Попов Н. Н., Забегаев А. В. - Проектирование и расчет железобетонных и каменных конструкций

Н.Н. Попов, А.В.Забегаев

Проектирование и расчет железобетонных и каменных конструкции

ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ

Допущено Государственным комитетом СССР по народному образованию в качестве учебника для студентов строительных специальностей высших учебных заведений

МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1989

Попов Н. Н., Забегаев А. В.

Проектирование и расчет железобетонных и каменных конструкций: Учеб. для строит, спец. вузов.— 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1989. —400 с: ил.

ISBN 5-06-000481-3

В книге рассмотрены основные физико-механические свойства бетона, стальной арматуры, железобетона, каменной кладки. Подробно изложены методы расчета и конструирования элементов из железобетона и каменной кладки. Приводятся конструктивные решения и принципы расчета железобетонных перекрытий, фундаментов одноэтажных и многоэтажных зданий, тонкостенных пространственных покрытий и инженерных сооружений, а также каменных зданий.

© Н. Н. Попов, А. В. Забегаев, 1989

ISBN 5-06-000481-3

Предисловие

Настоящий учебник составлен в соответствии с программой курса «Железобетонные и каменные конструкции» для студентов специальности 2903 «Промышленное и гражданское строительство». При его написании учтен многолетний опыт преподавания этой дисциплины на вечернем и дневном отделениях факультета ПГС Московского инженерно-строительного института им. В. В. Куйбышева.

Особое внимание уделено обоснованию фундаментальных положений, принятых в современной теории и практике проектирования железобетонных и каменных конструкций. Наряду с традиционными в учебнике даются новые разделы — основные принципы реконструкции зданий и сооружений, особенности расчета железобетонных конструкций на кратковременные динамические воздействия и другие, значение которых в последнее время возросло.

Во 2-е издание (1-е — в 1985 г.) включены также проектирование и расчет каменных и армокаменных конструкций, являющихся составной частью курса «Железобетонные и каменные конструкции» для специальности ПГС, а также актуальный материал, касающийся проектирования железобетонных конструкций (автоматизация проектирования, экономическая оценка, сборно-монолитные конструкции и т. п.).

В начале каждой главы даются основные понятия из изученных ранее курсов строительных материалов, сопротивления материалов и т. д., необходимые для изучения приведенного материала. В конце глав для самопроверки знаний приводятся контрольные вопросы. Учебник составлен в соответствии с СНиП 2.03.01—84 «Бетонные и железобетонные конструкции» и СНиП 11.22—81 «Каменные и армокаменные конструкции». Размерности физических величин даны в Международной системе единиц (СИ).

Все разделы учебника написаны авторами совместно. Авторы выражают глубокую благодарность сотрудникам кафедры железобетонных конструкций ВЗИСИ (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В. М. Бондаренко) за ценные замечания, сделанные при рецензировании рукописи, сотрудникам кафедры железобетонных конструкций МИСИ нм. В. В. Куйбышева за помощь, оказанную при подготовке рукописи, а также специалистам, приславшим свои замечания по первому изданию пособия.

Авторы

Введение

Краткая история развития железобетона. Появление железобетонных конструкций было исторически обусловлено бурным развитием производительных сил в середине прошлого века, потребовавшим строительства фабрик, заводов и других сооружений, отличных по своим конструктивным решениям от старинных зданий патриархальной эпохи. Применявшиеся ранее каменные конструкции были тяжелы и трудоемки в изготовлении, металлические конструкции не были огнестойки, подвергались коррозии. Техническая возможность возникновения железобетона была подготовлена, поскольку достаточное развитие получили цементная и сталелитейная промышленность.

За дату рождения железобетона принято считать 1850 г., когда француз Ламбо изготовил лодку из проволочной сетки, обмазанной цементным раствором, которая в 1855 г. демонстрировалась на Всемирной выставке в Париже. Широкое развитие железобетона в России связано с именем проф. Н. А. Белелюбского, который в 1888 и 1891 гг. в Москве и Петербурге произвел публичные испытания различных натурных железобетонных конструкций (плит, сводов, труб, мостов и т.п.). Первые технические условия на железобетонные конструкции в России были изданы в 1908 г., а в 1913 г. в России уже было использовано в конструкциях 3,5 млн. м3 бетона и железобетона.

После Великой Октябрьской социалистической революции железобетон в нашей стране получил особенно широкое распространение.

Из железобетона возведены крупнейшие по тому времени гидростанции (Волховстрой, Днепрогэс, Свирь-строй). Высокие эксплуатационные качества и требования экономии металла обусловили широкое применение железобетона в промышленном строительстве. Из железобетона сооружены заводы тяжелого машиностроения (Магнитогорский, Краматорский, Запорожсталь и др.).

Применялся в основном монолитный железобетон в многоярусных рамах, арках, сводах. В 1928 г. появились первые сборные железобетонные конструкции. В эти годы трудами советских ученых (А. Ф. Лолейт, А. А. Гвоздев и др.) разработаны основы современной теории и практики железобетона, обусловившие создание наиболее прогрессивных решений и методов расчета.

Огромную роль в деле развития и внедрения железобетона в нашей стране сыграло постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 19 августа 1954 г. «О развитии производства сборных железобетонных конструкций и деталей для строительства». За короткий срок было введено в строй большое количество предприятий по производству сборных железобетонных конструкций, произведены унификация и типизация конструкций, разработаны прогрессивные методы их монтажа. Железобетон стал основой современного капитального строительства. Наша страна занимает первое место в мире по производству сборного железобетона.

Сущность железобетона. Железобетон состоит из бетона и стальной арматуры, рационально расположенной в конструкциях для восприятия растягивающих, а в ряде случаев — сжимающих усилий. Бетон, будучи искусственным камнем, хорошо сопротивляется сжатию и значительно хуже (в 10...20 раз) —растяжению. Эта особенность бетона наиболее неблагоприятна для изгибаемых и растянутых элементов, широко распространенных в зданиях и сооружениях. Так, при приложении нагрузки в верхней зоне сечения балки возникает сжатие, в нижней— растяжение (рис. В.1,а). Когда напряжения в растянутой зоне достигнут предельного сопротивления бетона растяжению, образуется трещина и происходит хрупкое разрушение балки задолго до того, как будет использована прочность бетона на сжатие. Несущая способность такой балки ограничена низким сопротивлением бетона растяжению. Отмеченное обстоятельство сильно сужает область применения неармированного бетона, делая его рациональным главным образом в сжатых элементах.

в Армирование (усиление) растянутой зоны изгибаемых элементов материалами, обладающими значительно более высокой прочностью на растяжение, чем бетон, позволяет существенно повысить их несущую способность.

Таким материалом чаще всего является сталь, а конструкции, полученные на основе рационального объединения бетона и стали при условии обеспечения их совместной работы, называются железобетонными. Рассмотрим особенности их работы под нагрузкой на примере железобетонной балки. Предположим, что в растянутой зоне уложена мягкая сталь (рис. В.1,6). В процессе загружения рассматриваемая балка будет вначале работать подобно бетонной. После образования трещин в бетоне растянутой зоны балка не разрушится, так как растягивающие усилия будут восприняты арматурой. Разрушение в этом случае наступит вследствие развития текучести стали и последующего раздавливания бетона сжатой зоны. Несущая способность армированной балки намного выше, чем бетонной. Опыты показывают, что при эксплуатационных нагрузках, составляющих обычно 0,5...0,7 от разрушающих, напряжения в арматуре не более 250...300 МПа, а прогибы конструкций и ширина раскрытия трещин не превышают допустимых значений. В такой конструкции бетон может быть полностью использован в работе на сжатие, а арматура — на растяжение.

В последние годы в строительстве большинства промышленно развитых стран четко обозначилась тенденция к экономии стали — наиболее дефицитного материала, в котором нуждаются те многие отрасли промышленности, где он не может быть заменен другими материалами.

В связи с этим все более широкое распространение получают арматурные стали, обладающие высокой прочностью (600 МПа и выше). Экономическая выгода от их применения обусловлена не только снижением расхода металла, но и тем обстоятельством, что стоимость таких сталей растет медленнее, чем прочность. Работа балки, армированной высокопрочной сталью (рис. В.1,е), принципиально не будет отличаться от работы балки, изображенной на рис. В.1, б (при том же количестве арматуры), однако несущая способность ее будет значительно выше.

Вместе с тем в такой балке еще до исчерпания несущей способности прогибы и ширина раскрытия трещин возрастают настолько, что становятся недопустимыми по условиям эксплуатации. Это обстоятельство ограничивает применение высокопрочной арматуры в обычных железобетонных конструкциях.

Исследования показали, что высокопрочную сталь можно успешно применять в предварительно напряженных конструкциях. Идея предварительного напряжения родилась около ста лет назад и заключается в том, чтобы предварительно натянуть арматуру и закрепить ее в таком состоянии, а после укладки и твердения бетона отпустить ее. При этом арматура, стремясь сократиться, обжимает бетон. Конструкции такого типа и называются предварительно напряженными.

При приложении нагрузки к предварительно напряженной балке (рис. В.1, г) растягивающие напряжения в нижней зоне сечения суммируются со сжимающими напряжениями от предварительного натяжения, и только тогда, когда последние погасятся, в нижней зоне будут возникать растягивающие напряжения. В этом случае трещины появляются при значительно более высокой нагрузке по сравнению с балкой без предварительного напряжения, в результате чего прогибы конструкций и ширина раскрытия трещин при эксплуатационных нагрузках остаются в допустимых пределах. Таким образом, в предварительно напряженных конструкциях удается эффективно использовать арматуру высокой прочности, благодаря чему этот вид железобетона в настоящее время является наиболее перспективным.

Длительное время предварительно напряженный железобетон рассматривался как особый строительный материал, существенно отличающийся по своим свойствам от обычного ненапряженного железобетона. Однако, как показали исследования, в любых железобетонных конструкциях возникают начальные напряжения. В обычном железобетоне они всегда имеют место вследствие проявления усадки и ползучести, действия температуры и т. п., а в предварительно напряженном, кроме того, они создаются искусственно путем обжатия бетона арматурой.

Такой подход, характерный для советской научной школы, позволил рассматривать железобетон с ненапрягаемой арматурой как разновидность предварительно напряженного железобетона.

Совместная работа арматуры и бетона. Усиление бетонных элементов арматурой возможно, если обеспечена их совместная работа. Опыты показывают, что и в этом смысле сталь является практически идеальным партнером бетона. Это обусловлено в первую очередь следующими обстоятельствами: 1) хорошим сцеплением бетона и арматуры; 2) бетон и сталь обладают близкими коэффициентами температурной деформации [ast = = 12-Ю-6; a,bt= (7...15) Ю-6], вследствие чего в обычных условиях (при температурах от —20 до +50°С) эксплуатационные качества конструкций не снижаются; 3) бетон при соблюдении определенных требований (содержании цемента не менее 250 кг/м3, обеспечении защитного слоя и т.п.) является надежной защитой арматуры от коррозии, высоких температур, механических повреждений.

Достоинства и недостатки железобетона. К основным преимуществам железобетона, обеспечивающим ему широкое распространение в строительстве, относятся: огнестойкость, долговечность, высокая механическая прочность, хорошая сопротивляемость сейсмическим и другим динамическим воздействиям, возможность возводить конструкции рациональной формы, малые эксплуатационные расходы (по сравнению с деревом и металлом), хорошая сопротивляемость атмосферным воздействиям, возможность использования местных материалов. Затраты энергии на производство железобетонных конструкций значительно ниже, чем металлических и каменных.

Недостатки железобетона: большая плотность, высокая тепло- и звукопроводность, трудоемкость переделок и усилений; необходимость выдержки до приобретения прочности, появление трещин вследствие усадки и силовых воздействий. Многие из этих недостатков могут быть устранены путем применения бетонов на пористых заполнителях, специальной обработки (пропаривания, вакуумирования и т.д.), предварительного напряжения и т. п.

Способы изготовления и возведения железобетонных конструкций. Различают железобетонные конструкции монолитные, сборные и сборно-монолитные. При возведении монолитных железобетонных конструкций на месте строительства устанавливают опалубку (форму), в нее укладывают арматуру и бетонную смесь. После достижения бетоном необходимой прочности опалубку снимают, получая монолитную конструкцию. Такие конструкции, как правило, малоиндустриальны, трудоемки, требуют большого расхода материала на опалубку и подмости, а в зимнее время — энергии на прогрев бетона. Кроме того, необходима выдержка бетона до приобретения им проектной прочности. Из монолитного железобетона возводятся сооружения, трудно поддающиеся членению на однотипные элементы и требующие повышенной жесткости (фундаменты под прокатное оборудование, гидротехнические сооружения и т.п.).

В последние годы производство конструкций и сооружений из монолитного бетона в значительной степени индустриализовано. Применяют стационарную, переставную или скользящую опалубку, которая может быть использована многократно; бетон и арматурные изделия (каркасы, сетки) изготовляют на специальных заводах и поставляют транспортом на строительную площадку.

Подача бетонной смеси, ее распределение и уплотнение производятся механизированным способом. Вместе с тем в монолитных сооружениях отсутствуют весьма трудоемкие работы по устройству стыков, характерных для сборных элементов, требующих значительного расхода стали. Вследствие этого сооружения или их элементы из монолитного железобетона в ряде случаев оказываются экономически более выгодными, чем из сборного (ядра жесткости зданий большой этажности, фундаменты и т.п.).

Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 15 августа 1985 г. «О дальнейшем развитии индустриализации и повышении производительности труда в капитальном строительстве» предусмотрены разработка и осуществление в 1986—1990 гг. комплекса мер по внедрению монолитного бетона и железобетона в промышленное и жилищное строительство.

При возведении зданий и сооружений из сборных железобетонных конструкций вначале на специальных заводах или полигонах изготовляют отдельные элементы, из которых на строительной площадке возводят сооружения. Такой способ индустриален, так как предполагает заводское изготовление и механизированный монтаж. При этом обеспечивается современная технология изготовления, рациональные конструктивные формы, возможность изготовления и монтажа в зимнее время. Трудоемкость снижается в 3...4 раза по сравнению с монолитными конструкциями. Сборные железобетонные конструкции наиболее целесообразны, когда количество типов элементов ограничено и применение их предусматривается в зданиях различного назначения. Для этого необходима максимальная унификация и типизация конструктивных схем, пролетов, нагрузок.

В настоящее время производство сборных железобетонных элементов ведут по стендовой, конвейерной, поточно-агрегатной и другим технологическим схемам. Стендовую технологию используют при производстве крупноразмерных элементов (ферм, балок покрытий, колонн и т.п.). В этом случае изделие остается неподвижным в процессе изготовления, а агрегаты, выполняющие технологические операции (бетоноукладчики, вибраторы и т.п.), перемещаются вдоль неподвижных форм (стендов). При конвейерной технологии изготовляемые однотипные элементы (панели перекрытий и т. п.) перемещаются от одного неподвижного агрегата к другому специальными транспортными устройствами. По мере передвижения осуществляются необходимые технологические операции. При поточно-агрегатной технологии определенные группы рабочих операций производят в соответствующих отделениях (постах) завода, а форма с изделием перемещается от одного поста к другому кранами.

Эта технология применяется при мелкосерийном производстве. Несмотря на прогрессивность в целом сборного железобетона ему присущи и определенные недостатки: значительные затраты на создание и реконструкцию производственной базы, на транспортные расходы по доставке изделий с завода к месту строительства и т. п.

При применении сборно-монолитных железобетонных конструкций вначале укладываются сборные железобетонные элементы, играющие также роль опалубки, а затем они обетонируются. При выполнении определенных весьма несложных требований обеспечивается сцепление сборного и монолитного бетонов, которые в дальнейшем совместно работают в конструкции под нагрузкой. Такой способ возведения позволяет отказаться от опалубки и ускорить производство работ по сравнению с монолитными конструкциями. К недостаткам относится необходимость доставки и укладки наряду со сборными элементами монолитного бетона на строительной площадке.

Сборно-монолитные конструкции особенно целесообразно применять в сооружениях с высокими нагрузками, когда сборные конструкции оказываются слишком тяжелыми и громоздкими и требуют специального подъемно-транспортного оборудования. Из сборно-монолитных конструкций выполняют гидротехнические сооружения, убежища гражданской обороны и т. п.

Области применения железобетона.

Железобетон применяют в самых разнообразных отраслях строительства, находя в каждой из них свои оптимальные формы. Из железобетона возводят промышленные одноэтажные (см. рис. 11.1) и многоэтажные здания, жилые и общественные здания различного назначения (см. рис. 12.1), сельскохозяйственные постройки. Широко применяют железобетон в инженерных сооружениях, транспортном, гидротехническом и энергетическом строительстве, судостроении, машиностроении и т. п.

Наряду с железобетонными применяют также бетонные конструкции, в которых арматура либо совсем отсутствует, либо устанавливается в очень небольших количествах и не учитывается расчетом (фундаментные и стеновые блоки, подпорные стены, плиты аэродромных покрытий и т.п.).

Проведенные в последние годы исследования показали, что железобетон может найти широкое применение в сооружениях, возводимых на Луне, так как лунный грунт может быть использован для получения вяжущего.

Направления развития железобетона на ближайшие годы.

Исследования показывают, что железобетон на долгие годы останется основным материалом в строительстве. Это объясняется практически неограниченными ресурсами сырья для изготовления вяжущих и заполнителей, относительно небольшим расходом стальной арматуры, высокими конструкционными и эксплуатационными качествами железобетона, его относительно низкой энергоемкостью. В настоящее время основными направлениями развития и совершенствования железобетона являются: применение бетонов на пористых заполнителях небольшой плотности, высокопрочных бетонов; использование эффективных конструктивных решений (тонкостенных пространственных конструкций и т.п.); широкое применение предварительно напряженных конструкций с эффективными арматурными сталями высокой прочности, обеспечивающими экономию металла; совершенствование технологии изготовления и методов производства работ; применение конструкций повышенной заводской готовности.

Особо следует отметить намечаемое на ближайшие годы увеличение применения объема железобетона в сельскохозяйственном строительстве.

В соответствии с решениями Партии и Правительства основной задачей капитального строительства является наращивание производственного потенциала страны на новой технической основе. Для реализации этой грандиозной задачи необходимо дальнейшее развитие научных исследований, проведение работ по совершенствованию конструктивных решений, технологии изготовления и возведения конструкций. Отсюда вытекает потребность в высококвалифицированных кадрах инженеров-строителей, владеющих современной теорией и практикой в области железобетонных конструкций.

Увеличение объема производства железобетона в СССР (млн. м3) по годам приведено в табл. В.1.