Введение

В настоящее время железобетон является ведущим строительным материалом при изготовлении несущих конструкций зданий и сооружений. Это обусловлено практически повсеместным распространением исходного сырья для создания производственных баз, а также сравнительной (по отношению к металлу и древесине) дешевизной, стойкостью к воздействию высоких температур и долговечностью железобетонных элементов.

В то же время железобетон - прогрессивный вид строительных материалов. Развитие конструкций на основе железобетона неразрывно связано с совершенствованием его технических и физико-механических свойств. Разработка и внедрение новых бетонов и арматуры с высокими показателями прочности и коррозионной стойкости, несомненно, повысит эффективность и расширит области применения железобетонных конструкций [122].

Вместе с тем, в дальнейшем развитии балочных элементов немаловажным фактором может выступать очертание их поперечного сечения. Многолетней практикой строительства в зависимости от пролета, действующих нагрузок и конструктивной системы здания или сооружения выработаны рациональные очертания поперечных сечений балочных конструкций из сборного, сборно­монолитного и монолитного железобетона. Следует отметить, что железобетонным балочным элементам при необходимости могут быть приданы любые конструктивные и архитектурные формы поперечных сечений. Но наибольшее распространение получили прямоугольное и квадратное, тавровое и двутавровое, а также трапециевидное, в основном постоянные по длине элемента, поперечные сечения.

Нарастает необходимость создания единого подхода к проектированию железобетонных конструкций, оценке напряженно-деформированного состояния на всех стадиях их работы, что позволит оценивать работу сжатых, изгибаемых и сжато-изогнутых, как с предварительным напряжением, так и без предварительного напряжения элементов различного поперечного сечения при

6 кратковременном и длительном действии нагрузки.

Актуальность темы исследования. Железобетонные элементы с различными формами поперечного сечения (прямоугольного, таврового, двутаврового, трапециевидного и др.) составляют значительную часть сборных, монолитных и сборно-монолитных конструкций, в то время как данные о работе под нагрузкой некоторых из них очень ограничены. Хотелось бы отметить, что большая часть однопролетных балок представлена балками таврового и двутаврового поперечного сечения с предварительным напряжением. При пролетах 4,5 м и меньше балки с предварительным напряжением встречаются редко. Это обусловлено экономически не оправданными затратами на выполнение предварительного напряжения и использование высокопрочных видов сталей. Поэтому данную нишу заняли балки прямоугольного сечения.

Балки трапециевидного сечения нашли применение в конструкциях фундаментов и представлены фундаментными балками, а также конструкциями мостов. В конструкциях перекрытий данные балки почти не используются. Это, в частности, связано с их низкой архитектурной выразительностью. Однако применение фальшь-коробов или подвесных потолков из различных отделочных материалов позволяет легко устранить этот недостаток. В пространство между декоративным коробом и трапециевидной балкой можно спрятать различные коммуникации, доступ к которым в случае необходимости обеспечивается с помощью смотровых лючков.

Таким образом, конструкции перекрытия с помощью подвесного потолка становятся «невидимыми», и, следовательно, открывается возможность использования балок различных поперечных сечений, в том числе трапециевидных, которые обладают рядом очевидных достоинств: легче по весу, экономичнее по расходу бетона, технологичнее в изготовлении.

Все это приводит к необходимости проведения экспериментально­теоретических исследований влияния формы поперечного сечения изгибаемых железобетонных элементов на их несущую способность, трещиностойкость, деформативность и ширину раскрытия трещин.

Существующие нормы и официальные руководства позволяют с достаточной надежностью оценивать прочность, трещиностойкость и деформативность изгибаемых железобетонных элементов различного поперечного сечения. Однако, регламентированный указанными документами расчетный аппарат построен на полуэмпирической основе, что затрудняет его использование при расчете железобетонных конструкций, имеющих какие-либо особенности в виде нестандартной формы поперечного сечения, смешанного армирования растянутой зоны «мягкими» и «твердыми» сталями, а в случае определения ширины раскрытия трещин, вообще никак не учитывает различную форму поперечных сечений.

Неудивительно, что в последнее время все острее ставится вопрос о построении универсального расчетного аппарата на базе четких физических предпосылок, единых для всех стадий работы изгибаемого или внецентренно сжатого железобетонного элемента. Этим требованиям в полной мере отвечает нелинейная деформационная модель, важнейшей составной частью которой являются диаграммы неоднородного деформирования бетона при сжатии и растяжении, а также уравнения механического состояния арматуры.

Однако в некоторых случаях разработка и применение такого расчетного аппарата сдерживаются отсутствием достаточно надежных экспериментальных данных о ширине раскрытия трещин железобетонных конструкций трапециевидного поперечного сечения и, например, исследованием влияния на

8 прочность, трещиностойкость и деформативность изгибаемого железобетонного элемента такого фактора, как форма его поперечного сечения.

Степень разработанности темы исследования. Разработке методов расчета изгибаемых железобетонных конструкций посвящены труды следующих ученых: В.Н. Байкова, В.Я. Бачинского, О.Я. Берга, В.М. Бондаренко, А.А.

B. С. Здоренко, Н.И. Карпенко, В.А. Клевцова, В.И. Колчунова, Вл.И. Колчунова,

C. М. Крылова, А.Е. Кузьмичева, Е.А. Ларионова, Л.Р. Маиляна, С.И. Меркулова, В.И. Мурашева, Л.А. Мурашко, К.А. Пирадова, В.С. Плевкова, В.П. Полищука, В.И. Римшина, Р.С. Санжаровского, Г.А. Смоляго, А.Г. Тамразяна, Н.Н. Трекина, В.В. Тура, В.С. Федорова, Н.В. Федоровой, М.М. Холмянского, В.П. Чайки, Е.А. Чистякова, Е.В. Шавыкиной и других.

В современной практике расчета железобетонных конструкций достаточно широкое распространение получил метод предельного равновесия. Обладая относительной простотой, он позволяет с достаточной надежностью решать задачи по определению несущей способности конструкции. В то же время, в ряде случаев (применение в конструкциях высокопрочных бетонов или сталей, не имеющих физической площадки текучести, а также при расчёте слабоармированных элементов) этот метод может приводить к существенным погрешностям.

Следующим этапом развития методов оценки несущей способности железобетонных конструкций стали методы расчета, основанные на использовании идеализированных диаграмм бетона и арматуры. Наибольшее практическое распространение получила в последнее время диаграмма Прандтля с ограниченной горизонтальной ветвью. Однако анализ показывает, что точность данной диаграммы ограничивается расчетом конструкций обычных (прямоугольных) поперечных сечений. Если же ориентироваться на единый подход к расчету несущей способности, трещиностойкости и деформативности конструкций других сечений, наиболее оправданным следует считать использование криволинейных диаграмм бетона и арматуры.

Проведенные в последние годы исследования железобетонных конструкций позволили включить в новые нормы (СП 63.13330.2012 Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения) деформационную расчетную модель нормальных сечений, которая хорошо отражает фактический характер распределения усилий, деформаций и прогибов по длине балки на всех этапах, вплоть до ее разрушения.

Однако, несмотря на теоретическую обоснованность разработанных методик и, прежде всего, нормативных, ряд важных вопросов не получил должного разрешения и поэтому требуют постановки специальных исследований. В первую очередь это касается учета эффекта нарушения сплошности для возможности обеспечения соответствия между основными расчетными и экспериментальными параметрами, такими как ширина раскрытия трещин. Разработчики норм пока еще не смогли отказаться от эмпирических зависимостей.

Несмотря на значительную часть в общем объеме возводимых железобетонных конструкций в настоящее время выполнено сравнительно небольшое количество теоретических и экспериментальных исследований, посвященных определению ширины раскрытия трещин при изгибе, особенно применительно к использованию в них гипотез и методов механики разрушения, способных объяснить физический смысл качественно новых явлений, замеченных в опыте. Следует отметить, что на сегодняшний день мало опытных данных о ширине раскрытия трещин вдоль её профиля, о расстоянии между трещинами при учете многоуровневого процесса их образования, об изменении глубины развития трещин по мере увеличения нагрузки при различном армировании и прочности бетона. Тем не менее, отмеченные параметры являются определяющими для анализа сопротивления областей прилегающих к местам сопряжения трещин с рабочей арматурой в изгибаемых железобетонных элементах различного поперечного сечения, в том числе трапециевидного.

Все это не позволяет избежать трудоемкого экспериментирования и является серьезным препятствием для повышения достоверности расчетов ответственных несущих конструкций.

Отсюда следует, что проведение исследований по детальному изучению ширины раскрытия трещин и особенностей сопротивления железобетонных конструкций трапециевидного поперечного сечения с учетом нарушения сплошности материала является весьма актуальной задачей.

Цель диссертационной работы. На основе нелинейной деформационной модели разработать методики для определения прочности, трещиностойкости, деформативности и ширины раскрытия трещин применительно к изгибаемым железобетонным элементам трапециевидного поперечного сечения и выполнить их апробацию путём проведения соответствующих экспериментальных исследований на специально изготовленных опытных образцах.

Задачи исследований:

- разработать методики расчета прочности, трещиностойкости и деформативности изгибаемых железобетонных элементов трапециевидного сечения на основе нелинейной деформационной модели;

-------- на основе обобщения и анализа результатов экспериментально­теоретических исследований разработать практический способ расчета ши-рины раскрытия нормальных трещин в изгибаемых железобетонных элемен-тах трапециевидного поперечного сечения с учетом эффекта нарушения сплошности;

- выполнить экспериментальные исследования прочности, трещиностойкости и деформативности изгибаемых железобетонных элементов трапециевидного и других сечений с определением основных параметров, связанных с шириной раскрытия и уровнями появления нормальных трещин;

- на основе предложенных методик расчета разработать соответствующие алгоритмы и программы расчета для ЭВМ;

- выполнить сопоставительный анализ экспериментальных и расчётных данных по ширине раскрытия трещин и другим особенностям сопротивления изгибаемых железобетонных конструкций трапециевидного поперечного сечения;

- на основе проведенных исследований разработать практические рекомендации по конструированию железобетонных балок трапециевидного поперечного сечения с верхней широкой гранью для расширения области их применения в практике строительства.

Объект исследования - железобетонные конструкции трапециевидного поперечного сечения, используемые в промышленном и гражданском строительстве.

Предмет исследования - ширина раскрытия трещин и другие особенности сопротивления изгибаемых железобетонных конструкций трапециевидного поперечного сечения с учетом эффекта нарушения сплошности.

Методы исследования - используется экспериментально-теоретический метод. В теоретических и численных исследованиях, которые выполнены в работе, использованы общие методы механики твердого деформируемого тела и механики разрушения. В ходе экспериментальных исследований применялись методы физико-механического моделирования строительных конструкций и при обработке полученных результатов - методы математической статистики.

Научную новизну работы составляют:

- модернизированный двухконсольный элемент для изгибаемых железобетонных конструкций трапециевидного поперечного сечения, позволяющий существенно откорректировать и уточнить параметры ширины раскрытия трещин с учетом эффекта нарушения сплошности, а также многоуровневого расстояния между трещинами;

- методика аналитического определения напряженно- деформированного состояния (НДС) изгибаемых железобетонных элементов трапециевидного поперечного сечения на основе использования криволинейных диаграмм неоднородного сжатия и растяжения бетона;

- полученные автором новые экспериментальные данные о прочности, трещиностойкости, деформативности и ширине раскрытия нормальных трещин в балках трапециевидного поперечного сечения при различных классах бетона, процентах армирования и углах наклона боковых граней;

- алгоритмы и результаты численных исследований, позволяющие установить влияние на напряженно-деформированное состояние конструкций трапециевидного сечения ряда конструктивных параметров, таких как прочность бетона, угол наклона боковых граней и содержание в сечении рабочей растянутой арматуры;

- результаты сопоставительного анализа эффективности предлагаемой методики расчета прочности, трещиностойкости, деформативности и ширины раскрытия нормальных трещин в балках различных поперечных сечений с опытными данными и нормативной методикой.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанные методики, алгоритмы расчета и составленные на их основе программы для ЭВМ способствуют более достоверной оценке напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов трапециевидного сечения с широкой верхней и нижней гранями, а расчеты ширины раскрытия трещин, выполненные по предлагаемой методике, дают в одних случаях более точные, а в других - более надежные результаты при проектировании рассматриваемых конструкций.

Использование в практике проектирования разработанного расчетного аппарата позволит выявить фактические резервы несущей способности, трещиностойкости и деформативности статически определимых железобетонных балочных элементов небольших пролетов (до 5,0 м), что даст возможность применить более экономичные конструктивные решения балок трапециевидного поперечного сечения.

Положения, выносимые на защиту:

- расчетная модель модернизированного двухконсольного элемента, условно выделяемого в прилегающей к трещине растянутой зоне изгибаемой железобетонной конструкции трапециевидного поперечного сечения;

- результаты экспериментальных исследований напряженно- деформированного состояния железобетонных балок трапециевидного и других поперечных сечений;

- алгоритмы и методики расчёта параметров напряженно- деформированного состояния изгибаемых железобетонных элементов трапециевидного сечения на всех стадиях их нагружения вплоть до разрушения;

- результаты численных исследований прочности, трещиностойкости, деформативности и ширины раскрытия нормальных трещин в балках трапециевидного поперечного сечения при использовании различных классов бетона и арматуры, процентов армирования и угла наклона боковых граней.

Степень достоверности научных положений и результатов обеспечивается согласованностью с базовыми положениями нелинейной теории железобетона, удовлетворительным совпадением результатов расчета с экспериментальными исследованиями, а также соответствием результатов численного моделирования с экспериментальными данными автора и других исследователей.

Реализация работы. Результаты настоящих исследований внедрены в учебный процесс Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова при чтении лекций и при проведении практических занятий по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции», а также использованы при проектировании ряда объектов в Белгородской области, в составе которых присутствовали статически определимые балочные элементы пролетами от 4,2 м до 5,4 м. Замена традиционных балок прямоугольного сечения их трапециевидными аналогами с верхней широкой гранью позволила получить реальное снижение расхода материалов при проектировании указанных конструкций, в том числе арматуры - на 8 %, бетона - на 21 %.

Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований и основные материалы диссертационной работы докладывались и

обсуждались на следующих международных конференциях: «Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения» (г. Курск, 2015), VIII Всероссийской (II Международной) конференции «Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции» (г. Чебоксары, 2014), Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы науки и техники» (г. Самара, 2015), Международного студенческого строительного форума (г. Белгород, 2016), Международной научно-практической конференции «Наука и инновации в строительстве» (К 165-летию со дня рождения В.Г. Шухова) (г. Белгород, 2018).

В полном объеме работа была доложена и одобрена на научном семинаре кафедры строительства и городского хозяйства (г. Белгород, сентябрь 2016 г.) и на расширенном заседании кафедры строительства и городского хозяйства ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» (г. Белгород, январь 2019 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных статей, из них 7 в изданиях, рекомендуемых ВАК при Минобрнауки России, одна публикация в журнале, входящем в базу данных Scopus.

Получены два свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ, разработанных в соавторстве с научным руководителем А.И. Никулиным.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х разделов, заключения, списка литературы и 6-ти приложений. Полный объем работы составляет 258 страниц, в том числе 198 страниц основного текста, который иллюстрируется 62 рисунками и 25 таблицами, включая 16 полных страниц с рисунками и таблицами. Список литературы содержит 144 источника, в том числе 12 иностранных.

1