СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ИНДУСТРИАЛЬНЫХ БЕССВАРНЫХ ПЕТЛЕВЫХ СТЫКОВ АРМАТУРЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ГЭС И АЭС ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ

Полный текст

Петлевой стык арматуры железобетонных конструкций представляет собой соединение двух или более стыкуемых арматурных каркасов, путём пересече- ния встречных петель стержневой арматуры, между петлями которых образует- ся бетонное ядро, передающее усилия с одной части элемента на другую или с одного элемента железобетонной конструкции на другой. Петлевой стык, в ко- тором стержневые выпуски переходят из растянутой в сжатую зону элемента, называется петлевым стыком-перепуском (рис. 1). Петлевые стыки различаются по форме очертания ядра, по количеству сты- куемых элементов, по взаимному расположению арматурных петель в железо- бетонной конструкции, а так же по наличию армирования ядра. По форме очер- тания ядра различают стыки с круговым, овальным или прямоугольным (поли- гональным) очертанием. По количеству стыкуемых элементов, петлевой стык может соединять один, два, три или четыре элемента конструкций. При соеди- нении в пределах одного элемента конструкции, например перекрытия, можно выделить линейный петлевой стык (рис. 2). При соединении двух элементов железобетонной конструкции, например, стены и перекрытия, возникает угло- вой петлевой стык (рисунок 3). Многообразие форм и конструкций петлевых стыков обуславливает необходимость создания специальной методики расчета, учитывающей все геометрические и конструктивные особенности петлевых соединений. Бессварной петлевой стык, рассматриваемый в рамках научно- исследовательских работ, проведенных в АО «НИИЭС», отличается от извест- ного с 40-х годов прошлого века стыка конструкции академикаГ. П. Передерия, используемого в основном мостостроении. К основным отличиям можно отне- сти: ? отсутствие армирования ядра стыка и тем более плотно прилегающих шпилек; ? отсутствие требования плотного прилегания встречных петель друг к другу; ? возможное расположение петель «вразбежку» - посередине между ша- гом арматуры; ? возможность применения петлевых выпусков различного напряженного состояния по знаку усилия - одна часть петли растянута, другая - сжата. Также, петлевой стык имеет явные преимущества перед другими видами соединений стержневой арматуры: ? технологичность монтажа арматурных каркасов; ? отсутствие жёстких требований по соосности арматуры; ? высокая усталостная прочность; ? повышенная надёжность анкерующей способности в связи с замкнуто- стью ветвей растянутой и сжатой арматуры по сравнению с прямыми перепус- ками; ? отсутствие концетраторов напряжений; ? отсутствие сварочных напряжений; ? полное отсутствие трудоемких ручных работ, а значит технологичность монтажных работ. Кроме того, петлевой стык может в равной степени использоваться как в пролёте конструкции, так и в угловых соединениях перекрытий со стеновыми конструкциями. Перечисленные особенности позволяют исключить трудоёмкую стыковку арматуры. Использование подобных технологий оптимизации строительства позволяет сократить использование трудовых ресурсов и повысить скорость строительства.Однако, широкое распространение петлевых стыков в строитель- стве ограничивалось из-за отсутствия обобщенной методики расчета, учиты- вающей множество параметров, влияющих на прочность стыка. Ядро петлевого стыка претерпевает сложное пространственное напряженное состояние и зави- сит от значительного числа переменных параметров: диаметра петлевого вы- пуска, «элипсовидности» ядра, диаметра и класса арматуры, шага арматуры, прочности бетона, напряженного состояния петлевых выпусков. Применение петлевых стыков в конструкциях ряда объектов бывшего СССР (таких как Курская АЭС, насосные станции Каршинского магистрально- го канала, фундаменты высоковольтной линии электропередач через Каховское водохранилище, каналы технического водоснабжения ТЭЦ) было обосновано эмпирическим путем. Составление методики расчета петлевых стыков на основе применения ста- тистического подхода являлось крайне затруднительным из-за необходимости испытаний значительного числа физическихмоделей со многими переменными параметрами. Число подобных моделей при планировании экспериментов со- ставляло бы более 1000 образцов. Подобным методом было проведено исследо- вание в Национальном университете Сингапура [8]. В итоге был принят другой путь исследований, заключающийся в разра- ботке аналитической методики с использованием приемов сопротивления мате- риалов и теории железобетона с последующей апробацией и корректировкой на основе испытаний крупномасштабных моделей. В ходе исследований железобетонных конструкций с петлевыми стыками была разработана методика расчета петлевых стыков по первой и второй группе предельных состояний. На основе анализа совместной работы арматуры и бе- тонного ядра петлевого стыка, был получен ряд зависимостей, позволяющих оценить прочность конструкций с петлевыми стыками. Надежность разработанной конструкции петлевых стыков обосновывается недопущением наступления предельных состояний: первой группы - по несу- щей способности; второй группы - по ограничению раскрытия магистральных трещин от воздействия расчетных сочетаний нагрузок. Расчеты петлевых стыков на действие изгибающих моментов, продольных и поперечных сил, крутящих моментов проводятся по предельным состояниям, включающим: ? первую группу предельных состояний, превышение допустимых значений которой ведёт к потере несущей способности и к полной непригодности к эксплуатации конструкций с петлевыми стыками; ? вторую группу предельных состояний, превышение допустимых значенийкоторой нарушает нормальную эксплуатацию конструкций с петлевыми стыками или исчерпывает ресурс их долговечности по сравнению с предусматриваемым сроком службы. Конструкции с петлевыми стыками рассчитываются на действие поперечных сил как монолитные конструкции (без стыков) в соответствии с требованиями нормативных документов[1-2] Расчет петлевых стыков по предельным состояниям предусматривает опре- деление прочности бетонного ядра петлевого стыка и ширины раскрытия тре- щин. Деформации, прогибы железобетонных конструкций с петлевыми стыками определяются как для монолитных железобетонных конструкций. Расчеты по предельным состояниям первой группы следует производить из условия, по которому усилия в петлевых стыках от различных нагрузок и воз- действий с учетом начального напряженного состояния (температурные и дру- гие воздействия) не должны превышать соответствующих предельно допусти- мых значений, превышение которых ведёт к потере несущей способности кон- струкций с петлевыми стыками. Принято следующее условие прочности по первому предельному состоя- нию (по несущей способности): напряжения в бетоне ядра не должны превос- ходить расчетных сопротивлений при сжатии и при растяжении от действия усилий, равных произведению площади сечения арматуры на ее расчетное со- противление: где несущая способность ядра петлевого стыка; усилие в одном арматурном стержне. Направления усилий и схемы магистральных трещин обозначены ломаны- ми линиями на рисунках 2 и3 в зависимости от конструкции. а) б) а) тип Л-1 - петлевой стык с двумя рядами арматуры у растянутой грани;б) тип Л-2 - петлевой стык-перепуск с одним рядом арматурных сеток у растянутой и сжатой грани Рис.2. Схемы передачи усилий и положения магистральных трещин в линейных петлевых стыках а) б) а) тип У-1 - угловой стык с растянутой внутренней гранью; б) тип У-2 - угловой стык со сжатой внутренней гранью. Рис.3. Схемы передачи усилий и положения магистральных трещин в угловых петлевых стыках Ввиду многообразия типов петлевых стыков, их расположения в конструк- циях, а также действующих нагрузок, можно выделить четыре возможные фор- мы наступления предельного состояния и разрушения: А - Раскалывание ядра под петлями; Б - Срез ядра по наклонным сечениям, соединяющим встречные петли; В - Сдвиг ядра от кручения; Г - Потеря анкерующей способности петлевых выпусков с образованием шарнира. В результате расчетов по указанным формам разрушения, параметры стыка принимаются по наименьшей несущей способности. А) Предельное состояние при раскалывании - форма разрушения «А». Методика расчета основывается на численном анализе локального (под петлевыми выпусками) поля напряжений при различных соотношениях шага петель к диаметру ядра. (см. рисунок 4). Рис.4. Схема усилий и характер трещинообразования при раскалывании ядра пет- левого стыка под петлями (ломаными линиями обозначены возникающие трещины) Расчет на раскалывание бетона под петлями производится из условия: Несущая способность ядра петлевого стыка определяется по формуле: где расстояние между стержнями арматуры в зоне стыка; длина горизонтальной прямой вставки; площадь ядра петлевого стыка, определяемая по формуле: где длина вертикальной прямой вставки; коэффициент, учитываю- щий повышение прочности ядра в зависимости от его армирования: ? в стыке типа Л1: где площадь сечения одного стержня рабочей арматуры; площадь сечения всех стержней, армирующих ядро; ? в стыке-перепуске типа Л2 и угловых стыках-перепусках типа У1 и У2: Б) Предельное состояние от среза ядра по наклонным сечениям, соеди- няющим встречные петли - форма разрушения «Б». В основе методики используется теория прочности Мора. Методика апро- бирована на результатах испытаний методической серии моделей с различным шагом арматуры, выполненных в НИСеГидропроекта. Схема усилий и характер трещинообразования при срезе по наклонным сечениям показан на рис.5. Рис.5. Схема усилий и характер трещинообразования при срезе по наклонным се- чениям (ломаными линиями обозначены возникающие трещины) Расчет петлевых стыков при срезе по наклонным сечениям производят из условия: где: коэффициент, учитывающий особенности распределения напряжений по сечению ядра стыка: ? для стыка типа Л1: ? в стыке-перепуске типа Л2: ? в угловых стыках-перепусках типа У1 и У2: ; угол среза, определяемый по формуле: площадь наклонного сечения, определяемая по формуле: где площадь ядра петлевого стыка, определяемая по формуле; средние значения нормальных напряжений в наклонном сечении: где средние значения касательных напряжений в наклонном сечении: В) Предельное состояние от действия кручения - Форма разрушения «В». Максимальные касательные напряжения в ядре от кручения возникают по его контуру и не суммируются с максимальными касательными напряжениями, возникающими в средней части наклонного сечения при рассмотрении напря- женного состояния многопролетной «балки». Структура разработанной форму- лы учитывает зависимость крутящего момента от упруго-пластичного полярно- го момента сопротивления и максимальных касательных напряжений по [3] и [4].Методика распространяется на конструкции, испытывающие динамические воздействия (ударная волна, сейсмическая нагрузка) и претерпевающие попе- ременное растяжение на противоположных гранях. Расчет на кручение производят из условия: где диаметр эквивалентного кругового ядра, определяемый по формуле: требуемый диаметр петлевого стыка, определяемый по формуле: где - для линейного стыка-перепуска; - для углового стыка- перепуска. Г) Предельное состояние от потери анкерующей способности петель - форма разрушения «Г» В основе методики лежит условие равновесия арматурного стержня, со- стоящего из прямолинейных и криволинейных участков. В методике использу- ется прочность сцепления криволинейного анкера с бетоном, полученная в ре- зультате обработки и анализа разрушающих усилий при испытаниях балок с петлевыми круговыми перепусками. Расчет при потере анкерующей способности производится из условия: Требуемый диаметр ядра петлевого стыка определется по формуле: где среднее сопротивление сцепления арматуры с бетоном по криво- линейному анкеру, определяемое по формуле: где коэффициент, учитывающий влияние диаметров петли и арматуры и определяемый по формуле: Если требуется определение длины прямой вставки из зависимо- сти: где коэффициент, учитывающий влияние вида поверхности арматуры, оп- ределяемый по [1, c 115]. В полигональных (прямоугольных) стыках в прямую вставку включают- ся все прямолинейные участки горизонтального и вертикального направления: . Расчеты петлевых стыков по предельным состояниям второй группы включают: ? расчеты по образованию трещин, которые следует производить как для монолитных конструкций по нормативным документам[1c.78, 2c.46] для проверки необходимости учета трещин при расчете по деформациям; ? расчеты по раскрытию трещин, которые необходимо выполнять из условия, по которому ширина раскрытия трещин в стыке от различных нагрузок и воздействий не должна превышать предельно допустимых значений.Максимально допустимые значения раскрытия трещин устанавливаютсяисходя из требований, предъявляемых к конструкции в зависимости от условий ее эксплуатации, воздействия окружающей среды и характеристик материалов с учетом особенностей коррозионного поведения арматуры и бетона; ? расчеты по деформациям, которые следует выполнять как для моно- литных конструкций по нормативным документам [1, c.85;2, c.51] из условия, по которому перемещения и амплитуды колебаний конструкций от различных нагрузок и воздействий не должны превышать соответствующих предельно допустимых значений, при превышении которых нарушается нормальная эксплуатация конструкций или исчерпывается ресурс их долговечности. Раскрытие магистральной трещины в сечении по контуру ядра определяет- ся деформацией растянутой арматуры и деформацией бетонного ядра и сумми- руется из трех составляющих: ? деформации арматуры вне ядра; ? деформации арматуры в зоне прямой вставки; ? деформации ядра. Для угловых и линейных стыков ширина раскрытия трещины определяется формуле: где напряжение в растянутой арматуре в сечении с трещиной сразу по- сле образования нормальных трещин [1c. 85]; коэффициент, учитывающий неравномерное распределение относитель- ных деформаций растянутой арматуры между трещинами [1, c. 85]; коэффициент, учитывающий неравномерное распределение относитель- ных деформаций растянутой арматуры между трещинами в зоне прямой встав- ки с двойным армированием [1, c. 85]; модуль деформаций бетона при длительном действии нагрузки[1, c. 24]; напряжение в арматуре в начале криволинейного участка петлевого вы- пуска, определяемое по формуле: где длина анкеровки арматуры, определяемая по [1, c. 115]. В ходе дальнейших исследований были проведены испытания 24-х круп- номасштабных железобетонных моделей линейных и угловых петлевых стыков. Испытания проводились на различные виды воздействий: действие изгибающе- го момента, действие поперечной силы, температурные и динамические воздей- ствия. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили коррект- ность разработанной методики и позволили включить в зависимости методики ряд эмпирических коэффициентов.При планировании и проведении экспери- ментальных исследований был учтен опыт физического моделирования массив- ных железобетонных конструкций энергетических сооружений, в том числе, имеющих несущие элементы из листовой стали [5-8].

Об авторах

ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ КЛИМОВ

АО «НИИЭС»

Email: klimzero@mail.ru
аспирант, инженер 125362 г. Москва, Строительный проезд 7А

ВАЛЕРИЙ БОРИСОВИЧ НИКОЛАЕВ

АО «Атомэнергопроект»

Email: valernik@inbox.ru
д.т.н., профессор 105005 г. Москва, ул. Бакунинская, д.7 стр. 1

Список литературы