Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ условий эксплуатации и методов расчета несущих конструкций подземных сооружений 10
1.1. Характеристика конструкций тоннелей инженерных коммуникаций 10
1.2. Основные виды износа и прогнозирование состояния конструкций тоннелей инженерных коммуникаций 16
1.3. Резервы несущей способности конструкций подземных сооружений 27
1.4. Основы поддержания конструкций подземных сооружений на заданном уровне надежности 34
1.5. Анализ методов усиления железобетонных строительных конструкций 37
1.6. Учет случайных закономерностей в оценке резерва несущей способности конструкции 44
1.7. Выводы но главе 1 51
Глава 2. Исследование методов усиления и напряженного состояния несущих конструкций подземных сооружений 53
2.1. Обоснование системного подхода при выборе материалов усиления с целью обеспечения несущей способности конструкции 53
2.2, Исследование применяемых материалов и способов усиления железобетонных конструкций 56
2.2.1. Усиление конструкций увеличением площади поперечного сечения с применением железобетона 56
2.2.2. Усиление конструкций изменением конструктивной схемы 58
2.2.3. Усиление конструкций полимербетонными композиционными материалами 60
2.2.4. Усиление конструкций с предварительным напряжением арматурных пучков 62
2.2.5. Усиление конструкций с применением арматуры в виде стальных листов 65
2.2.6. Усиление конструкций с применением композиционных материалов на основе углеродных волокон 66
2.3. Моделирование напряженно-деформированного состояния плит перекрытий подземных сооружений методом конечных элементов 76
2.4. Выводы по главе 2 83
Глава 3. Исследование и обоснование параметров технологии усиления конструкций подземных сооружений 85
3.1. Определение величины усиления железобетонных конструкций подземных сооружений 85
3.2. Математическая модель напряженно-деформированного состояния системы «усиливаемая конструкция - элемент усиления - грунтовый массив» конструкций подземных сооружений 97
3.3. Анализ влияния параметров технологии на эксплуатационную надежность системы усиления 115
3.4. Выводы по главе 3 124
Глава 4. Разработка технологии усиления конструкций подземных сооружений с применением композиционных материалов 126
4.1. Общие положения 126
4.2. Особенности методики проектирования усиления конструкций подземных сооружений 128
4.2.1. Расчет конструкций подземных сооружений по несущей способности 128
4.2.2. Расчет конструкций подземных сооружений по пригодности к нормальной эксплуатации 130
4.3. Технология усиления железобетонных конструкций подземных сооружений композиционными материалами 134
4.3.1. Общие положения 134
4.3.2. Организация и технология выполнения работ 136
4.3.3. Контроль качества выполнения работ 139
4.4. Применение предварительно-напряженных элементов усиления конструкций подземных сооружений 140
4.5. Расчет экономической эффективности технологии усиления железобетонных конструкций подземных сооружений композиционными материалами 143
4.6. Внедрение результатов работы 146
4.7. Выводы по главе 4 146
Заключение 148
Список использованной литературы 150
- Основные виды износа и прогнозирование состояния конструкций тоннелей инженерных коммуникаций
- Усиление конструкций с применением композиционных материалов на основе углеродных волокон
- Математическая модель напряженно-деформированного состояния системы «усиливаемая конструкция - элемент усиления - грунтовый массив» конструкций подземных сооружений
- Расчет конструкций подземных сооружений по пригодности к нормальной эксплуатации
Основные виды износа и прогнозирование состояния конструкций тоннелей инженерных коммуникаций
Опыт эксплуатации и обследования коллекторных тоннелей для инженерных коммуникаций в системе ГУП «Москоллектор» показал, что железобетонные конструкции подвергаются ускоренному износу. Уже после нескольких лет эксплуатации в отдельных строительных конструкциях отмечается появление продольных трещин в защитном слое бетона. При дальнейшей эксплуатации, через 10-20 лет, многочисленный характер имеет нарушение герметизации стыков между плитами перекрытия, интенсивная коррозия арматуры, трещинообразование и отслоение защитного слоя бетона в конструкциях.
По данным диагностических обследований [15, 121, 123, 128, 145], для коллекторных тоннелей в таблице 1.1. приведены объемы и характерные виды повреждений конструкций, находящихся в аварийном состоянии.
При анализе данной таблицы видно, что в аварийном состоянии находятся только плиты перекрытий коллекторных тоннелей.
Особое внимание обращает на себя возрастание скорости физического износа плит перекрытий после 15-20 лет эксплуатации. Так, например, если в Бутырском коллекторе, эксплуатирующимся на момент осмотра 17 лет, отмечено только нарушение гидроизоляции 6 % стыков между плитами перекрытия, то в коллекторном тоннеле «Зюзино», эксплуатирующимся на 13 лет больше, уже 12 % плит перекрытий находятся в аварийном состоянии с разрушением защитного слоя бетона вследствие интенсивной коррозии арматуры.
Диагностика состояния конструкций включала в себя два этапа -предварительное и детальное [28].
На первом этапе проводился визуальный осмотр конструкций, фиксируя только значительные разрушения, не проводя оценку физического износа конструкций, т.е. степени их коррозионных разрушений.
Для оценки степени коррозионного состояния, а также прочностных характеристик бетона был проведен инструментальный контроль, в результате которого был сделан вывод, что плиты перекрытия являются наиболее ненадежным элементом конструкции тоннелей по сравнению с другими элементами, и их разрушение может привести к прекращению функционирования сооружения.
В работе [15] отмечается, что несущая способность плит перекрытий, как элементов, работающих на изгиб, в основном определяется несущей способностью ребер жесткости, а работа полки плиты перекрытия лишь увеличивает несущую способность конструкции.
С течением времени на железобетонные конструкции воздействуют сложные и комплексные нагрузки, включающие силовые, температурные и влажностные воздействия, которые происходят наряду с физическим износом железобетона. Длительность и интенсивность этих воздействий существенно влияют на характер напряженного состояния железобетонной конструкции в любой момент времени. По своей сущности и значимости время, в течение которого конструкции эксплуатируются в исправном состоянии, является одним из важнейших критериев их эффективности. Работоспособное время железобетонных конструкций тесно связано с уровнем напряжений в бетоне и арматуре и интенсивностью воздействий окружающей среды.
В условиях агрессивной среды срок службы строительных конструкций сокращается.
Со временем в железобетоне протекают длительные процессы усадки и ползучести, оказывающие значительное влияние на эксплуатационное состояние несущих конструкций различных систем. В новых железобетонных конструкциях стальная арматура, вследствие ее сцепления с бетоном, обеспечивает внутреннюю связь, препятствующую усадке бетона. Согласно опытным данным, усадка и набухание железобетона в ряде случаев вдвое меньше, чем усадка и набухание бетона [3]. Ползучесть бетона железобетонных элементов, работающих на изгиб, вызывает увеличение прогибов. Ползучесть и усадка железобетона протекают одновременно и совместно влияют на работу конструкции.
Согласно [15], основной причиной износа конструкций коллекторных тоннелей служит коррозия арматуры. При коррозии арматуры связь ее с бетоном нарушается.
Проблеме коррозии стали в бетоне посвящено много работ. Основными работами, где наиболее полно освещено это явление, являются [1,2,9,17,18,19,66,79].
Процесс коррозии арматуры является электрохимическим [1, 2, 18], т.е. происходит в результате работы большого числа микроскопических короткозамкнутых гальванических элементов, возникающих на поверхности металла при контакте с электролитом.
Отличительными признаками коррозии металла в бетоне является, во-первых, то, что плотный бетон замедляет проникновение агрессивных соединений, вызывающих коррозию. Во-вторых, высокая щелочность раствора гидрооксида кальция - основного компонента поровой жидкости бетона, рН которого равен 12,5 - 13, приводит к возникновению на поверхности металла предохранительной пленки, препятствующей процессу коррозии стали.
Процесс коррозии возникает вследствие физических и химических изменений в бетоне. К физическим изменениям относятся трещинообразование или разуплотнение бетона, в результате чего часть поверхности стальной арматуры подвергается воздействию воздуха и остается химически незащищенной.
Химические изменения могут привести к снижению щелочности бетона, вследствие чего нарушается пассивирующая пленка на поверхности металла. Для коррозии стали важнейщими факторами являются: карбонизация бетона и проникновение агрессивных анионов, особенно CL , в бетон.
Карбонизация - это химическая реакция СОг, содержащегося в воздухе, с гидрооксидом кальция в бетоне. В результате реакции возникает карбонат кальция. Карбонизация развивается с поверхности бетона и происходит на открытом воздухе. Ее результатом служит нейтрализация наружного бетона, причем когда показатель рН карбонизированного бетона снижается до 9, то это чаще всего приводит к разрушению пассивирующего слоя и возникновению коррозии арматуры.
Воздействие хлоридов основано на способности нарушать защитную пассивную пленку на арматуре. Причем процесс коррозии определяется концентрацией хлоридов в порах бетона, окружающего сталь. В настоящее время допустимое содержание хлоридов в бетоне принято равным 0,4 % от массы цемента [1,48].
Учитывая, что гидроизоляция коллекторных тоннелей выходит из строя через 10-15 лет эксплуатации сооружений и многочисленный характер имеют протечки по стыкам между плитами перекрытия, развитие коррозии стальной арматуры может протекать вследствие проникновения в бетон из грунтовой влаги агрессивных анионов, в частности CL [12, 9].
Приведены результаты детального обследования коррозионного состояния железобетонных конструкций тоннелей, которые позволили выявить причины и факторы, обуславливающие коррозию стальной арматуры. Установлено, что коррозия стальной арматуры протекает вследствие карбонизации защитного слоя бетона под влиянием газовоздушной среды коллекторных тоннелей и при воздействии хлоридов, проникающих в бетон из грунта после разрушения гидроизоляции.
Установлено, что время безотказной работы обделки и средний срок службы плит перекрытия составляют соответственно 33 % и 65 % от нормативного срока службы конструкции [15].
Была разработана модель коррозионных повреждений железобетонных конструкций тоннелей инженерных коммуникаций [15, 61]. В основу модели положен механизм коррозии под воздействием эксплуатационной среды при совмещении двух встречных процессов: карбонизации защитного слоя бетона, протекающей под влиянием атмосферы внутри подземного сооружения, и проникновения ионов CL из грунта в бетон конструкции в результате нарушения сплошности наружной гидроизоляционной мембраны.
Усиление конструкций с применением композиционных материалов на основе углеродных волокон
Недостатки метода усиления стальными пластинами можно устранить за счет использования композиционных материалов, и в особенности армированных волокном пластиков, Композиционные материалы с волокнистым наполнителем обычно изготавливаются из нитей диаметром от трех до пяти микрон, помещенных в полимерную матрицу. Армирующее волокно придает композиционному материалу изначальную прочность, вдобавок к другим основополагающим свойствам, связанным с коррозионной стойкостью, жесткостью, теплопроводностью, электрическим сопротивлением или электропроводностью и т.п. Матрица представляет собой вяжущее (клеящий состав), которое скрепляет армирующий материал. Она защищает волокна от механических повреждений.
Композиционные материалы с волокнистыми заполнителями широко применятся в таких отраслях промышленности, как оборонная, авиационно-космическая, автомобильная, химическая, судостроение и т.д. Однако из-за соображений экономического характера и ввиду отсутствия соответствующих исследований и технических условий на проектирование эти материалы находят крайне ограниченное применение в строительной промышленности.
Композиционные материалы с волокнистыми заполнителями, особенно те из них, изготовление которых предусматривает процесс получения одноосно-ориентированного волокнистого пластика с использованием углеродного волокна, стекловолокна или волокна из ароматического полиамида, обладают высокой прочностью и прекрасной коррозионной стойкостью (табл. 2.1). Композиционные материалы могут изготавливаться по индивидуальным заказам с тем, чтобы их геометрическая форма соответствовала требуемым техническим условиям. Поскольку они отличаются легким весом, работа с ними не представляет труда. Они просты в обращении легко транспортируются режутся и приклеиваются к сооружению (рис. 2.2). Высокая прочность на растяжение которой обладают композиционные материалы дает возможность использовать листовой материал меньшей толщины чем металлические пластины.
Исследования, проведенные в Швейцарии [76], показали, что волокна из ароматического полиамида обладают недостаточной прочностью на сжатие, а стекловолокна не обладают стойкостью к воздействию щелочей. Относительно прочности на сжатие можно поспорить, поскольку усиление сооружений из железобетона главным образом производится в зонах, работающих на растяжение. Тем не менее, бывают ситуации, когда определенные участки, на которых обычно воздействуют растягивающие напряжения, могут также подвергаться воздействию сжимающих напряжений. В таких ситуациях будет происходить разрушение приклеиваемых стальных пластин и композиционных материалов, армированных волокном из ароматического полиамида вследствие их недостаточной прочности на сжатие.
Углеродные волокна изготавливаются путем окисления органических полимерных волокон (обычно полиакринитрила или жидких кристаллических пеков (смол)). В результате остается только углеродистый материал, в котором атомы углерода ориентированы вдоль длины исходных волокон. Эти чрезвычайно тонкие волокна располагаются прядями или жгутами. Хотя в жгутах содержится от 3000 до 12000 углеродных нитей, их толщина не превышает толщину человеческого волоса. Несмотря на свой размер и малый вес, углеродные волокна обладают очень высокой прочностью на растяжение.
Модуль упругости листового материала имеет определяющие значение, особенно когда он применяется без предварительного напряжения (методом натяжения арматуры на упоры). Только жесткие слоистые материалы могут эффективно способствовать снижению напряжений в имеющейся арматуре. Слоистые пластики, армированные стекловолокном, должны обладать в несколько раз большей толщиной по сравнению со слоистыми материалами на основе углеродного волокна для того, чтобы достичь равной с ними жесткости при растяжении, что объясняется относительно низким модулем упругости у стекловолокна. В том случае, если длина готового листового пластика, армированного стекловолокном, превышает 6 м, простота транспортировки и приклеивания становится проблематичной. Химическая несовместимость стекловолокон со щелочами в бетоне также ограничивает возможности использования этих материалов для усиления бетона.
Высокие прочностные и деформационные характеристики углеродного волокна и снижение цен на него, прогнозируемое фирмами-производителями, делают пластики, армированные углеродным волокном привлекательной альтернативой традиционным материалам.
Например, листовой материал из углеродного волокна, толщина которого составляет 0,16 мм, а вес - менее 400 г/м2, обладает той же прочностью на изгиб, что и стальная пластина, толщина которой составляет 4,76 мм [78].
Слоистые пластики, армированные углеродным волокном, состоят из непрерывных углеродных волокон с однонаправленной ориентацией, пропитанных эпоксидной смолой. Прочность слоистого пластика в направлении волокон пропорциональна прочности волокна и составляет около 3000 МПа (в зависимости от объемной доли волокон).
Как в случае любой другой композиционной системы, чрезвычайно важное значение имеет сцепление листовых материалов, используемых для усиления, с находящимся в эксплуатации бетоном. Поэтому очень важна подготовка поверхности обеих поверхностей системы: бетона и листового пластика, армированного углеродным волокном. Листовой пластик должен быть отшлифован с приклеиваемой стороны, а непосредственно перед приклеиванием следует произвести очистку этой поверхности ацетоном. После смешивания компонентов эпоксидного клея его следует наносить на листовой пластик без промедления. После укладки материала в нужном положении следует надавить на него, чтобы выдавить избыточный клеевой состав.
К достоинствам усиления с помощью готовых слоистых пластиков, армированных углеродным волокном, относятся:
- высокая химическая стойкость к воздействию кислот и щелочей, что увеличивает их коррозионную стойкость;
- практически не увеличивающаяся собственная масса конструкции или сооружения;
- эстетичность;
- простота в обращении;
- практически ненарушаемый режим эксплуатации сооружения;
- высокая технологичность выполнения работ;
- крайне незначительное количество грязи и шума при производстве работ;
- экономичность во многих случаях. К недостаткам метода относятся:
- отсутствие строительных норм и правил проектирования;
- ограниченная возможность укладки на определенные геометрические формы или конфигурации.
Одной из модификаций методики усиления с помощью готовых листовых пластиков, армированных углеродным волокном, является использование метода "укладываемого на месте" листового пластика с углеродным волокном, который был разработан около девяти лет тому назад в Японии. Широкое признание, которое завоевал данный подход, подтверждается тем, что уже к 2000 году было выполнено около 1000 проектов по усилению с использованием листовых материалов на основе углеродного волокна [67].
Математическая модель напряженно-деформированного состояния системы «усиливаемая конструкция - элемент усиления - грунтовый массив» конструкций подземных сооружений
Определение напряженного состояния в конструкции, находящейся под действием заданных внешних нагрузок, является одной из основной задач теории упругости. В двумерном случае необходимо решить дифференциальные уравнения равновесия, учитывающие компоненты объемной силы и величины нормальных и касательных напряжений.
Решением задач теории упругости в случае изгиба балки под равномерно распределенной нагрузкой, а также задач оценки напряженного и деформированного состояний занимались ряд исследователей [79, 85, 78, 80, 92, 63, 64, 65, 67, 69, 70, 72, 77, 81, 82].
Конструкции могут потерять сцепление с композиционными материалами усиления в результате местного расслоения. Это может произойти по причине двух различных процессов: отслаивания и потери сцепления.
В том случае, когда обеспечена несущая способность по наклонным сечениям или установлено дополнительное усиление на поперечную силу, требуется проверка условий по потере сцепления материала усиления с усиливаемой конструкцией. Этому вопросу посвящены следующие исследования [68, 83, 84, 74, 45]. В [45] имеются практические методы по определению нормальных и касательных напряжений по различным сечениям с подбором необходимого материала усиления без учета свойств клеевого состава и невозможностью определения нормальных напряжений на линии отреза материала усиления. В рекомендациях [68, 83] определение касательных и нормальных напряжений на линии отреза материала усиления производится без учета расстояния от опоры до материала усиления. Исследования [87 88 89] предлагают предотвращать потерю сцепления от отслаивания из проверки условия действующей поперечной силы с несущей способностью сечения без внутренней стальной арматуры с модифицированной прочностью бетона и коэффициентом армирования сечения с учетом композиционного материала
Разрушение отслаиванием часто появляется на линии отреза материала усиления, где имеется нарушение непрерывности, возникающее в результате внезапного разрушение пластины. Это связано с концентрацией касательных и нормальных напряжений в клеевом составе благодаря деформации материала усиления, которая происходит под воздействием нагрузки. Величины этих напряжений зависят от влияния различных факторов, включающих размеры материала усиления, несоответствие модуля упругости материала усиления и клеевого состава, а также величины изгибающего момента. Отслаивание обычно происходит по защитному слою бетона вдоль уровня стальной арматуры.
В отличие от отслаивания, потеря сцепления обычно происходит вдали от линии отреза материала усиления. Это происходит по причине несоответствия физико-механических характеристик клеевого состава условиям его применения. Потеря сцепления может также быть вызвана неправильной подготовкой поверхности бетона. Как правило, однако, это связано с формированием трещин при изгибе и сдвиге, которые появляются в результате пластических деформаций внутренней стальной арматуры. Трещины вызывают высокие напряжения в материале усиления, которые могут привести к потере сцепления. Эта потеря сцепления может затем произойти по направлению к линии отреза материала усиления, ведущая к разрушению материала усиления с отрывом.
Для решения проблем, связанных с потерей сцепления на линии отреза материала усиления с усиливаемой конструкцией необходимо решение следующих задач:
- определение необходимого количества анкерных устройств на линии отреза материала усиления;
- определение необходимых физико-механических характеристик клеевого состава;
- определение геометрических и физико-механических характеристик материала усиления.
При эксплуатации конструкций большинство усиливаемых элементов подвергаются совместному действию изгибающих моментов и поперечных сил. Потеря сцепления усиливаемого элемента с усиливаемой конструкцией происходит не только от нормальных, но и от касательных напряжений, возникающих между усиливаемой конструкцией и элементом усиления,
Для оценки возникновения потери сцепления было рассмотрено плоское напряженно-деформированное состояние бесконечно-малого элемента конструкции (рис. 3.3), позволяющее учесть нормальные и касательные напряжения на внутренней границе элементов системы [53].
Для вычисления момента инерции приведенного сечения lred, все материалы, сталь или углеродное волокно приводятся к бетону согласно их модулям упругости. Изгибающий момент, не превышающий момент трещинообразования, будет рассмотрен в сжатой зоне и бетон растянутой зоны будет исключен. В случае изгиба балки влиянием деформаций сдвига можно пренебречь
Первая часть выражения описывает влияние поперечных сил, вторая часть представляет точное решение и основано1 на влиянии изгиба.
Параметры Ь],Ь2иЬз зависят от распределения нагрузки на балки усиления, а коэффициенты А и В находятся с использованием граничных условий.
Поскольку в поперечных сечениях балки помимо касательных напряжений возникают и нормальные напряжения, то необходимо определить усилие отрыва, которое может быть компенсировано специальными анкерными устройствами.
На рис. 3.6 изображено бесконечно малое сечение усиленной конструкции. Нормальные отслаивающие напряжения 7п действуют перпендикулярно внешнему элементу усиления.
Растягивающая сила распределена в бетоне. В случае, если используется композиционный материал малой толщины в качестве внешнего усиления, то максимальное растягивающее напряжение сгптах и растягивающая сила Ft очень малы, и, вероятно, не возникнет ситуации, связанной потерей сцепления по бетону. Пластины с большей толщиной приведут к увеличению растягивающей силы и растягивающего напряжения и превзойдут растягивающую прочность бетона. Следовательно, в этом случае необходимо применение анкерного устройства
Расчет конструкций подземных сооружений по пригодности к нормальной эксплуатации
Расчет железобетонных элементов по образованию трещин производится для сечений нормальных к продольной оси элемента. Расчет по образованию трещин производится:
- для выявления необходимости проверки по раскрытию трещин;
- для выяснения случая расчета по деформациям;
- для уточнения количества материала усиления, обеспечивающего закрытие трещин.
Расчет железобетонных элементов по образованию нормальных трещин производится из условия: где Мг — момент внешних сил, расположенных по одну сторону от рассматриваемого сечения, относительно оси, параллельной нулевой линии и проходящей через ядровую точку, наиболее удаленную от растянутой зоны, трещинообразование которой проверяется;
Для изгибаемых элементов значение Мг определяется по формуле:
В случае невыполнения условия (4.7) требуется расчет по раскрытию трещин в зависимости от категории трещиностоикости конструкции подземных сооружений.
Расчет железобетонных элементов по раскрытию трещин нормальных к продольной оси элемента производится в зависимости от категории трещиностоикости конструкции подземного сооружения.
Ширину раскрытия трещин асгс, нормальных к продольной оси элемента, следует определять по формуле:
Для изгибаемых элементов напряжения в растянутой арматуре as вычисляются по формуле где z - расстояние от центра тяжести площади сечения арматуры S и композиционного материала до точки приложения равнодействующей усилий в сжатой зоне сечения над трещиной.
Для определения z вычисляем следующие параметры согласно [93]:
Зависимость (4.17), позволяет определить относительную высоту сжатой зоны бетона в сечении с трещиной. в том случае, если напряжение в растянутой арматуре rsh определяемое по формуле (4.12), превышает нормативную прочность арматуры на растяжение [93], то необходимо увеличить площадь сечения композиционного материала на величину большую или равную: где р =Ei/Es - отношение модуля упругости материала усиления к модулю упругости стали.
Выражение (4.18) также является условием и для последующего надежного закрытия трещин для конструкций, к которым предъявляются требования по второй категории трещиностойкости конструкций.
Далее проводится расчет по раскрытию трещин по формуле (4.10).
Минимальную площадь сечения композиционного материала по раскрытию трещин можно получить исходя из известной формулы, приведенный в СНиП 2.03.01 - 84 , введя дополнительные характеристики: модуль упругости композиционного материала EL, коэффициент армирования с учетом композиционного материала ///, и расстояние от приведенного центра тяжести площади сечения растянутой арматуры и композиционного материала до точки приложения равнодействующей усилий в сжатой зоне сечения над трещиной zsi. С учетом этого выражения А і примет вид:
Относительные деформации изгиоаемых элементов для участков, имеющих трещины в растянутой зоне, определяются по формуле. где Ms - момент относительно оси, нормальной к плоскости действия момента и проходящей через центр тяжести площади сечения арматуры S от всех внешних сил, расположенных по одну сторону от рассматриваемого сечения; y/s - коэффициент, учитывающий работу растянутого бетона на участке с трещинами; ys - расстояние от рассматриваемого волокна до центра тяжести арматуры.
После выполнения условий (4.21 и 4.22) расчет повторяем по первой группе предельных состояний для уточнения несущей способности сечения.
