Упругость и ползучесть сталефибробетона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.17, кандидат технических наук Смирнов, Дмитрий Александрович

• Смирнов, Дмитрий Александрович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Смирнов, Дмитрий Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ДЕФОРМАТИВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФИБРОБЕТОНА (ОБЗОР ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ)

1.1. Модуль упругости и коэффициент Пуассона фибробетона.

1.2. Ползучесть фибробетона.

ГЛАВА 2. УПРУГОСТЬ ФИБРОБЕТОНА

2.1. Начальные значения модуля упругости и коэффициента

Пуассона фибробетона.

2.2. Вторая стадия деформирования фибробетона.

2.3. Третья стадия деформирования фибробетона.

ГЛАВА 3. ПОЛЗУЧЕСТЬ ФИБРОБЕТОНА

3.1. Мера продольной ползучести фибробетона.

3.2. Мера поперечной ползучести и длительный коэффициент

Пуассона фибробетона.

ГЛАВА 4. НЕКОТОРЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ УПРУГОСТИ И ПОЛЗУЧЕСТИ ФИБРОБЕТОНА

4.1. Задача о чистом изгибе сталефибробетонной балки.

4.2. Модифицированное выражение для меры ползучести фибробетона, полученной по теории упруго-ползучего тела.

4.3. Расчет сталефибробетонных статически неопределимых конструкций с учетом ползучести.

4.4. Определение потерь предварительного напряжения в стержневой арматуре сталефибробетонных комбинированных предварительно напряженных конструкций.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Упругость и ползучесть сталефибробетона»

Сталефибробетоном называют композиционный материал, состоящий из бетонной мелкозернистой матрицы с равномерным распределением по ее объему хаотично расположенных дискретных стальных волокон (фибр).

Сталефибробетон обладает набором специфических свойств, существенно превосходящих свойства обычного бетона, и в мировой практике занимает значительную долю (12-15%) в общем объеме используемого бетона.

Как показали исследования, проводимые на протяжении последних трех десятилетий, дисперсное армирование улучшает механические характеристики бетонов. При этом по сравнению с бетоном повышается прочность при осевом растяжении (до 60-80%), прочность на растяжение при изгибе (до 250%), увеличивается модуль упругости (до 20 %), снижаются деформации усадки и ползучести. Кроме того, повышается трещиностойкость, ударная прочность, износостойкость, морозостойкость и др. Применение сталефибробетона позволяет использовать более эффективные конструктивные решения, чем при обычном армировании (например, тонкостенные конструкции, конструкции без стержневой или сетчатой распределительной или поперечной арматуры и др.), создает условия для снижения материалоемкости и трудоемкости строительства.

Эти качества сталефибробетона способствуют широкому внедрению его в практику строительства монолитных и сборных покрытий дорог, взлетно-посадочных полос аэродромов, постоянной и временной обделки сводов тоннелей, элементов мостовых конструкций, фундаментов под оборудование ударного и динамического действия, конструкций сборного железобетона (сваи, лотки, трубы и др.).

В связи с этим остается актуальным вопрос о прогнозировании механических характеристик фибробетона1 в зависимости от характеристик его составляющих. Это позволяет решать задачи оптимального проектирования конструкций из фибробетона, уменьшает объем экспериментальных работ.

1 В дальнейшем для краткости сталефибробетон будем называть фибробетоном.

В настоящее время как теоретически, так и экспериментально достаточно полно изучены прочностные характеристики фибробетона [40, 41, 46-50, 73-75]. Исследована зависимость прочности от таких параметров как процент армирования, длина, диаметр и форма волокон, учитывается влияние ориентации волокон, прочности матричного материала и состава бетона. На базе проделанных работ созданы нормативные документы для расчета сталефибробетонных конструкций [44, 58].

Однако, деформационные характеристики фибробетона, особенно при длительном действии нагрузки, изучены не так хорошо, как прочностные, и зависимости для них, приведенные в нормативных документах, вызывают сомнение. Кроме того, как показал обзор, существующие теоретические и экспериментальные результаты исследования деформативности фибробетона весьма разнообразны и дают большой разброс значений определяемых характеристик. Теоретические данные о влиянии фибрового армирования на реологические свойства бетона практически отсутствуют.

В связи с этим целью настоящей работы являлось теоретическое исследование деформативности фибробетона и получение зависимостей для упругих и реологических характеристик фибробетона, пригодных для практических расчетов.

В ходе исследований получены следующие новые научные результаты: предложен простой способ определения начальных значений упругих характеристик фибробетона (модуля упругости и коэффициента Пуассона), основанный на не вызывающих сомнения допущениях; при этом рассматривается произвольное напряженное состояние (а не только растяжение-сжатие, как обычно) и не привлекаются никакие дополнительные параметры, кроме упругих характеристик бетона и фибр; показано, что при дальнейшем деформировании модуль упругости (модуль деформации) зависит от вида и уровня напряженно-деформированного состояния, и получены зависимости модуля упругости от величины приложенного напряжения; получены выражения для мер продольной и поперечной ползучести фибробетона; показано, что длительный коэффициент Пуассона фибробетона является постоянной величиной, равной коэффициенту Пуассона бетона; с использованием полученных результатов решены некоторые прикладные задачи, что подтверждает их практическую ценность.

Заключение диссертации по теме «Строительная механика», Смирнов, Дмитрий Александрович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По итогам проделанной работы можно выделить следующие основные результаты и вытекающие из них выводы:

1. Приведен обзор теоретических и экспериментальных данных, посвященных исследованию деформационных характеристик фибробетона.

Рассмотренные в обзоре теоретические предложения о способе определения упругих характеристик фибробетона основываются на различных предпосылках и дают большой разброс определяемых величин. Кроме того, авторы большинства теорий прибегают к использованию вспомогательных параметров, которые, по сути, являются подгоночными коэффициентами.

Экспериментальные данные, касающиеся модуля упругости фибробетона, также весьма противоречивы. Так, в одних работах указывается на то, что введение фибр незначительно влияет на модуль упругости бетона, другие работы свидетельствуют об увеличении модуля упругости на 40-50%. Опытные данные, относящиеся к коэффициенту Пуассона фибробетона, не были обнаружены.

Теоретические исследования, посвященные реологическим свойствам фибробетона, немногочисленны и, за редким исключением, опираются на вязкоуп-ругую аналогию через использование преобразования Лапласа, т. е. относятся к нестареющим материалам, подчиняющимся теории упругой наследственности. В основном, исследования ползучести фибробетона направлены на получение реологических характеристик путем обработки опытных данных.

2. Путем сравнения энергии фибробетонного представительного объема, выраженной через его искомые упругие модули, с суммой энергий компонентов при разных видах напряженного состояния получены простые выражения для начальных значений модуля упругости и коэффициента Пуассона фибробетона, которые содержат только характеристики компонентов фибробетона (никакие вспомогательные параметры при выводе формул не привлекались). При этом выяснилось, что начальные значения модуля упругости и коэффициента Пуассона не зависят от вида напряженного состояния и от соотношения размеров фибр.

Увеличение модуля упругости бетона за счет фибрового армирования, согласно предлагаемой теории, составляет от 3% до 54% при объемном содержании фибр до 8%. При этом фибровое армирование более эффективно для низкомодульных бетонов.

Коэффициент Пуассона при введении фибр в бетон возрастает незначительно (до 10% при максимальной концентрации включений) и для практических расчетов может быть принят равным коэффициенту Пуассона бетона.

3. На основе упрощенной модели работы фибры как стержня, растягиваемого (сжимаемого) постоянными поверхностными касательными напряжениями, распределенными по концевым участкам увеличивающейся с ростом нагрузки длины, получены зависимости модуля упругости от величины и вида приложенного напряжения (или соответствующей ему деформации). В случае линейного напряженного состояния модуль упругости фибробетона при уровне напряжений, близких к разрушающим, практически снижается до модуля упругости бетона. При шаровом напряженном состоянии модуль упругости фибробетона снижается незначительно. В случае чистого сдвига, как оказалось, модуль упругости не зависит от величины напряжения. Отношение /Д/ размеров фибр сказывается характерно: при типичном отношении порядка 100 значения модуля упругости фибробетона всегда близки к начальным (что, очевидно, весьма важно).

4. Главным в работе является вопрос о линейной ползучести фибробетона. Этот вопрос впервые решен путем привлечения принципа Вольтерра, т. е. путем замены упругих характеристик бетона соответствующими реологическими операторами, что обеспечило простоту подхода и возможность использования любых мер ползучести бетона. Получены меры продольной и поперечной ползучести фибробетона с использованием различных теорий ползучести бетона. Предельные деформации ползучести фибробетона оказались на 20-30% (в зависимости от выбранной теории ползучести и исходных данных) меньше соответствующих деформаций бетона. В качественном отношении различия между кривыми ползучести бетона и фибробетона отсутствуют, если не считать небольшого убыстрения затухания процесса ползучести в случае фибробетона. Эти теоретические результаты вполне согласуются с экспериментальными данными.

5. Установлено, что длительный коэффициент Пуассона фибробетона является величиной постоянной и равной мгновенному коэффициенту Пуассона фибробетона. Этот результат открывает возможность применения к фибро-бетонным конструкциям знаменитых теорем Маслова - Арутюняна (усилия, вызванные внешней нагрузкой, не зависят от ползучести, а перемещения в этом случае находятся по простой формуле через упругие перемещения; в случае вынужденных деформаций, напротив, перемещения не зависят от ползучести, а усилия находятся из стандартного интегрального уравнения через упругие усилия).

6. Для демонстрации прикладных возможностей полученных результатов рассмотрены следующие задачи: о чистом изгибе сталефибробетонной балки; об определении прогибов и опорных реакций в статически неопределимых конструкциях с учетом ползучести; о потере напряжений в стержневой арматуре комбинированных сталефибробетонных предварительно напряженных элементов.

7. Проделанная работа открывает перспективы для дальнейших исследований. При этом предполагается, в-частности: рассмотрение различных законов распределения касательных напряжений по поверхности волокна и указание способа вычисления предельного значения этого напряжения с целью получения более точного выражения для модуля упругости фибробетона; учет старения и нелинейного поведения бетона; решение вопроса об обратимости деформаций фибробетона; построение теории длительной прочности фибробетона; решение иных прикладных задач, связанных с упругостью и ползучестью фибробетона.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Смирнов, Дмитрий Александрович, 2011 год

1. Аболинып Д. С. Тензоры упругой податливости и жесткости дисперсно направленно армированных бетонов: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Рига, 1966.- 19 с.

2. Александровский С. В. О разновидностях современной теории ползучести бетона и наследственных функциях, фигурирующих в их уравнениях В кн.: Ползучесть строительных материалов и конструкций - М.: Стройиздат, 1964. - С. 115-134.

3. Амбарцумян С. А. Теория анизотропных пластин. М., 1967.

4. Арончик В. Б. Деформации армирующего волокна произвольной ориентации при одноосном нагружении материала: В кн.: Вопросы строительства. Вып.4. Рига, 1975, с.160-167.

5. Арончик В. Б. Исследование работы армирующего волокна в фибробетоне: Автореф. дис. . канд. техн. наук.- Рига, 1983.- 21 с.

6. Арончик В. Б. Определение модуля упругости дисперсно-армированных материалов с учетом произвольной ориентации и конечной длины армирующих волокон: В кн.: Вопросы строительства. Вып.4. Рига, 1975, с.167-174.

7. Арутюнян Н. X. Некоторые вопросы теории ползучести. M.-JL, 1952. - 323 с.

8. Ашкенази Е. К. Анизотропия механических свойств некоторых стеклопластиков. Л., ЛДНТП, 1961. 64с.

9. Берлин Ал. Ал., Вольфсон С. А., Ошмян В. Г., Ениколопов Н. С. Принципы создания композиционных полимерных материалов. М.: Химия, 1990.- 240 с.

10. Брауне Я. А., Кравинскис В. К. Опытно-теоретическое исследование деформатив-ности и жесткости изгибаемых фибробетонных элементов // Проектирование и оптимизация конструкций инженерных сооружений. Рига: Риж. политехи, ин-т, 1983. - С. 98-104.

11. Брауне Я. А., Кравинскис В. К., Спилва М. О. Определение упругих характеристик деформируемости дисперсно-армированного бетона. В кн.: Проектирование и оптимизация конструкций инженерных сооружений,- Рига. РПИ, 1986, с.87-97.

12. Брауне Я. А., Кравинскис В. К., Филипсонс В. О. Статистический анализ распределения арматуры и прочность сталефибробетона // Проектирование и оптимизация конструкций инженерных сооружений. Рига: Риж. политехи, ин-т, 1982. - С. 89-95.

13. Веселов A.A. Нелинейная теория сцепления арматуры с бетоном и ее приложения: Автореф. дис. . докт. тех. наук. СПб., 2000. - 44с.

14. Веселов А. А. Распределение напряжений в зоне сцепления арматуры с бетоном с учетом пластических деформаций в бетоне. В кн.: Статика и динамика сложных строительных конструкций: Межвуз. темат. сб. тр. JL: ЛИСИ, 1982. - С. 152-160.

15. Веселов A.A., Хамиджанов Н.С. Определение зоны совместной работы арматуры с окружающим бетоном // Совершенствование методов расчета и исследования новых типов железобетонных конструкций: Межвуз. темат. сб. тр. JL: ЛИСИ, 1985. С. 63-66.

16. Волокнистые композиционные материалы. / Под ред. С. 3. Бокштейна. М., «Мир»,1967. 284 с.

17. Завицкис Я. А., Кравинскис В. К. Определение упругих постоянных бетона с хаотически ориентированным дисперсным армированием // Неразрушающие методы испытаний строительных материалов и конструкций. 1974. - Вып. 1. - С. 68-84.

18. Келли А. Высокопрочные материалы / А. Келли, пер. с англ. С. Т. Милейко. М.: Мир, 1976.-261 с.

19. Композиционные материалы волокнистого строения / Ред. И.Н. Францевич, Д.М. Карпинос ; Ин-т проблем материаловедения Ин-т механики. Киев : Наукова думка, 1970. -402 с.

20. Кравинскис В. К. Исследование прочности и деформативности иглобетона при статическом нагружении: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Рига, 1974,- 21 с.

21. Краснов М. Л., Киселев А. И., Макаренко Г. И. Интегральные уравнения. М.: Наука,1968.- 193 с.

22. Кристенсен Р. Введение в механику композитов. М.: Мир, 1982. - 334 с.

23. Курбатов Л.Г., Рабинович Ф.Н. Об эффективности бетонов, армированных стальными фибрами / Бетон и железобетон. 1980. - № 3. - С. 6-7.

24. Лавендел Э. Э., Калинка Ю. А. Взаимодействие полимерной матрицы с армирующими короткими волокнами // Механика полимеров. 1971. №6. - с.1030-1035.

25. Лифшиц Я. Д. Расчет железобетонных конструкций с учетом влияния усадки и ползучести бетона. Киев, 1976. - 280 с.

26. Лысенко Е. Ф., Гетун Г. В. Проектирование сталефибробетонных конструкций. Киев, 1989.

27. Малинин Н. Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1968. - 400 с.

28. Малмейстер А. К., Тамуж В. П., Тетере Г. А. Сопротивление жестких полимерных материалов. Рига: Зинатне, 1972.-498 с.

29. Монокристальные волокна и армированные ими материалы : пер. с англ. / Р. Вагнер, Т. Василос, Э. Вольф и др.; Ред. А. Т. Туманов. М.: Мир, 1973. - 464 с.

30. Мотавкин А. В., Калинка Ю. А., Телешов В. А. О моделировании механических характеристик хаотически армированных стеклопластиков // Механика полимеров. 1974. №1. -с.47-54.

31. Мэттьюз Ф., Ролингс Р. Композитные материалы. Механика и технология. М., 2004.

32. Ольховая JI. И. Прочность и деформативность сталефибробетона и элементов конструкций с его использованием. Автореф. дис. . канд. техн. наук.- М., 1989.- 26 с.

33. Павленко В. И., Арончик В. Б. Свойства фибробетона и перспективы его применения. Аналитический обзор.- ЛатНИИНТИ.- Рига, 1978.- 56 с.

34. Полянин А. Д., Манжиров А. В. Справочник по интегральным уравнениям. М., 2003. - 608 с.

35. Прасолов Е.Я., Сопильняк A.B., Клименко Е.В. Количественная оценка ползучести сталефибробетона. В кн.: Работоспособность строительных материалов при воздействии различных эксплуатационных факторов. Межвузовский сборник.- Казань, 1988. С.52-53.

36. Прокопович И. Е. Влияние длительных процессов на напряженное и деформированное состояния сооружений. М.: Госстройиздат, 1963. 260 с.

37. Прокопович И. Е., Зедгенидзе В. А. Прикладная теория ползучести. М.: Стройиздат, 1980.-240 с.

38. Прокопович И. Е., Улицкий И. И. О теориях ползучести бетонов. Изв. вузов «Строительство и архитектура», 1963, №10.

39. Пухаренко Ю.В. Научные и практические основы формирования структуры и свойств фибробетонов: Автореф. дис. д-ра. техн. наук. СПб., 2005. - 42с.

40. Пухаренко Ю.В. Принципы формирования структуры и прогнозирование прочности фибробетонов // Вестник гражданских инженеров. 2004. - № 1. - С.98-103.

41. Пухаренко Ю. В., Голубев В. Ю. О вязкости разрушения фибробетона // Вестник гражданских инженеров. 2008. - № 3 (16). - С.80-83.

42. Рабинович Ф.Н. Композиты на основе дисперсно армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции. Издательство Ассоциации строительных ВУЗов. М., 2004 -560 с.

43. Рекомендации по проектированию и изготовлению сталефибробетонных конструкций. М.: НИИЖБ, ЛенЗНИИЭП, ЦНИИПромзданий, 1987. - 148 с.

44. Ржаницын А. Р. Теория ползучести. М.: Стройиздат, 1968. 416 с.

45. Романов В.П., Вылегжанин В.П. Прочность фибробетона при растяжении // Исследование пространственных конструкций гражданских зданий: Труды ЛенЗНИИЭП. -Л., 1976.

46. Романов В. П., Вылегжанин В. П. Прочность элементов конструкций из сталефибробетона. Л.: ЛДНТП, 1978. 28 с.

47. Романов В.П., Вылегжанин В.П. Расчет прочности элементов конструкций из фибробетона по методу предельного равновесия // Исследование новых типов пространственных конструкций гражданских зданий и сооружений: Труды ЛенЗНИИЭП. -Л., 1977.

48. Романов В. П., Вылегжанин В. П. Структура армирования фибробетона и ее влияние на предельные значения разрушающих нагрузок // Расчет и проектирование пространственных конструкций гражданских зданий: Труды ЛенЗНИИЭП. Л., 1985. - С. 88-94.

49. Сакварелидзе А. В. Зависимость характеристик ползучести сталефибробетона 28-суточного возраста при постоянных влажности и температуре // Механика композитных материалов. 1986. №3. - С. 440-445.

50. Сидоров В. Н., Акимов П. А., Хегай А. О. Экспериментальные исследования высокопрочного фибробетона и прикладные вопросы численного расчета строительных конструкций // Вестник МГСУ. 2010. №4. - С. 427-435.

51. Скудра А. М., Булаве Ф. Я., Роценс К. А. Ползучесть и статическая усталость армированных пластиков. Рига, 1971.

52. Смирнов Д. А. Линейная ползучесть зрелого фибробетона / Д. А. Смирнов, В. Д. Харлаб // Вестник гражданских инженеров. 2010. - № 4 (25). - С. 56-60.

53. Смирнов Д. А. Расчет сталефибробетонных статически неопределимых конструкций с учетом ползучести / Д. А. Смирнов // Вестник гражданских инженеров. 2011. - № 3 (28). - С.51-54.

54. Смирнов Д. А. Упругость и ползучесть сталефибробетона // Докл. 68-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета / СПбГАСУ. Ч. IV. СПб., 2011. С.137-142.

55. Сопильняк A.B. Напряженно-деформированное состояние изгибаемых железобетонных комбинированно армированных элементов при кратковременном и длительном действии нагрузки: Автореф. дис. . канд. техн. наук.- Киев, 1984.- 19 с.

56. СП 52-104-2006. Сталефибробетонные конструкции / ФГУП «НИЦ «Строительство» Росстроя,- М.: НИИЖБ, 2007.

57. Тарнопольский Ю. М., Кинцис Т. Я. О механизме передачи усилий при деформировании ориентированных стеклопластиков // Механика полимеров. 1965. №1. -с.100-110.

58. Тарнопольский Ю. М., Розе А. В. Особенности расчета деталей из армированных стеклопластиков. Рига, «Зинатне», 1969.

59. Тимошенко С. П., Гере Дж. Механика материалов. М.: Мир, 1976. - 672 с.

60. Фудзии Т., Дзако М. Механика разрушения композиционных материалов. М.: Мир, 1982.-232 с.

61. Харлаб В. Д. Упругость сталефибробетона / В. Д. Харлаб, Д. А. Смирнов // Вестник гражданских инженеров. 2010. - № 3 (24). - С. 77-82.

62. Шепери Р. А. Вязкоупругое поведение композиционных материалов В кн.: Механика композиционных материалов / Ред. Дж. Сендецки. - М.: Мир, 1978. - 567 с.

63. Эйзеншмит P.O. Деформативность изгибаемых сталефибробетонных балок, имеющих фибровое и комбинированное армирование, при длительном действии нагрузки: Автореф. дис. . канд. техн. наук.- Киев, 1984,- 20 с.

64. Эйзеншмит P.O. Прочность и деформативность стареющего и старого сталефибробетона при изгибе. В кн.: Проектирование и оптимизация конструкций инженерных сооружений.- Рига, РПИ, 1988. С.102-105.

65. Эйзеншмит P.O. Экспериментальное исследование деформаций балок из сталефибробетона при длительном изгибе. В кн.: Проектирование и оптимизация конструкций инженерных сооружений.- Рига, РПИ, 1979. С.65-69.

66. Эйзеншмит P.O., Аболинып Д.С. Зависимости для определения деформаций балок из сталефибробетона при длительном изгибе. В кн.: Проектирование и оптимизация конструкций инженерных сооружений.- Рига, РПИ, 1979. С.70-75.

67. Эйзеншмит P.O., Аболинып Д.С. Ползучесть сталефибробетона при изгибе. Известия ВУЗов. Строительство и архитектура, 1979, № 10. С.65-67.

68. Янкелович Ф.Ц., Калнайс А.А. Прогнозирование упругих и прочностных свойств хаотически дисперсно-армированных сред. В кн.: Конструкции и материалы в строительстве. Вопросы строительства. Вып.VI. Рига, 1978, с. 136-143.

69. Mangat P. S., Motamedi Azari М. A theory for the creep of steel fibre reinforced cement matrices under compression // Journal of Materials Science. 1985. - Vol.20. - P. 1119-1133.

70. Patton M. E., Whittaker W. L. Effect of fiber content and damaging load on steel fiber reinforced concrete stiffness // ACI Journal. 1983. - Vol. 80, No. 1. - P. 13-16.

71. Romualdi J. P., Batson G. B. Mechanics of crack arrest in concrete // Journal of Engineering Mechanics. 1963. - Vol. 89. - P. 147-168.

72. Romualdi J. P., Mandel J. A. Tensile strength of concrete affected by uniformly distributed closely spaced short lengths of wire reinforcement // ACI Journal. 1964. - Vol. 61, No. 6. - P. 657-671.

73. Shah S. P., Rangan В. V. Fiber reinforced concrete properties // ACI Journal. 1971. - Vol. 68, No. 2.-P. 126-135.

74. Swamy R.N., Mangat P. S. The onest of cracking and ductility of steel fiber concrete // Cement and concrete research. 1975. - Vol.5. №1 - P. 37-53.