Файл: Фоломеев, А. А. Снижение материалоемкости железобетонных конструкций-1.pdf

дели двухпараметрового и винклерова основания. Эпюры осадок и изгибающих моментов, построенные на основе опытных и теоре­ тических данных, свидетельствуют, что действительные условия работы системы «балка — основание» наилучшим образом отра­ жает винклерова модель [37, 60, 61].

Правильный выбор численных значении коэффициента жестко­ сти позволяет без особых затруднений учитывать не только разме­ ры и формы подошвы фундамента, но также неоднородность осно­ вания по глубине и в плане, деформации ползучести и упруго-пла­ стические свойства грунтов, чего нельзя сказать ни об одной из существующих моделей основания.

Благодаря трудам К. Хаяси, А. И. Крылова, В. А. Киселева, Б. Е. Коренева, П. Л. Пастернака, Н. М. Герсеванова, И. А. Симвулиди и других советских и зарубежных исследователей теория расчета конструкции на упругом винклеровом основании получила к настоящему времени значительное развитие.

Теория расчета конструкций на упругом полупространстве и упругой полуплоскости разработана советскими учеными Г. Е. Проктором, Н. М. Герсевановым, М. И. Горбуновым-Посадо- вым, В. А. Флориным, В. Н. Жемочкиным, А. П. Синициным, В. А. Кузнецовым и др. Особенно большой вклад внес М. И. Гор- бунов-Посадов, разработавший практические способы расчета и широко табулировавший их.

Однако существующие методы охватывают в основном балки и плиты и разработаны применительно к постоянному коэффициен­ ту жесткости основания. В последние годы в связи с массовым строительством крупнопанельных зданий, расчетная схема которых может быть упрощенно представлена в виде балки на упругом ос­ новании, все больше внимания уделяется учету переменной сжи­ маемости поверхности грунтового основания в пределах плана со­ оружения.

Появились работы Д. Д. Сергеева, В. А. Барсова, Т. Ширинкулова, П. П. Шагина, В. И. Лишака, Д. Н. Соболева, С. А. Ривкина,

жесткости основания, который в общем случае оказывается пере­ менным, свести задачу к расчету конструкций, опирающихся на винклерово основание с постоянным или переменным коэффициен­ том жесткости. Особое внимание в этой работе уделено определе­ нию коэффициентов жесткостей грунтовых и свайных оснований. Но переменный коэффициент жесткости упругого основания имеет несколько иной смысл, чем в традиционной модели Винклера.

Все сказанное выше относится к статическому расчету.

В связи с необходимостью изучения поведения конструкций на упругом основании при действии на них изменяющихся во времени нагрузок вопросы динамического расчета инженерных сооружений

108

приобретают особую актуальность. Вопросы взаимодействия уп­ ругого основания с сооружением при действии на них динамиче­ ских нагрузок, особенно сейсмических, все еще не полно исследо­ ваны.

Колебания балок на сплошном упругом основании в различных постановках достаточно хорошо изучены и описаны в [4, 17, 69, 82, 87, 90, 94, 97]. Вопросы же учета неоднородного основания в дина­ мических задачах до сих пор малоизучены.

§ 2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Основной причиной переменности коэффициента жесткости грунта являются прежде всего неравномерные осадки. Как показы­ вают натурные испытания и инструментальные наблюдения, фун­ даменты крупнопанельных зданий при строительстве их даже на относительно однородных непросадочных грунтах дают неравно­ мерные осадки, которые в свою очередь вызывают расстройства стыков, образование и развитие трещин в панелях и нередко ведут к недопустимым деформациям и разрушению конструкций [80]. Фундаменты крупнопанельных жилых зданий обладают несравни­ мо меньшей жесткостью, чем наземная конструкция дома. Незначи­ тельная разница в осадке несущих смежных фундаментных стен (поперечных или продольных) вызывает неравномерные деформа­ ции в самом здании.

Неравномерные осадки оснований вызываются местными не­ однородностями грунтов, различиями в нагрузках на отдельные фундаменты, особенностями совместных деформаций многократно статически неопределимой пространственной коробки здания и сжимаемого основания. Все эти факторы являются постоянно дей­ ствующими и начинают проявляться еще при возведении здания, обусловливая напряженное состояние конструкций [101].

Всем строительным площадкам в большей или меньшей степе­ ни присуща неоднородность основания, что является следствием непараллельности напластований, наличия прослоек или других включений слабого или, наоборот, менее сжимаемого грунта, из­ менчивости пористости грунта, обусловленной его генезисом.

Другим фактором, вызывающим неравномерные осадки основа­ ния, являются различия в нагрузках на фундаменты. Так, для крупнопанельных зданий с тремя продольными несущими стенами характерно различие в нагрузках на фундаменты наружных стен и внутренней продольной стены, которая передает большую нагруз­ ку на фундамент. Для зданий с попёречными несущими стенами неравномерность загружения основания проявляется по длине зда­ ния, что связано с переменным шагом поперечных стен и различия­ ми нагрузок, передаваемых фундаменту.

Добиться одинаковой осадки одинаково загруженных фунда­ ментов не всегда удается.

109

Немаловажное значение имеет также учет возможности не­ равномерного подъема фундаментов вследствие набухания грунта при замачивании. Практика показывает, что неучет этого обстоя­ тельства часто приводит к деформациям сооружений, нарушению их нормальной эксплуатации, дополнительным затратам на ре­ монтно-восстановительные работы и т. д.

Проведение ряда инженерных и конструктивных мероприятий (упрочнение оснований, укладка распределительных подушек, уве­ личение общей жесткости фундаментов, устройство фундаментов из свай и пр.) может уменьшить неравномерность осадки и ее вли­ яние на деформацию всего крупнопанельного здания. Выбор меро­ приятий в каждом отдельном случае должен определяться допусти­ мой величиной неравномерности осадок оснований фундаментов, при которой деформации самого здания безопасны [101].

Для уменьшения неравномерных осадок можно было бы попы­ таться добиться более равномерного распределения передачи дав­ ления путем подбора размеров опорных поверхностей фундамен­ тов. Однако и при этих условиях и идеально однородных грунтах осадки здания конечной жесткости не будут равномерны. Причина заключается в особенностях деформаций грунтов под нагрузкой от фундаментов, как связной среды. Кроме того, величина осадки и ее неравномерность, как было указано выше, зависят не только от сжимаемости грунта, величины действующей нагрузки, размеров и формы фундамента, но и от жесткости всего здания в целом. Поэтому лишь рассмотрение совместной работы всей системы по­ зволяет найти правильное решение таких вопросов, как прочность, жесткость, трещиностойкость и сейсмостойкость конструкции.

При расчете сооружений в целом обычно принимается во вни­ мание только горизонтальное воздействие сейсмических сил. Счи­ тается, что вертикальное сейсмическое воздействие на сооружение приводит главным образом к изменению величины вертикальной нагрузки, которое не влияет на характер распределения усилий в элементах конструкций, рассчитываемых на действие обычной вер­ тикальной статической нагрузки. В соответствии с существующими нормами (СН и П) наибольшая величина возможного увеличения вертикальной нагрузки при сейсмических воздействиях составляет 30%. Вследствие кратковременности действия сейсмических сил расчетная несущая способность строительных материалов увеличи­ вается на 20—40% и поэтому считается, что в большинстве случаев вертикальные силы могут быть восприняты конструкциями, рас­ считанными на обычную вертикальную статическую нагрузку, без усиления.

Однако результаты обследования последствий Ташкентского землетрясения 26 апреля 1966 г. и его афтершоков с эпицентром в центре города показали наличие разрушений, характер которых трудно объяснить действием только горизонтальных сейсмических сил. Например, появление в фундаментах и в цоколе ряда зданий вертикальных трещин, возникающих во время или после землетря­

110

сения, явно указывает на действие именно вертикальной составля­ ющей сейсмического воздействия.

Кроме того, известно, что во время Ташкентского землетрясения и его повторных толчков, даже на расстоянии 12—15 км от эпи­ центра, где сила землетрясения была меньше семи баллов, преоб­ ладали именно вертикальные колебания почвы.

Первые подземные толчки 26 апреля 1966 г. были в основном высокочастотными вертикальными с периодами колебаний 0,1— 0,25 сек., что объясняется неглубоким расположением гипоцентра и является особенностью данного землетрясения. Многочисленные случаи опрокидывания мебели, подскакивания и опрокидывания легких предметов, скульптур и статуй, ощущение «подбрасывания» вверх, четко зафиксированные многими очевидцами, в том числе и авторами настоящей работы, указывают на преобладание верти­ кальной составляющей сейсмического воздействия.

В результате анализа последствий Ташкентского землетрясения 1966 г. большинство специалистов считает, что вертикальная со­ ставляющая примерно в 1,5—2 раза превышала горизонтальную.

Вертикальные сейсмические ускорения вызывают продольные колебания несущих конструкций, расчетная схема которых прини­ мается в виде вертикального стержня с сосредоточенными и рас­ пределенными массами. А для крупнопанельных и некоторых дру­ гих сооружений и зданий, расчетная схема которых может быть принята в виде балки на упругом основании, при действии верти­ кальной составляющей сейсмической нагрузки будут характерны вертикально-изгибные колебания. Интерес к данному вопросу рас­ тет, так как большой размах строительства в нашей стране вызы­ вает необходимость быстрого и массового перехода от традицион­ ных конструкций, требовавших применения большого объема руч­ ного труда, к индустриальным, собираемым с помощью механизмов. К таким конструкциям относятся каркасные здания из сборных элементов, крупнопанельные и крупноблочные здания. Применение их дает большую экономию времени и финансовых затрат в капи­

кость.

Деформации крупнопанельных домов, вызванные неравномер­ ностью осадок оснований фундаментов, до сих пор не проанализи­ рованы должным образом и не нормированы. Это объясняется недостатком натурных наблюдений за возводимыми и эксплуатиру­ емыми зданиями. Особенно мало данных мы имеем о зданиях, основания которых состоят из неоднородных и сильно сжимаемых грунтов [101].

На основании сказанного выше задача об изгибных колебаниях крупнопанельных зданий с учетом неоднородности упругого осно-

Ш