книги из ГПНТБ / Строительство и защита зданий на подрабатываемых территориях

Следует отметить также, что дополнительные напряжения в под­ оконной перемычке в среднем на 30% превышают напряжения в надоконной перемычке. Это подтверждается и многочисленными на­ турными обследованиями подрабатываемых крупнопанельных зда­ ний, в большинстве которых заметные деформации в виде трещин были обнаружены именно в подоконных частях панелей.

кГ/смг

1г >0

•

1 •—..

Нормальные напряжения в вертикальных швах монотонно возра­ стали в направлении от перемычечной к подоконной части панели, а в горизонтальных швах заметно возрастали в районе простенков н были здесь в 2—2,5 раза выше, чем под перемычками. Касатель­ ные напряжения «а внешнем контуре панели первого этажа распре­ делялись весьма неравномерно; сдвигающие усилия сосредотачи­ вались главным образом в углах панели (рис. 28).

Характер эпюр нормальных напряжений в сечениях панели пер­ вого этажа в течение 'всего периода подработки здания свидетель­ ствовал о том, что статическая работа стеновой панели с отноше­ нием размеров проема к ее габаритам 0,6—0,5 и менее не совпадает

сее расчетом как рамы.

Вэтом случае расчет панелей следует производить методами тео­ рии упругости как пластинок.

§ 8. ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ НЕСУЩЕЙ СТЕНЫ 9-ЭТАЖНОГО ДОМА

НА ФОТОУПРУГОИ МОДЕЛИ

Как и в натурном эксперименте, для исследования на фотоупру­ гой модели было выбрано 3 панели первого, шестого и девятого этажей с тем же расположением точек. Работы проводились на установке ППУ-3 при диаметре рабочего поля 120 мм, с источником белого света.

71

При изучении распределения напряжений на плоских прозрачных моделях методом фотоупругости требования к материалам модели сводятся к следующему. Кроме условий, выведенных из теории по­ добия, материал должен быть прозрачным, однородным, механиче­ ски изотропным, без внешних дефектов, наблюдаемых при рассмот­ рении в полярископе, обладать двойным лучепреломлением в на­ чальном состоянии, высокой оптической активностью, достаточно высоким модулем продольной упругости, легко обрабатываться для возможности изготовления моделей без остаточного оптического эффекта от обработки.

Всем этим требованиям отвечают материалы, полученные путем полимеризации эпоксидных смол (табл. 12).

Модель стены 9-этажного крупнопанельного дома была изготов­ лена из материала ЭД-6МА-35, полученного путем отвердения эпок­ сидной смолы ЭД-6 малеиновым ангидридом.

При вычислении масштаба модели был использован известный критерий подобия

где Е — модуль продольной упругости;

Р — объемный вес материала; L — линейный размер;

g — ускорение свободного падения;

72

В описываемых исследованиях был применен метод так называе­ мого «замораживания» напряжений. Этот метод состоит в исполь­ зовании свойства фотоупругих материалов, полученных путем поли­ меризации эпоксидных смол горячего отвердения и нагруженных при определенной температуре (температура «замораживания»), сохранять эти напряжения при постепенном охлаждении модели, и при расчленении модели на составные части, и даже при разрезке отдельных ее частей. Устранить «замороженные» напряжения мож­ но только отжигом.

Существенным преимуществом такого метода является то, что собственный вес модели в масштабе 1 : 50 полностью имитирует влияние веса прототипа, благодаря чему отпадает .надобность в соз­ дании различного рода пригрузок.

При «замораживании» напряжений в модели стены, являющейся многосвязной пластинкой, в ней появляются дополнительные терми­ ческие напряжения, вызванные нагревом до 120°С. Чтобы исклю­ чить влияние этих напряжений, модель в процессе проведения экспе­ римента «замораживалась» (без нагрузки) в горизонтальном поло­ жении. Таким образом, было установлено как бы «нулевое» состоя­ ние модели, напряжения которого в дальнейшем должны вычитать­ ся из напряжений во всех последующих стадиях загружений.

Для сравнения характера распределения напряжений по высоте стены в панелях модели был намечен ряд точек, соответствующих местам расположения датчиков на натурных панелях. Применение полярископа одностороннего просвечивания позволило получить напряжения в отдельных точках панели в короткие сроки. Кроме то­ го, величины напряжений, полученные при детальной отработке картин изохром и изоклин, явились контрольными для определения правильности вычислений. На рис. 29 приведены величины дополни­ тельных напряжений в стеновых панелях, возникшие только от ис­ кривления основания (аналогичные данные получены и при проведе­ нии натурного эксперимента).

Загрузка модели осуществлялась в термостате на специальном основании. Искривление основания устанавливалось специальными регулировочными винтами и контролировалось индикаторами ча­ сового типа с ценой деления 0,001 мм. Основанию задавалась кри­ визна с радиусом 1 км (выгиб).

Выбор столь жестких условий работы модели объясняется стрем­ лением получить возможно более четкую картину дополнительных напряжений в модели, с одной стороны, и выявить способность мо­ дели следовать за деформациями основания, с другой.

Следует отметить, что модель не оказалась чрезмерно жесткой, и потери контакта между цокольной балкой стены и основанием не

73

наблюдалось. Это обстоятельство позволило в дальнейшем вести ис­ следования 'в довольно широком диапазоне кривизн, а также при имитации подработки здания крутопадающими пластами.

При исследованиях был применен белый свет. Изохромы полу­ чены методом сопоставления цветов. Знаки напряжений на сво-

8

бодных контурах определялись при помощи кварцевой компенсаци­ онной пластинки.

Четкая картина изохром и изоклин (рис. 30) свидетельствует о плоском напряженном состоянии в модели. Обработка результатов выполнена по методу приращения касательный напряжений.

Результаты, полученные при моделировании, полностью под­ твердили тот вывод, что при искривлении основания панели вклю­ чаются в работу по всей высоте стены. Картины изохром также сви-

74

детельствовали о концентрации напряжений в углах проемов пане­ ли. Как и в натурном эксперименте (в начальный период подработ­ ки) в панелях шестого и девятого этажей в основном преобладало напряжение растяжения, в панели первого этажа — сжатия.

Исследования на фотоупругой модели подтвердили основные вы­ воды, полученные из натурного эксперимента, и явились основанием

Рис. 30. Картина нзохром и изоклин в экспериментальной панели:

а — изохромы: б — изоклины.

для уточнения расчетов, а также проектирования и изготовления панелей зданий повышенной этажности, возводимых над горными выработками.

§9. СОВМЕСТНАЯ РАБОТА КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЯ

ИДЕФОРМИРУЮЩЕГОСЯ ОСНОВАНИЯ

Расчетные значения дополнительных усилий в конструкциях зда­ ний над горными выработками могут достоверно определяться толь­ ко при их совместном рассмотрении с работой основания. При этом степень достоверности зависит от того, .насколько полно отражены в расчете основные факторы, влияющие на работу системы «зда­ ние — оседающее основание».

Решение этой задачи осложняется отсутствием достаточного ко­ личества достоверных экспериментальных данных, характеризую­ щих влияние основных .параметров системы «фундамент — основа­ ние» для различных типов и конструктивных схем подрабатываемых сооружений. В связи с этим при выполнении статических расчетов приходится делать целый ряд допущений, которые в конечном сче-

75

те приводят к нерациональному расходу средств и материалов, т. е. к удорожанию строительных работ.

Наряду с исследованиями по данной проблеме в натурных усло­ виях и на физических моделях в лаборатории строительства и защи­ ты зданий на подрабатываемых территориях КиевЗНИИЭП выпол­ нялись исследования численными методами с применением расчет­ ных моделей.

Как известно, сдвижение земной поверхности при ее подработке приводит к перераспределению контактных давлений по подошве фундаментов, вызывает концентрацию напряжений «а отдельных участках, что способствует 'Проявлению пластических деформаций грунтов основания.

Задача заключалась в том, чтобы рассмотреть совместную работу здания и основания с учетом его действительных свойств. Была принята расчетная схема крупнопанельного здания в виде несколь­ ких (по числу продольных стен) вертикально расположенных со­ ставных стержней на горизонтальных балках, соединенных между собой в направлении, перпендикулярном к плоскости стержня аб­ солютно жесткими связями сжатие—растяжение и упруго-податли­ выми •сдвиговыми связями, которые моделируют работу поперечных стен и перекрытий.

Ветви составного стержня моделировали статическую работу стеновых панелей, а горизонтальная балка—цокольную часть зда­ ния. Статическая работа ветви составного стержня определяется в основном сдвиговой податливостью, а изгибная и осевая — имеют второстепенное значение и поэтому в расчете не учитывались.

Эта 'Предпосылка соответствует представлениям о таком харак­ тере деформирования стеновой панели, при котором преобладают деформации перекоса. Поперечные связи между ветвями, модели­ рующие стыковые соединения в вертикальных швах, принимаются упруго-податливыми. Такая расчетная схема стены крупнопанельно­ го здания соответствует принятой в нормах, отличие лишь в том, что поперечные связи считаются континуальными.

Система уравнений равновесия составного стержня имеет вид

76

меина при совместной работе здания с основанием, а моментная за­ висит от деформации ветвей и определяется зависимостью

я

нии данной модели дополнительная нагрузка на цокольную часть определится величиной функции прогибов ветвей составного стерж­ ня погонным весом столбца панелей Pt .и составит

н_

Граничные условия для системы (1) находятся из рассмотрения сопряжения вертикальных столбцов и горизонтальной балки. Если горизонтальная балка считается недеформируемой в продольном направлении, то ух=о =0, в противном случае начальное смещение ветви составного стержня соответствует горизонтальному смещению соответствующего сечения балки. Кроме того угол поворота ветви в конечном сечении, при жестком соединении панелей с цокольной частью, равен углу поворота соответствующего сечения горизонталь­ ной балки

Рассмотрим уравнение равновесия горизонтальной балки с уче­ том ее совместной работы с надземными конструкциями и реаль­ ных свойств оснований. Принимаем основание по модели коэффици­ ента постели, являющегося функцией осадок с односторонними свя­

В задачах, где основным воздействием является осадка грунта, способ задания функции оседания земной поверхности фг(£) может играть решающее значение. Поскольку процесс оседания земной по­ верхности происходит не мгновенно, а в течение значительного пе­ риода времени и при этом успевают проявиться различные неупру-

77

гие свойства основания, в данной постановке задачи коэффициент постели зависит от прогибов, а те, в свою очередь, от воздействия

Принимая, что коэффициент постели зависит от меняющейся во времени функции осадок, в данных исследованиях не учитывались реологические свойства оснований. С учетом всего вышеизложенно­

но, поскольку моментная нагрузка определяется из (1), а гранич­ ные условия для (1) находят из (6). Таким образом получаем реше­ ние для одной продольной стены по описанной выше модели.

Втом случае, если рассматривается совместная работа продоль­ ных стен, то для каждой нужно составлять системы равновесия вер­ тикальных ветвей вида (1).

Вуравнениях равновесия горизонтальных балок появится член, который учитывает взаимодействие между продольными стенами.

крупнопанельного здания по описанной выше модели примет вид

78

где п — число вертикальных столбцов стеновых панелей в продоль­ ной стене.

D — число продольных стен.

Рассмотрим метод последовательных приближений применитель­ но к (8). Известно, что нахождение рабочей системы для конструк­ ций € односторонними связями возможно путем последовательных приближений, при которых зоны контакта и отрыва задаются, а за­ тем проверяются и уточняются для следующего шага. В то же вре­ мя известен шаговый метод многоступенчатого загружения для ре­ шения нелинейных систем, основанный на том, что нагрузка на си­ стему разбивается на части, на каждом шаге решается линейная система и по результатам решения корректируются значения нели­ нейных параметров для следующего шага.

Вданном случае возможно совмещение этих процессов: одновре­ менный поиск зон контакта и учет нелинейных параметров. По­ скольку процесс нарастания деформаций земной поверхности из­ вестен (увеличение кривизны основания или же величины уступа), необходимо отразить этот процесс в расчете. Задавая последова­ тельно различные состояния осадок земной поверхности, находят зоны контакта и отрыва, а также значение коэффициента постели. При этом результаты расчета на каждом шаге линейной системы покажут динамику изменения характеристик системы «здание — деформирующееся основание», что представляет самостоятельное значение, поскольку некоторые расчетные характеристики могут иметь экстремальные значения в промежуточные периоды дефор­ маций основания.

Процесс последовательных приближений, принятый при рассмот­ рении совместной работы основания и горизонтальной балки, есте­ ственно распространить и на совместную работу горизонтальной балки и составного стержня, а также и взаимодействия между про­ дольными стенами.

Втакой постановке решение для систем равновесия вертикаль­

ных составных стержней и для горизонтальных балок в отличие от

(8) ведется на каждом шаге независимо. Значение граничных ус­ ловий для решения систем вида (1) берется из результатов расче­ та горизонтальных балок на предыдущем шаге. После этого подсчитывается моментная нагрузка на горизонтальную балку, кор­ ректируется вертикальная распределенная нагрузка с учетом взаи­ модействия с соседними горизонтальными балками и процесс по­ вторяется. Описанный алгоритм не требует большого объема опе­ ративной памяти ЭЦВМ, поскольку системы вида (1) с начальны-

79

Рис. 31. Зависимости максимальных положительных мо­ ментов в здании от различных положений и величин ус­ тупов.

ми условиями могут решаться Эйлеровскими методами с мини­ мальным количеством рабочих ячеек МОЗУ.

Этот алгоритм записан на языке АЛГАМС и странслирован для ЭЦВМ «Минск-22».

Программа позволяет проводить исследования влияния различ­ ных расчетных параметров на совместную работу здания и дефор-

80