных балках серий СБ-2 развиваются быстрее, чем в средних несущих балках фрагмента, что показывает на пространственную работу фрагмента перекрытия и подтверждает необходимость испытания и продолжения изучения не только отдельных балок перекрытия, но и фрагментов сталежелезобетонного перекрытия.

Испытуемую плиту 6000x6000 мм нагружали распределенной нагрузкой до 91 т (рис. 5). При нагрузке в 91 т прогиб конструкции составлял в разных зонах от 7,5 до 12 см, что составляет 1/50 длины конструкции (стальных балок). Таким образом, прогибы достигли значительных значений. При нагрузках от 0 до 91 т напряжения продолжали наращиваться, происходило постепенное раскрытие продольных трещин в бетоне непосредственно над стальными балками, образовывалась сетка трещин в нижней части бетонной плиты, прогибы конструкции достигали 12 см, что означало наступление обеих групп предельных состояний (рис. 6).

Рис. 5. Фрагмент сталежелезобетонного перекрытия под нагрузкой

Рис. 6. Сталежелезобетонная плита после испытания

Замерялись деформации крайних фибр стальных крайних и средних балок в зоне чистого изгиба на участке 60 см. Анализ графиков, построенных по этим измерениям (рис. 7), свидетельствует, что характер изменения деформаций по мере увеличения уровня нагружения схожий, однако интенсивность деформаций средних балок в 1,3.1,4 раза больше, чем крайних. Средние балки в 1,4.1,5 раза больше нагружены чем крайние при одинаковых фибровых деформациях, что свидетельствует о большем их участии в пространственной работе конструкции перекрытия.

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 Деформации низа балок Б-1 и Б-6, мм

Г-—б-1^-Б-6П

10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Деформации низа балок Б-3 и Б-4, мм

Г—- Б-3^-Б-4~|

Рис. 7. Деформации нижнего пояса стальных балок для крайних

При испытании опытной сталежелезобетонной плиты также изучались закономерности развития прогибов несущих балок фрагмента. Во всех шести несущих балках происходило увеличение прогибов при возрастании уровня нагружения, причем интенсивность их развития была различной на разных этапах.

На начальных этапах нагружения наблюдается практически прямая пропорциональность между изгибающим моментом и прогибами, а затем с изменением эпюры деформаций по высоте сталежелезобетонного сечения, вследствие появления неупругих деформаций стали, происходит интенсивный рост прогибов при незначительном увеличении нагружения, т.е. излом графика прогибов (рис. 8). Наличие изломов на графиках прогибов свидетельствует о снижении жесткости несущих балок стале-железобетонного фрагмента при увеличении уровня нагружения.

7000 6000 5000 . 4000 М 3000 2000 1000 0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

прогиб балок Б-1 и Б-6, мм

10000т

9000 8000

а 700°-

ь 6000* 5000 -4000 3000 2000 10000,1

//

/

(

-Б-1

Б-6

20 40 60 80 100 прогиб балок Б-3 и Б-4, мм -»-Б-3+Б-4

Рис. 8. Графики развития прогибов для крайних (а) и средних (б) балок фрагмента перекрытия

0

120

Снижение жесткости несущих сталежелезобетонных балок происходит вследствие снижения модуля упругости стали после того, как сталь сталежелезобетонного сечения входит в зону неупругих деформаций. Это объясняется сдерживающим влиянием неразрезной железобетонной плиты фрагмента сталежелезобетонного перекрытия, работающей в двух направлениях как пространственная плита, и постепенным ее включением в работу с увеличением уровня нагружения.

Наибольшее значение прогибов, а также наибольшие значения деформаций сжатия и растяжения в одинаковых сечениях по длине пролета достигались в средних (третьей и четвертой) стальных балках опытной сталежелезобетонной плиты. Напряжения (деформации) нижних фибр стальной части сталежелезобетонного сечения развиваются более интенсивно, чем напряжения (деформации) по верхней грани бетонной полки, что свидетельствует о перераспределении усилий между стальными балками и бетонной плитой при смещении нейтральной оси фрагмента сталежелезо-

бетонного перекрытия с постепенным образованием отдельных нейтральных осей у стальной балки и железобетонной плиты.

Выводы. 1. Экспериментальные исследования фрагментов сталежелезобетонных перекрытий показали технологичность их изготовления и подтвердили их пространственную работу.

2. Экспериментальными исследованиями установлены:

характер распределения деформаций и напряжений в нормальном сечении балок в составе перекрытия отличается от работы самостоятельных балок: деформации сдвига в шве сталь — бетон меньше и пластические деформации в стальной балке и бетонной плите проявляются позже, чем в изолированных балках, благодаря пространственной работе перекрытия;

динамика появления и распределения трещин в плите подтверждает пространственную работу фрагментов перекрытия, работу плиты по схеме неразрезной балки в перпендикулярном направлении по отношению к стальным балкам;

несущая способность сталежелезобетонных балок в составе перекрытия в 1,14.1,24 раза больше и прогибы в 1,5 раза меньше, чем в отдельных балках;

разрушение фрагментов перекрытия произошло при интенсивном развитии пластических деформаций в стальных балках и постепенном «выключении» сжатой части железобетонной плиты;

перед разрушением фрагментов перекрытия нижние участки железобетонной плиты от сжатой переходят в растянутую зону, в сталежелезобетонном перекрытии появляются две нейтральные оси — отдельно в стальной балке и плите.

Библиографический список

1. Стрелецкий Н.Н. Сталежелезобетонные пролетные строения мостов. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Транспорт, 1981. 360 с.

2. Salmon Ch.G. Handbook of composite construction Engineering // Ch.2: Composite steel-concrete construction., NewYork, 1982, pp. 41—79.

3. Мирсаяпов И.Т., Замалиев Ф.С., Замалиев Э.Ф. Экспериментальные исследования податливости контакта слоев сталежелезобетонных конструкций при малоцикловых нагружениях // Вестник МГСУ 2011. Вып. 2. Т. 2. С. 163—168.

4. Замалиев Ф.С., ШаймардановР.И. Экспериментальные исследования сталежелезобетонных конструкции на крупномасштабных моделях // Известия КазГАСУ 2008. № 2(10). С. 47—52.

5. Замалиев Ф.С., Сагитов Р.А., Хайрутдинов Ш.Н. Испытания фрагмента сталежелезобе-тонного перекрытия на статические нагрузки // Известия КазГАСУ. 2010. № 1(13). С. 102—105.

6. Замалиев Ф.С., Шаймарданов Р.И. Экспериментальные исследования сталежелезобе-тонных балок на статические нагружения // Эффективные строительные конструкции: теория и практика : сб. статей междунар. конф. Пенза, 2002. С. 64—69.

Поступила в редакцию в октябре 2012 г.

Об авторе: Замалиев Фарит Сахапович — кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «КазГАСУ»), 420043, Россия, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1, (843) 510-47-09, em_z@mail.ru.

Для цитирования: Замалиев Ф.С. Экспериментальные исследования пространственной работы сталежелезобетонных конструкций // Вестник МГСУ 2012. № 12. С. 53—60.

F.S. Zamaliev

EXPERIMENTAL RESEARCH OF THE THREE-DIMENSIONAL PERFORMANCE OF COMPOSITE STEEL AND CONCRETE STRUCTURES

Composite steel and concrete slabs are often used in the reconstruction of architectural monuments to replace timber elements. Insufficient awareness of the nature of the stress-strain state of

BECTHMK 12/2012

M rey_12/2012

steel-concrete slabs limits their use in the construction of residential housing. This article describes the composition, geometry, reinforcement, and anchors to enable the use of concrete slabs and steel beams. The article contains photographs that illustrate the load distribution model. Methods of testing of fiber strains of concrete slabs and steel profiles, deflections of beams, shear stresses in the layers of the "steel-to-concrete" contact area that may involve slab cracking are analyzed. Dynamics of fiber deformations of concrete slabs, steel beams, and layers of the "steel-to-concrete" contact areas, deflection development patterns, initial cracking and crack development to destruction are analyzed. The author also describes the fracture behavior of the floor model. Results of experimental studies of the three-dimensional overlapping of structural elements are compared to the test data of individual composite beams. Peculiarities of the stress-strain state of composite steel and concrete slabs, graphs of strains and stresses developing in sections of middle and external steel-and-concrete beams, deflection graphs depending on the loading intensity are provided. The findings of the experimental studies of the three-dimensional performance of composite steel-and-concrete slabs are provided, as well.

Key words: experimental research, composite steel-and-concrete structures, three-dimensional performance, strain.

References

1. Streletskiy N.N. Stalezhelezobetonnye proletnye stroeniya mostov [Composite Steel-and-Con-crete Superstructures of Bridges]. Moscow, Transport Publ., 1981, 360 p.

2. Salmon Ch.G. Handbook of Composite Construction Engineering. Ch. 2. Composite Steel-Concrete Construction. New York, 1982, pp. 41—79.

3. Mirsayapov I.T., Zamaliev F.S., Zamaliev E.F. Eksperimental'nye issledovaniya podatlivosti kon-takta sloev stalezhelezobetonnykh konstruktsiy pri malotsiklovykh nagruzheniyakh [Experimental Research of Deformability of Contact between Layers of Steel-Concrete Structures Exposed to Low-cycle Loads]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011, no. 2, vol. 2, pp. 163—168.

4. Zamaliev F.S., Shaymardanov R.I. Eksperimental'nye issledovaniya stalezhelezobetonnykh konstruktsii na krupnomasshtabnykh modelyakh [Experimental Research of Composite Steel-Concrete Structures Using Large-scale Models]. Izvestiya KazGASU [Proceedings of Kazan State University of Architecture and Civil Engineering]. 2008, no. 2(10), pp. 47—52.

5. Zamaliev F.S., Sagitov R.A., Khayrutdinov Sh.N. Ispytaniya fragmenta stalezhelezobetonnogo perekrytiya na staticheskie nagruzki [Testing of a Fragment of Steel-Concrete Floor to Identify Static Loading Parameters]. Izvestiya KazGASU [Proceedings of Kazan State University of Architecture and Civil Engineering]. 2010, no. 1(13), pp. 102—105.

6. Zamaliev F.S., Shaymardanov R.I. Eksperimental'nye issledovaniya stalezhelezobetonnykh balok na staticheskie nagruzheniya [Experimental Research of Static Loading of Steel-Concrete Beams]. Effektivnye stroitel'nye konstruktsii: teoriya i praktika: sb. statey mezhdunar. konf. [Collection of articles of international conference «Effective Construction Designs: Theory and Practice»]. Penza, 2002, pp. 64—69.

About the author: Zamaliev Farit Sakhapovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Kazan State University of Architecture and Civil Engineering (KazGASU), 1 Zelenaya St., Kazan, 420043, Russian Federation; em_z@mail.ru; +7 (843) 510-47-09.

For citation: Zamaliev F.S. Eksperimental'nye issledovaniya prostranstvennoy raboty stalezhelezobetonnykh konstruktsiy [Experimental Research of Three-dimensional Performance of Composite Steel and Concrete Structures]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 12, pp. 53—60.