Стыки железобетонных колонн с усилением металлическими элементами

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
 
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 
высшего образования 
«Томский государственный архитектурно-строительный университет» 
 
 
 
 
 
 
 
В.С. Плевков, М.Е. Гончаров 
 
 
 
 
СТЫКИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОЛОНН  
С УСИЛЕНИЕМ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ 
 
 
Монография 
 
Под редакцией В.С. Плевкова 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Томск 
Издательство ТГАСУ 
2023 

УДК 624.012.35:69.057.43 
ББК 38.536.2+38.638.035 
П38 
 
Плевков, В.С. 
Стыки железобетонных колонн с усилением металлическими элементами : монография / В.С. Плевков, М.Е. Гончаров ; под ред. В.С. Плевкова. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.строит. ун-та, 2023. – 228 с. – Текст : непосредственный. 
ISBN 978-5-6050245-7-6 
 
В монографии представлены результаты исследований стыков сборных железобетонных колонн без усиления и усиленных металлическими элементами (обоймами) 
при статическом и кратковременном динамическом нагружениях. На основе анализа, 
обзора и систематизации теоретических и экспериментальных данных определены предельные состояния по прочности и деформативности стыков сборных железобетонных 
колонн и способы их нормирования, а также особенности и предпосылки численных 
и аналитических расчетов при кратковременном динамическом нагружении с учетом 
нелинейного деформирования бетона и арматуры. 
На основе нелинейной деформационной модели разработан метод расчета по 
прочности железобетонных колонн и их стыков при статическом и кратковременном динамическом нагружениях с учетом экспериментально полученных предпосылок и физической нелинейности бетона и арматуры. Предложено усиление стыков железобетонных колонн металлической обоймой в виде П-образных стержней, а также инженерный 
метод его расчета, новизна которых подтверждена патентом на изобретение РФ. 
Монография предназначена для инженерно-технических работников проектных и строительных организаций, других предприятий и учреждений, занимающихся 
ремонтом, восстановлением и реконструкцией зданий и сооружений, а также для преподавателей, аспирантов и студентов вузов и техникумов строительных специальностей. 
 
УДК 624.012.35:69.057.43 
ББК 38.536.2+38.638.035 
 
 
Рецензенты: 
В.М. Митасов, профессор, докт. техн. наук, НГСУ; 
О.Г. Кумпяк, профессор, докт. техн. наук, ТГАСУ. 
 
 
ISBN 978-5-6050245-7-6 
© Томский государственный 
   архитектурно-строительный 
   университет, 2023 
© Плевков В.С., Гончаров М.Е., 2023 
П38 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
Введение ..................................................................................................... 5 
Глава 1. Состояние вопроса по исследованию прочности  
стыков железобетонных колонн ............................................................ 7 
1.1. Конструктивные решения стыков сборных железобетонных 
колонн ...................................................................................................... 7 
1.2. Дефекты стыков сборных железобетонных колонн ................... 20 
1.3. Исследование прочности железобетонных колонн  
и их стыков с учетом пространственной работы зданий .................. 27 
Глава 2. Теоретические исследования стыков железобетонных 
колонн ....................................................................................................... 33 
2.1. Предпосылки расчета .................................................................... 33 
2.1.1. Предельные состояния и способы их нормирования 
для железобетонных колонн и их стыков ...................................... 33 
2.1.2. Прочностные и деформативные характеристики бетона  
при статическом и кратковременном динамическом  
нагружениях ...................................................................................... 43 
2.1.3. Прочностные и деформативные характеристики арматуры  
при статическом и кратковременном динамическом  
нагружениях ...................................................................................... 51 
2.2. Численные расчеты стыков железобетонных колонн ................ 57 
2.2.1. Численные расчеты стыков железобетонных колонн 
с использованием программы Dynamic 3D .................................... 57 
2.2.2. Численные расчеты стыков железобетонных колонн 
с использованием вычислительных комплексов SCAD  
и «ЛИРА» .......................................................................................... 73 
Глава 3. Экспериментальные исследования стыков  
железобетонных колонн при статическом и кратковременном 
динамическом нагружениях ................................................................. 82 
3.1. Программа экспериментальных исследований. Выбор 
и конструкция опытных образцов ....................................................... 82 
3.2. Методика проведения испытаний ................................................ 90 
3.3. Результаты экспериментальных исследований ........................ 101 

Глава 4. Методы расчета стыков сборных железобетонных  
колонн ..................................................................................................... 118 
4.1. Расчет прочности стыков железобетонных колонн 
с использованием нормативных документов ................................... 118 
4.1.1. Особенности стыков элементов сборных  
железобетонных колонн ................................................................. 118 
4.1.2. Расчет стыков сборных железобетонных колонн .............. 123 
4.1.3. Учет косвенного армирования при расчете стыков  
сборных железобетонных колонн ................................................. 127 
4.2. Расчет прочности стыков железобетонных колонн 
по предельным усилиям с учетом пространственной модели 
профессора Б.С. Соколова ................................................................. 132 
4.3. Динамический расчет стыков железобетонных колонн 
с использованием деформационной модели .................................... 138 
4.4. Расчет стыков сборных железобетонных колонн,  
усиленных металлическими обоймами в виде П-образных  
стержней .............................................................................................. 157 
Заключение ............................................................................................ 164 
Библиографический список ............................................................... 166 
Приложение. Варианты усиления железобетонных колонн  
и их стыков .............................................................................................. 184 
 

ВВЕДЕНИЕ 
В последнее время вопросы реконструкции зданий и сооружений, 
связанные с переоборудованием и изменением их функционального 
назначения, приводящие к появлению или значительному увеличению 
статических и динамических нагрузок, являются по-прежнему актуальными. Увеличению параметров действующих усилий в несущих железобетонных конструкциях и их стыках для каркасных зданий и сооружений 
также способствуют изменения в современной нормативной базе. 
Анализ конструктивных решений стыков сборных железобетонных колонн каркасных зданий показал, что широкое распространение 
получил стык колонн, выполняемый с ванной сваркой продольных 
стержней. Данные стыки очень чувствительны к технологическим, конструктивным и другим отступлениям, что может привести к отказу отдельных несущих железобетонных конструкций или зданий в целом 
с повреждениями дорогостоящего оборудования, травмами и даже гибелью людей. 
Имеющиеся на сегодняшний день теоретические и экспериментальные исследования работы стыков железобетонных колонн в основном проводились для статических нагружений. Исследований стыков 
железобетонных колонн при действии кратковременных динамических 
нагрузок крайне недостаточно. 
Таким образом, решение вопросов по расчету прочности и деформативности стыков железобетонных колонн, усиленных металлическими обоймами, является актуальным и имеет большое практическое 
значение при проектировании и реконструкции зданий и сооружений. 
В первой главе проведен обзор теоретических и экспериментальных исследований стыков железобетонных колонн, при этом отмечена 
недостаточность указанных исследований по кратковременным динамическим нагружениям. Рассмотрены результаты обследований многоэтажных каркасных зданий и выполненных расчетов пространственных 
систем данных зданий. 
Вторая глава посвящена предпосылкам расчета сборных железобетонных колонн и их стыков без усиления и усиленных металлическими элементами, а также их численным расчетам методом конечных 
элементов в трехмерной постановке при кратковременном динамиче

Стыки железобетонных колонн с усилением металлическими элементами 
6 
ском и статическом нагружениях. Приведены результаты расчетов, выполненных в трехмерной волновой динамической постановке с использованием программы Dynamic 3D, а также с применением программных комплексов SCAD и «Лира». 
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований работы стыков железобетонных колонн при статическом 
и кратковременном динамическом нагружениях. 
Четвертая глава посвящена расчетам прочности стыков сборных 
железобетонных колонн на действие динамических нагрузок по предельным усилиям с применением нормативных документов, а также зависимостей, основанных на теории сопротивления анизотропных материалов сжатию и пространственной модели разрушения стыков, предложенной профессором Б.С. Соколовым для статически нагруженных 
колонн. 
В приложении приведено более 80 вариантов усиления и восстановления железобетонных колонн и их элементов. 
 

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА  
ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ПРОЧНОСТИ СТЫКОВ  
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОЛОНН 
1.1. Конструктивные решения стыков сборных 
железобетонных колонн 
Колонна – вертикальный стержневой элемент каркаса, служащий 
в основном для восприятия вертикальной нагрузки от прикрепленных 
к нему или опирающихся на него других элементов – ригелей, балок, 
плит покрытия и перекрытия и др. 
Колонны могут быть бесстыковыми и стыковыми. Бесстыковые колонны имеют предельную высоту и применяются в зданиях малой и средней этажности. Применение стыков сборных железобетонных колонн по 
высоте позволяет увеличить этажность зданий и сооружений. Однако при 
стыковании железобетонных колонн количество стыков должно быть минимальным в связи со значительными трудозатратами при их устройстве. 
С этой целью колонны могут изготавливаться на два или на три этажа, 
а стыки располагаются в наименее напряженных сечениях (вблизи нулевых точек изгибающих моментов), т. к. сечение по стыку обычно менее 
прочно и жестко по сравнению с основным сечением колонны. Обычно 
для удобства производства работ стык располагают на высоте 0,7−0,9 м 
от уровня пола перекрытия [39, 97, 111, 147, 150, 170]. 
Стыки сборных железобетонных колонн обычно проектируются 
с некоторым запасом прочности по сравнению с сопрягаемыми элементами. В месте стыка возможно возникновение дополнительных усилий, 
вызванных эксцентриситетами из-за дефектов изготовления и монтажа 
конструкций, различными свойствами материалов, неравномерными 
напряжениями от сварки закладных деталей, выпусков продольной арматуры [147, 150]. 
В отечественной практике строительства конструкции стыков колонн прошли эволюцию от бессварных шарнирных стыков и стыков, 
соединяемых сваркой тяжелых оголовников в серии ИИ-04, до стыков, 
выполняемых с ванной сваркой выпусков продольной арматуры, винтовых и пр. [176]. 

Стыки железобетонных колонн с усилением металлическими элементами 
8 
Исследованию стыков сборных железобетонных колонн при статическом нагружении посвящены работы А.П. Васильева [26−32, 177], 
В.М. Горшковой [44], В.Н. Гусакова [53], В.В. Иванова [30, 32, 64], 
В.Г. Кваши [70], Н.Н. Коровина [73], Ю.Л. Крицмана [56], С.М. Крылова [73], А.А. Кудрявцева [74], Р.Р. Латыпова [159, 162, 164, 165], 
В.В. Левчича [70], Л.Н. Литвинова [78], В.П. Малышева [84], Н.Г. Маткова [26−30, 32, 33, 74, 87, 88−91, 176], Г.П. Никитина [101, 102, 161], 
Е.Г. Родичкина [64], Б.С. Соколова [159−165], А. Эпп [186] и др. Исследования зарубежных ученых в основном направлены на расчет и конструирование железобетонных конструкций при действии на них сейсмических нагрузок [190, 193, 194, 198]. В работе [198] рассматриваются 
железобетонные конструкции, подверженные локальному загружению. 
В отечественном строительстве первое полносборное жилое здание, имеющее 7 этажей, было возведено в 1927 г. в Москве и предназначалось для общежития. Конструкции данного каркаса были разработаны в Государственном институте сооружений (ГИС) под руководством А.А. Гвоздева и по предложению А.Ф. Лолейта, Г.Б. Красина 
и Е.В. Костырко, стыки колонн были выполнены в уровне перекрытия 
с контактом плоских торцов колонн и опорной части продольной 
балки. При данном конструктивном решении колонны и их стыки работали на сжатие, близкое к осевому [176]. 
Позже сотрудниками ГИС был предложен стык колонн в виде 
шарнирного опирания (рис. 1.1, а). Каркас здания при данном варианте 
стыков собирался из П-образных рам с односторонними консолями 
и подвесных ригелей. Шарнирное опирание рамам обеспечивали сферические торцы стоек. Для изучения работы шарнирного стыка 
А.П. Васильевым было испытано 8 экспериментальных образцов колонн со стыками. Проведенные испытания позволили выявить большую деформативность данных стыков вследствие обжатия сферических торцов, развития трещин и скалывания углов. Разрушение происходило не в уровне стыка, а по телу колонны. Конструктивное решение 
в виде П-образных рам было применено на некоторых многоэтажных 
промышленных зданиях. Исследования шарнирных стыков были продолжены С.М. Крыловым и Н.Н. Коровиным [173, 176]. Предложено 
сферический стык располагать в уровне перекрытия, а расчетную схему 
при этом рассматривать как одно- или двухэтажную раму с шарнир

Глава 1. Состояние вопроса по исследованию прочности стыков 
9 
ными опорами и жестким сопряжением ригелей с колоннами. При этом 
высота каркаса ограничивалась 16 этажами. Однако с увеличением 
этажности зданий, которое приводит к повышению нагрузок, потребовалось включить в работу оборванные в зоне стыка стержни посредством соединения их при помощи сварки (рис. 1.1, б). При таком конструктивном решении была нарушена идея шарнира, а в уровне стыка 
наблюдалось образование трещин и даже разрушение бетона, что потребовало отказаться от сухого опирания по всей сфере колонны. Было 
предложено выполнять плоскую краевую срезку части вогнутой сферы 
с инъецированием зазора между торцами колонн (рис. 1.1, в). Экспериментально было доказано снижение деформативности сферических 
стыков, которая зависела от кривизны стыкуемых элементов и прочности раствора в шве. При возведении ряда каркасных зданий в сейсмических районах были разработаны и предложены сферические стыки колонн с центрирующим стержнем в нижней колонне и гнездом в верхней. 
 
 
 
Рис. 1.1. Конструктивное решение стыков сборных железобетонных колонн со сферическими торцами: 
а – без сварки; б, в – со сваркой продольных стержней 
 
Несмотря на простоту устройства сферических стыков сборных 
железобетонных колонн, они не получили широкого распространения 
при возведении каркасных зданий из-за образования дополнительных 
шарниров, которые способствуют увеличению изгибающих моментов 
в узлах сопряжения ригелей с колоннами. Кроме этого, сборные желеа 
б 
в 

Стыки железобетонных колонн с усилением металлическими элементами 
10 
зобетонные колонны со сферическими торцами должны иметь высокую степень точности при изготовлении и монтаже. 
При переходе на заводское изготовление железобетонных конструкций потребовалось создание отдельных линейных элементов каркаса. 
Первое каркасное многоэтажное здание, построенное из линейных элементов, было возведено в 1934 г. Колонны были выполнены 
с разрезкой на один этаж. Ригели имели двухстенчатое сечение с поперечными диафрагмами, которые совместно образовывали стаканы для 
стыковки колонн (рис. 1.2, а). Стыковка колонн могла происходить без 
перепуска и с перепуском арматуры колонн. Такие замоноличенные 
стыки обладали большой прочностью и жесткостью и обеспечивали работу каркаса как рамной конструкции, аналогичной монолитной. 
В Магнитогорске для сборного каркаса был разработан и применен совмещенный узел колонны с прогоном, который требовал выполнения массивной надколонной части прогона с двумя конусообразными отверстиями для установки колонн (рис. 1.2, б). Недостатком такого решения являлось возникновение в конструкции прогона усилия 
раскалывания, для восприятия которого требовалась установка дополнительного армирования. Кроме этого, выполнение таких узлов требует очень точного изготовления. 
 
         
 
 
Рис. 1.2. Конструктивные решения бессварных стыков сборных колонн: 
а – со стаканом из двухстенчатых ригелей с поперечными диафрагмами; 
б – с конусообразными отверстиями в прогонах 
а 
б