Напряженно-деформированное состояние сталебетонных колонн при различных схемах нагружения

Abstract

RU: В диссертации рассматриваются сталебетонные колонны при различных схемах нагружения. Их напряженно-деформированное состояние исследуется с учетом пространственной работы бетона: бетонное ядро нагружается в продольном и поперечном направлениях соответственно внецентренно приложенными силами и силами контактного взаимодействия между ядром и обоймой; предполагается, что в продольном направлении ядро и обойма работает совместно без проскальзывания и отрыва; продольная нагрузка в торцах колонн передается на бетон и сталь одновременно; зависимости между напряжениями и деформациями в бетоне принимаются в форме обобщенного закона Гука с переменными параметрами деформирования Еb и νb. Получены функции, связывающие нагрузки и прогибы следующих расчетных схем сталебетонных колонн: шарнирно-опертая, нагруженная на торцах продольными силами с равными и в одну сторону направленными эксцентриситетами; жестко защемленная внизу, шарнирно-опертая вверху, нагруженная на верхнем торце эксцентрично-приложенной продольной силой; консольная, нагруженная на свободном конце эксцентрично-приложенной продольной силой; шарнирно-опертая, нагруженная в пределах высоты эксцентрично приложенной продольной силой. Эти функции представляют собой трансцендентные уравнения относительно искомой продольной силы F. Они могут быть решены только численно. В диссертации разработан шагово-итерационный метод решения трансцендентных уравнений. Жесткости сечений являются функциями деформированного состояния и определяются для каждого шага нагрузки по экспериментально найденным зависимостям от кривизны. Процесс последовательных приближений организован следующим образом: задается переменный шаг нагрузки (с ростом уровня напряженного состояния шаг сужается). В каждом приближении вычисляется прогиб, уточняется жесткость: итерационный процесс продолжается до той нагрузки, при которой начинается интенсивный рост прогибов. Найденная таким образом нагрузка принимается за критическую Fкр, характеризующая несущую способность колонн. Проведены экспериментальные исследования сталебетонных колонн. Для чего было изготовлено тридцать пять опытных образцов, объединенных в три серии. К образцам прикладывалась осевая и внецентренная нагрузка. При осевом сжатии в расчет принимался случайный эксцентриситет l/300. Данные о физико-механических свойствах бетона и стали получены путем проведения стандартных испытаний. По результатам экспериментальных исследований получены эпюры продольных и поперечных напряжений в сечениях; зависимости продольных и поперечных деформаций от нагрузки; прогиба от нагрузки; жесткости от кривизны. Осуществлен анализ работы колонн: короткие пустотелые колонны при осевом сжатии претерпевают местную потерю устойчивости; в сталебетонных длинных и коротких колоннах обойма работает по схеме четырех шарнирно-опертых пластин. Наличие бетонного ядра позволяет обойме воспринимать продольные напряжения, превышающие предел текучести на 18 – 20 %. Проведено сравнение экспериментальных данных с теоретическими результатами. Расхождение между ними не превысило: при осевом сжатии – 8.8 %, при внецентренном – 11.8 %. Оценка эффективности сталебетонных колонн по сравнению с железобетонными колоннами осуществлялась путем расчета. Сравнительный расчет колонн выполнен в двух вариантах: подбор сечений при заданных одинаковых комбинациях расчетных усилий; расчет несущей способности при равных размерах и площадях арматуры. В результате расчетов (1 вариант) в сталебетонной колонне по сравнению с железобетонной содержится меньше стали (на 35%) и бетона (на 56%). Несущая способность сталебетонной колонны (вариант 2) оказалась в 2 раза выше по сравнению с железобетонной. Результаты диссертационной работы приняты к использованию ОАО «Харьковметропроект» (г. Харьков) при проектировании и реконструкции объектов метрополитенов и других транспортных сооружений, и в учебный процесс УкрГАЖТа.

EN: Steel-concrete pillars under different load distribution are considered in the thesis. Their stress-strained state is investigated taking into account spatial work of the concrete. Concrete core loads up in longitudinal and vertical directions by eccentric attached loads and loads of contact interaction between concrete core and steel shell. It is expected that in longitudinal direction concrete core and steel shell works without slippage and separation. The longitudinal loads in pillars end is applied to the concrete and steel simultaneously. The dependences between stress and deformation in concrete are taken in the form of Hooks generalized law with variable deformation parameters. During the research author obtains several functions for loads and deflections for different analytical models of the pillar, such as: hinged column loaded on the ends by longitudinal loads with equal and in one directed eccentricities; top hinged and down restrained column loaded on the top end by eccentrically attached longitudinal strength; cantilever column loaded on the free edge by eccentrically attached longitudinal strength; hinged column loaded in height by eccentrically attached longitudinal strength. The author provides the experimental researches of steel-concrete pillars loaded by axial and eccentric loads.