Анализ влияния изменения жесткости железобетона с жесткой арматурой

Экспериментальные исследования показали, что для железобетонных элементов с жесткой арматурой в процессе загружения среднее напряжение по сечению должно соответствовать гипотезе плоских сечений и средние деформации металлопрофиля и бетона должны быть одинаковы. Из «Технической инструкции по проектированию конструкций из железобетона с жесткой арматурой» (JGJ 138-2001) изгибную жесткость сечения можно принимать как сумму изгибной жесткости сечения железобетона и изгибной жесткости сечения профиля:

Под воздействием длительных нагрузок в сжатой зоне бетона возникают изменения напряженно-деформированного состояния из-за ползучести бетона. В результате жесткость сечения железобетонных элементов с профилями снижается. В «Технической инструкции по проектированию конструкций из железобетона с жесткой арматурой» (JGJ 138-2001) приведена формула расчета длительной жесткости:

С целью сохранения изгибной жесткости сечения в сжатую зону добавляют жесткую арматуру, компенсируя тем самым рост деформаций от длительных процессов в бетоне. В итоге, рекомендуется следующая формула расчета длительной жесткости железобетонных элементов с профилями:

Вычисленная по формуле жесткость сечения профиля нижней части фермы третьего этажа на оси А кратковременная изгибная жесткость составила B_s = 19,73-10¹⁴ Н-мм⁴. Она равна 0,78 упругой жесткости сечения профиля. Длительная изгибная жесткость сечения составляет В_l= 16,88-Ю¹⁴ Н-мм⁴, т.е. равна 0,67 упругой жесткости сечения. Уменьшение жесткости значительно меньше, чем для обычных железобетонных элементов. Поэтому железобетонные конструкции с жесткой арматурой при нормальной эксплуатации имеют малоизменяемую длительную жесткость. В результате этого при нормальных условиях эксплуатации, фермы с вертикальными стойками 3-го этажа по оси А под воздействием силы тяжести имеют длительный прогиб в середине пролета - 60 мм, кратковременный прогиб - 51,5 м, упругий прогиб - 40 мм. Из-за уменьшения жесткости конструкции под воздействием силы тяжести происходит увеличение деформаций на 30%.

Проектирование железобетонных многослойных решетчатых балок с вертикальными стойками

Выше уже описано, что железобетон с жесткой арматурой по сравнению с металлическими конструкциями имеет хорошую огнестойкость, долговечность, большую жесткость и другие достоинства, по сравнению с обычными железобетонными конструкциями. Но такие конструкции при проектировании узлов и технологии их устройства предъявляют новые требования к конструированию.

Анализ экспериментальных исследований показал, что при повторяющихся нагрузках в первую очередь возникают разрушения в сварных швах узлов между стальными балками и колоннами, что влияет на деформативность конструкций. На первом рисунке показан узел сопряжения между поясами и стойками решетчатой балки, а на втором рисунке - жесткий узел сопряжения с опорной плитой. Опорная плита с одной стороны усиливает соединение между стойками и поясами, с другой - сваривается непосредственно с арматурой стойки и балки, не касаясь профилей, а в ребрах прокатного профиля выполняют отверстия. Таким образом, обеспечивается монолитность элементов профиля.

Узел соединения по оси между поясами и стойками фермы и Жесткий узел соединения фермы с опорной плитой

1 - отверстие для хомута; 2 - усиленное ребро LB-2; 3 - кронштейн ZTB-2

1 - отверстие для хомута; 2 - усиленное ребро LB-1; 3 - кронштейн ZTB-1; 4 - болт

Решетчатые балки с вертикальными стойками рассматриваемого объекта опираются на бетонные угловые колонны с жесткой арматурой. Метод их сопряжения - жесткий. Для обеспечения совместной работы железобетонных угловых колонн с профилями и железобетонной стеной ствола вдоль внешнего ребра стены ствола устанавливают болты. Чтобы избежать резкого изменения нагруженности конструкции и обеспечить надежную анкеровку профилей, профили угловых колонн ствола в области решетчатых балок с вертикальными стойками продлевают вверху и внизу на один этаж.

На рисунке ниже показано, что на внешней стороне решетчатых балок с вертикальными стойками установили обыкновенные железобетонные неразрезные крайние балки. Решетчатые балки с вертикальными стойками перекрывают большой пролет, и под действием силы тяжести будут возникать большие вертикальные деформации. Если их соединить с обыкновенными железобетонными неразрезными крайними балками и консольными балками ствола, вертикальные деформации в пролете будут минимальны, но в консольных балках ствола и крайних балках будут возникать большие внутренние усилия.

Схема: Бетонирование балочной клетки после стабилизации деформации

1 - железобетонные балки; 2 - бетонный кубик; 3 - железобетонные неразрезные крайние балки; 4 - железобетонные консольные балки; 5 - бетонные балки с жесткой арматурой; 6 - решетчатые балки с вертикальными стойками

При проектировании балок в области значительных деформации заливают бетонные кубики, и таким способом устраняют внутренние напряжения. Перед заливкой кубика деформации железобетонных неразрезных крайних балок и решетчатых балок с вертикальными стойками согласуют относительно друг друга. Их внутренние усилия зависят только от влияния локальной нагрузки. После возведения главной конструкции здания в решетчатых балках с вертикальными стойками, находящимися под действием силы тяжести, большинство внутренних усилий и деформации уже стабилизируется и с этого времени начинают заливать бетонные кубики. Консольные балки ствола и железобетонные крайние балки испытывают незначительные дополнительные внутренние усилия от силы тяжести и, таким образом, стабилизируют напряженное состояние этой части конструкции под нагрузкой. Исходя из анализа внутренних усилий 60% дополнительных нагрузок после завершения строительства приходится на силы тяжести, ветровые и сейсмические воздействия. Поэтому для соединения конструкций принимаются жесткие узлы. Главная цель описанных мероприятий - искусственно регулировать напряженное состояние конструкций в процессе строительства, перераспределять большие внутренние усилия, снижать стоимость строительства и обеспечивать безопасность конструкций.

По сравнению с обыкновенным железобетонным элементом на регулирование трещиностойкости железобетонных элементов с жесткой арматурой должно обращаться большое внимание, потому что толщина защитного покрытия профиля больше, чем для арматуры, а прочность применяемого бетона меньше, чем при использовании гибкой арматуры. Повышение нагруженности элемента профиля важнее, чем его ограничительная роль для обеспечения ширины раскрытия трещин. По некоторым данным существует зависимость между шириной раскрытия трещин бетонного элемента с жесткой арматурой и процентом площади сечения профиля в сечении элемента. Эффективный метод управления шириной раскрытия трещин в железобетонном элементе с жесткой арматурой состоит в том, чтобы увеличивать размер обычной арматуры и уменьшить толщину ребер металлического профиля. При проектировании таких балок процент армирования гибкой растянутой арматурой обычно составляет 1-1,2%.

Железобетонные решетчатые балки с вертикальными стойками - это новая конструктивная система, отличающаяся технологией от конструкций из обыкновенного железобетона и стальных конструкций. В настоящей работе приведено несколько разработок по улучшению строительного проектирования железобетонных решетчатых балок с вертикальными стойками и бетонных конструкций с жесткой арматурой.

Проектом предлагается два варианта. Первый вариант состоит в том, что вначале полностью выполняются решетчатые балки с вертикальными стойками, затем ведется бетонирование сверху вниз или снизу вверх. Достоинство варианта в том, что полностью используются стальные элементы и понижается уровень внутреннего напряженного состояния железобетона при производстве работ. Идея заключается в укладке бетона после монтажа балок и искусственной регулировке внутренних усилий, с помощью технологии строительного процесса, когда полностью используется стальная структура решетчатых балок. Недостаток этого варианта в увеличении продолжительности строительства. Второй вариант, сокращающий продолжительность строительства, состоит в послойном бетонировании железобетонных балок и поэтапном их нагружении.

Железобетонные элементы с жесткой арматурой отличаются от обычных железобетонных элементов технологией бетонирования, которая зависит от профиля сечения жесткой арматуры. Чтобы обеспечить качественное бетонирование конструкции с жесткой арматурой, на горизонтальной полке конструкций оставляют отверстие для заливки бетона диаметром не менее 100 мм. В пролете между верхним и нижним поясом балки фермы с шагом 1 м устраивают отверстия диаметром на менее 20 мм для выхода воздуха. Строительство балки с вертикальными стойками выполнятся сравнительно быстро, а качеством бетонирования можно управлять во время строительства.

Схема бетонирования с помощью отверстий

1 - встроенные балки сечением 300x800 мм в зоне-узла пересечения верхней (4Ø25) и нижней (6Ø20) арматуры, соединенной хомутами Ø10 с шагом 100 мм; 2 - зона анкеровки арматурных стержней (4Ø25, 2 ряда), длиной не менее 41d; 3 - зона соединения стержневой арматуры 10Ø25 с кронштейнами ZTB-1, длина шва не менее 130 мм, катет шва не менее 15 мм; 4 - арматурные стержни (4Ø25,2 ряда), продлеваемые до соединения с основной арматурой, встроенной балки в стене-диафрагме; 5 - отверстие для бетонирования Ø150