Научные основы определения несущей способности трубобетонных колонн с учетом предельно допустимой деформации

Введение. Сжатые трубобетонные элементы заняли достойное место в мировой практике строительства. В России также начал проявляться повышенный интерес к практическому применению трубобетонных колонн (ТБК), особенно при проектировании высотных зданий. Данные конструкции обладают такими ценными качествами, как высокая прочность и пластический характер разрушения, обусловленный большими осевыми деформациями в предельном состоянии. В действующих нормативных документах по проектированию ТБК в России, а также за рубежом содержатся только указания по расчету их прочности на основании метода предельных усилий, а в таком расчете деформативные свойства конструкций не учитываются. Несущую способность необходимо определять не только с учетом ее прочности, но и с возможной необходимостью ограничения осевой деформации. Решению этой задачи на примере центрально сжатых элементов посвящено данное исследование.

Материалы и методы. Рассмотрен расчет прочности коротких ТБК в условиях центрального сжатия по методу предельных усилий. Известно, что осевые деформации трубобетонных колонн могут достигать слишком больших величин, неприемлемых для эксплуатационной пригодности несущего каркаса. Расчет производится с возможностью ограничения предельных осевых деформаций заранее определенной величиной.

Результаты. Получена формула для установления осевых деформаций колонн в предельном состоянии по прочности, которые принимаются равными деформациям бетонного ядра при максимальных напряжениях. Проверка точности этой формулы выполнена по результатам сопоставлений вычисленных значений деформаций с опубликованными экспериментальными данными.

Выводы. Полученные зависимости позволяют оценить деформативность рассчитываемой конструкции и расширяют область применения метода предельных усилий на трубобетонные элементы, в которых предельно допустимая деформация не превышает 25 % от деформации бетонного ядра при максимальном напряжении.

1. Bhure N. Steel Concrete Composite Construction : а Review // International Journal for Research in Applied Science and Engineering Technology. 2018. Vol. 6. Issue 11. Pp. 564–566. DOI: 10.22214/ijraset.2018.11089

2. Chen L., Fakharian P., Eidgahee D.R., Haji M., Arab A.M.A., Nouri Y. Axial compressive strength predictive models for recycled aggregate concrete filled circular steel tube columns using ANN, GEP, and MLR // Journal of Building Engineering. 2023. Vol. 77. P. 107439. DOI: 10.1016/j.jobe.2023.107439

3. Hossain K.M.A., Chu K., Anwar M.S. Axial load behavior of ultrahigh strength concrete-filled steel tube columns of various geometric and reinforcement configurations // Infrastructures. 2021. Vol. 6. Issue 5. P. 66. DOI: 10.3390/infrastructures6050066

4. Zhu J.Y., Chan T.M. Experimental investigation on octagonal concrete filled steel stub columns under uniaxial compression // Journal of Constructional Steel Research. 2018. Vol. 147. Pp. 457–467. DOI: 10.1016/j.jcsr.2018.04.030

5. Ведерникова А.А. Совершенствование методики расчета трубобетонных элементов обратным численно-аналитическим методом и ее применение // Инженерный вестник Дона. 2023. № 11 (107). С. 437–449. EDN WFVKPH.

6. Хазов П.А., Помазов А.П. Экспериментальное исследование продольного и поперечного изгиба трубобетонных стержней // Жилищное строительство. 2023. № 12. С. 66–72. DOI: 10.31659/0044-4472-2023-12-66-71. EDN ANFJDO.

7. Xiamuxi A., Hasegawa A. A study on axial compressive behaviors of reinforced concrete filled tubular steel columns // Journal of Constructional Steel Research. 2012. Vol. 76. Pp. 144–154. DOI: 10.1016/j.jcsr.2012.03.023

8. Кришан А.Л., Римшин В.И., Астафьева М.А. Сжатые трубобетонные элементы. Теория и практика. М. : Издательство АСВ, 2020. 321 с.

9. Liang Q.Q., Fragomeni S. Nonlinear analysis of circular concrete-filled steel tubular short columns under axial loading // Journal of Constructional Steel Research. 2009. Vol. 65. Issue 12. Pp. 2186–2196. DOI: 10.1016/j.jcsr.2009.06.015

10. Han L.H., Li W., Bjorhovde R. Developments and advanced applications of concrete-filled steel tubular (CFST) structures: Members // Journal of Constructional Steel Research. 2014. Vol. 100. Pp. 211–228. DOI: 10.1016/j.jcsr.2014.04.016

11. Кришан А.Л., Римшин В.И., Астафьева М.А., Лихидько М.А. Прочность центрально сжатых трубобетонных элементов // Вестник МГСУ. 2025. Т. 20. № 8. С. 1154–1164. DOI: 10.22227/1997-0935.2025.8.1154-1164. EDN WVLQYX.

12. Mander J.B., Priestley M.J.N., Park R. Theoretical Stress‐Strain Model for Confined Concrete // Journal of Structural Engineering. 1988. Vol. 114. Issue 8. Pp. 1804–1826. DOI: 10.1061/(asce)0733-9445(1988)114:8(1804)

13. Imran I., Pantazopoulou S.J. Experimental study of plain concrete under triaxial stress // ACI Materials Journal. 1996. Vol. 93. Issue 6. DOI: 10.14359/9865

14. Marques S.P.C., Marques D.C.D.S.C., da Silva L.J., Cavalcante M.A.A. Model for Analysis of Short Columns of Concrete Confined by Fiber-Reinforced Polymer // Journal of Composites for Construction. 2004. Vol. 8. Issue 4. Pp. 332–340. DOI: 10.1061/(asce)1090-0268(2004)8:4(332)

15. Ding F., Yu Z., Bai Y., Gong Y. Elasto-plastic analysis of circular concrete-filled steel tube stub columns // Journal of Constructional Steel Research. 2011. Vol. 67. Issue 10. Pp. 1567–1577. DOI: 10.1016/j.jcsr.2011.04.001

16. Wang Y., Chen P., Liu C., Zhang Y. Size effect of circular concrete-filled steel tubular short columns subjected to axial compression // Thin-Walled Structures. 2017. Vol. 120. Pp. 397–407. DOI: 10.1016/j.tws.2017.09.010

17. Nishiyama I., Morino S., Sakino K., Nakahara H. Summary of research on concrete-filled structural steel tube column system carried out under the US-JAPAN Cooperative Research Program on composite and hybrid structures. Japan, 2002. 176 p.

18. Patel V.I., Hassanein M.F., Thai H.T., Al Abadi H., Elchalakani M., Yai B. Ultra-high strength circular short CFST columns: Axisymmetric analysis, behaviour and design // Engineering Structures. 2019. Vol. 179. Pp. 268–283. DOI: 10.1016/j.engstruct.2018.10.081

19. Samarakkody D.I., Thambiratnam D.P., Chan T.H., Moragaspitiya P.H. Differential axial shortening and its effects in high rise buildings with composite concrete filled tube columns // Construction and Building Materials. 2017. Vol. 143. Pp. 659–672. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.11.091

20. Lai M.H., Ho J.C.M. A theoretical axial stress-strain model for circular concrete-filled-steel-tube colu-mns // Engineering Structures. 2016. Vol. 125. Pp. 124–143.DOI: 10.1016/j.engstruct.2016.06.048

21. He L., Lin S., Jiang H. Confinement Effect of Concrete-Filled Steel Tube Columns with Infill Concrete of Different Strength Grades // Frontiers in Materials. 2019. Vol. 6. DOI: 10.3389/fmats.2019.00-071

22. Han L.H., Yao G.H., Zhao, X.L. Tests and calculations for hollow structural steel (HSS) stub columns filled with self-consolidating concrete (SCC) // Journal of Constructional Steel Research. 2005. Vol. 61. Issue 9. Pp. 1241–1269. DOI: 10.1016/j.jcsr.2005.01.004

23. Wang Y., Chen P., Liu C., Zhang Y. Size effect of circular concrete-filled steel tubular short columns subjected to axial compression // Thin-Walled Structures. 2017. Vol. 120. Pp. 397–407. DOI: 10.1016/j.tws.2017.09.010