Введение

Трубобетонные конструкции широко применяются в современном строительстве благодаря эффективному сочетанию прочности стали и бетона. Основным преимуществом ТБК является эффект обоймы — трехосное напряженное состояние бетонного ядра, обеспечиваемое стальной оболочкой. Однако в реальных условиях эксплуатации под влиянием усадки бетона, ползучести, разницы деформаций, температурных перепадов и технологических факторов в контактной зоне «сталь-бетон» могут образовываться зазоры — дефекты контактной зоны [1, 2]. Для квадратных колонн проблема усугубляется тем, что эффект обоймы проявляется преимущественно в углах сечения, тогда как в центре граней возможно локальное выпучивание стенки [3].

Актуальность проблемы подтверждается данными натурных обследований: например, при диагностике арок трубобетонных мостов в Китае дефекты контактной зоны выявляются в 30–40 % контролируемых сечений [4]. При центральном сжатии влияние таких дефектов изучено достаточно подробно [5], однако для внецентренного нагружения, характерного для реальных колонн, картина осложняется наличием зон с разным напряженным состоянием по сечению. В сжатой зоне зазор может частично выбираться, восстанавливая контакт, тогда как в растянутой — провоцировать раннее нарушение совместности деформаций.

Перспективным направлением решения проблемы контактных дефектов является применение высокопрочного самоуплотняющегося бетона с эффектом самонапряжения. Как показано в работе Xu Lihua [2], введение расширяющих добавок в состав высокопрочного бетона позволяет компенсировать усадку и создать начальное обжатие бетонного ядра еще на стадии твердения. Экспериментальные исследования подтвердили, что самонапряжение величиной 5 МПа обеспечивает прирост несущей способности трубобетонных элементов при внецентренном сжатии до 12,4 % за счет устранения зазоров в контактной зоне. Другим эффективным конструктивным решением является применение внешних колец жесткости, которые, как показано в исследовании Lai, M. H. [7], ограничивают поперечные деформации бетонного ядра на ранней упругой стадии и позволяют увеличить несущую способность до 49 %, а начальную жесткость — до 26 % за счет улучшения контакта между стальной оболочкой и бетоном. Тем не менее, как отмечают авторы [2], существующие нормативные документы не учитывают особенности работы таких конструкций, а для внецентренно сжатых элементов с дефектами контакта эта проблема остается практически неизученной.

Цель настоящей работы — оценка того, насколько существующие нормативные положения СП 266.1325800.2016 позволяют достоверно прогнозировать несущую способность внецентренно сжатых трубобетонных колонн квадратного сечения при наличии дефектов контактной зоны, и определение направлений совершенствования расчета.

1. Экспериментальные данные о влиянии дефектов

В последние годы выполнен ряд экспериментальных исследований, направленных на количественную оценку влияния дефектов на несущую способность ТБК. Xue et al., 2022 [8] получили, что 0,5 мм дефекта для круглого сечения снижают несущую способность, пластичность и жесткость на 12–15 %. Briseghella, 2009 [6] получили те же значения — 8–16 % — при дефекте от 0,3 до 0,8 мм, отметив, что с увеличением процента армирования негативный эффект уменьшается. Xue et al., 2020 [9] установлено, что наличие дефекта снижает несущую способность на 11–31 % в зависимости от гибкости и прочности стали.

2. Анализ нормативной методики СП 266.1325800.2016

СП 266.1325800.2016 [11] не содержит указаний по учету дефектов контактной зоны. Согласно п. 7.2.1.5 для квадратных трубобетонных элементов без косвенного армирования эффект обоймы без спирали не учитывается, и расчет выполняется как для железобетонных конструкций с жесткой арматурой по разделу 7.1. Стальная труба рассматривается аналогично прокатному профилю, а бетонное ядро — в условиях одноосного сжатия.

Для проверки влияния этого допущения выполнен сопоставительный расчет серии экспериментальных образцов [10] с параметрами, приведенными в табл. 1–3. Расчет выполнен согласно п. 7.1.1–7.1.3 СП 266 с определением приведенных геометрических характеристик, учетом случайного эксцентриситета и проверкой необходимости учета продольного изгиба. Геометрические характеристики, а также характеристики материалов трубобетонных колонн для всех образцов одинаковы.

Таблица 1

Геометрия образца [10]

Где –длина, мм,

наружная ширина трубы, мм,

— толщина стенки, мм,

— эксцентриситет, мм.

Таблица 2

Характеристики стали [10]

Таблица 3

Характеристики бетона [10]

Согласно СП 16.13330 [16] примем коэффициент надежности для стали . Тогда расчетное сопротивление стали:

Кубиковая прочность бетона равна 78,4МПа, что соответствует классу бетона B60. Тогда призменная прочность для этой марки равна

Коэффициент надежности по бетону при сжатии . Тогда расчетное сопротивление бетона:

Для кратковременных нагрузок модуль упругости бетона:

Коэффициент приведения к одному материалу по приложению Г.18 [12]:

Расчетная длина при шарнирном закреплении равна длине стержня: .

В статье [10] исследовались один образец без дефектов и 30 образцов с заданными дефектами на границе раздела стали и бетона. Использовалось четыре типа дефектов: D1 — дефект по всей длине, D2 — дефект по части длины, D3 — цилиндрическая пустота в углах на 1/4 и D4 — цилиндрическая пустота по бокам на 1/2. Принципиальная схема дефектов показана на рисунке 1, где SD представляет единичное распределение, а UD — равномерное.

Рис. 1. Сечение экспериментальных образцов трубобетонных колонн квадратного сечения [10]

В таблице 4 приводится сравнение результатов, полученных экспериментально в статье [10], с расчетными значениями по СП 266 [11]. В таблице показано отклонение между полученными значениями: положительная погрешность означает завышение расчетного значения относительно эксперимента, отрицательная — занижение.

Таблица 4

Сравнение экспериментальных и расчетных значений несущей способности

Анализ результатов показывает, что:

1. Для бездефектного образца Е1 погрешность расчёта по СП 266 составляет от -14,77 % до -19,35 %, то есть норматив даёт запас 15–20 %.
2. При внесении дефектов характер погрешности существенно меняется в зависимости от эксцентриситета и типа дефекта. При малом эксцентриситете 25 мм (e/B ≈ 0,17) для пяти образцов наблюдается завышение расчётной несущей способности от +3,14 % до +13,6 %. Наиболее опасно это проявляется для образцов Е16 и Е28, с локальным отслоением с одной стороны на 50 % от высоты сечения и дефектом с одной стороны соответственно. При этом образец Е5 со сплошным дефектом по всей длине при e=25 мм дает запас прочности на 3,87 %, а симметричные дефекты образцов E12, Е19, E31–9,3 %, 4,92 %, 3,17 % соответственно. При среднем эксцентриситете 35 мм разброс погрешности максимален, однако значительного завышения уже не наблюдается: образец Е5 даёт 1,55 %, Е13–1,99 %, остальные образцы показывают отрицательную погрешность. При эксцентриситете 45 мм (e/B = 0,3) все дефектные образцы демонстрируют отрицательную погрешность от -4,32 % до -26,49 %.

Таким образом, локальные дефекты с одной стороны наиболее опасны при малых эксцентриситетах, вызывая завышение расчёта до 13,8 %, тогда как симметричные и равномерные дефекты при малых эксцентриситетах дают занижение либо незначительное завышение, а при больших эксцентриситетах создают дополнительный запас прочности.

Это явление объяснятся тем, что при малом эксцентриситете сжатая зона охватывает почти всё сечение, и локальный дефект с одной стороны нарушает передачу усилий от стальной трубы к бетонному ядру и снижает эффективную площадь совместной работы.

При большом же эксцентриситете сжатая зона мала, и даже при наличии дефекта основная нагрузка передаётся через неповреждённую часть сечения, а нормативный запас 15–20 % перекрывает ослабление.

3. Направления корректировки расчета

На основе выполненного анализа таблицы 4 можно предложить следующие направления корректировки расчёта по СП 266 для внецентренно сжатых трубобетонных колонн квадратного сечения с дефектами контактной зоны.

Первое направление — дифференцированный учёт эксцентриситета. Поскольку при малых эксцентриситетах, где , расчёт систематически завышает несущую способность дефектных колонн до 13,8 %, необходимо введение понижающего коэффициента. При больших эксцентриситетах, где , норматив даёт запас до 26 %, поэтому корректировка не требуется. Для переходной зоны рекомендуется линейная интерполяция коэффициента.

Второе направление — учёт типа и расположения дефекта. Локальные дефекты с одной стороны наиболее опасны и требуют снижения расчётной несущей способности на 10–15 %. Сплошные дефекты по всей длине при малых эксцентриситетах практически не влияют на точность расчёта. Симметричные и равномерные дефекты при малых эксцентриситетах безопасны, а при больших создают дополнительный запас, поэтому корректировка для них не требуется.

Третье направление — учёт положения дефекта относительно сжатой и растянутой зон. Если дефект находится в сжатой зоне, необходимо снижать эффективную площадь бетона пропорционально размеру зазора. Если дефект расположен в растянутой зоне, корректировка не требуется, так как нормативный запас перекрывает ослабление. Для дефектов в нейтральной зоне достаточно незначительного снижения на 5–7 %.

Заключение

В результате выполненной работы проведена оценка достоверности прогнозирования несущей способности внецентренно сжатых трубобетонных колонн квадратного сечения при наличии дефектов контактной зоны «сталь — бетон» с использованием нормативных положений СП 266.1325800.2016. Установлено, что нормативная методика не учитывает наличие зазоров и отслоений, что приводит к систематическим погрешностям.

Для бездефектных образцов норматив обеспечивает запас прочности 15–20 %, однако при наличии дефектов характер погрешности существенно меняется: от завышения расчётной несущей способности до 13,8 % до её занижения до 26,5 % в зависимости от эксцентриситета и типа дефекта.

Наиболее опасным случаем являются локальные односторонние дефекты при малых относительных эксцентриситетах, где расчёт по [11] даёт завышение несущей способности. При больших эксцентриситетах колонны демонстрируют запас прочности, и корректировка не требуется.

Предложены три направления корректировки расчета по [11]: дифференцированный учёт эксцентриситета дифференцированный учёт эксцентриситета, учет типа и расположения дефекта, учёт положения дефекта относительно сжатой и растянутой зон.

Таким образом, для исследованных типов дефектов и малых эксцентриситетов показано систематическое завышение до 13,8 %. Предложенные направления корректировки позволяют устранить наиболее существенные погрешности и могут быть рекомендованы для совершенствования нормативной базы, а также для практического применения при оценке состояния существующих конструкций с выявленными дефектами.

Литература:

1. Contento A., Aloisio A., Xue J., et al. Probabilistic axial capacity model for concrete-filled steel tubes accounting for load eccentricity and debonding // Engineering Structures. — 2022. — Vol. 268. — P. 114730.
2. Performance of the high-strength self-stressing and self-compacting concrete-filled steel tube columns subjected to the uniaxial compression / Xu Lihua. — Текст: электронный — URL: https://eprints.lancs.ac.uk/id/eprint/128607/3/INCE_Manuscript_final.pdf (дата обращения: 10.02.2026).
3. Eccentric compressive behavior of square concrete-filled stainless steel tube (CFSST) stub columns / Tang Hongyuan, Hou Linjian, Yuan Zhijun [и др.]. — Текст: непосредственный // Structures. — 2023. — № 55. — С. 1920–1935.
4. Chen B., Han L. H., Qin D. Y., Li W. Life-cycle based structural performance of long-span CFST hybrid arch bridge: A study on arch of Pingnan Third Bridge // Journal of Constructional Steel Research. — 2023. — Vol. 207. — P. 107939.
5. Performance deterioration analysis of CFSST columns with debonding defects under axial compression / Lin Yuhan, Zheng Jinhuo, Chen Libo [и др.]. — Текст: непосредственный // Journal of Constructional Steel Research. — 2025. — № 226.
6. Junqing, Xue Experiment on debonding in concrete-filled steel single tube columns subjected to eccentrically loading / Xue Junqing. — Текст: электронный // ResearchGate: [сайт]. — URL: https://www.researchgate.net/publication/293319879_Experiment_on_debonding_in_concrete-filled_steel_single_tube_columns_subjected_to_eccentrically_loading (дата обращения: 10.02.2026).
7. Lai, M. H. Confinement effect of ring-confined concrete-filled-steel-tube columns under uni-axial load / M. H. Lai, C M Ho J. — Текст: непосредственный // Engineering Structures. — 2014. — № 67. — С. 123–141.
8. Xue J Experimental Research on Debonding in Concrete-Filled Steel Tubes Columns Subjected to Eccentric Loading / Xue J 8, B. Chen, B. Briseghella. — Текст: непосредственный // IABSE Symposium Report. — 2010. — № 97. — С. 40–47.
9. Junqing, Xue Experimental Research on Effects of Debonding on Circular CFST Columns with Different Slenderness Ratios / Xue Junqing. — Текст: электронный // Springer Nature Link: [сайт]. — URL: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978–3–030–29227–0_38#chapter-info (дата обращения: 14.03.2026).
10. Eccentric compression behavior of square concrete-filled steel tube with interfacial concrete defects / Xu. — Текст: электронный // SSRN: [сайт]. — URL: https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=5407000 (дата обращения: 20.02.2026).
11. СП 266.1325800.2016. Свод правил. Конструкции сталежелезобетонные. Правила проектирования: утверждён приказом Министерства строительства и жилищно‑коммунального хозяйства Российской Федерации от 30 декабря 2016 г. № 1030/пр: введён 1 июля 2017 г. — Москва, 2017. — 110 с.
12. СП 16.13330.2017. Свод правил. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23–81 (с Поправками, с Изменениями № 1–6): утверждён приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 27 февраля 2017 г. № 126/пр; введён в действие 28 августа 2017 г. — Москва, 2017. — 151 с.