книги из ГПНТБ / Кикин, А. И. Конструкции из стальных труб, заполненных бетоном

Следовательно, при длинных площадках текучести у стали, когда сг;= ат, после перехода стержня в предель­ ное состояние, начинается процесс перераспределения продольных усилий с оболочки на ядро. До этого момен­ та давление бетона на оболочку невелико.

Механизм работы бетона в трубе можно рассматри­ вать с позиции современных представлений о физиче­ ских основах теории прочности бетона по О. Я- Бергу. В соответствии с этой теорией при определенном уровне напряжений одноосного сжатия в бетоне появляются микроразрывы; разрушение бетона начинается с образо­ вания и развития продольных микротрещин. К моменту разрыва бетона величина относительной поперечной де­ формации составляет примерно ІО-4, что соответствует средним величинам продольной растяжимости бетона. Уровень напряжений, при котором образуются первые микротрещины, является переменным и зависит от вели­ чины абсолютной прочности. Средняя величина напря­ жений, например поданным [10], составляет Rr « Ѵг^прНачиная с этого уровня RT в бетоне'развиваются отдель­ ные несмыкающиеся разрывы, а коэффициент попереч­

эксперимента работа бетона в трубе трактуется следую­ щим образом. Когда напряжения бетонного ядра дости­ гают величины 0,5 Raр, в бетоне начинают развиваться микротрещины. При Ѵб<ѵст развитие их происходит свободно. При Ѵб=ѵс бетонное ядро начинает давить на оболочку, происходит обжатие бетона, что оказывает сдерживающее влияние на развитие микротрещин. На более высоких ступенях загружения, когда Стб>^пр, развитие микротрещин интенсифицируется; увеличива­ ется давление на оболочку и, следовательно, на ядро. Когда Оі становится равным ат, продольные напряжения в стали еще не достигают предела текучести; различие их не велико, и s2 = eT.

Далее, по мере увеличения нагрузки, наблюдается резкое возрастание деформативности образцов, связан­ ное с интенсивным развитием микротрещин. Увеличи­ ваются давление бетона на оболочку, поперечные на­

61

диаграмме а—е для стали появляется зона упрочнения. Это видно из строк 6 и 7 табл. 6: продольные напряже­ ния стали возросли с 2535 до 2610 кгс/см2, на предыду­ щем этапе они уменьшились с 2800 до 2535 кгс/см2.

Если экстраполировать процесс уменьшения про­ дольных и увеличения поперечных растягивающих на­ пряжений оболочки на последние этапы работы стерж­ ня. под нагрузкой, то можно полагать, что в момент разрушения труба работает лишь как обойма, не вос­ принимая продольных напряжений. Правомерность этой экстраполяции трудно доказать, так как зависимости тео­ рии пластичности годны лишь до деформаций около 3%. Момент работы трубы как обоймы [см. условие (5)] принимается многими исследователями за предельное состояние. Учитывая значительные продольные дефор­ мации стержня в момент работы трубы как обоймы, за­ ключаем, что практически такое предельное состояние может быть использовано лишь в частных случаях, ког­ да допустимы большие деформации.

Если же за предельное состояние принять (2), то продольные деформации трубобетонного стержня будут по величине такие же, как и деформации обычного стального стержня. Нагрузку, соответствующую такому предельному состоянию, легко определить эксперимен­ тально как нагрузку, при которой начинается интенсив­

втрубе в сравнении с Raр, следующие.

1.В принятом предельном состоянии существует о жатие бетона в поперечном направлении. Величины это­

го обжатия не велики (см. табл. 4 ) — в среднем 13 кгс/см2. Если определить среднее значение у по фор­ муле

то для наших экспериментальных образцов оно соста­ вит: у=1,63, т. е. малое обжатие бетона в поперечном направлении существенно повышает его прочность

62

в продольном направлении. Это подтверждают резуль­ таты эксперимента по исследованию напряженного со­ стояния бетона при трехосном сжатии. Рассматривая результаты испытании бетонных стержней в спиральной обмотке [48], видим, что наибольшие значения коэффи­ циента эффективности обмотки соответствуют наимень­ шей величине бокового давления.

Эффективность малого поперечного обжатия бетона при работе его в продольном направлении подтвержда­ ется и другими экспериментами. І4сследовалась работа

равнялась призменной прочности бетона и составляла в среднем: Ro—470 кгс/см2. При боковом обжатии дав­ лением 10,35 кгс/см2 /?іо,35=744 кгс/см2; при 86,8 кгс/см2 ^86,8=877 кгс/см2. Из этих данных видно, что неболь­ шое поперечное обжатие бетона (10,35 кгс/см2) увели­ чивает его прочность в продольном направлении в 1,58

Таким образом, одной из причин повышения прочно­ сти бетона в трубе на той ступени загружения, которая соответствует предельной силе Р2, является небольшое боковое обжатие бетона. Это обжатие увеличивается незначительно, если при прочих равных условиях увели­ чивать толщину оболочки. Так же незначительно увели­ чивается при этом прочность бетона в трубе. Поэтому нецелесообразны толстостенные оболочки в. трубобетон­ ных стержнях.

2.На увеличение прочности бетонного ядра оказыва­

102X2 мм, длиной 200 мм, заполненные бетоном одного состава. У половины из них, составивших первую серию образцов в табл. 9, по истечении суток бетонные сердеч­ ники извлекали и помещали в нормальные условия твердения. При извлечении не нарушалась структура ядра, так как оболочки предварительно разрезали.

У другой половины образцов, составившей вторую

63

имеющих даже небольшие начальные прогибы, получить явление бифуркации равновесного состояния не удается. Однако к нему можно приблизиться при тщательном центрировании образцов, сначала геометрическом, а за­ тем деформационном, используя начальные и средине ступени загружеиия.

Рис. 40. Графики коэф­ фициентов продольного изгиба в зависимости от относительной длины тру­ бобетонных стержней

Величины критических сил, полученные из экспери­ мента, приводятся в табл. 5, там же представлены и результаты сравнения их с теоретическими значения­ ми. Средние расхождения составляют ±5% , что дока­ зывает правильность заложенных в основу расчета положений и методики расчета. На основании выяв­ ленных зависимостей между экспериментальными кри­ тическими силами и относительными «габаритными» длинами стержней построены кривые в координатах Ф(L:D) (см. рис. 40). Значения коэффициента ф опре­ делены по формуле (21), в которой предельное усилие принято в соответствии с физическим смыслом силы Ф2 в равенстве (23):

^= * 2 = ^ 6 + °$Те­

тании образом, несущая способность стальной тру­ бы, заполненной бетоном, по работе на центральное сжатие при отсутствии продольного изгиба трактуется по методу предельных состояний.

Пучок из шести кривых на рис. 40 расходится по вертикали. Ординаты первой и четвертой кривой при некоторых значениях абсцисс (L : D) отличаются по величине в 2—3 раза. Ошибка, которую можно до­ пустить, осредняя эти результаты по правилу арифме­ тической средней и считая их крайними вероятными

значениями, составляет 100—150%. Это приводит к вы­ воду, что аргумент L : D не точно характеризует функ­ цию ер и следует перейти к более универсальному аргу­ менту, в качестве которого можно использовать понятие о приведенной гибкости стержня. При этом, если приве­ денная гибкость не будет включать в свой состав всех независимых переменных задачи устойчивости, графиче­ ское изображение ее решения будет неизбежно пред­ ставлять собой пучок кривых ф—А,Пр. В таком виде в гла­ ве III получено решение этой задачи.

4. Расчет прочности

Формула расчета по методу предельных состояний имеет вид

При этом сила Ф2, характеризующая несущую спо­ собность стержня по прочности при осевом сжатии, оп­ ределяется по (23). Как всегда, в методе предельных состояний частная характеристика несущей способности стержня получается на основании численных значений расчетных сопротивлений. Трубчатая оболочка уже имеет разработанные характеристики в виде норматив­ ных сопротивлений и коэффициентов однородности ста­ лей. Но для бетонного ядра эти две величины следует получить вновь. Имеется большое количество экспери­ ментальных данных о стальных трубах, заполненных бетоном, работающих в условиях осевого сжатия и от­ сутствия продольного изгиба. Учитывая существование различных подходов к определению предельного усилия, отбираем для дальнейшего анализа только те данные, в которых предельная нагрузка на стержень трактова­ лась в соответствии с формулой (23). Эти данные при­ водятся в табл. 10 и представляют материал для стати­ стической обработки. С их помощью определяется зави­ симость прочности бетона в трубе от кубиковой проч­ ности в виде уравнения

а также коэффициент однородности для прочности бе­ тона в трубе kg.

В соответствии с (52) частичные статистические со­ вокупности (серии в табл. 10), составляющие основу

66

Т а б л и ц а 10

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ПРЕДЕЛОВ ТЕКУЧЕСТИ БЕТОННОГО

1 Первая цифра указывает номер серин; вторая цифра — номер образца в серии.

68

69

70