Напряженно-деформированное состояние трубобетонной колонны в зависимости от способа приложения нагрузки



Рассмотрены разные способы приложения нагрузки на трубобетонные колонны: на все сечение целиком и на бетонное ядро. Выполнен обзор литературы по данному вопросу, а также выполнен расчет на основе конечно-элементной модели в Ansys Workbench. Сделан вывод о том, что способ передачи нагрузки на все сечение является наиболее эффективным.

Ключевые слова: трубобетон, трубобетонные колонны, способ передачи нагрузки на трубобетон, эффект обоймы, способ нагружения

Целями современного строительства является снижение стоимости строительства, уменьшение веса конструкций, экономия стали, снижение трудозатрат, а также увеличение несущей способности конструкций.

Трубобетонные колонны (ТБК) обладают высокой несущей способностью, по сравнению с железобетонными колоннами. Их применение позволяет уменьшить сечение колонн, снизить затраты на опалубочные работы и снизить сроки строительства.

Теоретическое определение напряжений в бетоне и трубе ТБК представляет сложную задачу. Несмотря на множество экспериментальных исследований, до сих пор нет единого мнения как прикладывать нагрузку на трубобетонные колонны: на все сечение целиком или только на бетонное ядро.

В. А. Росновский [1] считает, что бетон, заключенный в трубчатую обойму способен достигать предельных напряжений, соответствующих состоянию текучести бетона благодаря тому, что стальная оболочка воспринимает на себя растягивающие и скалывающие напряжения, которые возникают в бетоне под влиянием осевой нагрузки. Также Росновский считает, что оболочка работает на сжатие как продольная арматура, а ее работа в поперечном направлении незначительна. В экспериментальных исследованиях Росновского было испытано более 300 трубобетонных образцов различной длины, диаметра и толщины оболочки. В основном испытания проводились с образцами, у которых торец затирался заподлицо со стенкой трубы, а также испытывались образцы без тщательной обработки и образцы, в которых бетон выступал за края труб. Было выяснено, что прочность образцов особо не отличались. Эти же результаты были получены в испытании опытной ферме из трубобетонных элементов. Поэтому был сделан вывод, что нет необходимости в точной пригонке торцов стыкуемых труб.

В. Ф. Маренин [2] проводил испытания с трубобетонными образцами, часть которых имела ненарушенное сцепление бетона с трубой (давление от пресса передавалось на все сечение образца) и часть образцов была с нарушенным сцеплением (нагрузка передавалась только на бетон через стальные диски, внутренняя поверхность труб была смазана машинным маслом перед заливкой бетона). Все образцы имели диаметр 300 мм и длину 1200 мм. В результате эксперимента, Маренин выяснил, что приложение нагрузки на бетон приводит к повышению нагрузки на 10–11 %, но при этом предельная деформативность образцов с нарушенным сцеплением и передачей давления на бетон значительно выше, чем у образцов с нагрузкой на все сечение. Поэтому хоть способ передачи нагрузки на бетон и дает прочностной эффект, но из-за ухудшения деформативных свойств бетона предпочтительнее передавать нагрузку на все сечение ТБК.

Стороженко в своей книге [3] описывает результаты испытаний более 300 трубобетонных образцов. Конструкции, к которым была приложена нагрузка на все сечение или только на бетон, показали примерно одинаковую несущую способность, а при загружении только трубы образца несущая способность оказалась ниже на 36 %.

Работу трубобетонных конструкций в последнее время интенсивно изучал А. Л. Кришан [4]. При сравнении способов передачи нагрузки на колонну Кришан выделил 4 основных способа: на все сечение, на бетон, на сталь и на бетон со смазкой поверхности контакта бетона и стали. Он пришел к выводу, что первые два варианта незначительно отличаются, но передача на все сечение является более эффективной и простой для реализации. У 3-го варианта несущая способность значительно ниже и почти не отличается от несущей способности стальной трубы, которая не заполнена бетоном. 4-й вариант требует применения специальных составов для устранения трения и дополнительных трудозатрат.

В статье Бакевича А. М. и Ваучского М. Н. [5] отмечается, что главным недостатком ТБК является отслоение оболочки. Отставание оболочки происходит из-за того, что коэффициент Пуассона у металла и бетона различный, и при нагружении труба стремится расшириться больше, чем ядро. Поэтому, как утверждают авторы статьи, если прикладывать нагрузку исключительно на бетонное ядро, то можно исключить процесс отслоения оболочки из работы ТБК. Были проведены испытания образцов, к которым нагрузка была приложена на все сечение целиком и только на ядро через прокладочную пластину. В результате оказалось, что во втором случае несущая способность образца была 29 % выше.

Huang F., Yu X., Chen B. [6] провели экспериментальное сравнительное исследование в общей сложности восемнадцати коротких, средних и длинных круглых колонн ТБК, подвергнутых различным схемам осевой нагрузки. Нагрузки были приложены ко всему сечению, только к бетонному сердечнику, только к стальной трубе или ко всему сечению с двумя различными коэффициентами предварительной нагрузки. В результате получилось, что в коротких колоннах возникал эффект обоймы, и при приложении нагрузки к бетонному сердечнику несущая способность немного увеличивалась, но при этом бетонное ядро деформировалось больше, чем в случае приложении нагрузки на все сечение. Для средних и длинных колонн эффект обоймы был значительно слабее, гораздо больше влиял эффект гибкости. Из-за высокого коэффициента гибкости ТБК разрушалась вследствие общей потери устойчивости, при этом колонны были гораздо эффективнее, если нагрузка была равномерно распределена по бетонному сердечнику и окружающим его стальной трубе.

На сегодняшний день по расчету трубобетонных конструкций существует свод правил СП 266.1325800.2016 «Конструкции сталежелезобетонные. Правила проектирования» [7]. В данном своде правил сказано, что передача нагрузки от других конструкций должна равномерно распределяться между трубой и бетоном. В европейских нормах [8] есть обязательные требования к опорному узлу с постановкой анкеров, при котором осуществляется равномерное перераспределите усилий между ядром и оболочкой. Передача нагрузки на колонну без установки анкеров допускается лишь в том случае, когда используется специальный оголовок колонны, который равномерно передает нагрузку как на стальную трубу, так и на бетонное ядро.

Таким образом, необходимо выяснить как от способа передачи нагрузки на трубобетонную конструкцию зависит ее предельная несущая способность.

Рассмотрим 2 способа передачи нагрузки на ТБК:

— нагрузка передается на все сечение элемента (рисунок 1, а);

— нагрузка передается только на бетонное ядро, а роль оболочки сводится к созданию реактивного бокового давления на ядро (рисунок 1,б).

Рис. 1. Схемы передачи усилия на ТБК: а) на все сечение; б) на бетон

В Ansys Workbench были созданы расчетные модели трубобетонных колонн диаметром 159 мм и длиной 1 м с различными вариантами загружения. Загружение задавалось в виде заданного перемещения на верхний торец колонны. Нижний торец колонны был закреплен от смещения. Также учитывался собственный вес. Материал бетонного ядра был задан в программном комплексе в модели Друкера-Прагера с экспоненциальным упрочнение-разупрочнением, а для описания нелинейного поведения стали была применена модель с изотропным упрочнением и билинейная диаграмма зависимости напряжений от деформаций с изгибом на пределе прочности.

Полученные распределения суммарных эквивалентных деформаций показаны на рисунках 2, 3.

а) б)

Рис. 2. Распределение суммарных эквивалентных деформаций в бетонном ядре: а) нагрузка на все сечение; б) нагрузка на бетонное ядро

а) б)

Рис. 3. Распределение суммарных эквивалентных деформаций в стальной оболочке: а) нагрузка на все сечение; б) нагрузка на бетонное ядро

Графики зависимости деформаций от нагрузки представлены на рисунках 4, 5.

Рис. 4. График зависимости деформаций от нагрузки при приложении нагрузки на все сечение

Рис. 5. График зависимости деформаций от нагрузки при приложении нагрузки только на бетон

Несущая способность ТБК при приложении нагрузки на все сечение:

Несущая способность ТБК при приложении нагрузки на бетон:

Таким образом, приложение нагрузки только на бетон снижает несущую способность на 9,3 %.

Также были проведены исследования влияние способа приложения нагрузки на трубобетонные колонн диаметром 108 мм и толщиной оболочки 5мм разной гибкости. Результаты расчетов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты расчета ТБК 108х5

№ п/п			На все сечение		На бетон
1	560	20	373,73	0,00282	363,8	0,006727
2	1120	40	373,57	0,00289	359,84	0,004835
3	1640	60	373,4	0,00306	350,78	0,01548
4	2200	80	373,3	0,002857	350,77	0,012839

— предельная нагрузка;

— относительные деформации в момент разрушения.

В результате получается, что с увеличением гибкости несущая способность колонны снижается.

Для коротких колонн (

) несущая способность образцов, у которых нагрузка приложена только на бетон примерно одинаковая по сравнению с образцами, у которых нагрузка на все сечение (разница 2 %). Следовательно, при передаче нагрузки на бетон, оболочка включается в работу ТБК за счет сил сцепления и работает в поперечном направлении.

Для средних и длинных колонн ( ) предельная нагрузка при приложении на бетон ниже на 6 %. Получается, что для таких колонн труба работает как в продольном, так и в поперечном направлении, но эффект обоймы ниже, чем у коротких образцов. Это происходит из-за того, что колонна начинает терять устойчивость и эффект обоймы не успевает проявиться в полной мере.

Также следует отметить, что при приложении нагрузки на бетон образцы становятся более деформативны. Так для коротких образцов относительные деформации при нагрузке на бетон выше в 2,4 раза, а для длинных — в 4,5 раза.

По полученным результатам анализа напряженно-деформированного состояния трубобетонной колонны можно сделать вывод, что независимо от способа приложения нагрузки оболочка работает совместно с бетонным ядром на всех стадиях работы. При нагрузках близким к предельным труба сдерживает деформации бетона в поперечном направлении и в бетонном ядре возникает эффект обоймы. Благодаря этому несущая способность ТБК выше, чем несущая способность железобетонных колонн.

Приложение нагрузки исключительно на бетон не улучшает работу ТБК, а наоборот приводит к снижению несущей способности. И чем выше гибкость колонны, тем больше разница в значениях предельной нагрузки.

Таким образом, способ передачи нагрузки на все сечение является наиболее эффективным и простым в реализации.

Литература:

1. Росновский В. А. Трубобетон в мостостроении. М., Трансжелдориздат, 1963, 109 с.
2. Маренин В. Ф. Исследование прочности стальных труб, заполненных бетоном при осевом сжатии: дис. канд. техн. наук. М., 1959. 291 с.
3. Стороженко Л. И., Плахотный П. И., Черный А. Я. Расчет трубобетонных конструкций. К.:Будивэльнык, 1991, 120с.
4. Кришан А. Л., Римшин В. И., Астафьева М. А. Сжатые трубобетонные элементы. Теория и практика: монография. М.: Издательство АСВ, 2020, 322с.
5. Ваучский М. Н., Бакевич А. М. Исследование эффекта обоймы несущих колонн // Жилищное строительство. 2016. № 12. С. 22–25.
6. Huang F., Yu X., Chen B. The structural performance of axially loaded CFST columns under various loading conditions // Steel and Composite Structures. — 2012. — Vol. 13, No. 5. — Pp. 451–471.
7. СП 266.1325800.2016 «Конструкции сталежелезобетонные. Правила проектирования» (с Изменениями № 1,2,3, с Поправками). [Электронный ресурс]. ИС «Техэксперт» (дата обращения 01.02.2022).
8. Eurocode 4. Design of composite steel and concrete structures / Part 1–1. General rules and rules for buildings. EN 1994–1-1:2004 (E). — 118 c.