К определению расчетного сопротивления сжатию продольной арматуры трубобетонных колонн

Одним из направлений инновационных разработок кафедры проектирования зданий и строительных конструкций является усовершенствование конструкции и методов расчета трубобетонных колонн (ТБК). Данные вертикальные несущие конструкции высокопрочны, экономичны и безопасны в эксплуатации. Такие элементы могут с успехом использоваться в специальном, промышленном, гражданском строительстве, в машиностроении, в мостостроении и других областях строительства [1]. Сравнительно небольшая площадь поперечного сечения трубобетонных стоек делает эти конструкции привлекательными для возведения многоэтажных высотных зданий.

Ввиду существенных преимуществ [2, 3] трубобетонные элементы представляют собой достаточно перспективную конструкцию. С другой стороны, эта конструкция нуждается в дальнейшем всестороннем экспериментально-теоретическом исследовании и совершенствовании.

Процесс совершенствования трубобетонных конструкций осуществляется по трем направлениям:

– замена традиционного бетона на материалы, обладающие лучшими характеристиками для данных условий применения (серобетон и др.), или достижение высоких показателей за счет введения в бетонную смесь высокопрочных мелкодисперсных частиц (сталефибробетон и др.);

– дальнейшее развитие способов предварительного обжатия бетонной смеси и предваритель- ного напряжения стальной оболочки трубобетонного элемента в поперечном направлении;

– достижение более высоких показателей несущей способности ТБК за счет конструктивных изменений.

Одним из методов повышения несущей способности трубобетонных конструкций является армирование бетонного ядра элемента стержнями в продольном направлении.

В лаборатории кафедры проектирования зданий и строительных конструкций ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова» были выполнены экспериментальные исследования 13 серий образцов трубобетонных колонн со стержневым армированием бетонного ядра по 4 образца в каждой. Образцы испытывались на осевое кратковременное сжатие с целью изучения их напряженно-деформированного состояния и прочностных характеристик. Диаметр сечения ТБК составлял 159 мм, толщина трубчатой оболочки – 6 и 3 мм. Причем в качестве продольной арматуры использовалась высокопрочная проволока ∅ 5 В1400 – 8 или 4 стержней или арматура класса А800 – 4 стержня. Обжатие бетонного ядра осуществлялось либо механическим способом, либо за счет использования напрягающего бетона (НБ). Для получения напрягающего бетона использовался расширяющийся цемент Macflow.

Предварительный анализ [4, 5] показал, что бетон, заключенный в обойму, может иметь де-

Теория расчета строительных конструкций

формации, в 3–5 и более раз превышающие укорочения бетонных призм без обойм. Вследствие этого, в элементах, имеющих обойму в виде трубы, можно эффективно использовать высокопрочную арматуру при ее работе на сжатие.

Полученные экспериментальные данные подтвердили это предположение. Основные результаты испытаний отражены в таблице и на графике (см. рисунок).

Разрушение армированных трубобетонных образцов носило пластический характер и сопровождалось образованием гофров в стальных трубах на их боковых поверхностях. В зонах образования гофров происходила потеря местной устойчивости стенок оболочки и раздробление бетонного ядра.

Экспериментальные исследования показали, что трубобетонные элементы с армированным ядром работают более эффективно, чем аналогичные образцы без арматуры (рост несущей способности составил (5–10 %); трубобетонные элементы с армированным обжатым ядром работают более эффективно, чем аналогичные образцы без обжатия (прирост несущей способности – 5–8 %); трубобетонные элементы с армированным бетонным ядром, выполненным из напрягающего бетона, работают более эффективно, чем аналогичные образцы, выполненные на основе обычного цемента (рост несущей способности – 7–9 %).

Повышение металлоемкости образца за счет увеличения стенки трубчатой оболочки или введения в бетонное ядро высокопрочной стержневой арматуры, а также предварительное обжатие бетонного ядра ТБК обеспечивают не только прирост несущей способности образца на сжатие, но и более низкие значения деформаций образца при одних и тех же нагрузках.

Использование высокопрочной арматуры при изготовлении трубобетонных элементов может привести к существенному повышению несущей способности колонн или использованию труб меньшего диаметра, что даст существенный экономический эффект и экономию материала. Но для этого нужна достаточно точная методика расчета несущей способности таких колонн, позволяющая учесть работу арматуры.

Принятый в нормах подход к назначению расчетного сопротивления сжатию высокопрочной арматуры не вполне соответствует современным данным о деформативности бетона. Это было доказано в [6–8]. Там же были предложены формулы по определению относительной деформации бетона б b 0 , %о при осевом сжатии:

б b 0 = 1,2 + 0,16 ^; (1)

б ь о = 1,2 + 0,19 ^. (2)

Для определения разрушающей нагрузки короткого центрально сжатого трубобетонного элемента использовалась формула

N = стрAP + Rb3A-ст „4, (3) u pz p su s где стsu - предельные напряжения в сжатой арматуре (стsu < стy , стy - предел текучести арматуры); Rb3 – прочность объемно-сжатого бетонного ядра; стpz - сжимающее напряжение осевого направления в стальной оболочке; A – площадь поперечного сечения бетона; Ap – площадь поперечного

Средние значения разрушающей нагрузки и относительных деформаций по сериям

Серия, образец	Кубиковая прочность, МПа	Разрушающая нагрузка, N т u , т	Относительные деформации образца, зафиксированные при максимальной нагрузке, ×10–5
НЦ.В1400.8.153.3-1	55,18	216,67	1100
ОЦ.В1400.8.153.3-1		235,83	1350
НЦ.В1400.8.159.6-1	52,14	298,33	1400
ОЦ.В1400.8.159.6-1		325,0	1700
ОЦ.В1400.4.159.6-2		291,67	1250
НЦ.А800.4.159.6-1	58,76	331,67	1180
ОЦ.А800.4.159.6-2		343,33	1400
НЦВТ.В1400.8.159.6-1	49,64	271,67	1300
ОЦВТ.В1400.8.159.6-2		288,33	1650
НЦНБ.В1400.8.159.6-1	54,92	290,0	1350
ОЦНБ.В1400.8.159.6-1		316,67	1750
НЦН.В1400.8.159.6-1	59,79	321,67	850
ОЦН.В1400.8.159.6-1		340,0	2000

Примечание. В маркировке серий приняты следующие условные обозначения: НЦ – цилиндрический образец с необжатым ядром; ОЦ – цилиндрический образец с обжатым ядром; НБ – напрягающий бетон на основе цемента Macflow; В1400 или А800 – класс стали арматуры; 8 или 4 – количество арматурных стержней в бетонном ядре; 159 или 153 – внешний диаметр стальной оболочки в мм; 3 или 6 – толщина оболочки в мм.

Относительные деформации, х10-5

Поперечные (толщина стенки оболочки - 3мм)

Поперечные (толщина стенки оболочки - 5мм)

Поперечные (толщина стенки оболочки - 3мм)

Продольные (толщина стенки оболочки - 5мм)

Относительные продольные и поперечные деформации необжатых трубобетонных образцов при кратковременном осевом сжатии сечения оболочки; As – площадь поперечного сечения арматуры.

В результате анализа было определено, что расчетное сопротивление арматуры сжатию следует определять по аналогии с расчетным сопротивлением на растяжение, согласно СП 63.13330.2012. В соответствии с трехлинейной диаграммой деформирования арматуры R_sc рассчитывается по формуле

R sc = (0,1 - s—s ¹- + 0,9) R s <  1,1 R s . (4) ^S s 0 ^-S s 1

Предлагаемые формулы учитывают влияние класса бетона и арматуры, процента армирования на величину расчетного сопротивления сжатию высокопрочной арматуры и позволяют более эффективно использовать ее прочностные свойства.