Экспериментальные исследования сталежелезобетонных конструкций на крупномасштабных моделях

УДК 624.016:620.174

Ф .С. Замалиев - кандидат технических наук, доцент Р.И. Шаймарданов - инженер

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА КРУПНОМАСШТАБНЫХ МОДЕЛЯХ

АННОТАЦИЯ

Данная работа посвящена проведению комплекса экспериментальных исследований нормальных сечений сталежелезобетонных (СЖБ) изгибаемых элементов гражданских зданий с учётом нелинейности бетона и стали, а также податливости контакта “ сталь-бетон” между железобетонной полкой и стальной балкой СЖБ сечения при однократном кратковременном статическом нагружении.

F.S. Zamaliev - candidate of technical sciences, associate professor R.I. Shaimardanov - engineer

Kazan State University of Architecture and Engineering

EXPERIMENTAL RESEARCH OF STEEL-FERROCONCRETE STRUCTURES ON LARGE SCALE MODELS

ABSTRACT

This paper is devoted to experimental research of normal section of steel-ferroconcrete structures with flexible elements for civil buildings. The research considers the non-linear properties of concrete and steel along with pliability of ”steel-concrete” contact between ferroconcrete shelf and steel-beam of steel-ferroconcrete section under single short static load.

Сталежелезобетонные (СЖБ) балки, отдельно и в составе перекрытия, как составные конструкции, у которых рационально используются прочностные свойства бетона и стали, достаточно широко применяются в зарубежной практике [1, 2]. Однако, в отечественной практике они не нашли должного распространения, особенно в гражданском строительстве. Вероятно, такое состояние объясняется малой изученностью СЖБ конструкций.

Экспериментальные исследования дают наиболее обширные и фактические данные о напряженно-деформированном состоянии конструкций. Исследования были проведены на опытных СЖБ балках, стальная часть которых изготавливалась из прокатной двутавровой балки №12 ГОСТ 8239-89 длиной 2000 мм; бетонная часть имела размеры: длина - 2000 мм, ширина - 400 мм, высота - 50 мм. Армирование бетонной части производилось арматурными сетками из проволоки 0 4 Вр-1. Совместная работа плиты и стальной балки достигалась устройством в зоне контакта анкерных связей. Исходя из конструкции анкерной связи и ее шага, происходило деление образцов на серии.

Всего было изготовлено 10 серий СЖБ балок по 3 образца в каждой серии.

Фрагмент сталежелезобетонного

перекрытия имел следующие параметры: стальная часть - три прокатные двутавровые балки №12 ГОСТ 8239-89 длиной 2000 мм, расположенные с шагом 800 мм; бетонная часть - ширина 1664мм, длина 2000 мм, высота 50 мм. Совместность работы стальной и бетонной частей конструкции достигалась за счет двух рядов вертикальных анкерных стержней (2 06 А-ІІІ), приваренных по всей длине к верхнему поясу стальных балок с шагом 150 мм в середине пролета, 100 мм - по концам.

Испытания СЖБ балок и фрагмента перекрытия проводились на базе лаборатории КазГАСУ. СЖБ балки испытывались по схеме свободно-опертой балки, нагруженной в средней части пролета двумя сосредоточенными силами, отстоящими от вертикальной оси балки на 250 мм. Расчетный пролет балки - 1900 мм. Нагрузка посредством гидравлического домкрата (полезное усилие - 3000 кг; свободный ход - 26 см) через рычажную установку передавалась на изгибаемую СЖБ балку с помощью металлической траверсы в двух точках: в одной - через подвижный стальной каток диаметром 50 мм, а в другой - через неподвижный стальной каток того же диаметра. Для исключения закручивания балки во время испытания между металлической траверсой и рычагом испытательной установки был установлен полусферический шарнир.

Таблица 1

Параметры серий образцов СЖБ балок и результатні их испытаний

Серия образ- цов Тип анкера Шаг анкера: опора/ центр, мм Кубиковая прочность бетона^ кг/см2 Изгиб. момент, при котором впервые в нижн. поясе стальн. балки появл. деф-ции Ё8=0,2 %, т*м Изгиб. момент, при котором по длине зоны чистого изгиба нижнего пояса стальн. балки достиг. деф-ции Ё8=0,2 %, т*м Изгиб. момент, при котором в средн. части по высоте стальн. балки достиг. деф-ции ё8=0,2 %, т*м Разруш. изгиб. момент, т*м

СБ-1 0 5 Вр-І 100/150 195 2,347 2,356 3,261 3,406

СБ-2 0 6 А-Ш 100/150 256 2,272 2,415 3,325 3,710

СБ-3 ± 0 8 А-І 100/150 195 2,240 2,520 3,263 3,710

СБ-4 0 8 А-Ш 50/100 256 2,319 2,532 3,273 3,827

СБ-5 0 10 А-І 100/150 256 2,311 2,491 3,273 3,780

СБ-6 0 10 А-Ш 100/150 195 2,356 2,275 3,299 3,780

СБ-7 П 0 4 Вр-І 100/150 235 2,190 2,281 3,030 3,243

СБ-8 П 0 6 А-І 100/150 235 2,294 2,474 3,290 3,733

СБ-9 - 25x4 100/150 235 2,251 2,617 3,348 3,874

СБ-10 20 ^ 4 100/150 235 2,307 2,600 3,290 3,570

Фрагмент СЖБ перекрытия испытывали статической кратковременной нагрузкой посредством гидравлического домкрата ДГ-100-2. Величина задаваемой нагрузки фиксировалась и контролировалась при помощи манометра ручной насосной станции, предварительно оттарированного на испытательной машине УММ-200 лаборатории. Распределение нагрузок для моделирования равномерно распределенной нагрузки производилось в двадцати точках по площади фрагмента через пятиуровневую систему траверс, работающих по разрезной схеме.

Геометрические параметры образцов балок в сериях и результаты их испытаний приведены в таблице 1.

Опытные образцы СЖБ балок испытывали однократной кратковременной статической нагрузкой до физического разрушения с целью установления характера разрушения и закономерностей развития прогибов, деформаций бетона и стали при их совместном деформировании в составе единой конструкции, а также деформаций абсолютного сдвига на границе контакта «сталь-бетон».

Во всех случаях опытные образцы СЖБ балок разрушались по нормальному сечению в зоне чистого изгиба из-за местного раздробления бетона сжатой зоны плиты и вследствие развития пластических деформаций в нижней части стальной балки. При этом в образцах с наиболее податливыми анкерными связями (серии СБ-1, СБ-7) происходил срез анкеров в

приопорной части СЖБ балки и, соответственно, отрыв бетонной полки от стальной балки, что в ряде образцов приводило к дальнейшей потере устойчивости стальной части.

На рисунке 1 приведены эпюры распределения средних деформаций по высоте сечения СЖБ балок на различных этапах нагружения для трех наиболее характерных серий.

Фрагмент СЖБ перекрытия разрушился по нормальному сечению в зоне чистого изгиба балок из-за местного раздробления бетона сжатой зоны центральной части плиты и практически сразу плиты над крайними балками 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 т-м; в сечении по крайним стальным балкам -1,969 т-м; в средней части пролета монолитной плиты

- 0,281 т-м.

Трещинообразование верхней грани железобетонной полки фрагмента 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 СЖБ сечении по крайней балке 1,772 т-м, и, практически одновременно, в средней части пролета у торца плиты

Рис.1. Эпюры деформаций по высоте сечения СЖБ балок

при изгибающем моменте - 0,253 т-м. 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 т-м. 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 в момент физического разрушения. Основное развитие трещин происходило после достижения нагрузкой максимального значения в момент, когда величина нагрузки падала, но СЖБ 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

фрагмента СЖБ перекрытия приведем ниже в виде эпюр и графиков, показанных на рисунках 2, 3.

Из рисунка 2 видно, что уже при упругой работе СЖБ конструкции существует разница деформаций (напряжений) на границе контакта «сталь-бетон», хотя и незначительная. По мере нагружения и вхождения элементов СЖБ конструкции в зону пластических деформаций разница деформаций (напряжений) становится более существенна, и ею нельзя пренебрегать, особенно при практических расчетах.

Из анализа графиков, приведенных на рисунке 3, следует, что ввиду различной несущей способности СЖБ сечения крайних и средней балок, деформирование крайних балок происходит менее интенсивно. Причем в зоне упругой работы всех СЖБ балок фрагмента деформирование происходит практически по линейному закону.

Изучение деформаций бетона полки СЖБ балки показало, что величина продольных деформаций сжатия бетона в верхней части полки в момент разрушения СЖБ балки достигает значений в среднем е ь=0,16 + 0,2 %, а в нижней части бетонной полки значения деформаций (сжатия и растяжения) колеблются около значения е ь=0, то есть распределение деформаций по высоте бетонной полки СЖБ балки происходит практически по треугольному закону.

Анализ продольных деформаций стальной части СЖБ балок показывает, что на начальных этапах

а)

£ь С 1. 9 т*м ? 7 4.5 т*м

* / / _ ; V

1 ! ^ г с.

6)

Еь 0 и г* и 1 IX т*м 1 ЧМ т*м

Т* 1 / /

1 1 / ' / / &

Рис. 2. Эпюры развития продольных деформаций по высоте СЖБ перекрытия: а) по крайним балкам; б) по средней балке

Рис. 3. Графики основных деформаций в сечении крайних и средних балок СЖБ фрагмента, соответственно: а) графики деформирования нижнего пояса стальных балок в зоне чистого изгиба; б) графики сдвига по контакту «сталь - бетон» на торцах; в) графики максимальных прогибов

нагружения СЖБ балок распределение продольных деформаций в стальной части подчиняется линейному закону. Такое распределение деформации продолжается практически до достижения в нижнем поясе стальной балки предельно допускаемых нормами деформаций е ]іт=0,2 %. В дальнейшем с интенсивным развитием пластических деформаций в нижнем поясе стальной балки эпюра деформаций приобретает криволинейный вид, а величина максимальных деформаций перед физическим разрушением СЖБ балки достигает в среднем значения е =1 %. Как видно из таблицы 1, достижение сталью нижнего пояса нормируемых предельных деформаций е вйп=0,2 % незначительно зависит от класса прочности монолитного бетона и вида анкерных связей (или податливости шва контакта «сталь-бетон»). Податливость анкерных связей оказывает существенное влияние на величину нагрузки, при которой продольные деформации в стальной части СЖБ балки достигают значения е 8,]іп=0,2 % как вдоль зоны чистого изгиба, так и по высоте сечения стальной балки.

Анализ закономерностей развития продольных деформаций по высоте сечения СЖБ балки показывает, что до достижения деформации стали нижнего пояса стальной балки значений е 8,]іт=0,2 % наблюдается совместная работа бетона и стали СЖБ балки по линейному закону, то есть с одной нейтральной осью, при этом в бетоне достигаются деформации сжатия в среднем равные еь=0,08 + 0,1 %. С дальнейшим увеличением уровня нагружения в зависимости от степени податливости контакта «сталь-бетон» наблюдается плавное искривление эпюры продольных деформаций по высоте сечения СЖБ балки, причем в стальной части балки это искривление происходит более резче в силу характера работы стали. Необходимо отметить, что на границе контакта «сталь-бетон» всегда наблюдается скачок деформаций, то есть деформации стали е 8к и бетона е ьк на границе контакта различны

(е ьк ф е 8к ) на величину Де к= е 8к - е ьк. Очевидно, что чем больше деформативность контактного шва, тем

больше величина А ек (табл. 2). Этот вывод следует не только при увеличении площади поперечного сечения анкерной связи, но и с учащением шага анкеров (серия СБ-4). В некоторый момент времени практически перед достижением разрушающей нагрузки по высоте составного сечения СЖБ балки появляются две нейтральные оси - в бетонной плите и в стальной балке, и, соответственно, две сжатые и две растянутые зоны. Однако при этом полного нарушения совместной работы бетона и стали СЖБ балки не происходит вплоть до ее разрушения.

Испытания также показали, что с удалением поперечных сечений СЖБ балки от центральной части линейный закон распределения деформаций по высоте СЖБ сечения сохраняется вплоть до разрушения балок. Причем с приближением поперечных сечений к опорам СЖБ балки продольные деформации стали и бетона стремятся к нулю.

Закономерности развития прогибов опытных образцов СЖБ балок также зависели от степени податливости шва контакта «сталь-бетон». Во всех испытанных образцах происходило увеличение прогибов при возрастании уровня нагружения, причем интенсивность их развития была различной на разных этапах и зависела как от типа анкерной связи, так и от его шага по длине балки. На рисунках 4, 5 приведены графики развития прогибов СЖБ балок в зависимости от уровня нагружения. Как видно из приведенного графика, при начальных этапах загружения наблюдается практически прямая пропорциональность между изгибающим моментом и прогибами, а затем, с увеличением податливости контакта шва и изменением эпюры деформаций по высоте СЖБ сечения, происходит интенсивный рост прогибов при незначительном увеличении нагружения, т.е. излом графика прогибов. Так, например, для образцов серии СБ-7 с наибольшей податливостью анкерной связи при значениях изгибающего момента М=3,15 т*м средний прогиб составляет f=20,4мм, в то время как для образцов с наименее податливыми анкерными связями

Таблица 2

Разница величин продольных деформаций Аек на границе контакта «сталь-бетон» при различных уровнях загружения

СБ-1 СБ-2 СБ-3 СБ-4 СБ-5 СБ-6 СБ-7 СБ-8 СБ-9 СБ-10

Дєк*10"5, при М=0,7т*м -16,53 -18,7 -15,1 -0,25 -16,3 -10,6 -15,47 -12,55 -17,25 -12,3

Дек *10-5, при М=2,45т*м -36,8 -32,2 -27,7 -1,25 -26,2 -15,0 -27,03 -20,3 -26,25 -22,5

4,5

О 50 100 150 200 250

Рис. 4. Графики развития прогибов в координатах «М-6> для СЖБ балок серий СБ-1 + СБ-5

Рис. 5. Графики развития прогибов в координатах «М-6> для СЖБ балок серий СБ-6 + СБ-10.

СБ-6 и СБ-10 средний прогиб составляет, соответственно, £= 10,7 мм и £= 10,65 мм.

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

Интересно отметить, что несущая способность средней несущей балки фрагмента СЖБ перекрытия по нормальному сечению была в 1,21 раз больше несущей способности отдельно исследуемых СЖБ балок серии СБ-2 с такими же конструктивными параметрами и большей прочностью бетона у балок серии СБ-2. 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 СЖБ перекрытия.

Литература

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., New York, 1982, p.41-79.