Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор методов расчёта и результатов обследования, массивных железобетонных конструкций гидротехнических сооружений с учётом блочных швов 10
1.1 Обзор методов расчёта массивных железобетонных конструкций гидротехнических сооружений с блочными швами 10
1.2 Обзор результатов обследований, характера трещинообразования и разрушения массивных железобетонных конструкций гидротехнических сооружений с блочными швами 18
1.3 Цель и задачи исследования 23
Глава 2. Методика проведения исследований двухслойных железобетонных конструкций с горизонтальными швами на физических моделях перекрытия 26
2.1. Критерии подобия 26
2.2. Классификация моделей 39
2.3 Армирование моделей 51
2.4 Бетон моделей 63
2.5 Контрольно-измерительная аппаратура 66
2.6 Выводы к главе 2 70
Глава 3. Результаты исследований двухслойных железобетонных конструкций с горизонтальными швами на физических моделях перекрытия 71
3.1 Результаты испытаний моделей опорной зоны перекрытия (1 и модельные серии) 72
3.2 Результаты испытаний полнопролётной модели перекрытия (Зая модельная серия) 85
3.3 Выводы к главе 3 93
Глава 4. Инженерные методики расчёта железобетонных конструкций с продольными строительными швами 95
4.1 Разработка методики расчёта конструкции на действие изгибающих моментов 95
4.2 Конкретизация методики расчёта «нагельной» способности продольной арматуры на действие поперечных сил 106
4.3 Выводы к главе 4 115
Глава 5. Апробация методик расчёта железобетонных конструкций с продольными строительными швами 117
5.1. Численное моделирование двухслойных железобетонных конструкций методом конечных элементов. Сопоставление результатов экспериментальных исследований с результатами аналитических и численных расчетов 117
5.2. Внедрение результатов проведённых исследований 168
5.3 Выводы к главе 5 171
Заключение 172
Литература 176
Приложения 190
- Обзор результатов обследований, характера трещинообразования и разрушения массивных железобетонных конструкций гидротехнических сооружений с блочными швами
- Классификация моделей
- Результаты испытаний полнопролётной модели перекрытия (Зая модельная серия)
- Конкретизация методики расчёта «нагельной» способности продольной арматуры на действие поперечных сил
Введение к работе
Актуальность. Натурными исследованиями и мониторингом за состоянием эксплуатируемых железобетонных конструкций гидротехнических и энергетических сооружений, установлено, что сложный спектр воздействий, включая многократно повторяющиеся температурные и статические воздействия, может привести к нарушению сцепления между блоками бетонирования, а также в местах контакта сборного и монолитного бетона. В результате происходит раскрытие швов и негативное изменение напряжённо-деформированного состояния всей конструкции, а именно увеличение напряжений в арматуре и сжатом бетоне, и, как следствие, снижение несущей способности и увеличение деформативности всей конструкции.
Влияние швов бетонирования, расположенных нормально к продольной оси изгибаемых элементов, на работу конструкции изучено достаточно подробно, разработаны методы расчёта по их учёту, составлены соответствующие нормативные документы. К конструкциям с подобными швами относятся подпорные и шлюзовые стенки, элементы зданий ГЭС и насосных станций, и др. сооружения.
Физические, численные и аналитические исследования по учёту влияния строительных швов, параллельных продольной оси и перпендикулярных к плоскости изгиба, на работу конструкций комплексно не производились. К сооружениям, с продольными швами могут относиться: перекрытия зданий ГЭС, водоприёмники, перекрытия отсасывающих труб, фундаментные плиты, понуры, а также конструкции, возведённые в несъёмной опалубке: подпорные и шлюзовые стенки, перекрытия и стены боксов атомных электрических станций (АЭС).
Как правило, контактные поверхности слоёв бетона находятся внутри сечений железобетонных элементов, поэтому часто при визуальном обследовании конструкций не удаётся выявить их предаварийное состояние (рис 1 б). Отсутствие визуального доступа к местам предполагаемого разрушения на гидротехническом или энергетическом объекте может привести к внезапной аварии. Проблема скрытых дефектов особенно актуальна в настоящее время, так как первоочередное значение приобретает проблема повышения надёжности и безопасности гидротехнических сооружений (ГТС) в рамках реализации Закона РФ «О безопасности гидротехнических сооружений», требующего безаварийной эксплуатации ГТС. Такой подход коренным образом отличается от подходов и тенденций предыдущего периода, направленных на экономию строительных материалов.
Нарушение контактов в швах и снижение длительной прочности бетона происходит в течении длительного времени, годами. В настоящее время достаточная надёжность железобетонных конструкций ГТС объясняется значительными коэффициентами запаса, заложенными при их проектировании по нормам допускаемых напряжений и разрушающих нагрузок. Меньшие запасы имеют железобетонные конструкции сконструированные по нормам предельных состояний. Наглядной иллюстрацией явилось проведение дорогостоящих, трудоёмких ремонтных работ по усилению 8ми массивных перекрытий 4х блоков АЭС.
Целью работы является разработка методики инженерного расчёта, совершенствование методов физического и математического (численного) моделирования напряжённо-деформированного состояния (НДС) и прочности массивных сборно-монолитных и монолитных железобетонных конструкций ГТС с учётом продольных строительных швов.
Задачи исследования:
анализ современных методов расчёта массивных железобетонных конструкций с учётом блочного возведения;
совершенствование методов физического моделирования двухслойных статически неопределимых балочных конструкций при комплексных статических и температурных воздействиях;
разработка рекомендаций по применению численной методики расчёта железобетонных конструкций с прогрессирующим трещинообразованием с аппроксимацией поперечного и многоярусного продольного армирования, а так же моделированием строительных швов;
разработка аналитического (инженерного) метода расчёта рассматриваемых конструкций на все виды усилий с применением аппаратов сопротивления материалов, механики стержневых систем и правил расчёта железобетонных конструкций;
конкретизация методики расчёта «нагельной» способности арматуры на базе теории деформирования железобетона с трещинами;
разработка методики определения ресурса железобетонной конструкции;
комплексный анализ результатов модельных испытаний, а также численных и аналитических расчётов.
Достоверность научных положений и выводов обеспечивается хорошим соответствием инженерных расчётов с результатами численного анализа и экспериментальными данными.
Научную новизну работы составляют:
методика физического моделирования двухслойных балочных конструкций на сложное сочетание циклических статических и температурных воздействий;
определённые экспериментально нетипичные схемы трещинообразования и форма разрушения, отличающиеся от обычного представления, характерного для цельномонолитных конструкций;
рекомендации по математическому моделированию железобетонных конструкций методом конечных элементов (МКЭ) с применением нелинейных моделей материалов с блочными швами и с аппроксимацией продольной и поперечной арматуры;
результаты модельных испытаний, численных и аналитических расчётов с проведением комплексного сравнительного анализа;
аналитическая (инженерная) методика расчёта двухслойных железобетонных конструкций на все виды усилий, с продольными строительными швами;
конкретизация методики расчёта «нагельной» способности продольной арматуры на воздействие поперечной силы;
методика оценки ресурса железобетонной конструкции.
Практическое значение работы:
разработка инженерной методики расчёта НДС массивных сборно-монолитных и монолитных железобетонных конструкций ГТС с учётом строительных швов;
разработка рекомендаций по применению численных методов расчёта конструкций ГТС с блочными швами с целью проверки продольного и поперечного армирования с учётом прогрессирующего трещинообразования до стадии разрушения;
корректировка эпюры противодавления воды в трещинах, принимаемой по СНиП 2.06.08-87, с учётом высоты сжатой зоны, определяемой из условия раздельной работы слоёв железобетонной конструкции;
проверка прочности перекрытий блоков Курской и Смоленской АЭС на физических моделях, а также расчётными (численным и аналитическим) методами;
обоснование схемы усиления, на моделях с учётом циклических температурных воздействий. Результаты работы направлены в ФГУП институт «Атомэнергопроект», и внедрены в проект усиления перекрытий;
предложен практический метод определения ресурса железобетонных конструкций.
Внедрение.. Результаты диссертационной работы внедрены в проект усиления 8ми перекрытий боксов барабанов-сепараторов пара на Курской и Смоленской АЭС.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на:
XXIII Международной молодёжной научно-технической конференции «Гидроэнергетика в XXI веке (Москва, 6-10 сентября 2004 года);
научно-технической конференции «ГИДРОЭНЕРГЕТИКА. Новые разработки и технологии» (Санкт-Петербург, 7-9 декабря 2005 года);
научно-технической конференции «Новые конструктивные решения пространственных покрытий и перекрытий зданий и сооружений» (Москва, 20 декабря 2005 года);
II научно-технической конференции «ГИДРОЭНЕРГЕТИКА. Новые разработки и технологии» (Санкт-Петербург, 4-6 октября 2006 года).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей. Автор принял участие в разработке нормативного документа РД ЭО 0624-2005 «Мониторинг строительных конструкций АЭС»
На защиту выносятся:
данные натурных наблюдений;
методика и результаты экспериментальных исследований конструкций с продольными швами на физических моделях перекрытия;
инженерная методика расчёта НДС железобетонных конструкций с продольными швами;
результаты численных исследований НДС железобетонных конструкций с продольными швами с прогрессирующим трещинообразованием;
результаты проверки разработанного инженерного метода на основе сопоставления результатов расчетов с результатами экспериментальных исследований, а также с результатами расчетов, полученных на основе численного анализа методом конечных элементов.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, 5ти глав, заключения содержащего основные выводы, списка литературы из 105 наименований и приложения. Полный объём диссертации 200 стр., включая 100 стр. текста, 11 таблиц и 87 рисунков.
Обзор результатов обследований, характера трещинообразования и разрушения массивных железобетонных конструкций гидротехнических сооружений с блочными швами
Настоящая работа выполнена в области совершенствования методов расчёта массивных железобетонных конструкций гидротехнических сооружений. Массивный железобетон применяемый в гидросооружениях по своим особенностям и поведению значительно отличается от конструкций промышленных и гражданских сооружений. Отличительными особенностями гидротехнического железобетона являются: низкие проценты армирования (менее 0.5 %), высокие сечения (более 50 см), крупный диаметр арматуры, наличие строительных, в том числе блочных швов различной направленности. Отмеченные особенности приводят к значительному шагу трещин, и к незначительной высоте сжатой зоны и следовательно к изменению вторичного поля напряжений. Это приводит к сложному напряжённому состоянию в массивном железобетоне сооружений после появления первичных трещин, появлению растягивающих поперечных оси сооружения напряжений, которые диктуют дальнейшую работу массивной конструкции. На эти особенности по взаимодействию блоков отделённых трещинами впервые обратил внимание И. Б. Соколов [74], П. И. Васильев [16], [17], [18]. Экспериментальное подтверждение было получено на Ивангородском полигоне ВНИИГа А. Е. Минарским [47], [48]. Особенности работы массивного железобетонного сооружения, связаны с появлением вторичного поля напряжения после образованием первичного отрезка магистральной трещины, либо в монолитных зонах, либо по блочным швам.
Это поле характеризуется большими растягивающими поперечными напряжениями и как следствие приводит к изменению наклона главных растягивающих напряжений, что влечёт за собой изменение в распространении трещины, появлению предельного поля предразрушения и последующее разрушение сжатой зоны по пологому к оси элемента направлению. Значительные работы в этом направлении были выполнены в НИСе «Гидропроекта» А. П. Кириловым, В. Б. Николаевым. О. Д. Рубиным [27], [30], [31], [32], [33], [50], [51], [52], [53], [58], [59], [73] продолжены в направлении совершенствования метода вторичных полей напряжений С. Е. Лисичкиным [21], [41], [42], [43] [44] [45], [46]. Исследования развивались как с использованием аналитических методов, так и с использованием численных методов. В рамках блочных расчётных моделей рассматривалось равновесие участка бетона сжатых зон между трещинами, недостающие функции напряжённого состояния определялись с помощью спланированного численного эксперимента. Так же в направлении методов расчёта с использованием блочной модели следует указать теоретические работы В. В. Белова и Е. Н. Пересыпкина [10], [И], [12], [13] значительно расширившие представление о сопротивлении механическим воздействиям массивных железобетонных конструкций. Локальные вторичные напряжения в зоне первичных трещин было предложено определить исходя из рассмотрения контактно-блочных моделей. С этой целью было предложено использовать три системы уравнений и условий: граничные условия на контуре, условия равновесия на контакте блоков и интегральное уравнение, определяющие связь между перемещениями контурных точек и контактных напряжений. Для решения использовался метод о линиях влияния для перемещений контурных точек под действием единичных сосредоточенных сил, разработанный Л. П. Трапезниковым. В. И. Пащенко [67]. В приведённых выше методиках развитие трещин и определение прочности предлагалось производить с позиций феноменологических теорий прочности бетона. В этой связи следует так же назвать успешную апробацию модели тонкой элептической трещины в рамках механики разрушения, предложенной В. Г. Ореховым, и М. Г. Зерцаловым [66]. Апробация развития (нагрузка страгивания и угол наклона) наклонных трещин проводилась на железобетонных моделях подпорных стенок, испытанных В. Б. Николаевым и О. Д. Рубиным [56]. Однако исследования проводились без учёта поперечной арматуры.
Нельзя не отметить, что массивный железобетон следует разделить как на массивные железобетонные конструкции, так и вообще на массивы, в которых геометрия соразмерна.
В направлении расчёта массивов значительные работы были проведены Н. И. Карпенко. Он предложил рассматривать равновесие выделенного октайдера, одна из поверхностей которого совпадает с плоскостью действия главных напряжений ориентируемая тремя направляющими косинусами [26], при этом была использована деформационная теория железобетона предложенная ранее [25]. В последней рассматривается напряженно-деформированное состояние малого элемента с заданной трещиной, пересекаемой арматурой во взаимно-перпендикулярных направлениях. В пределах конечного объема к условиям равновесия были добавлены условия деформирования арматуры вдоль оси и деформирования арматуры в поперечном направлении (деформации сдвига берегов трещин). Используя деформационную теорию железобетона, а именно нагельное сопротивление арматуры, была разработана методика расчёта трёхмерного армирования массивов.
Как было сказано выше, одна из отличительных особенностей массивных железобетонных конструкций это наличие строительных швов, которые образовываются при возведении железобетонной конструкции с применением сборно-монолитных конструкций, так и при монолитном варианте возведения с образованием поярусных, поблочных строительных швов. Натурные и лабораторные исследования показывают, что очагами образования трещин и создания неблагоприятного поля напряжений, связанного с переносом касательных напряжений в незначительную по сравнению с высотой сечения сжатую зону, прежде всего, являются блочные швы. Многие натурные сооружения разрушились в результате указанных особенностей напряжённого состояния, в результате более значительным по сравнению с монолитными конструкциями полем растягивающих напряжений и, как следствие, отрыву или срезу сжатых зон. На эту идентичную железобетонному сооружению особенность обратил внимание в. ЬотЬагсИ [103] в работе арочных плотин. Автор утверждает о пренебрежении или неправильном учёте поперечных сил при проектировании арочных плотин, что затем явилось определяющим в выходе из работы ряда натурных объектов, в том числе некоторых катастроф, приведших к гибели людей и значительным экономическим ущербам. Анализируя характер напряжённого состояния, указывается, что поперечная сила в упругой стадии создаёт касательные напряжения, распределённые по параболе, «а в сечении с трещиной касательные напряжения, распределённые по эпюре, близкой к треугольной с концентрацией в вершине надреза, что приводит к главным растягивающим напряжениям на наклонной площадке и образованию косой трещины».
Классификация моделей
В основу вывода этого критерия легли материалы, приведенные в своде правил [97]. В соответствии с [97] ширина раскрытия нормальных трещин определяют по формуле: асгс = Рх- Рг- Ръ -У,(2.30) Е, где с8- напряжения в продольной растянутой арматуре в нормальном сечении с трещиной от соответствующей внешней нагрузки; 18 - базовое расстояние между смеж-ными нормальными трещинами; \/8 - коэффициент, учитывающий неравномерное распределение относительных деформаций растянутой арматуры между трещинами; р ф2 и- ф з - коэффициенты, учитывающие соответственно продолжительность действия нагрузки, профиль продольной арматуры и характер нагружения. Учитывая, что .=0.5- (2-31 А где Аы и А8 - соответственно площади сечения растянутого бетона и растянутой арматуры; сЦ - номинальный диаметр арматуры, а также, что м/8п = ч/зт; Ф1П = ФГ; Ф2П = ф2т; Фзт = фзт; п — т Оэ -СТ8 , т. Р п = Р т" А" Ат лы _ лы А: получим критерий подобия в виде: = (2.32)
Методика проведения исследований двухслойных железобетонных конструкций с горизонтальными швами на физических моделях перекрытия 2.2 Классификация моделей
Модели изготавливались в различных масштабах: в масштабе 1:10 - 2 модели модельной серии 1 и в масштабе 1:4 - 2 модели модельной серии 2 и модель модельной серии 3 (Классификация физических моделей приведена в таблице 2.1). 4е6 из 5— моделей моделировали опорную зону перекрытий т. к. по данным проводимого мониторинга у неё занижена способность сопротивляться действию изгибающего момента.
Анализируя результаты специализированных обследований [20], [23] и расчётов [36], [37] исследуемых перекрытий было высказано предположение, что основной причиной нестандартного поведения конструкции явилось нарушение контакта (расслоение) между сборным элементом и монолитным ярусом бетонирования.
Причиной слабого контакта как показали ранее проведённые исследования [57] явилось отсутствие штрабления (искусственной шероховатости) на поверхности сборных конструкций в условиях значительных касательных напряжений в опорных зонах.
Целью модельных исследований явилось определение характера трещинообразования и разрушения конструкции с нарушенным сцеплением контактной поверхности, для задания в расчёты магистральных трещин, а также определение несущей способности конструкции, в том числе с системой усиления.
В задачи модельных исследований входило: определение несущей способности опорной зоны без усиления; определение характера трещинообразования железобетонной двухслойной конструкции; определение несущей способности конструкции с системой усиления, определение запасов прочности ; определение несущей способности анкеров усиления в условиях температурных колебаний.
Необходимо особо подчеркнуть, что проводимые расчёты в основном позволяют определить напряжённое состояние и не могут в полной мере определить прочность (несущую способность) сложной железобетонной конструкции с дефектами. При этом модели позволяют определить несущую способность, дополнив результаты расчётных исследований.
Всего было сделано и испытано 5— моделей рассматриваемого перекрытия. В моделях было создано напряжённое состояние идентичное напряжённому состоянию перекрытия. Арматура и бетон моделей подобраны эквивалентные реальным с учётом старения (45 лет с начала пуска блоков). Модели выполнены в масштабе 1:10 и в масштабе 1:4 натуральной величины. Классификация испытанных моделей приведена в таблице 2.1
В соответствии с теорией подобия, при проведении экспериментальных исследований должно выполняться геометрическое подобие и подобие напряженного состояния. Идентичная геометрия получается путём Л уменьшения линейных размеров в А. раз, площадей в А, раз (к - масштабный коэффициент).
Идентичное напряжённое состояние в моделях 1 и 2Ш модельных серий получится такое же, как и в натуре при условии что соотношение момент = const попперечная сила рабочая высота сечения в опорном сечении для модели и для натуры одинаковы (рис. 2.1).
Усилия в перекрытии возникающие от нагрева конструкции моделировались статической нагрузкой и названы в настоящей работе квазитемпература. Поперечная сила была принята по результатам конечно- элементного анализа, а изгибающий момент по данным показаний арматурных динамометров установленных в опорной зоне перекрытия. Модели 1— модельной серии разрушены при плече силы соответствующей сочетанию нагрузок квази-температура при расчётной схеме жёсткая заделка (таблица 2.2), это означает, что момент и поперечная сила приняты по данным расчёта по [60] при условии, что перекрытие жёстко заделано в стены. Тем самым была получена разрушающая нагрузка опорной зоны при более невыгодном варианте сочетании нагрузок. Модели 2— модельной серной испытаны с анкером системы усиления для оценки эффективности последней. Физическая модель модельной серии 3 испытана по специальной программе приведённой ниже
Результаты испытаний полнопролётной модели перекрытия (Зая модельная серия)
Анализируя прогибы, полученные по аналитической методике и численным расчётом (рис 5.13) можно сделать вывод об удовлетворительной сходимости аналитического решения с решением по методу конечных элементов. Подробный математический анализ рассмотренной конструкции в программе МаШСАЕ) 2001 даёт понять, что определяющий фактор, значительно влияющий на напряжённо-деформированного состояние всей конструкции это коэффициент приведения растянутой арматуры верхнего слоя к бетону. Именно напряжения в растянутой продольной арматуре большего слоя значительно интенсивнее достигают предельного состояния по сравнению со сжатым бетоном и другой продольной арматурой установленной в конструкции (рис. 5.11). Такое невыгодное перераспределение напряжений связано с тем, что 60% изгибающего момента приходится на слой, имеющий большую высоту сечения, который не обладает достаточным (а по существующим правилам конструирования - конструктивной арматурой) количеством растянутой арматуры, и только 4% приходится на менее значительный слой в силу его гибкости. Остальные 36% изгибающего момента воспринимаются парой продольных сил рождающихся за счёт нагельного сопротивления поперечных стержней арматуры. Так зависимость (рис. 5.13) отличается от зависимости тем, что у зависимости коэффициент приведения арматуры к бетону в два раза выше, чем у зависимости —а—. Варьирование других величин не даёт значительного влияния на прогибы и напряжения в арматуре. Так, например, при увеличении прочности шва в 2 раза прогиб уменьшается на всего на 20%. На рассматриваемом рисунке можно видеть, что наличие строительного шва увеличивает деформативность подобных конструкций в 3.5 раза.
Анализируя зависимости напряжений в арматуре от нагрузки (рис 5.14) можно сделать вывод об удовлетворительной сходимости аналитической методики с численным решением. «Перелом» в зависимости происходит в тот момент, когда касательные напряжения в зоне шва определённые как для монолитного сечения достигают его прочности, а следовательно (согласно принятой гипотезе) к становится меньше 1ш (4.07). При дальнейшем нагружении закон распределение напряжений в арматуре меняется вследствие потери прочности швом. Решение МКЭ так же не следует принимать за истинное, т. к. в зоне шва сразу начинается сдвиг, что не так на самом деле. Перед достижением предела прочности шва конструкция просто деформируется. По мнению автора, истинная зависимость находится ближе к зависимости полученной аналитически. Следует отметить, что аналитические зависимости построены без учёта пластических деформаций бетона и арматуры, поэтому получена значительная разница в разрушающих нагрузках по аналитической методике и по результатам конечно-элементного расчёта.
На рисунке 5.15 приведены напряжения в продольной арматуре полученные методом конечных элементов без учёта поперечной арматуры (консервативный подход). При достижении арматурой сборного элемента предела текучести, резко возрастают напряжения в монолитном слое.
При проектировании конструктивная арматура (растянутая арматура слоя имеющего большую высоту сечения) приобретает «статус» рабочей и можно прогнозировать лучшую сходимость по несущей способности с физической либо численной моделями. Кроме того, по [91], [96], [97] расчёты прочности сечений выполняются из предположения упругой работы материалов - по расчётным сопротивлениям к. и 11ь. В жесткости учитываются пластические деформации растянутой арматуры слоя имеющего большую высоту сечения, а это отражается на перераспределении изгибающих моментов.
Математическая модель 2 моделировала физические модели второй модельной серии. Данная модель необходима для проверки применимости рассматриваемого конечно-элементного анализа к расчёту подобных двухслойных железобетонных конструкций. Проверка осуществлялась путём сравнения стрелы прогиба (рис. 5.22) физических моделей и математической модели. На модель приложены две силы по нормали к её продольной оси - сила Р развиваемая домкратом и сила А - сила от анкера системы усиления (рис. 5.16). Модель выполнена двухслойной, с высотой слоёв hi и h2 соответственно для монолитного слоя и сборного элемента. Связь слоёв осуществляется за счёт поперечной арматуры (рис. 5.16 а) и контактной группы элементов (рис. 5.17 в) Ввиду симметрии задачи в расчетной схеме рассматривается только V2 часть балки с одной плоскостью симметрии. При разработке расчетной модели МКЭ использовались 8— узловые объёмные твёрдотельные элементы типа solid 1530 элементов (рис. 5.17 б), 2-х узловые стержневые элементы типа truss (воспринимающие только продольные деформации) 644 элемента (рис. 5.17 а) и элементы моделирующие контакт (рис. 5.17 в) 340 элементов. Всего конечно-элементная модель состоит из 2514 конечных элемента Расчёт модели 2 проводился на ЭВМ с процессором Intel Pentium IV, с тактовой частотой 3 Гг и занял 25 минут.
Данная задача решается в нелинейной постановке с использованием шагово-итерационного метода расчёта при постепенном возрастании уровня нагрузки (рис. 5.16 б). Модели материалов применялись такие же, как и для математической модели 1.2. Попытка моделирования арматуры балочными элементами типа beam как более точно описывающими её работу, была неудачной т. к. не была получена удовлетворительная сходимость прогибов и трещинообразования численного расчёта с экспериментом (рис. 5.8).
Конкретизация методики расчёта «нагельной» способности продольной арматуры на действие поперечных сил
Изложенные в методике особенности расчёта прочности двухслойных железобетонных конструкций учитываются Центром Научного Обоснования Проектов ОАО «Инженерный центр ЕЭС» - «Институт Гидропроект» при проектировании Загорской ГАЭС-2 и Богучанской ГЭС. Справка о внедрении представлена на страницах 199-201.
Расчётными и экспериментальными методами определена несущая способность двухслойного перекрытия боксов барабанов-сепараторов пара и теми же методами обоснована система усиления той же конструкции. Проверена прочность основного элемента усиления — анкера и его анкеровки в бетоне на статические нагрузки и малоцикловое температурное воздействие. На рис. 5.34 приведено перекрытие с системой усиления. Справка о внедрении представлена на страницах 199-200.
Конструкция состоит из металлических балок, опирающихся на продольные стены барабанов-сепараторов и удерживающих анкерные болты, заделанные в железобетонное перекрытие. Шаг балок 3,0 м и их плановое расположение отвечает расположению сборных железобетонных элементов в перекрытии на отметке + 50,000 и позволяет сохранить рабочую арматуру стены по оси «И» («Н») при устройстве штрабы в ней для опирания балок. В анкерных болтах на неработающем блоке создаётся предварительное натяжение N=15,0 т (анкер диаметр 36 из стали 09Г2С по ГОСТ 24379.1-80 «Болты фундаментные»). При этом металлические балки Б1 в месте установки анкеров получат прогиб « 40 мм. На работающем блоке вследствие деформации перекрытия от температурных воздействий прогиб балок Б1 в зоне установки анкеров изменяется незначительно (« ± 10%), так как анкерные болты расположены вблизи опор. Следовательно, и в анкерах усилие предварительного напряжения так же будет изменяться на величину « ± 10%, т. е. 15.0 т ±1.5 т.
На основе методики определения «нагельного» эффекта конкретизированной в главе 4, определён ресурс рассматриваемого перекрытия (рис. 5.35).
Результаты выполненной работы использовались при составлении нормативного документа [93]. арматуры, а так же поперечную арматуру. Разработанная методика математического моделирования проверена на физических моделях 2Ш и 3— модельных сериях, а так же на упругой двухслойной балке, получена удовлетворительная сходимость.
Проведена апробация разработанного инженерного метода на основе сопоставления результатов расчёта с результатами экспериментальных исследований, а также с результатами расчётов, полученных на основе численного аншшза методом конечных элементов, получена удовлетворительная сходимость при сопоставлении аналитического решения как с решением численным, так и с результатами экспериментальных исследований.
Откорректирована формула 7.42 [97] путём вычисления средней высоты сжатой зоны через площади сечения продольной арматуры (5.1), а не как это определено в [97].
Предложен один из способов определения ресурса двухслойных железобетонных перекрытий.
Результаты научного исследования учитываются Центром Научного Обоснования Проектов ОАО «Инженерный центр ЕЭС» - «Институт Гидропроект» при проектировании гидротехнических сооружений, а также внедрены в проект усиления 8Ш перекрытий боксов барабанов-сепараторов пера на Курской и Смоленской АЭС.
Приведен обзор существующих методик теоретических исследований, посвященных вопросам влияния швов бетонирования на прочностные и деформативные свойства конструкции. Анализ характера трещинообразования и разрушения стенок шлюзов канала им. Москвы, устоя водосброса Хантайской ГЭС, подпорной стенки Загорской ГАЭС, разделяющего устоя Широковской ГЭС, бычков и фундаментных плит насосных станций каналов Иртыш-Караганда и канала Днепр-Кривой Рог, фундаментной плиты Кислогубской ПЭС (в строительный период), боксов Курской и Смоленской АЭС, указывают на значительные отличия в сопротивлении массивного железобетона, в первую очередь гидротехнических сооружений, от железобетона промышленных и гражданских сооружений. Это происходит из-за интенсивного раскрытия строительных (блочных) швов, которому способствует сложный спектр нагрузок и как следствие возникновение неблагоприятного напряжённого состояния.
Выявлены негативные особенности эксплуатации железобетонных конструкций с продольным швом, плоскость которого расположена нормально к плоскости изгиба в изгибаемых конструкциях. Натурные наблюдения позволяет сделать вывод о необходимости учёта продольных строительных швов при проектировании железобетонных конструкций гидросооружений. Проведённый литературный анализ исследований железобетонных конструкций с блочными швами, выявил отсутствие аналитических инженерных методик определения напряжённо- деформируемого состояния рассматриваемых конструкций, пользуясь которыми можно рассчитывать сооружения по всем группам предельных состояний и определить армирование.
На основе выполненного обзора и анализа сформулированы цель и задачи, диссертационной работы: - разработка аналитической методики расчёта, совершенствование методов физического и математического (численного) моделирования напряжённо-деформированного состояния (НДС) и прочности массивных сборно-монолитных и монолитных железобетонных конструкций ГТС с учётом продольных строительных швов. В задачи диссертационной работы вошли: анализ современных методов расчёта массивных железобетонных конструкций с учётом поблочного возведения; совершенствование методов физического моделирования, двухслойных статически неопределимых балочных конструкций при комплексном, а именно статическом и температурном воздействиях; разработка рекомендаций по применению численной методики расчёта железобетонных конструкций с прогрессирующим трещинообразованием с аппроксимацией поперечного и многоярусного продольного армирования, а так же моделированием строительных швов; разработка аналитического (инженерного) метода расчёта рассматриваемых конструкций на все виды усилий, с применением аппаратов сопротивления материалов, механики стержневых систем и правил расчёта железобетонных конструкций; конкретизация методики расчёта нагельной способности арматуры на базе деформационной теории железобетона с трещинами; разработка способа определения ресурса железобетонной конструкции; комплексный анализ результатов модельных испытаний, а так же численных и аналитических расчётов.
