Українська державна академія

залізничного транспорту

Шемет Руслан Миколайович

УДК 624.012.46+624.014.2

сталезалізобетонні нерозрізні локально

попередньо напружені балки

Спеціальність 05.23.01 - будівельні конструкції,

будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, доцент

Ізбаш Михайло Юрійович,

Харківський державний технічний

університет будівництва та архітектури,

доцент кафедри залізобетонних

і кам'яних конструкцій.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Стороженко Леонід Іванович,

Полтавський національний технічний

університет ім. Ю. Кондратюка,

професор кафедри конструкцій

з металу, дерева і пластмас;

кандидат технічних наук, доцент

Берестянська Світлана Юріївна,

Українська державна академія залізничного

транспорту, доцент кафедри будівельної

механіки і гідравліки.

Провідна установа:

Харківська національна академія міського

господарства, кафедра будівельних конструкцій,

Міністерство освіти і науки України, м. Харків.

Захист відбудеться “ 12” квітня 2007 р. в 15-30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.820.02 Української державної академії залізничного транспорту за адресою: 61050, м. Харків, пл. Фейєрбаха, 7.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Української державної академії залізничного транспорту за адресою: 61050, м. Харків, пл. Фейєрбаха, 7.

Автореферат розісланий “ 7 ” березня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої

ради, канд. техн. наук, доцент Ватуля Г.Л.

ЗАГАЛЬНА Характеристика роботи

Актуальність теми. Сталезалізобетонні конструкції широко застосовуються в світовій будівельній практиці в перекриттях і покриттях цивільних і виробничих будівель, прольотних спорудах мостів і ін.

Висока ефективність сталезалізобетонних елементів, що згинаються, забезпечується раціональною схемою їх роботи, відповідно до якої залізобетонна полиця-плита сприймає стискаючі зусилля, сталевий прокатний профіль – розтягуючі, тобто їх деформативно-міцнісні властивості використовуються найефективніше.

Особливість сталезалізобетонних нерозрізних балок полягає в тому, що несуча здатність їх опорних перерізів суттєво менше, ніж прольотних, оскільки залізобетонна полиця знаходиться в розтягнутій зоні.

Підвищення ефективності сталезалізобетонних елементів, що згинаються, досягається їх локальним попереднім напруженням. Проте локальне обтиснення нерозрізних сталезалізобетонних балок не досліджено, внаслідок чого в будівельній практиці не застосовувалося.

Викладене свідчить про актуальність розробки і дослідження локально попередньо напружених сталезалізобетонних нерозрізних балочних конструкцій.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана в рамках тематичного плану МОН України, тема: “Локальне попереднє напруження сталезалізобетонних і залізобетонних конструкцій” (номер держреєстрації 0106U012651). Особистий внесок дисертанта: розробка і впровадження сталезалізобетонних локально попередньо напружених балок, що забезпечують зниження металоємності, перекриття прольотів збільшеної довжини; створення методики їх розрахунку з урахуванням фізичної нелінійності, деформованої схеми і історії навантаження.

Мета роботи – розробка, дослідження і впровадження ефективних сталезалізобетонних нерозрізних багатопрольотних локально попередньо напружених балок, що забезпечують зниження металоємності, перекриття прольотів збільшеної довжини, а також створення методики їх розрахунку з урахуванням перерозподілу зусиль і історії навантаження.

Задачі даного дослідження:

1. Запропонувати принципи підвищення ефективності, зниження металоємності сталезалізобетонних статично невизначених балок їх локальним попереднім напруженням шпренгельним підкріпленням з арматури підвищеної міцності класу А500С.

2. Експериментально дослідити закономірність роботи локально попередньо напружених сталезалізобетонних елементів, що згинаються, із залізобетонною полицею в розтягнутій зоні, оцінити вплив локального обтиснення на їх несучу здатність і тріщиностійкість залізобетонної полиці.

3. Розробити протизсувні анкери, які підвищують ступінь сумісності роботи залізобетонної плити і сталевої балки, відповідну методику їх розрахунку.

4. Експериментально дослідити закономірності деформування і руйнування запропонованих нерозрізних сталезалізобетонних балок з локальним обтисненням на опорах, в прольотах, на опорах і в прольотах одночасно, оцінити їх ефективність.

5. Розробити методику розрахунку несучої здатності нерозрізних сталезалізобетонних балок з урахуванням спрямованого перерозподілу зусиль і історії навантаження.

6. Впровадити результати даної дисертаційної роботи.

Об'єкт дослідження - сталезалізобетонні нерозрізні локально попередньо напружені балки.

Предмет дослідження - підвищення ефективності сталезалізобетонних статично невизначених балок локальним попереднім напруженням зовнішньою арматурою підвищеної міцності, що виконує роль шпренгельного підкріплення.

Методи дослідження - поєднання розробки методики розрахунку на основі використання теорії граничної рівноваги, нелінійної деформаційної розрахункової моделі з лабораторними і натурними експериментами.

Наукову новизну результатів даної дисертаційної роботи складають:

- запропоновані принципи підвищення ефективності нерозрізних сталезалізобетонних балок їх локальним попереднім напруженням зовнішньою арматурою підвищеної міцності класу А500С;

- результати експериментальних досліджень впливу рівня локального попереднього обтиснення на роботу сталезалізобетонних елементів, що згинаються, із залізобетонною полицею в розтягнутій зоні на їх несучу здатність і тріщиностійкість залізобетонної полиці;

- принципи спрямованого формирування перерозподілу зусиль у сталезалізобетонних локально попередньо напружених нерозрізних балках шляхом утворення обмеженого шарніра пластичності;

- розроблений апарат розрахунку несучої здатності нерозрізних сталезалізобетонних локально попередньо напружених балок з урахуванням спрямованого перерозподілу зусиль і історії навантаження;

- виявлені в експериментах закономірності роботи і руйнування локально попередньо напружених нерозрізних сталезалізобетонних балок при короткочасному статичному навантаженні;

- використання в розроблених методиках розрахунку поєднання метода граничної рівноваги і нелінійної деформаційної розрахункової моделі;

- принцип підвищення ступеню сумісності роботи залізобетонної плити і сталевої балки за допомогою протизсувних анкерів запропонованої конструкції і відповідна методика розрахунку.

Практичне значення роботи полягає в тому, що розроблені принципи конструювання і розрахунку забезпечують можливість створення нерозрізних сталезалізобетонних балочних конструкцій знижених металоємності і енерговитратності, зведення перекриттів без використання великогабаритних підйомних механізмів; розробки методів підсилення сталезалізобетонних конструкцій, що експлуатуються.

Результати даного дослідження впроваджені при реконструкції трьохпрольотного Рогатинського моста і заміні перекриття в житловій будівлі в м. Харкові.

Особистий внесок дисертанта:

- запропоновані і теоретично обґрунтовані принципи підвищення несучої здатності сталезалізобетонних нерозрізних балок локальним попереднім напруженням стержневою зовнішньою арматурою підвищеної міцності класу А500С;

- проведені експериментальні дослідження сталезалізобетонних локально попередньо напружених елементів із залізобетонною полицею в розтягнутій зоні;

- проведені експериментальні дослідження нерозрізних сталезалізобетонних балок з локальним обтисненням на опорах, на опорах і в прольотах;

- розроблена методика розрахунку сталезалізобетонних нерозрізних балок з локальним обтисненням на опорах, в прольотах і на опорах;

- запропонована ефективна конструкція протизсувних анкерів і методика їх розрахунку;

- участь у впровадженні результатів роботи.

Апробація роботи. Основні положення дисертації, результати теоретичних і експериментальних досліджень, виконаних розробок, впровадження доповідались на 58-й (2003 р.) і 59-й (2004 р.) науково-технічних конференціях Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури, Міжнародних конференціях “Раціональні енергозберігаючі конструкції, будівлі і споруди в будівництві і комунальному господарстві” (Бєлгород, 2002 р.), “Ресурс і безпека експлуатації конструкцій, будівель і споруд” (Харків, 2003 р.), “Ресурс і безпека експлуатації конструкцій, будівель і споруд” (Харків, 2005 р.), на міжнародному науково-практичному семінарі “Методи підвищення ресурсу міської інженерної інфраструктури” (Харків, 2006 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 робіт, з них 10 у виданнях, рекомендованих ВАК України.

Обсяг і структура дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел з 172 найменувань. Загальний обсяг складає 171 сторінку, в тому числі 147 сторінок основного машинописного тексту, 92 рисунка, 3 таблиці.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність проведення теоретичних і експериментальних досліджень, розробок по створенню ефективних сталезалізобетонних нерозрізних локально попередньо напружених балок для перекриття прольотів збільшеної довжини; визначені мета, задачі роботи, її наукова новизна і практичне значення, наведені дані про апробацію і публікацію матеріалів дисертації.

У першому розділі представлений аналіз різних типів сталезалізобетонних конструкцій, що застосовуються в прольотних спорудах мостів, перекриттях будівель і споруд. Останніми роками вони стали широко використовуватися в реконструкції для заміни або підсилення перекриттів. Дослідженню сталезалізобетонних і сталебетонних конструкцій, розробці методів їх розрахунку присвячені роботи Аметова Ю.Г., Белені Є.І., Голоднова К.О., Ізбаша М.Ю., Кліменка Ф.Є., Стрелецького М.М., Стрелецького М.С., Стороженка Л.І., Сурдина В.М., Чихладзе Е.Д., Шагіна О.Л. та ін.

З метою зменшення висоти перерізів, підвищення жорсткості і несучої здатності сталезалізобетонних елементів, що згинаються, Ізбашем М.Ю. і Шагіним О.Л. було запропоновано застосування локального попереднього напруження додатковою арматурою підвищеної міцності. Його ефективність підтверджена практикою застосування в однопрольотних сталезалізобетонних балках.

Існує багато способів попереднього напруження. Спосіб локального обтиснення менш енергоємний, він дозволяє спрямовано формирувати стан в зонах дії максимальних зусиль вручну за допомогою ручних гвинтових домкратів, без витрат електроенергії.

Вказане і зумовлює перспективність застосування локального обтиснення нерозрізних сталезалізобетонних балок, що проектуються, і тих, що підсилюються.

При цьому виникає необхідність розробки методики їх розрахунку з урахуванням перерозподілу згинаючих моментів, використання нелінійної деформаційної розрахункової моделі.

Виконаний аналіз стану питання дозволив сформулювати задачі даної роботи.

У другому розділі наведені методика і результати проведених експериментальних досліджень по встановленню доцільності локального обтиснення сталезалізобетонних балок із залізобетонною полицею в розтягнутій зоні, закономірностей їх деформування і руйнування. Описана методика розрахунку протизсувних анкерів розробленої конструкції, що забезпечують спільну роботу залізобетонної плити і сталевої балки.

Додаткова ефективність запропонованих анкерів досягається використанням роботи бетону залізобетонної плити на зминання.

Випробовувалися три типи балок: балка Б-1 без попереднього напруження, БН-1 з напруженням в арматурних стержнях sp1 =70 МПа при стрілці відтягування ¦? мм, балка БН-2 з sp2 = 210 МПа і ?¦ =? 40 мм. Вказане дозволяло встановити за результатами випробувань ступінь впливу локального обтиснення на тріщиностійкість розтягнутої залізобетонної полиці, несучу здатність, жорсткість сталезалізобетонних елементів, що згинаються, із залізобетонною полицею в розтягнутій зоні.

Кожна сталезалізобетонна балка складалася із сталевого двутавра № 16 і залізобетонної полиці завтовшки 60 мм, шириною 250 мм. Зв'язок між сталевим двутавром і залізобетонною полицею забезпечувався за допомогою протизсувних анкерів запропонованої конструкції, приварених до полиці двутавра. Довжина кожної балки складала l = 2500 мм.

Попереднє напруження створювалося двома стержнями 16 мм класу А500С, привареними до зовнішньої грані полиці двутавра.

Випробування проводилися по схемі однопрольотної балки, завантаженої силою в середині довжини прольоту, в спеціально сформированому стенді (рис. 1). Навантаження створювалося гідравлічним домкратом ДГ-25, що живиться від насосної станції ПНСР-400. Загальний вид випробувань і розстановка вимірювальних приладів показані на рис. 1, де видно, що залізобетонна полиця знаходиться в розтягнутій зоні.

У результаті проведених експериментів було встановлено, що локальне попереднє напруження додатковою арматурою здатне суттєво впливати на несучу здатність сталезалізобетонного елементу, що згинається, з залізобетонною полицею в розтягнутій зоні. Величина руйнуючого навантаження сталезалізобетонної балки без попереднього обтиснення становила Fu0 = 70 кН, у локально попередньо напружених балках БН-1 відповідно Fu1 = 90 кН, у БН-2 - Fu2 = 95 кН. Таким чином, несуча здатність була підвищена на 35%.

Рис. 1. Загальний вигляд випробування сталезалізобетонної балки

із залізобетонною полицею в розтягнутій зоні

Величина навантаження тріщиноутворення сталезалізобетонної балки без попереднього напруження склала Fcrc1 = 8 кН, у локально попередньо напружених балках БН-1 і БН-2 відповідно Fcrc2 = 10 кН і Fcrc3=  кН. Навантаження тріщиноутворення у балці БН-2 в 2,0 рази більше, ніж у Б-1. Таким чином, локальне обтиснення може вплинути на роботу опорної зони нерозрізних сталезалізобетонних балок. Саме ці результати проведених експериментальних досліджень відкривають можливість підвищення ефективності сталезалізобетонних нерозрізних багатопрольотних балок у цілому.

Особливість роботи нерозрізних балок полягає в тому, що, наприклад, при дії рівномірно розподіленого навантаження значення негативних згинаючих моментів на проміжних опорах може значно перевершувати по абсолютній величині позитивні згинаючі моменти в прольотах.

У той же час несуча здатність опорних перерізів сталезалізобетонних балок суттєво менша, ніж прольотних, тому що залізобетонна полиця опиняється в розтягнутій зоні, в ній з'являються тріщини, тобто виключається з роботи. Тому міцність опорних зон пропонується збільшувати шляхом здійснення їх локального попереднього напруження відтягуванням привареної додаткової арматури підвищеної міцності класу А500С (рис. 2).

З метою підвищення ефективності опору зсуву в роботі пропонується протизсувний анкер з додатковою ділянкою, що сприймає зсув за рахунок роботи бетону на зминання. Розроблена методика розрахунку анкера.

Рис. 2 Відтягування напруженої арматури з контролем

деформацій тензометрами

У роботі пропонуються різні схеми розташування ділянок, на яких здійснене локальне попереднє напруження.

Перша схема передбачає локальне обтиснення тільки опорних ділянок нерозрізних сталезалізобетонних балок (рис.2), яке провадиться до улаштування залізобетонної плити. Завдяки зазначеній послідовності рівень попереднього обтиснення майбутньої розтягнутої опорної зони може бути досить високим, тому що воно сприймається тільки сталевою балкою.

Відповідно до другої схеми здійснюється локальне обтиснення майбутньої опорної зони на рівні верхньої полиці сталевої балки, потім провадиться локальне обтиснення в серединах довжин прольотів нерозрізної балки, яка у даному випадку виявляється локально попередньо напруженою як на проміжних опорах, так і в прольотах.

Можлива схема, відповідно до якої локальне обтиснення провадиться тільки в прольотах нерозрізних сталезалізобетонних балок, а опорні зони залишаються без обтиснення. Зазначене може мати місце при підсиленні нерозрізних балок, що знаходяться в експлуатації. У більшості випадків здійснити обтиснення в опорній зоні надзвичайно утруднено. Локальне обтиснення в прольотах зменшує величини опорних моментів, що еквівалентно підсиленню опорних зон.

Третій розділ присвячений експериментальним дослідженням, мета яких полягала у встановленні закономірностей деформування і вичерпання несучої здатності двохпрольотних локально попередньо напружених сталезалізобетонних балок, оцінці ефективності їх локального обтиснення.

Випробовувалися три серії балок, по дві в кожній серії. Першу серію представляли двохпрольотні сталезалізобетонні балки БД-1.1 і БД-1.2 без попереднього напруження; другу - балки БНД-1.1 і БНД-1.2, локально обжаті над проміжною опорою; третю - балки БНД-2.1 і БНД-2.2 з локальним попереднім напруженням на опорі і в прольотах.

Кожна сталезалізобетонна балка складалася із сталевого двутавра № 14 і залізобетонної полиці завтовшки 60 мм, шириною 250 мм. Зв'язок між сталевим двутавром і залізобетонною полицею забезпечувався за допомогою протизсувних анкерів запропонованої конструкції, приварених до верхньої полиці двутавра з кроком S = 120 мм по всій довжині балки. Конструкції зразків балок для випробувань представлені на рис. 3.

Попереднє напруження в опорній частині балок створювалося двома стержнями 12 мм класу А500С, привареними до верхньої грані верхньої полиці двутавра через проміжні пластини.

Рис. 3. Конструкції зразків балок для випробувань

Попереднє напруження в прольотах балок створювалося двома стержнями 10 мм класу А500С. Ці стержні приварювалися до стінки двутавра з двох сторін в кожному прольоті.

Локальне попереднє напруження в майбутній середній опорній зоні створювалося до бетонування, в прольотах - після бетонування залізобетонної полиці. Відтягування напруженої арматури виконувалося за допомогою спеціальних ручних гвинтових домкратів (рис. 2). Деформації вимірювалися за допомогою закріплених до арматури тензометрів з ціною поділки 0,001 мм, базою 20 мм (рис. 2).

Після досягнення заданих величин деформацій в арматурі і стрілок відтягування в серединах довжин напруженої арматури між нею і полицею двутавра встановлювався сталевий упор, після чого домкрат забирався.

Випробування проводилися на стенді (рис. 4).

Рис. 4. Загальний вигляд випробування двохпрольотної

сталезалізобетонної балки

Основні результати випробувань нерозрізних двохпрольотних стале залізобетонних балок наведені у таблиці 1.

Як видно з таблиці 1, навантаження тріщиноутворення в балці БНД-1 по відношенню до балки БД-1 збільшилося в 3,5 рази, руйнуюче навантаження відповідно на 25%.

Таблиця 1

Результати випробувань балок

Марка
зразка | Схема
обтиснення | Руйнуюче

навантаження Fu, кН | Навантаження

тріщиноутворення Fcrc, кН

БД-1 | без обтиску | 345 | 40

БНД-1 | на опорі | 432 | 180

БНД-2 | на опорі

і в прольотах | 450 | 200

Характер роботи балок показаний на рис. 5, рис. 6, рис. 7, рис. 8.

У балок БНД-2 значення навантаження тріщиноутворення збільшилось у порівнянні з балкою без локального обтиснення БД-1 у 5 разів, значення руйнуючого навантаження збільшилось на 30%. Таким чином, швидкість зростання ефекту локального обтиснення знизилась, що робить доцільним здійснювати обтиснення тільки на проміжних опорах. Вказане веде до зниження матеріальних, фінансових та енергетичних витрат.

Рис. 5. Зростання прогинів в середині прольотів балок, що викликаються їх
навантаженням |

Рис. 6. Зростання деформацій

ненапруженої арматури

залізобетонної полиці

під навантаженням

Рис.7. Зростання деформацій
попередньо напруженої
надопорної арматури

під навантаженням |

Рис.8. Зростання деформацій
нижньої грані прольотної частини
сталевої балки під навантаженням

У випробуваннях всіх зразків зафіксовано, що при утворенні лещадок в стислій зоні бетону в прольотах напруження в арматурі, сталевій балці і напружених стержнях досягали межі текучості.

Даний результат надзвичайно важливий для побудови методики розрахунку нерозрізних конструкцій, які розглядаються в даній роботі.

Четвертий розділ присвячений розробці методики розрахунку несучої здатності нерозрізних сталезалізобетонних локально попередньо напружених балок з урахуванням перерозподілу зусиль і історії навантаження. Формування характеру перерозподілу зусиль в нерозрізних сталезалізобетонних балках базується на виконанні умови утворення на проміжних опорах обмеженого шарніра пластичності, який в той же час забезпечує нормальну експлуатаційну придатність конструкції.

Оскільки в експериментах була зафіксована одночасність наступу граничних станів в елементах конструкції, представляється можливим будувати методику її розрахунку на основі використання методу граничної рівноваги і нелінійної розрахункової деформаційної моделі.

Пропонується використовувати схему розподілу зусиль, згідно якої шарніри пластичності утворюються одночасно в серединах прольотів сталезалізобетонної балки, де виникає граничний згинаючий прольотний момент , і на опорах в сталевих частинах сталезалізобетонної балки, тому що внаслідок утворення тріщин на опорі бетон виключається з роботи.

Щоб запобігти появі надмірних пластичних деформацій, пропонується здійснювати локальне попереднє напруження опорних ділянок, що створює згинаючий момент Мsp, зворотний по знаку опорному моменту.

Оскільки міцність прольотного перерізу значно більше міцності опорного перерізу, рівномоментну схему, як в нерозрізних залізобетонних балках, реалізувати важко.

Тому опорний згинаючий момент з урахуванням дії моменту, що викликається локальним обтисненням, приймається у вигляді

(1)

Згинаючий момент і відповідно сила обтиснення визначаються послідовними наближеннями, виходячи з умови утворення пластичного шарніра, що не викликає надмірних деформацій.

Даний тип шарніра і умова його утворення використовується в розрахунках відповідних металевих конструкцій. Оскільки на проміжній опорі залізобетонна полиця, розташована в розтягнутій зоні і при виникненні тріщини виключається з роботи, умова утворення обмеженого пластичного шарніра на проміжних опорах може бути прийнята такою ж, як і для сталевих балок. Таким чином, обмежений пластичний шарнір одночасно забезпечує нормальну експлуатацію сталезалізобетонних локально попередньо напружених на проміжних опорах нерозрізних балок і перерозподіл згинаючих моментів в них, що призводить до збільшення несучої здатності.

Умова граничної рівноваги для перетину в середині довжини прольоту дає співвідношення, що дозволяє визначити величину руйнуючого, наприклад, рівномірно розподіленого навантаження для нерозрізної багатопрольотної шарнірно опертої сталезалізобетонної локально обтиснутої на проміжних опорах балки

, (2)

де – підібраний послідовними наближеннями одночасно з згинаючий момент, що викликається локальним попереднім напруженням на опорах; –

граничний згинаючий момент в перерізі в прольоті, де відсутнє локальне обтиснення.

Критерієм підбору значень і є задовольняння умови утворення обмеженого пластичного шарніру.

Із залежності (2) видно, що ступінь перерозподілу зусиль в сталезалізобетонних локально обтиснених нерозрізних балках менше, ніж в аналогічних залізобетонних, внаслідок обмеженості шарніра пластичності.

Визначення величини граничного (руйнуючого) згинаючого прольотного моменту проводиться з використанням нелінійної деформаційної розрахункової моделі.

Особливість розробленої методики розрахунку полягає в урахуванні двостадійності роботи сталезалізобетонних балок, обумовленої тим, що навантаження від власної ваги свіжеукладеного бетону і сталевої балки на стадії I сприймається однією сталевою балкою і деформації в ній від даного сумарного навантаження будуть більшими, ніж аналогічні були б у складі сталезалізобетонної конструкції, коли бетон вже набрав міцність.

Локальне попереднє обтиснення опорної зони здійснюється до монтажу сталевої балки, тобто в ненавантаженому стані.

У бетоні і внутрішній арматурі залізобетонної плити початкове напруження для стадії ІІ дорівнює нулю.

П'ятий розділ присвячений визначенню областей і перспектив раціонального застосування розроблених локально попередньо напружених сталезалізобетонних нерозрізних балок в будівництві і реконструкції.

Результати даної роботи впроваджені при заміні перекриття в житловому будинку та реконструкції трьохпрольотного сталезалізобетонного Рогатинського моста через р. Лопань у м. Харкові.

Довжина середнього прольоту моста складала 15,6 м, крайні прольоти мали довжину по 13,1 м кожний.

Товщина залізобетонної плити складала 170 мм.

Підсилення кожної балки здійснювалось локальним обтисненням за допомогою відтягування приварених до неї 6 стержнів 32 мм.

Відтягування виконувалось двома гвинтовими домкратами. Сумарне зусилля натягнення 110 т.

Локальне попереднє напруження (рис.9) здійснювалось без зупинки руху по мосту.

Рис.9 Відтягування напруженої арматури ручними гвинтовими

домкратами з контролем деформацій тензометрами

Виконані роботи підтвердили технологічність і ефективність розроблених конструкцій.

Висновки

1. Розроблено ефективний тип несучих конструкцій – сталезалізобетонні нерозрізні багатопрольотні локально попередньо напружені балки, підвищені несуча здатність і жорсткість яких досягаються обтисненням додатковою зовнішньою арматурою класу А500С не по всій довжині конструкції, а лише в зоні дії максимальних згинаючих моментів в прольотах і на опорах.

2. Сила поперечного відтягування стержнів на порядок менше створюємого нею зусилля обтиснення, внаслідок чого відтягування на опорах і в прольотах може здійснюватися ручними гвинтовими домкратами, тобто без використання електроенергії.

Як показав досвід впровадження способу, створюване поперечним відтягуванням вручну подовжнє зусилля обтиснення може досягати 100 т і більше.

3. Розроблена методика розрахунку протизсувного анкера запропонованої конструкції.

4. У проведених експериментальних дослідженнях двопрольотних локально попередньо напружених балок встановлені закономірності їх деформування і руйнування залежно від схем попереднього обтиснення. Локальне обтиснення лише середньої надопорної зони призвело до збільшення значення руйнуючого навантаження на 25%, при локальному обтисненні над опорою і в прольотах на 30%, тобто швидкість зростання ефекту знижується. Тому в більшості випадків раціонально обмежуватися локальним обтисненням сталезалізобетонних нерозрізних балок лише в зонах проміжних опор.

5. Розроблена інженерна методика розрахунку несучої здатності нерозрізних сталезалізобетонних локально попередньо напружених балок з урахуванням фізичної, геометричної нелінійності і історії навантаження. В основу методики покладено поєднання методу граничної рівноваги і нелінійної розрахункової деформаційної моделі.

6. Реалізація результатів даної роботи на об'єктах м. Харкова підтвердила технологічність і ефективність розробленого способа підвищення несучої здатності сталезалізобетонних нерозрізних балок.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Избаш М.Ю., Асанов В.В., Шемет Р.Н. Технологическое и локальное предварительное напряжение сталежелезобетонных изгибаемых элементов // Рациональные энергосберегающие конструкции, здания и сооружения в строительстве и коммунальном хозяйстве. - Сб.научн.тр. Часть. 1.-Белгород, 2002.-С.107-111.

Особистий внесок – розробка технологічних принципів раціонального обтиснення сталезалізобетонних елементів, що згинаються.

2. Шагин А.Л., Избаш М.Ю., Шемет Р.Н. Оценка несущей способности локально предварительно напряженных сталежелезобетонных изгибаемых элементов // Коммунальное хозяйство городов. - Вып.43.-Харьков: “Техніка” 2002.-С. 52-55.

Особистий внесок: - розробка алгоритму розрахунку міцності локально обтиснених сталезалізобетонних елементів, що згинаються, на основі використання методу граничної рівноваги і нелінійної деформаційної моделі.

3. Шагин А.Л., Избаш М.Ю., Шемет Р.Н. Сталежелезобетонные локально обжатые статически неопределимые конструкции с надопорными участками без зацепления // Науковий вісник будівництва. - Вип. 21.-Харків: ХДТУБА ХОТВ АБУ, 2003.-С.39-43.

Особистий внесок: аналіз роботи балок при статичному навантаженні.

4. Шагин А.Л., Избаш М.Ю., Асанов В.В., Шемет Р.Н. Особенности предварительного напряжения сталежелезобетонных конструкций // Будівельні конструкції.-К.: НДІБК, 2003.-Вип. 59.-С.565-570..

Особистий внесок: оцінка формирування напруженого стану в сталезалізобетонному елементі, що згинається, при обтисненні та навантаженні.

5. Шемет Р.Н. Двухпролетные сталежелезобетонные конструкции // Науковий вісник будівництва.-Вип. 23.-Харків: ХДТУБА ХОТВ АБУ, 2003.-С.128-131

6. Шагин А.Л., Избаш М.Ю., Шемет Р.Н. Реконструкция трехпролетного Рогатинского моста в г. Харькове // Науковий вісник будівництва.-Вип. 28.-Харків: ХДТУБА ХОТВ АБУ, 2004.-С.166-172.

Особистий внесок: визначення необхідних параметрів натягу, натурні дослідження деформацій конструкцій моста

7. Шагин А.Л., Избаш М.Ю., Шемет Р.Н., Богданов А.Н. Несущая способность локально предварительно напряженных изгибаемых элементов // Науковий вісник будівництва. - Вип. 32.-Харків: ХДТУБА ХОТВ АБУ, 2005.-С.49-61.
Особистий внесок: розробка методики розрахунку несучої здатності локально попередньо напружених сталезалізобетонних балок з використанням нелінійної деформаційної розрахункової моделі.

8. Шагин А.Л., Избаш М.Ю., Шемет Р.Н. Повышение несущей способности сталежелезобетонных балочных конструкций // Науковий вісник будівництва. - Вип. 33.-Харків: ХДТУБА ХОТВ АБУ, 2005.-С.85-90.

Особистий внесок: запропоновані конструктивно-технологічні рішення по підвищенню ефективності сталезалізобетонних нерозрізних балок.

9. Шагин А.Л., Избаш М.Ю., Шемет Р.Н. Экспериментальная оценка эффективности локального предварительного напряжения неразрезных сталежелезобетонных балок // Науковий вісник будівництва. - Вип. 35.-Харків: ХДТУБА ХОТВ АБУ, 2006.-С.106-114.

Особистий внесок: встановлення у випробуваннях закономірностей роботи двопрольотних локально попередньо напружених сталезалізобетонних балок.

10. Избаш М.Ю., Шемет Р.Н. Особенности работы сталежелезобетонных балок с железобетонной полкой в растянутой зоне// Науковий вісник будівництва. - Вип. 37.-Харків: ХДТУБА ХОТВ АБУ, 2006.-С.49-52.

Особистий внесок:експериментальна оцінка ефективності локального обтиснення сталезалізобетонних балок із залізобетонною полицею в розтягнутій зоні.

11. Шагин А.Л., Избаш М.Ю., Шемет Р.Н. Оценка несущей способности двухпролетных сталежелезобетонных локально предварительно напряженных балок // Науковий вісник будівництва. - Вип. 38.-Харків: ХДТУБА ХОТВ АБУ, 2006.-С.81-89.

Особистий внесок: побудова алгоритму розрахунку несучої здатності двопрольотних сталезалізобетонних локально попередньо напружених балок.

Анотація

Шемет Р.Н. Сталезалізобетонні нерозрізні локально попередньо напружені балки. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди. – Українська державна академія залізничного транспорту, Харків, 2007.

Дисертація присвячена нерозрізним сталезалізобетонним балкам, підвищена ефективність яких досягається за допомогою локального попереднього обтиснення в зонах дії максимальних згинальних моментів тільки на опорах, тільки у прольотах, на опорах і в прольотах одночасно.

Проведені експериментальні дослідження нерозрізних сталезалізобетонних балок показали, що локальне обтиснення підвищує їх несучу здатність на 25…30%, запропоновані протизсувні анкери надійно забезпечують сумісність роботи залізобетонної полиці і сталевої балки.

Розроблена методика розрахунку несучої здатності нерозрізних сталезалізобетонних локально попередньо напружених балок дозволяє враховувати фізичну нелінійність і історію навантаження. В основу методики покладено поєднання методу граничної рівноваги і нелінійної розрахункової деформаційної моделі. При цьому враховується не тільки фізична, але і геометрична нелінійність.

Результати роботи впроваджені при реконструкції трьохпрольотного Рогатинського моста та заміні перекриття у житловому будинку в м. Харкові.

Ключові слова: сталезалізобетонна нерозрізна балка, локальне попереднє напруження, гранична рівновага, несуча здатність, тріщиностійкість, історія навантаження.

АННОТАЦИЯ

Шемет Р.Н. Сталежелезобетонные неразрезные локально предварительно напряженные балки. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – строительные конструкции, здания и сооружения. – Украинская государственная академия железнодорожного транспорта, Харьков, 2007.

Диссертация посвящена неразрезным многопролетным сталежелезобетонным балкам, повышенная эффективность которых достигается локальным предварительным обжатием в зонах действия максимальных изгибающих моментов только на опорах, только в пролетах, на опорах и в пролетах одновременно.

Особенностью работы статически неопределимых неразрезных многопролетных балок является то, что величины изгибающих моментов, возникающих на промежуточных опорах, значительно больше тех, которые возникают в пролетах. В то же время прочность опорных сечений, где железобетонная полка находится в растянутой зоне и после образования трещин практически выключается из работы, существенно меньше, чем пролетных. На промежуточных опорах сечения сталежелезобетонных балок трансформируются в стальные. Повышения прочности сечений на промежуточных опорах предлагается достигать локальным обжатием дополнительной арматурой повышенной прочности класса А500С, что ведет к снижению металлоемкости сталежелезобетонной конструкции.

Для оценки эффективности локального обжатия дополнительной арматурой класса А500С сталежелезобетонных однопролетных балок с железобетонной полкой в растянутой зоне были проведены эксперименты, которые выявили в данном конкретном случае повышение несущей способности на 35%, трещиностойкости – в 2 раза.

Данные результаты показали возможность повышения несущей способности неразрезных сталежелезобетонных балок. При этом предложены различные схемы расположения обжатых зон: только на промежуточных опорах; одновременно на промежуточных опорах и в пролетах; только в пролетах.

В проведенных экспериментах сопоставлялись сталежелезобетонные двухпролетные балки с обжатием на средней опоре, на опоре и в пролетах, без локального обжатия.

Обеспечение совместности работы железобетонной полки и стальной балки достигалось с помощью противосдвиговых анкеров, конструкция и методика расчета которых предложена в настоящей работе.

Локальное обжатие только на средних опорах повысило несущую способность балок на 25% по сравнению с балкой без обжатия, нагрузку трещинообразования в 4,5 раз. У балок, обжатых на опоре и в пролетах – соответственно на 30% и в 5 раз. Поэтому целесообразно ограничиваться обжатием только на опорах, что ведет к снижению материальные и энергетические затраты.

Экспериментально установлено, что в момент разрушения бетона сжатой зоны напряжения в арматурах и стальной балке достигают предела текучести. Указанная одновременность позволила построить методику расчета на основе использования метода предельного равновесия с привлечением нелинейной деформационной расчетной модели.

При этом предложено формировать характер перераспределения усилий между опорными и пролетными зонами с помощью локального обжатия. Подбор обжатия производится из условия образования на опорах ограниченных шарниров пластичности, обеспечивающих как нормальную эксплуатацию конструкции, так и перераспределение усилия.

Результаты настоящей работы внедрены при замене перекрытий в жилом доме и реконструкции трехпролетного Рогатинского моста через р. Лопань в г. Харькове.

Длина среднего пролета моста 15,6 м, крайние пролеты имели длину по 13,1 м каждый. Толщина железобетонной плиты составляла 170 мм.

Усиление каждой балки производилось локальным обжатием в пролетах путем оттягивания приваренных к ней 6 стержней d = 32 мм. Оттягивание производилось двумя винтовыми домкратами. Суммарное усилие натяжения 110 тонн.

Внедрение результатов настоящей работы подтвердило эффективность и технологичность локального обжатия многопролетных сталежелезобетонных балок.

Ключевые слова: сталежелезобетонная неразрезная балка, локальное предварительное напряжение, предельное равновесие, несущая способность, трещиностойкость, история нагружения.

abstract

Shemet R.N. Steelferroconcrete continuous locally prestressed beams. Manuscript.

The thesis for getting the candidate degree of engineering sciences in speciality 05.23.01 – building constructions, buildings and structures. – Ukrainian State Academy of Railway Transport Kharkov, 2007.

The thesis is devoted to the continuous multispan steelferroconcrete high efficiency of which is achieved by pusqueezinq in the areas of the qreatest bendinq moments, by squeezing only on the supports, only in the spans, on the supports and in the spans simultaneously.

The conducted experimental researches of the continuous stulferroconcrete beams showed that local squeezing increases their bearing capacity on 25…30%/ The proposed antidisplsced anchors ensured the joint work of the ferroconcrete shelf of the steel beam.

The engineering calculation method of the bearing capacity of the continuous stulferroconcrete locally pustressed beams accounting physical, geometric non-linearity and history of loading was developed. The combination of the limited equilibrium method and nonlinear calculation deformation model is the basis of this method.

The results of this work are implemented into reconstruction of the three-span Rogatinsky bridge and changing the floor in a dwelling house in the city Kharkov.

Keywords: stulferroconcrete continuous beam, local pustressing, limited equilibrium, bearing capacity, crackresistance, history of loading.

Підписано до друку 6.03.2007 р. Формат 60х90 1/16

Папір для лазерних принтерів.

Ум.-друк. л. 0,9.

Замовлення № 1245 . Тираж 100 прим. Безкоштовно.

Ризограф ХДТУБА,

61002, м. Харків, вул. Сумська, 40, тел.7-000-240