
книги из ГПНТБ / Мустафаев, А. А. Вопросы расчета зданий и сооружений на просадочных грунтах учебное пособие
.pdfДля наглядности решим |
рассматриваемую задачу |
в от |
|
дельных приближениях. |
|
|
|
1. |
Первое приближение. В нервом приближении |
реакт |
|
ное давление согласно (III. |
18) будет иметь вид |
|
|
|
р(х) = а0 |
|
|
Из условия равновесия (III. |
7) имеем: |
|
|
|
J1p ( r \ ) d r \ = qol. |
|
|
|
о |
|
|
Откуда |
находим a0= q 0. Тогда реактивное давление опреде |
лится значением p(x)=q0.
Как видно, в первом приближении метод убывающей функ ции дает результат, совпадающий с моделью Фусса-Вннклера.
Очевидно, при постоянно реактивном давлении |
изгибающим |
||||||||||||
момент и перерезывающая |
сила по всей длине балки |
будут |
|||||||||||
равняться нулю, |
т. с. балка |
нс будет изгибаться. |
|
|
|
||||||||
2. |
Второе |
приближение. |
Реактивное |
давление, |
соглас |
||||||||
(III. 18) |
определится функцией: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
р ( х ) = а 0+ а2 (х—1 /2 ) 2 |
|
|
|
|
||||||
Для |
составления |
канонического |
|
уравнения |
(III. |
1C), по |
|||||||
формулам |
(III. |
13) вычислим |
функции |
f\ |
(х). |
При |
этом |
||||||
имеем: |
|
|
|
|
|
|
XX' XX |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|||
Л ( Х ) |
= С |
е - ™ \ |
* - W / 7 J + |
|
|
|
dxdxdxdx = |
|
|||||
EJо |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
IJ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
О |
|
|
|
|
0 |
0 0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
= — [2 — е ~ тх — ет <х- ,>] |
|
х 1 |
|
|
|
||||||
|
|
----------- |
|
|
|
||||||||
|
|
т |
|
|
|
|
|
|
24ДД |
|
|
|
|
[2(х) = |
с 1 (-1) — Г 2 )-е~тIх _’i I drp |
|
1 |
|
d x d x i |
i (х — |
|||||||
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Д/о о о |
о |
о |
|
||
— //2)2 dxdx — с I (•/) — /,'2)2е mIх - ч \ d-r\ + с 1 (р — |
|||||||||||||
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
- |
/ 2)2 |
I х-т | d-q |
(х - |
//2)6 |
|
|
|
||||
|
|
|
360£/о |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Производя в последнем выражении дважды интегрирование по частям, получаем:
110
M x ) = c \ 2 |
( x - l / - 2 y - - - f - ( e - |
gm(X —1))---- _ g-шх _j_ |
|
т |
Am |
|
m2 |
f gm(I - I )) |
_2 (2 — e - mx gnl(x - I)) |
(x - l 2)G |
|
|
m3 |
|
360£/o |
Равенство (III. 12) в рассматриваемом случае примет вид:
aof'o (х) + a2f2 (х) = у0(х) +Ф (х)
Ввиду симметричного загружения балки, для построения эпюр можно ограничиться одной ее половиной.
Поэтому приравнивание деформации балки и осадки ее осно вания будем производить в двух точках х = 0 и х = Ц2. Тогда для определения неизвестных коэффициентов а0, а2 можно со ставить систему уравнений:
Яо/о(0) Ч- <^2^2(0) =Уо(0) + Ф (0); |
|
a0fo(ll2 )+ a 2f2 (l/2 )=yo(l/2 ) + 0 (l/2 ). |
(III. 19) |
Примем следующие значения для величин: £70=ЮО кг/см2;
/=400 см, с= 0,000182 м3/т; ш = 8,88 м-1, ^0=3,221 т/м.
При принятых значениях расчетных величин система урав нений (III. 19) примет вид:
0,00002068а0+0,00185165а2= у 0\
0,00670803ао+0,000001 07g2= у0+2 0о+О,О2147.
Решая последнюю систему уравнений относительно неизвест ных коэффициентов, получаем:
а0= 149уо+298,1723 00+3,2012;
а2 = 538,433г/0—3,33010О—0,0035748.
Реактивное давление определится функцией
р(х) = 149^о+298,17230о+3,2012+ |
|
+ (538,433г/0—3,330100—0,0035748) (х—2)2 |
(т/м). |
Для определения |
неизвестных начальных |
параметров у0 и |
0о составляем следующие два уравнения. |
|
|
Из условия (III. |
7) |
|
|
А |
|
|
J Pb])dr\ = q0l, |
|
получим: |
о |
|
|
(III. 20) |
|
866,7212^0+293,732300 = 0,06746 |
111
Второе уравнение составляем из условия симметричного изги ба балки, т. е. у'(1/2)= 0 . Уравнение изогнутой оси балки имеет вид:
у ( х ) = у 0+Вох+ |
Я 991 |
х* |
л"1—(149^0+298,17230о+3,2012) —----- |
||
|
2400 |
2400 |
—(538,433^0—3,33010о—0,35748) ~ |
. |
|
|
36000 |
|
Откуда условие у ' {2 )= 0 дает дополнительное |
уравнение в |
|
виде: |
|
|
|
1,9867г/0+2,9756300=0,00026. |
(III. 21) |
Решая (III. 20) и (III. 21) совместно, для неизвестных началь ных параметров находим значение г/0 = 0,0000623; 0О= = 0,0000457. Тогда реактивное давление во втором приближе нии определится функцией
|
р (х) = 3,224—0,0024 (х—2)2 |
(т/м). |
|
Изгибающий момент и перерезывающая сила определятся |
|||
следующими выражениями: |
|
|
|
|
X |
|
|
М(х) = — ^ ~ + j* (A '-rl)[ 3,224—0,0024 (л—2)2№ |
= |
||
|
О |
|
|
|
= —0,0033 х2-(-0,0016х3—0,0002а:4 |
( т м ) ; |
|
|
X |
|
|
|
Q(x) = q0x— \ [3,224—0,0024 (л— |
= |
|
|
о |
|
|
|
= —0,0066х+0,0048*2—0,0008х3 |
(г). |
|
3. |
Третье приближение. Реактивное |
давление, |
согла |
(III. 18), представится в виде: |
|
|
|
|
р ( х )= а0+ а2 (х—1 / 2 ) 2+а^ (х—1/2 ) 4. |
|
|
Канонические уравнения задачи примут вид: |
|
|
|
|
a o f o o ( x ) + ^ 2 / 2 0 ( х ) - \ ~ а 4 4 о ( х ) — У о о ( х ) + Ф о ( + ) ; |
|
|
|
Gofoi (х) +a2f2l (х) + a + i (х) = y0i (х) + Ф )(+ ; |
|
|
|
aofo2 (х) -±-a2f2 2 (х) + f i + 2 ( + = У02 (х) + Ф г (х). |
|
Подставляя вычисленные значения f|К('О 1УOK(-'-)1 (•*") (i} К ■ =0, 2, 4), последнюю систему уравнений представим в виде:
21 ■10-6аа+185- 10-5а2+ 1 8 -10~*а4 = у0;
112
4610~5a0+ 7 - I 0 - s«2+ 1 3 - 1 0 - F^ = (/o+e0+ 1 4 - iO"4;
67- 1 0 -"flc-I-1 0 - 6fl2+ 2 - 1О-7й4=/Уо+ 2 0 о+ 2 2 - 10 - 3.
Решая последнюю систему относительно неизвестных коэффи
циентов йо, |
«2, fl.i, |
получаем для них следующие |
выражения: |
|
|
а0= 147,3^0+296,700+3,28; |
|
|
а2= |
16332.27J/0+15246,8200— 1,943; |
|
|
а^= — 16232,110о— 15673,710a— 1,958. |
|
|
Тогда реактивное давление определится функцией |
|
||
р(х) = |
(147,300 + 296,700 + 3,28) + (16332,270о+ |
15246,820— |
|
— 1,943) |
(*—2 )2— (16232,110о+15673,710о+1,958) (х— 2)* |
||
|
|
|
(т/м). |
Неизвестные начальные параметры, входящие в последнее выражение, определяются так же, как и во втором приближе нии, из условия равновесия (III. 7), а также симметричного изгиба балки, т. е. у'(1/2)=0. Эти два условия приводят к системе уравнений:
30024,53600+29535,1610О=3,735;
147,30о+221,700= —0,059.
Откуда имеем: 0О= 0,001115; 0о=О,001006.
Реактивное давление окончательно определится выражением:
р(х) =3,1456+0,91285 (х—2)2—0,35682(*—2 )4 (т/м).
Для изгибающих моментов и перерезывающих сил имеем:
/VI (х) = —0,45616+0,1507х— 0,0377х2-|-0,07607 (х—2 )4— —0,01189 („V—2 )6;
< 300= 0 ,1 5 0 7 —0,0754*+ +0,30428 (х—2 )3—0,07136 (*— 2 )5.
И З
На рис. III. 7 по найденным выражениям приближений построены эпюры реактивного давления, изгибающих момен тов и перерезывающих сил.
Рис. III. 7
Применение метода убывающей функции к теории расчета балок на сплошном упругом основании подробно освещено в кандидатской диссертации моего аспиранта Б. Г. Исмайлова.
114
Г л а в а I V
РАСЧЕТ СТЕН КРУПНОПАНЕЛЬНЫХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ НА ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТАХ
§ 1. Основные исходные предпосылки метода расчета
Основным направлением дальнейшей индустриализации массового жилищного строительства в нашей стране, как и в прошлые годы, остается крупнопанельное домостроение, кото рое в полной мере отвечает выполнению основных задач по сокращению сроков и трудоемкости строительства и сниже нию его стоимости. Большой объем крупнопанельного домост роения осуществляется в районах распространения лессовых просадочиых грунтов. В этих условиях, вследствие случайного замачивания основания зданий получают большие и к тому же неравномерные дополнительные деформации. Поэтому, обладая высокой пространственной жесткостью, крупнопа нельные здания при просадке их оснований получают боль шие дополнительные усилия, приводящие часто к недопусти мым их повреждениям и даже к разрушениям.
Ввиду различия причин замачивания оснований и харак тера увлажнения при этом грунта, при проектировании не представляется возможным заранее прогнозировать, когда и где могут появиться повреждения несущих конструкций крупнопанельных зданий вследствие просадки грунтов в их основании.
Поэтому каждое здание, возводимое на просадочиых грун тах, должно проектироваться с учетом возможного замачива ния грунтов их оснований.
В строгой постановке крупнопанельные здания должны рассчитываться с учетом пространственного напряженного состояния конструкций, что представляет весьма сложную инженерную задачу. Точное решение этой задачи без введе ния упрощающих положений на данном этапе, по-видимому, невозможно.
Учитывая, что продольные стены крупнопанельных зданий обычно не имеют надежной связи друг с другом, а попереч ные стены состоят из отдельных панелей, часто не связанных между собой и разрезанных на всю высоту этажа дверными проемами, существующими методами расчета пространствен ная коробка здания расчленяется на отдельные плоские эле менты (продольные стены) и деформации этих стен при не равномерных осадках основания рассматриваются независимо друг от друга.
115
Таким образом, расчет коробки здания, в конечном счете сводится к расчету отдельных плоскостных стен н определе пню сил взаимодействия с основанием и между собой. При этом на основании принятых упрощающих задачу предполо жений, расчет продольных стен зданий производится как бал ка, лежащая на сплошном упругом основании, с переменными коэффициентами жесткости. В ряде работ [91, 92, 93, 94 и др.] установлено, что такой подход к решению поставленной за дачи не приводит к существенным отличиям от результатов более точного расчета. В этих условиях решающим фактором расчета является выбор наиболее обоснованной модели грун товой среды.
Несмотря на значительный обьем крупнопанельного стро ительства на просадочных грунтах, модель «основание—зда ние», учитывающая все особенности взаимодействия увлаж няемого просадочного грунта и изгибаемого гибкого здания, до настоящего времени окончательно не разработана.
Значительную роль в этом направлении сыграли расчетные модели, предложенные ПромстройННПпроектом, Укргорстройпроектом (Харьков), ЦНИИСКом им. Кучеренко и др. проект ными и научно-исследовательскими организациями.
Следует отметить также, что поскольку в настоящее вре мя расчет оснований зданий и сооружений производится по второму предельному состоянию, то возникает необходимость установить для крупнопанельных зданий, возводимых па про садочных грунтах, значение предельно допустимых деформа ций их оснований. Эти деформации, вообще говоря, могут быть определены расчетным путем, учитывая совместную ра боту основания и конструкции сооружения, влияние конструк ции и ее жесткости на величину деформации основания и влия ние, в свою очередь, последней на перераспределение напря жений и изменение деформаций элементов сооружений. Одна ко, до сих пор принципы подобных расчетов пока еще не раз работаны, и поэтому наиболее надежным путем определения допустимых деформаций пока является наблюдение и изуче ние в натуре деформаций зданий с учетом условий их эксплуа тации и состояния конструкций.
За последнее время в нашей стране в этом направлении были проведены большие и полезные исследования. Ведущее место в них принадлежит лаборатории по строительству на просадочных грунтах НИИ оснований и подземных сооруже ний Госстроя СССР, ведущей натурные испытания крупно панельных домов на просадочных грунтах [95, 96, 97].
116
В 1961—1963 гг. в Украинской ССР под руководством Н. М. Литвинова [99] при участии НИИ оснований и подземных сооружений, а также проектных и строительных организаций названной республики, были проведены натурные испытания крупнопанельных домов разных типовых серий (1-464, 1-480) в различных конструктивных вариантах, построенных на просадочных грунтах в разных районах УССР с целью выявления закономерностей совместной работы крупнопанельного дома жесткой схемы и основания при искусственном замачивании грунта.
Результаты проведенных натурных испытаний крупнопа нельных зданий показывают, что деформации их, вызванные просадкой грунта основания, как правило, сопровождаются искривлением, выпучиванием стен и появлением в них трещин, кренами других конструкций, сдвигом междуэтажных пере крытий по опорным площадкам, нарушением целостности ин женерных коммуникаций и т. п.
Характер деформации стен, происходящей из-за неравно мерной просадки грунта под основанием их фундаментов, определяется в основном характером просадки и может пред ставлять собой прогиб или перегиб, т. е. наибольшую осадку краев. Степень искривления стен зависит от прочности и жест кости фундамента и стены. При малой жесткости стена и фун дамент следуют за деформацией грунта в основании, и в этом случае степень их искривления близка к деформации грунта. При большой жесткости фундамента и стены они выравни вают деформации грунта и степень их искривления умень шается.
Трещины в стенах и фундаментах зданий и сооружений, возводимых на просадочных грунтах, появляются обычно в местах их наибольшего перегиба с раскрытием в направлении растянутой зоны. Ширина трещин зависит от степени изгиба стены пли фундамента и иногда достигает 10—20 см. Трещи ны в стенах и фундаментах ослабляют их конструкцию и по условиям эксплуатации являются недопустимым видом дефор мации.
Крепы зданий и сооружений или их отдельных конструк ций также являющиеся следствием неравномерного замачива ния и просадки грунта, особенно опасны для зданий и соору жений с малой площадью фундаментов и высоким располо жением центра тяжести.
Сдвиг междуэтажных перекрытий и покрытий по опорным площадкам обычно наблюдается при больших просадках и вызывается образованием трещин в стенах и их перекосами.
117
Эти виды деформации имеют место в зданиях и сооружения.^ с недостаточной поперечной и продольной прочностью, т. е когда поперечные стены расположены на больших расстоя ниях или вовсе отсутствуют, а также, когда нет анкеровки перекрытий к степам пли другим несущим конструкциям зда ний.
Неравномерные просадки могут привести к разрыву сетей водопровода, канализации и других инженерных коммуника ций, нарушив их нормальную эксплуатацию. Из-за дополни тельного замачивания грунта за счет поврежденных комму никаций просадки могут резко увеличиваться и усилить де формации зданий и сооружений.
§ 2. Жесткостиые характеристики крупнопанельных зданий
До недавнего времени жесткостиые характеристики зда ний при их статическом расчете не определялись; расчет зда ний на лессовых основаниях производился из условий их аб солютной жесткости, что и приводило к неэкономичным реше ниям. В связи с переходом к расчету оснований по деформа циям возникла необходимость в детальной оценке пзгпбной и сдвиговой жесткости зданий, работающих по гибкой системе.
По рекомендациям Михеева [ 100]- изгибная жесткость зда ния определяется по известным величинам средней осадки и модуля деформации грунта основания. Неравномерность осад ки характеризуется отношением стрелы прогиба к величине средней осадки, которая зависит от сжимаемости основания, формы и размеров фундаментов и жесткости здания. Однако, согласно этой методике, изгибная жесткость здания оказа лась не зависящей от конструктивных особенностей несущих стен п поэтому методика не нашла в дальнейшем широкого применения в практике расчетов.
Основная трудность при определении жесткости здания связана с оценкой влияния оконных и дверных проемов, а также вида соединения элементов в панельных и кирпичных стенах.
Эксперименты, проведенные А. Н. Поповой [101] над мо делями пластинок п отверстиями с помощью поляризацион но-оптического метода показали, что жесткость стен с прое мами можно определять как для многоэтажных рам. По рас пределение напряжений в стене с проемами аналогично рас пределению напряжений в пластинке без отверстий. На эту особенность распределения напряжений в стенах с проемами указывал А. С. Калманок [102].
Сравнительно удобную для расчетов методику определения изгнбной жесткости стены предлагает П. П. Шагин [ЮЗ]. Со-
118
гласно этой методике, изгпбная жесткость системы «стенафундамент» определяется из рассмотрения стен кирпичных, блочных и панельных зданий как брусьев переменной (сту пенчатой) жесткости Eli и EJ2, где EJi — жесткость стены в сечении по проемам, a EU — жесткость стены в сечении по простенкам (рис. IV. I). Для упрощения расчетов жесткость
2с |
2с |
2с |
2с |
2с |
системы переменного сечения EJi = f(EJb EJ2) заменяется на постоянную (приведенную) жесткость, определяемую форму лой:
Е1"Р = 2 Е Г Т Т |
(IV. 1) |
•МI ' 2 |
|
Здесь Е — модуль упругости бетона стеновых |
панелей; Д и |
/2 — моменты инерции сечений системы по проемам и простен кам.
Следует отметить, что формула П. П. Шагина дает за вышенные значения жесткости, т. к. не учитывает деформа ции сдвигов в плоскости стены в сечениях по простенкам.
Наиболее достоверная методика для определения жесткостных параметров предложена Б. А. Косицыным [104, 105]. Эта методика нашла отражение в Указаниях по проектирова нию крупнопанельных жилых домов, возводимых на обычных и просадочыых грунтах (СН-321-65 и СН-339-65). Приведен ная изгпбная жесткость коробки здания определяется по фор муле:
m = 2 tfi]«+ у о22 1^]., + 2 |
(Iv-2) |
где у\ — расстояние от центра тяжести цокольной части зда ния до верхней грани перекрытия i-го этажа; [£У]Ц — жест-
119