Диссертация (Применение трубобетонных конструкций с оболочкой из полимерных композиционных материалов при строительстве малых мостов), страница 3

Анализ показал, что применение трубобетонных конструкций наэтом мосту позволило снизить расход стали на 52% и привело к снижениюстоимости строительства на 20%.Другимраспространеннымпримеромприменениятрубобетонныхконструкций – разливные элементы и конструкции опор. Примером такого мостаявляется самый длинный мост в бассейне реки Амазонка «Manaos-Iranduba»,открытый 24 октября 2011 года.

Этот вантовый мост соединил два берега реки «RioNegro» (Черная), а также связал Manaos (Манаус) с городом Iranduba (Ирандуба),длина моста составляет 3 километра 595 метров. Опоры моста выполнены измассивных трубобетонных стоек. Также распространенным решением являетсяприменение трубобетонных опор на эстакадах.Наиболее развито направление применения трубобетонных конструкций вКитае.

Первый в Китае трубобетонный арочный мост пролетом 115 метров былпостроен в провинции Сычуань в 1991 году [38].В [39] отмечается, что, в связи с быстрым развитием экономики Китая,трубобетонные арочные мосты стали хорошей альтернативой железобетонным истальным арочным мостам. К марту 2005 года было построено 229 трубобетонныхарочных мостов пролетом более 50 метров, из них 131 мост с главным пролетомболее 100 метров и 33 моста с пролетом более чем 200 метров. Всего насегодняшний день в Китае построено более 300 арочных мостов с применениемтрубобетонных конструкций.Трубобетонные конструкции применяются в качестве мостовых опор,пилонов вантовых мостов и сжатых поясов ферм [22], главных несущих элементоварочных мостов.

Анализ конструктивных схем некоторых арочных мостов струбобетонными главными несущими элементами представлен в таблице 1 [4].Подробно применение трубобетонных конструкций при строительствеарочных мостов рассмотрено в следующих публикациях [38-40].18Таблица 1Тип мостаКоличество мостов Процентноетакого типасоотношениеАрочный мост с ездой поверху118Арочный мост с ездой посередине6247Арочный мост в виде «летящей2418Арка с жесткой затяжкой1814Арка с гибкой затяжкой1613Всего131-птицы»1.3 Подходы к расчету трубобетонных конструкций с металлическойоболочкойНесмотря на длительность исследования и большое число построенныхобъектов единого подхода к расчету трубобетонных конструкций до сих пор несуществует.

В таблице 2 представлено сравнение результата расчета одной и тойже колонны по нескольким методикам [5]:1) «унифицированный китайский» метод, предложенный китайскимиучеными Min Yu, Xiaoxiong Zha, Jianqiao Ye, Yuting Li для расчета прочности иустойчивости трубобетонных элементов с произвольным поперечным сечением(включая пустотелые трубы) при осевом нагружении.2) метод, предложенный Min Yu, Xiaoxiong Zha, Jianqiao Ye, Chunyan She длярасчетапрочностииустойчивоститрубобетонныхэлементовкруглогопоперечного сечения.3) метод Л.И. Стороженко для определения несущей способноститрубобетонных элементов круглого поперечного сечения под действием осевойнагрузки. Этот метод включен в действующие нормативные документы Украины.В этом методе можно отметить несколько принципиальных отличий:19- Во-первых, здесь при определении несущей способности трубобетонногосеченя не рассматривается сопротивление полного поперечного сечения, аучитывается только сопротивление бетона, стесненного в стальной трубчатойоболочке.-Во-вторых,используютсянепритолькоопределениипредельноймеханическиесжимающейхарактеристикинагрузкиматериаловигеометрические характеристики поперечного сечения, но и корректирующиекоэффициенты, которые учитывают совместную работу двух различныхматериалов в одной конструкции.4) Методика, изложенная в нормативном документе Евросоюза «Еврокод 4(EN 1994)».

Эта метода расчета трубобетонных конструкций на действие осевыхсжимающих нагрузок отличается от других методов тем, что несущая способностьзависит от гибкости трубобетонного элемента, величина которой и определяетспособ определения предельной нагрузки на трубобетонный элемент.Встатье[5]приведеносравнениерасчетанесущейспособноститрубобетонной колонны по приведенным выше методам (таблица 2).Таблица 2Метод расчетаНесущая«Унифицированный «Второй»Методкитайский» методЛ.И.

Стороженкокитайский методЕврокод 4112898081510457,9- 6,2- 22,00способностьколонны, кНОтличиеотрасчетапометоду 4, %Примечание:Параметры конструкции: бетона класса В 20; сталь марки S235; диаметр сечения 200 мм;высота колонны 500 мм, толщина стенки стальной трубы 3 мм20Стоит отметить, что напрямую сравнивать эти методы некорректно, т. к. онипредполагаюразныеконструктивныеитехнологическиетребованиякконструкции. Тем не менее, это сравнение показывает отсутствие однозначногоподхода к проектированию и расчету даже наиболее распространенных –центрально сжатых конструкций.В декабре 2016 года утвержден Свод правил СП 266.1325800.2016«Конструкции сталежелезобетонные.

Правила проектирования». В данном сводеправил приводится расчет трубобетонных конструкций. Методика, отраженная всводе правил, имеет следующие особенности:- Расчетное сопротивление стальной трубы сжатию принимается с учетом еесложного напряженного состояния и определяется по формуле:17,5 ∙ = − (1 −);4 − 2 ∙ где(4)Ry – соответственно, расчетное сопротивление материала;Dp – внешний диаметр трубы;tp – толщина стенки трубы;e – эксцентриситет приложения нагрузки.- Расчетное сопротивление бетона с учетом пространственно-напряженногосостояния определяется по формуле: = + ∆ (1 −17,5 ∙ ); − 2 ∙ ∆ = (2 + 2,52 ∙ − (∙+ ∙) )где∙; − 2 ∙ (5)(6)с – константа, равная 25 МН.Область применения выражений ((5-(6) ограничивается для соотношенияв пределах от 0,0064 до 0,046. При других соотношений документ требуетопределять расчетное сопротивление бетона постановкой эксперимента.Предельный изгибающий момент находят из выражения:21211 = 3 ∙ ∙ sin3 + ∙ ∙ sin ( + ) + 3(7)∙ sin ( + );гдеAs и rs – площадь и радиус стержневой арматуры; – половина угла хорды, являющейся нейтральной осью сечения(рисунок 6).Рисунок 6 – Схема к формуле (7), СП 266.1325800.2016Расчет нормальных сечений в общем случае предлагается выполнятьсоблюдением системы уравнений (рисунок 7): = ∑ ∙ ∙ + ∑ ∙ ∙ + ∑ ∙ ∙ = ∑ ∙ ∙ + ∑ ∙ ∙ + ∑ ∙ ∙ ;{(8) = ∑ ∙ ∙ + ∑ ∙ ∙ + ∑ ∙ ∙При этом распределение деформаций по сечению элемента выполняется последующей зависимости: = 0 +гдекоординат.11 + ;(9)0 – относительная деформация волокна, находящегося в начале22Рисунок 7 – Расчетная схема нормального сечения трубобетонного элемента, вобщем случае, СП 266.1325800.2016Предложенная схема расчета трубобетонного элемента в общем случаеявляется универсальной.

Ее использование при расчете усложняется тем, чтонеобходимо определить величину 0 . Полученные в результате расчета величиныдеформацийсравниваютсяспредельнымидопустимымидеформациямиматериалов. При этом предельно допустимая деформация сжатия бетона (прираспределении в поперечном сечении бетона деформации одного знака, т. е. прирасположении сжимающей нагрузки в пределах ядра сечения) определяется поформуле:1;21= 2 − (2 − 0 ) ;2, = 2 − (2 − 0 ),где(10)(11)1 и 2 – величина относительной деформации бетона в сечении, приэтом 2 – максимальная, 1 – минимальная.231.4Исследованиятрубобетонныхконструкцийсполимернойкомпозитной оболочкойВсе приведенные выше исследования проводились для трубобетонныхэлементов со стальной оболочкой.

Анизотропные физические свойства слоистыхполимерных композиционных материалов, линейный характер деформированияпрактически до точки разрушения, сопоставимый с бетоном модуль упругости,иной характер совместной работы и необходимость учитывать технологическиепараметры изготовления не дают возможности напрямую использовать результатыисследованийтрубобетонныхконструкцийсостальнойоболочкойдляконструкций с композитной оболочкой.Развитие производства композитных материалов и их массовое внедрение встроительную отрасль, а также поиск оптимальных конструктивных форм, вкоторых реализуются достоинства новых материалов, вызвало интерес ктрубобетонным конструкциям с оболочкой из ПКМ.

В США исследования в этомнаправлении приблизительно с 80-х годов XX века [41]. Больших успехов в этомнаправлении достигли Zohrevand, Mirmiran, Fam и Rizkalla и другие исследователи[42 – 51].Отечественных публикаций в области трубобетонных элементов с оболочкойиз ПКМ довольно мало (например [52]). Основное внимание направлено кконструкциям,получаемымпутемустройствабандажаполимернымикомпозиционными материалами (главным образом, углепластиками).

Такиеконструкции широко используются при проведении работ по реконструкции икапитальному ремонту железобетонных конструкций.Традиционный подход к трубобетонным элементам с оболочкой из ПКМ также рассматривает такие конструкции как преимущественно сжатые элементы.Проводилось множество исследований подобных конструкций.

Большинство работв первую очередь пытаются ответить на вопрос – на сколько повышается пределпрочности бетонного ядра при пространственно-напряженном состоянии вподобных конструкциях? Так же, как правило, при определении напряженнодеформированного состояния центрально сжатой трубобетонной конструкции24отправной точкой является предельная осевая деформация. Некоторые изпредложенных формул определения этих величин приведены в таблице 3 [53]Таблица 3АвторТипПредел прочности fccконструкцииFardisand GFRPKhalili (1981)Предельная осевая деформацияεcc–encased1 [1 + 2.05 ( )] ∙ )]0.002 [1 + 0.5 ( ∙ concreteKarbahari and FRP – encasedEckel (1993)concreteMirmiran and GFRPShahawyencased(1997)*concreteMiyauchi, et al.

GFRP(1997)**––1 0.87 [1 + 2.1 ( ) ] + 4.2690.587 [1 + 3.5 (wrapped1)]0.002 [1 + 0.5 (2 ∙ )] ∙ -2 ∙ 0.002 [1 + 10.6 () ∙ 0.373]concreteSamaan,et GFRPal. (1998)*– + 60.7encased − 0.872 − 0.371 − 6.258 ∙ 0.2245.61+ 1.3456 ( )concreteSaafi,etal. CFRP(1999)CFRP1 0.84 [1 + 2.2 ( ) ]–and [1 + (537 + 2.6) ( − 1)]encasedconcreteToutanjiCFRPand(1999)GFRP– [1 + 3.5 (1 0.85) ]wrapped [1 + (310.57 + 1.9) (− 1)]concreteSpoelstra and CFRPMonti (1999)GFRPwrappedencasedconcreteand–and1 0.5 [0.2 + 3 ( ) ] [2 + 1.25 ( ) √ ]25Примечание к таблице 3:* значения в МПа**Уравнение для εcc верно при fco = 30 МПаCFRP – трубобетонная конструкция с углепластиковой оболочкойGFRP – трубобетонная конструкция со стеклопластиковой оболочкойfco – прочность при одноосном сжатии не стесненного бетонаεcо – предельная деформация не стесненного бетонаEf – радиальный модуль упругости оболочкиff – радиальный предел прочности оболочкиfl – боковое давление на бетонtf – толщина оболочкиD – диаметр бетонного сердечникаОднако существуют исследования трубобетонных элементов с оболочкой изПКМ как изгибаемых и сжато-изгибаемых элементов.Одной из самых полных из ранних работ можно считать исследования,изложенные в диссертационной работе Amir Z.

Farm, защищенной в 2000 году [42].В работе приведены исследования трубобетонной балки с оболочкой изстеклопластика, изготовленного методом намотки. Приведены испытания начетырехточечный изгиб трубобетонной балки круглого сечения и представленааналитическая модель, описывающая напряженно-деформированное состояниебалки под различной нагрузкой. Представленная модель рассматривает оболочкукак жесткое армирование и предполагает соблюдение гипотезы плоских сечений ине учитывает изменение механических характеристик бетона из-за ограниченияпоперечных деформаций. При этом работа не предлагает критериев определениянесущей способности такой балки, оставляя таким образом данный вопросоткрытым.Стоит отметить так же:•Диссертационное исследование Iftekhar Ahmad [54], защищенное в2004 году.

В работе приводятся результаты 2-х типов испытаний. Первыми из нихявляются испытания коротких балок с целью изучения влияния сдвиговых26деформаций. Испытывались балки с различным отношением диаметра к толщинеоболочки и диаметра к длине арки. На основании результатов испытаний делаетсяряд выводов, в том числе устанавливается, что для балочных элементов учетсдвиговых напряжений не является критичным при отношении длины балки кдиаметру равному 2 (рисунок 8).Рисунок 8 – Диссертационное исследование Iftekhar Ahmad.