Влияние схемы соединения на сопротивление пробивающему разрушению систем колонна CFST–плита ЖБ при эксцентричной нагрузке

Почему важны более безопасные узлы зданий

В современных городах высотные здания всё чаще опираются на плоские перекрытия без балок, непосредственно поддерживаемые прочными колоннами. Такой аккуратный вид освобождает полезное пространство внутри, но скрывает уязвимое место: небольшую область, где каждая колонна примыкает к плите перекрытия. При внезапном отказе этого узла плита может «пробить» вокруг колонны и локально обрушиться. В этой статье исследуется, как сделать такой скрытый узел значительно более прочным и устойчивым к повреждениям, применяя продуманную стальную арматуру и элементы, которые можно заложить при строительстве, а не устранять потом ремонтом.

Сочетание стальных труб и плоских перекрытий

Исследование сосредоточено на популярной гибридной системе: колоннах из бетонозаполненной стальной трубы (CFST), соединённых с железобетонными плоскими плитами. В таких колоннах полая стальная труба заполняется бетоном, что сочетает прочность и жёсткость обоих материалов. Плоские плиты опираются непосредственно на колонны без глубоких балок, что экономит высоту этажа и делает планировку гибкой. Однако минус в том, что нагрузки от верхних этажей сконцентрированы в небольшой зоне плиты вокруг каждой колонны. Когда нагрузка смещена от центра колонны — например, из‑за неравномерного использования пространства или сейсмических воздействий — плита может раскрошиться и разрушиться хрупким «пробивным» образом, если узел не детализирован должным образом.

Испытания разных способов связывания плиты и колонны

Чтобы понять, какие детали работают лучше, исследователи изготовили и испытали в лаборатории двенадцать образцов плита–колонна. Каждый образец имел одинаковые размеры плиты и CFST‑колонны, но различался способом соединения. Некоторые не имели специальных приспособлений и служили эталоном. Другие использовали приваренные к внешней поверхности трубы стальные стержни, короткие или длинные болты, вклеенные в стенку трубы и анкёры, встроенные в плиту, либо С‑образные стержни, охватывающие трубу и залитые в бетон. Несколько образцов сочетали эти приёмы — например, две строки приваренных стержней плюс четыре глубоко заанкерованных болта, или С‑образные стержни с разной длиной заглубления. Все плиты нагружали рядом с центром колонны, но не точно по центру, чтобы воспроизвести реалистичную эксцентричную нагрузку.

Наблюдение за трещинами, прочностью и пластичностью

Во время испытаний команда измеряла прогибы плит, фиксировала появление первых видимых трещин, отслеживала их картину и доводила образцы до полного разрушения. Простой, не усовершенствованный узел показал наихудшие характеристики: он трескал при небольшой нагрузке и внезапно разрушался, когда колонна пробивала плиту. Добавление даже одной строки приваренных стержней существенно повысило и нагрузку, вызывающую образование трещин, и предельную несущую способность, а также изменило характер разрушения с хрупкого пробивания на более постепенное поведение с комбинированной изгибно‑пробивной пластичностью. Две строки приваренных стержней были ещё эффективнее, особенно если основная арматура плиты располагалась близко к приваренным стержням, что позволяло им работать совместно при восприятии нагрузки.

Болты, схемы арматуры и С‑образные соединители

Болтовые соединения также улучшали поведение узла, но их эффективность сильно зависела от глубины анкеровки болтов в плите. Увеличение длины заглубления с мелкого 16 мм до 48 мм почти в три раза повысило предельную несущую способность и сделало зависимость «нагрузка—прогиб» более пластичной, то есть узел мог больше деформироваться перед разрушением. Тонкая настройка компоновки арматуры вокруг длинных болтов давала дополнительные преимущества: стальная сетка или дополнительный верхний слой арматуры лучше распределяли усилия и контролировали трещины по сравнению с простым широкоразбросанным расположением стержней. Среди всех исследованных деталей С‑образные стержни с большим заглублением проявили себя особенно хорошо: они обеспечивали высокую прочность, жёсткость и поглощение энергии при более равномерных картинах трещинообразования.

Лучшее сочетание деталей

Явными лидерами оказались гибридные системы, комбинирующие разные элементы соединения, чтобы совместно нести нагрузку. Узел с двумя рядами приваренных более крупных стержней плюс четырьмя глубоко заанкерованными болтами достиг наивысшей несущей способности среди сварных решений и показал очень постепенное смягчение после пиковой нагрузки — признак отличной вязкости. Самые длинные С‑образные соединители продемонстрировали сопоставимо впечатляющую прочность с большими деформациями до разрушения. По всем образцам наиболее влиятельными факторами были базовый тип соединения, затем глубина анкеровки механических элементов, а компоновка арматуры выступала ценным средством тонкой настройки поведения узла.

Что это значит для реальных зданий

Для неспециалистов главное послание таково: способ примыкания стальных колонн к плоским бетонным перекрытиям может стать решающим фактором между внезапным хрупким отказом и узлом, который трескается постепенно и продолжает нести нагрузку. Проектируя с самого начала приваренные стержни, правильно заанкерованные болты или С‑образные соединители — и размещая окружающую арматуру так, чтобы она работала совместно с ними — инженеры могут существенно повысить уровни нагрузок, которые выдерживают узлы, а также обеспечить больше времени на предупреждение и резервной прочности перед разрушением. Это делает системы колонна CFST–плита не только эффективными и архитектурно гибкими, но и более безопасными и устойчивыми к неравномерным и изменяющимся нагрузкам, которые испытывают реальные здания.

Цитирование: Ghalla, M., Bazuhair, R.W., Mahfouz, Y.M.B. et al. Influence of connection configuration on the punching resistance of CFST column–RC slab systems under eccentric loading. Sci Rep 16, 12475 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46159-9

Ключевые слова: колонны из стальных труб, заполненных бетоном, пробивной срез в плоских плитах, соединения плита–колонна, эксцентричная нагрузка, детализация соединений