Теоретическое и экспериментальное исследование процесса возникновения, стабилизации и роста макротрещин в элементах железобетонных конструкций

Актуальность проблемы.

Один из основоположников российской школы исследователей железобетона А. А. Гвоздев неоднократно подчеркивал необходимость непрерывного развития теории железобетона. Представляя сложность задачи в полном объеме, он писал: «. Имея в виду разнообразие и сложность свойств железобетона, было бы нереально пытаться построить единую математическую модель, отражающую с достаточной полнотой все пх особенности,. придется теперь, как и прежде, продвигаться вперед путем частных решений. ». Структурная неоднородность бетона, наличие в конструктивных элементах двух резко различающихся по физическим свойствам материалов, дискретность армирования — вот далеко не полный перечень факторов, зачастую не позволяющий применить к расчету железобетонных конструкций мощный арсенал методов строительной механики. С другой стороны, железобетон — практически единственный конструктивный материал, эксплуатация которого допустима при наличии макротрещин в области деформаций растяжения. При этом невозможно не согласиться с автором работы [ 137 ], считающим, что «. схемы с „размазанными“ характеристиками, не учитывающие по своей сути дискретный характер трещинообразования, не могут вскрыть истинную природу неравномерности деформирования по длине элемента» .

Разнообразие типов и марок применяемых в железобетоне сталей и бетонов, неоднозначность их поведения под нагрузкой, влияние на работу конструкций технологи изготовления, а также стремление исследователей учесть множество других факторов осложнили построение общей теории железобетона и привели к использованию большого количества эмпирических зависимостей и коэффициентов. По этому поводу О. Я. Берг писал: «. целый ряд важных расчетов прочности и деформаций бетона и железобетона выполняется по эмпирическим и полуэмпирическим формулам, физический смысл которых неясен или просто неизвестен» .

Невозможность преодолеть математические трудности при решении общих уравнений механики сплошных сред, привели к необходимости разделения основной задачи на задачи прочности, жесткости и трещиностойкости, которые решаются на основе различных гипотез и предпосылок, то есть к созданию «технической теории сопротивления железобетона», как ее назвал один из создателей В. И. Мурашов .

В последние десять лет сформировался новый подход к рассматриваемой проблеме в работах профессора В. М. Митасова, основанный на применении энергетических соотношений. Такой подход позволил отказаться общепринятой схемы предельных состояний п кинематических гипотез, необходимых для построения замкнутых математических моделей. Впервые была построена математическая модель, физически адекватная процессу перехода железобетонного изгибаемого элемента из состояния без трещин в состояние с трещиной. Стала реальной задача разработки алгоритма «сквозного» расчета железобетонных балок от начала нагружения до образования и стабилизации макротрещины и дальнейшего ее роста. К исследованиям в данном направлении автора диссертации привлек профессор В. М. Митасов.

Целью настоящего исследования является исследование возможностей построения и построение алгоритмов «сквозного» расчета элементов лселезобетонных конструкций. В качестве объектов исследований выбраны самые простые: армированные стержни. Задачи о деформировании железобетонных стержней можно классифицировать по видам нагружения:

1) балки, нагруженные поперечной статической нагрузкой;

2) колонны, испытывающие продольное статическое сжатие;

3) балки, нагруженные поперечной динамической нагрузкой;

4) сваи под действием продольной ударной нагрузки.

В диссертации рассматриваются задачи об изгибе железобетонного стерлсня поперечной нагрузкой и задача о деформировании железобетонного стерлсня под действием продольной ударной нагрузки. Выбор задач в значительной степени диктовался тематикой хоздоговорных работ, которые велись совместно НИИЖБ Госстроя СССР, и возможностью проведения экспериментальных исследований. В случае успеха в исследовании 1-й и 4-й задач методы, разработанные для этих задач, естественным образом могут быть развиты для задач 2) и 3). Исключение может составить задача о потере устойчивости колонной, так как решение задач устойчивости стержней основано на другой методологии.

Исследование процессов образования и распространении трещин в изгибаемых балках и в оголовках свай с необходимостью приводит к проблеме построения критериев возникновения и роста макротрещин для материалов типа бетона (имеющих выраженную внутреннюю структуру). Поэтому одной из важнейших целей диссертационной работы стала разработка и экспериментальная апробация необходимых и достаточных критериев хрупкой прочности сред с внутренней структурой. Исследования в этом направлении проводились в плодотворном сотрудничестве с профессором В. М. Корневым и его научной школой (Институт гидродинамики СО РАН), получившей мировое признание.

Автор защищает:

— новые критерии роста макротрещин в среда, имеющих регулярно-неоднородную структуру,(в том числе для бетона);

— метод применения трансформированных диаграмм бетона для расчета изгибаемых элементов в состоянии «предразрушения'1, основанный на энергетических соотношениях;

— численно-аналитический метод определения прогибов армированных балок из нелинейно-упругого материала (в том числе при наличии трещин);

— математическую модель процесса возникновения, стабилизации и подрастания макротрещин в изгибаемых железобетонных элементах;

— постановку и решение начально-краевых задач о формировании и распространении волн напряжений с учетом дисперсионных свойств среды;

— методику оценки напряжений в сваях при забивке и трещнностойкости свай.

Научную новизну работы составляют:

— новый подход к построению и экспериментальной апробации критериев хрупкой прочности материалов типа бетона (имеющих регулярную структуру);

— математическая модель процесса образования и развития макротрещпны в железобетонной балке, являющаяся основой для алгоритма «сквозного» расчета;

— постановка и аналитические решения начально-краевых задач для диспергирующих сред, формулы для расчета на прочность и трещиностойкость железобетонных свай;

— результаты нескольких циклов экспериментов по изучению волновых процессов в железобетонных сваях и разрушения свай. Практическое значение.

Разработаны основы для создания методики расчета железобетонных балок, физически адекватной процессу трещннообразования, позволяющей определять длину трещины и ширину ее раскрытия. Получены расчетные формулы для определения напряжений в сваях при забивке п определения зоны повреждений в оголовках свай. На основе экспериментальных и теоретических результатов получены рекомендации по рациональному косвенному армированию оголовков забивных свай.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались на ряде научных семинаров и конференций, в том числе:

— П-я международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы фундаментальных наук», Москва, 1994;

— International Conference «Mathematical Methods in Physics, Mechanics and Mcsomechanics of Fracture», Tomsk, 1996;

— Сибирская школа-семинар «Математические проблемы механики сплошных сред». — Новосибирск, 1997;

— V-tli International Conference «Computer Aided Design of Advanced Materials and Tehnologies». Irkutsk, 1997;

— 7-th International Symposium on «Fracture Mechanics of Ceramics» -Moscow, Iulv, 1999;

— Международные конгрессы «Ресурсои энергосберегающие технологии в реконструкции и новом строительстве» (Новосибирск, 1998, 1999, 2000 гг.);

— научные семинары Отдела механики деформируемого твердого тела Института гидродинамики СО РАН (1987 — 2000 гг.);

— научные семинары и научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава НГАСУ (1987 — 2000 гг.).

Публикации.

Основные результаты выполненных по теме исследований изложены в 28 публикациях. В работе использованы результаты, полученные самостоятельно и совместно с сотрудниками кафедр железобетонных конструкций и высшей математики НГАСУ В. М. Мптасовым, В. В. Вдовиным, В. Б. Кардаковым (в ходе выполнения работ по хоздоговорам), а также с сотрудниками Института гидродинамики СО РАН В. М. Корневым и А. Г. Демешкнным (во время научных стажировок). Часть экспериментальных результатов получена совместно с сотрудником Оренбургского политехнического института В. М. Салиховым. Особую благодарность за творческую поддержку и систематические консультации автор выражает заведующему кафедрой железобетонных конструкций НГАСУ. д.т.н. профессору В. М. Мптасову и заведующему лабораторией механики разрушения Института гидродинамики СО РАН, д.ф.-м.н., профессору В. М. Корневу.

Основные выводы по диссертации можно сформулировать следующим образом.

1. Для регулярно-неоднородных сред типа бетона построены необходимые критерии роста макротрещпн нормального отрыва, поперечного п продольного сдвига и достаточный критерий для трещин нормального отрыва. Экспериментальные исследования подтвердили удовлетворительность разработанных критериев.

2. Разработан метод трансформации эталонных диаграмм деформирования бетона, позволяющий учитывать неоднородность напрялеенно-деформированного состояния при изгибе железобетонных балок.

3. Разработан численно-аналитический метод определения прогибов армированных балок из нелинейно-упругого материала (с трещинами и без трещин).

4. Построена математическая модель процесса возникновения, стабилизации и роста макротрещнны нормального отрыва при изгибе и внецентренном сжатии железобетонных балок.

•5. Проведенные экспериментальные исследования процесса трешино-образовання при поперечном нагружении армированных балок согласуются с теоретическими оценками, полученными с помощью предложенного в работе алгоритма.

6. Решен ряд начально-краевых задач о формировании и распространении волн напряжений в нелинейно-упругих диспергирующих средах. На их основе получены расчетные формулы для определения напряжений в сваях при забивке, а также для определения зон мнкроповрежде-ний в оголовках лселезобетонных свай.

7. Получены экспериментальные результаты по ударному нагруже-нпю моделей железобетонных свай и армированных стержней пз эпоксидной смолы. Опытные данные хорошо согласуются с теоретическими результатами и подтверждают, что одним из основных факторов при формировании динамического краевого режима и распространении волн напряжений является наличие дисперсии.

8. Получены экспериментальные результаты по динамическому и статическому нагруженпю моделей свай и оголовков свай с различными видами косвенного армирования. На основе опытных данных определены наиболее эффективные виды косвенного армирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.