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 металли
ческими 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 железо
бетонных 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 проект
ных 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 железобетон
ных 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 эксперимен
тальные 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 дефор
мативности 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 эксперименталь
ных 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 железо
бетонных 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 ис
следований 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 восста
новления 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 ко
лонны 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 ко
лонн 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 ста
тическом 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 зда
ние, 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 ко
лонн 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 желе
а
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 конструк
ций потребовалось создание отдельных линейных элементов каркаса.

Первое каркасное многоэтажное здание, построенное из линей
ных 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 приме
нен 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

Глава 1. Состояние вопроса по исследованию прочности стыков

11

В практике строительства многоэтажных зданий с безбалочными 

перекрытиями получили свое место стыки сборных железобетонных колонн, выполняемые в уровне перекрытия с капителями (рис. 1.3, а, б), 
а также стыки колонн, осуществляемые сваркой закладных деталей при 
помощи арматурных накладок с размещением стыка в диске перекрытия 
(рис. 1.3, в) или выше уровня капители (рис. 1.3, г).

Рис. 1.3. Конструктивное решение стыков сборных железобетонных ко
лонн с устройством капителей:
а, б – в уровне перекрытия с перепуском арматуры; в, г – при помощи 
сварки закладных деталей в уровне перекрытия (в) и выше капители (г)

Шарнирные стыки сборных железобетонных колонн, кроме сфе
рических торцов, которые рассматривались выше, могут иметь и плоские 
торцы, усиленные сетками косвенного армирования. При этом шарнирный стык используется только в случае малого эксцентриситета. Таким 
образом, данный стык применим для зданий со связевыми системами, 
где рамы каркаса рассчитаны только на работу вертикальных нагрузок, 

а
б

в
г

Стыки железобетонных колонн с усилением металлическими элементами

12

а все горизонтальные нагрузки передаются на систему продольных и поперечных диафрагм жесткости. Работа шарнирного стыка колонн на поперечную силу была рассмотрена В.М. Горшковой [44]. Проведены экспериментальные исследования и предложены формулы расчета прочности стыка сборных железобетонных колонн на срез при выполнении шва 
из полимерраствора и наличии штыря, выступающего из торца верхней 
колонны и анкеруемого на растворе в стальной трубке каркаса нижней 
колонны. Экспериментальные исследования проводились при неблагоприятных для стыка условиях – сочетание максимальной поперечной 
силы и минимальной продольной. Расчет по предложенным формулам 
показал надежность данного стыка.

Стыки сборных железобетонных колонн без сварки арматуры 

и закладных деталей при возведении каркасных зданий производились 
до 50-х гг. XX в., что обусловливалось трудностью организации сварочных работ.

Позже при возведении каркасов многоэтажных зданий широкое 

распространение получили сварные металлические стыки, которые использовались в сериях ИИ-04 и ИИ-20. Данные стыки выполнялись 
с устройством металлических оголовков, которые приваривались 
к продольной арматуре с последующим обетонированием цементным 
раствором по сетке (рис. 1.4, а, б). Работа стыков колонн с металлическими оголовками была исследована в ЛИСИ и НИИЖБ. В.Н. Гусаковым было предложено заменить металлический оголовок горизонтальным листом (рис. 1.4, в), к которому приваривается 4 стержня, заанкеренных в тело колонны, а продольная арматура при этом обрывается 
у торцов колонн, усиленных косвенным армированием в виде арматурных сеток [53]. Экспериментальные исследования конструкций стыков 
с металлическими оголовками показали их достаточную прочность 
и жесткость. При этом допускается вести монтаж каркаса здания в зимнее время. Однако данная конструкция стыка многодельная и требует 
большого расхода металла и значительных трудозатрат на ручной дуговой сварке. Также при монтажных работах в зоне стыка образуются 
перекосы опорных плоскостей, приводящие к образованию клинообразной щели, что повышает деформативность таких стыков.

Позже для экономии и рационального использования металла 

начинают разрабатывать и внедрять в производство железобетонные