Поскольку учет свойств реальной конструкции возможен лишь с определенной степенью приближения, одной из важных и первоочередных задач при создании математической модели несущей конструкции с использованием современного вычислительного комплекса является возможность ввода в эту модель тех параметров и свойств, которые позволяют обосновать результаты натурных экспериментов. В статье изложен способ построения конечно-элементной модели фрагмента безригельного каркаса по результатам его вибрационных испытаний. Расчеты были выполнены в ВК SCAD Office. Регулирование обобщенной жесткости фрагмента позволило добиться максимального совпадения с экспериментальными данными.

Основные результаты вибрационных испытаний

Опытный объект представляет собой трехэтажный фрагмент безригельного каркаса серии 1.120с, смонтированного с применением предварительного напряжения высокопрочных канатов.

Фрагмент состоит из четырех конструктивных ячеек размером 7,2×6 м и имеет ширину 12 м и длину 14,4 м; высота этажа составляет 3 м (рис. 1). Трехэтажный фрагмент установлен на фундаментной плите-ростверке и имеет свайное основание. Для передачи горизонтальной статической нагрузки на каркас фрагмента на фундаментной плите с размерами 15×30 м с обеих сторон возведены из монолитного железобетона стены-упоры высотой 9 м. Фрагмент рассчитан и запроектирован на 8-балльные сейсмические нагрузки. Масса фрагмента с учетом дополнительного пригруза составила на момент проведения испытаний 420 тонн. Начальные значения периода собственных колебаний неповрежденного фрагмента по записям микросейсм составили 0,17 — 0,19 с. Заполнение каркаса выполнено с применением кирпичной кладки и мелких блоков из ячеистого бетона неавтоклавного твердения.

 Сейсмостойкость безригельного каркаса обеспечивается в основном за счет работы железобетонных диафрагм жесткости. Как показали испытания, обжатие элементов перекрытия высокопрочными канатами сыграло значительную роль в обеспечении пространственной неизменяемости и устойчивости фрагмента.

Сущность вибрационных испытаний заключается в плавном прохождении зоны резонанса при увеличении числа оборотов электропривода – «прямой резонанс». При дальнейшем увеличении числа оборотов привода система «опытный объект + вибромашина» уходит за первый резонанс и достигает последующих резонансных зон. При уменьшении числа оборотов привода в системе наблюдается «обратный резонанс», частота которого может отличаться от частоты прямого резонанса за счет накопления повреждений. Интенсивность вибрационного нагружения регулируется числом сблокированных вибраторов и количеством грузов-дебалансов на их рычагах. Внешняя сила, создаваемая вибромашиной, изменяется по гармоническому закону [1]. В качестве примера на рис. 2 показан график ускорений при прохождении резонансной зоны на одном из каналов 36-канальной сейсмометрической станции, с помощью которой велась запись кинематических параметров в процессе испытаний. При чтении развертки слева направо: вначале зарегистрирован первый резонанс в прямом направлении, затем идет второй пик ускорений, который соответствует второму резонансу, и, наконец, третий пик означает прохождение зоны первого резонанса в обратном направлении на выбеге вибромашины.

В начале испытаний фрагмент был подвергнут воздействию двух вибромашин, установленных на фундаментной плите и включаемых раздельно в продольном и поперечном направлениях. Максимальные значения ускорений составили на фундаментной плите 0,1 g, на покрытии – 0,2 g. Периоды резонансных колебаний фрагмента 0,20 — 0,22 с.

Затем к фрагменту были приложены статические знакопеременные нагрузки в продольном направлении в уровне покрытия с помощью двух 100-тонных домкратов ДГ-100/300. Суммарная горизонтальная нагрузка составила 2000 кН. Нагружение велось этапами по 290 кН с выдержкой 10 мин. Максимальные перемещения в уровне покрытия составили 19 мм; максимальный перекос третьего этажа – 6 мм. Всего было проведено три цикла нагружения: два цикла справа и один слева.

Далее одна из вибромашин была переставлена на покрытие и проведены вибрационные испытания фрагмента в поперечном направлении. Значения периодов резонансных колебаний: начальное – 0,20 с, конечное – 0,44 с, что эквивалентно уменьшению обобщенной жесткости вследствие накопления повреждений в 4,8 раза. Максимальные ускорения на покрытии составили 0,82 g, в уровне фундаментной плиты – 0,20 g. Максимальное значение амплитуды колебаний в уровне покрытия 31 мм; суммарная инерционная нагрузка достигла 2000 кН при расчетной величине 8-балльной нагрузки 420 кН.

Следующий этап статических испытаний фрагмента в продольном направлении проводился с помощью двух 200-тонных домкратов ДГ-200/150. Суммарная горизонтальная нагрузка достигла 4000 кН. Нагружение велось этапами по 580 кН с выдержкой 5-10 мин. Максимальные перемещения в уровне покрытия составили 115 мм; максимальный перекос третьего этажа – 65 мм. Всего было проведено четыре цикла нагружения по два цикла справа и слева.

На заключительном этапе испытаний фрагмент был подвергнут вибрационному нагружению в продольном направлении. Значения периодов резонансных колебаний: начальное – 0,22 с, конечное – 0,45 с; обобщенная жесткость фрагмента уменьшилась в 4,2 раза. Максимальные ускорения на покрытии составили 0,82 g, в уровне фундаментной плиты – 0,20 g. Максимальное значение амплитуды колебаний в уровне покрытия 50 мм; суммарная инерционная нагрузка превысила 2700 кН. Приближенно сейсмическая нагрузка при реальных 8-балльных воздействиях может быть оценена по формуле S = S_p ⁄ K₁,
где S_p – расчетная сейсмическая нагрузка согласно СНиП II-7-81*,
К₁ – коэффициент допускаемых повреждений (коэффициент редукции). Реальная сейсмическая нагрузка для 8 баллов составляет S = 420⁄0,25 = 1680 кН. Достигнутая в процессе испытаний инерционная нагрузка превышает этот уровень в 1,6 раза (2700/1680). В результате испытаний фрагмент был доведен до предельного состояния.

Выполненный на основании экспериментальных данных анализ механизма перехода сооружений в предельное состояние [2] позволил вскрыть последовательность образования в конструкциях и узлах фрагмента зон развития неупругих деформаций и повреждений, а также выявить особенности их поведения при динамических нагрузках (эта информация была использована при построении КЭ-модели). К их числу относятся:

• разрушения заделки колонн в фундаментах стаканного типа по осям 1 и 3, которые послужили причиной вертикальных колебаний фрагмента;
• массовые повреждения шпонок в диафрагмах жесткости;
• значительные повреждения и частичное обрушение стенового заполнения из мелких блоков;
• расстройство стыков колонн «штепсельного» типа в уровне перекрытия над первым этажом;
• вертикальные колебания перекрытия с амплитудой 5 мм на частоте 7-8 Гц в зоне установки вибромашины.

В силу этого фрагмент работает как существенно нелинейная нестационарная система. Причем нестационарность системы обусловлена как изменением частотных, так и диссипативных характеристик сооружения.

Для дальнейшего анализа важно отметить, что основные повреждения, которые привели к деградации обобщенной жесткости фрагмента, в основном были сосредоточены в узлах соединения элементов: диафрагм жесткости, колонн и элементов перекрытия, а также (в меньшей степени) заполнении каркаса фрагмента. Жесткость самих элементов, несмотря на развитие в них трещин в процессе динамического и статического знакопеременного нагружения, уменьшилась незначительно.