Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Совершенствование метода численного моделирования гидротехнических сооружений и их массивных железобетонных и напорных сталежелезобетонных конструкций 22
1.1. Основные гидротехнические сооружения и их массивные железобетонные и напорные сталежелезобетонные конструкции. Разработка классификации массивных конструкций гидросооружений 22
1.2. Анализ существующих методов численного моделирования железобетонных гидротехнических сооружений и их массивных конструкций 33
1.3. Совершенствование метода численного моделирования
гидротехнических сооружений и их массивных железобетонных и напорных сталежелезобетонных конструкций 44
Выводы по главе 1 83
ГЛАВА 2. Разработка метода расчета вторичного напряженного состояния массивных железобетонных конструкций гидротехнических сооружений 86
2.1. Анализ имеющихся данных исследований вторичного напряженного состояния железобетонных конструкций балочного типа 87
2.2. Разработка зависимости для расчета касательных напряжений в массивных конструкциях с наклонными гранями 95
2.3. Разработка метода расчета вторичных напряжений в железобетонных, конструкциях балочного типа на основе блочной модели 105
2.3.1. Разработка метода расчета вторичных напряжений при действии поперечной силы 105
2.3.2. Разработка метода расчета вторичных напряжений при действии изгибающего момента 130
2.3.3. Разработка метода расчета вторичных напряжений при совместном действии поперечной силы и изгибающего момента 151
2.4. Рекомендации по расчету напряженного вторичного состояния массивных железобетонных конструкций балочного типа 166
Выводы по главе 2 170
ГЛАВА 3. Разработка метода расчета прочности массивных железобетонных конструкций гидротехнических сооружений с учетом вторичных напряжений и контактных швов 173
3.1. Анализ результатов натурных исследований массивных железобетонных конструкций балочного типа 173
3.2. Экспериментальные исследования прочности массивных железобетонных конструкций балочного типа 180
3.2.1. Анализ имеющихся данных экспериментальных исследований массивных железобетонных конструкций балочного типа 180
3.2.2. Экспериментальные исследования массивных железобетонных конструкций балочного типа, в том числе имеющих контактные швы и наклонные грани 18
3.3. Анализ существующих методов расчета прочности массивных железобетонных конструкций балочного типа 202
3.4. Разработка метода расчета прочности массивных железобетонных конструкций балочного типа с учетом вторичных напряжений и контактных швов. Рекомендации по расчету прочности и совершенствование схем армирования 205
Выводы по главе 3 219
ГЛАВА 4. Совершенствование метода расчета прочности строительных контактных швов гидротехнических сооружений 222
4.1. Прочность контактных швов гидротехнических сооружений при растяжении 223
4.1.1. Анализ имеющихся данных экспериментальных исследований контактных швов при растяжении 223
4.1.2. Анализ существующих методов расчета прочности контактных швов при растяжении 227
4.2. Прочность контактных швов гидротехнических сооружений при сдвиге 227
4.2.1. Анализ имеющихся данных экспериментальных исследований контактных швов при сдвиге 227
4.2.2. Анализ существующих методов расчета прочности контактных швов при сдвиге 230
4.3. Прочность контактных швов гидротехнических сооружений при сдвиге и сжатии 232
контактных швов при сдвиге и сжатии 232
4.3.1. Экспериментальные исследования сопротивления и контакт
4.3.2. Анализ существующих методов расчета прочности контактных швов при сдвиге и сжатии 244
4.4. Прочность контактных швов гидротехнических сооружений при сдвиге и растяжении 249
4.4.1. Анализ существующих методов расчета прочности контактных швов при сдвиге и растяжении 249
4.5. Прочность армированных контактных швов гидротехнических сооружений 251
4.5.1. Сопротивление арматуры сдвигу 251
4.5.1.1.Экспериментальные исследования сопротивления ф. арматуры сдвигу 251
& 4.5.1.2. Анализ существующих методов расчета сопротивления арматуры сдвигу 260
4.5.2. Сопротивление армированных контактных швов сдвигу 264
4.5.2.1. Анализ имеющихся данных экспериментальных исследований армированных контактных швов 264
4.5.2.2. Анализ существующих методов расчета прочности армированных контактных швов 267
4.6. Рекомендации по расчету прочности строительных контактных швов гидротехнических сооружений 281
Выводы по главе 4 284
ГЛАВА 5. Разработка инженерных методов расчета массивных плоскостных и объемных железобетонных конструкций гидротехнических сооружений 286
5.1. Анализ существующих методов расчета массивных плоскостных и объемных конструкций гидротехнических сооружений при сложном напряженном состоянии 286
5.2. Экспериментальные исследования массивных железобетонных конструкций гидротехнических сооружений со взаимно перпендикулярным расположением арматуры 296
5.2.1. Анализ имеющихся данных экспериментальных
исследований плоскостных конструкций со взаимно перпендикулярным расположением арматуры 296
5.2.2. Экспериментальные исследования массивных конструкций гидротехнических сооружений со взаимно перпендикулярным расположением арматуры 298
5.3. Разработка инженерных методов расчета прочности массивных объемных конструкций гидротехнических сооружений по главным напряжениям 309
5.3.1. Общие предпосылки разработки инженерных методов расчета прочности массивных объемных конструкций по главным напряжениям 309
5.3.2. Разработка метода расчета на основе приведения пространственной системы к трем плоским системам 317
5.3.3. Разработка метода расчета с учетом предельного сопротивления арматурных стержней сдвигу 320
5.3.4. Разработка метода расчета на основе поэтапного разложения главного вектора по координатным осям и плоскостям 323
5.4. Практические рекомендации по расчету прочности и армирования массивных плоскостных и объемных конструкций гидротехнических сооружений 337
Выводы по главе 5 339
ГЛАВА 6. Совершенствование метода расчета прочности и схем армирования сталежелезобетонных конструкций напорных водоводов гидротехнических сооружений 342
6.1. Сталежелезобетонные напорные водоводы ГЭС 342
6.1.1. Анализ существующих сталежелезобетонных конструкций напорных водоводов ГЭС 342
6.1.2. Анализ существующих методов расчета сталежелезобетонных конструкций напорных водоводов 351
6.1.3. Анализ имеющихся данных экспериментальных исследований сталежелезобетонных напорных водоводов 359
6.2. Расчетные и экспериментальные исследования напряженно-
деформированного состояния и прочности сталежелезобетонных
конструкций напорных водоводов гидротехнических сооружений 370
6.2.1. Расчетные исследования НДС и прочности сталежелезобетонных конструкций напорных водоводов на основной протяженности 370
6.2.2. Расчетные исследования НДС и прочности сталежелезобетонных напорных водоводов на компенсационных и входных участках 382
6.2.3. Расчетные исследования НДС и прочности развилок и распределителей сталежелезобетонных напорных водоводов 394
6.2.4. Экспериментальные исследования НДС и прочности сталежелезобетонной конструкции развилки (узла распределителя) напорного водовода 414
6.3. Совершенствование метода расчета прочности и схем армирования сталежелезобетонных конструкций напорных водоводов гидротехнических сооружений 424
6.3.1. Уточнение характера действия нагрузок на сталежелезобетонные напорные водоводы 424 6.3.2. Рекомендации по расчету прочности и армирования сталежелезобетонных конструкций напорных водоводов. Совершенствование схем армирования 433
Выводы по главе 6 441
ГЛАВА 7. Совершенствование метода расчета прочности и схем армирования сталежелезобетонных конструкций турбинных блоков со спиральными камерами ГЭС 445
7.1. Сталежелезобетонные турбинные блоки со спиральными камерами ГЭС 445
7.1.1. Анализ существующих массивных сталежелезобетонных конструкций турбинных блоков ГЭС 445
7.1.2. Анализ существующих методов расчета массивных сталежелезобетонных конструкций турбинных блоков со спиральными камерами 456
7.1.3. Анализ результатов экспериментальных исследований турбинных блоков со спиральными камерами 466
7.2. Расчетные исследования напряженно-деформированного состояния и прочности массивных сталежелезобетонных конструкций турбинных блоков ГЭС 473
7.2.1. Исследования общего характера НДС и прочности массивных сталежелезобетонных турбинных блоков 473
7.2.2. Исследования напряженно-деформированного состояния массивных сталежелезобетонных турбинных блоков на особых участках 489
7.3. Совершенствование метода расчета и схем армирования массивных сталежелезобетонных конструкций турбинных блоков ГЭС 504
7.3.1. Рекомендации по расчету прочности и армированию массивных сталежелезобетонных конструкций турбинных блоков со стальной спиральной камерой 504
7.3.2. Рекомендации по расчету прочности и армированию массивных сталежелезобетонных конструкций турбинных блоков со сталежелезобетонной спиральной камерой 510
Выводы по главе 7 513
ГЛАВА 8. Практические рекомендации и внедрение результатов исследований 517
8.1. Практические рекомендации 517
8.2. Внедрение результатов исследований 524
Выводы по главе 8 530
Заключение 532
Список литературы
- Анализ существующих методов численного моделирования железобетонных гидротехнических сооружений и их массивных конструкций
- Разработка метода расчета вторичных напряжений в железобетонных, конструкциях балочного типа на основе блочной модели
- Анализ имеющихся данных экспериментальных исследований массивных железобетонных конструкций балочного типа
- Прочность контактных швов гидротехнических сооружений при сдвиге
Введение к работе
В настоящее время первоочередное значение приобретает проблема повышения надежности и безопасности гидросооружений в рамках реализации Закона РФ «О безопасности гидротехнических сооружений», требующего обеспечения безаварийной эксплуатации гидротехнических сооружений. Такой подход коренным образом отличается от подходов и тенденций предшествующего периода, направленных на повсеместную экономию строительных материалов, в том числе за счет не вполне обоснованного снижения коэффициентов запаса.
Значительные объемы основных гидротехнических сооружений (таких как плотины, водоприемники, оголовки и порталы туннелей, здания ГЭС, насосные станции, шлюзовые и подпорные сооружения, мосты, эстакады, и др.) составляют массивные железобетонные конструкции: непосредственно массивы плотин, агрегатных блоков машзалов, голов шлюзов, бычков, устоев, контрфорсов; напорные стены зданий ГЭС, фундаментные, водосливные плиты и плиты перекрытий; забральные, упорные, подкрановые, главные балки; шлюзовые, подпорные, разделительные стены, консольные элементы различного назначения и многие другие.
Обязательной принадлежностью средне- и высоконапорных гидроэлектростанций являются массивные сталежелезобетонные конструкции водопроводящего тракта: водоводы и турбинные блоки с размещенными внутри их массивов спиральными камерами (улитками), в том числе значительных диаметров (порядка нескольких метров). Они имеют внутреннюю стальную оболочку и окружающую железобетонную часть, работающие совместно; при этом разрыв внутренней стальной оболочки может привести к затоплению ГЭС при недостаточной прочности железобетона.
Поскольку повреждения, преждевременный выход из строя и аварии ответственных гидросооружений и их массивных конструкций могут привести к катастрофическим последствиям и сопровождаться не только значительным материальным ущербом, но и человеческими жертвами, решение задач по повышению надежности и безопасности на основе развития теории железобетона в направлении разработки новых и совершенствования существующих методов расчета, а также в направлении разработки новых технических решений по армированию гидротехнических сооружений приобретает важное значение для народного хозяйства.
Перечисленные массивные конструкции составляют целый особый класс конструкций, качественным образом отличающихся от обычных железобетонных конструкций общестроительного назначения. Ввиду характерных особенностей массивного гидротехнического железобетона (таких как значительные размеры; низкое содержание арматуры большого диаметра; наличие контактных строительных швов, ослабляющих сооружения; особый характер развития трещин, в том числе по швам; сложное напряженное состояние; особый характер действующих нагрузок, включая противодавление воды в раскрывшихся трещинах и швах; и другие) требуются специальные подходы к расчетам напряженного состояния, прочности и к назначению армирования.
Методы расчета основных типов представленных выше массивных конструкций гидросооружений были разработаны различными группами ведущих специалистов при различных методологических подходах и, при своих несомненных достоинствах, не в полной мере учитывают характерные особенности массивного гидротехнического железобетона.
В настоящее время существует ряд нормативно-методических документов (в основном, разработанных несколько десятилетий назад), которые основаны на традиционных устаревших представлениях и предпосылках, предусматривают различный уровень запаса прочности и
надежности (в основном сниженный до минимального уровня) и, как показала многолетняя практика проектирования, строительства и эксплуатации, а также данные экспериментальных и натурных исследований, не в полной мере учитывают характерные особенности работы массивных железобетонных сооружений и конструкций, в ряде случаев не обеспечивают современных высоких требований по надежности и безопасности гидросооружений, что привело к необходимости проведения дорогостоящих восстановительных мероприятий.
Отрицательно сказывается и то обстоятельство, что из действующих в настоящее время нормативных документов исключены положения об учете аварийных ситуаций, что существенно снижает надежность и безопасность.
Традиционные схемы армирования массивных сооружений и конструкций, основанные на устаревших предпосылках методов расчета и нормативных документов, также имеют характерные недостатки, что приводит к опасному характеру трещинообразования (в том числе по контактным швам), не предусмотренному при проектировании, и последующему преждевременному снижению эксплуатационных свойств, а также к выходу из строя и разрушению. При этом в ряде случаев армирование назначается конструктивно, без расчетного обоснования, из-за отсутствия соответствующих методов расчета.
Вместе с тем, в настоящее время отсутствует единый подход к решению проблемы по определению сложного напряженного состояния и прочности (включая разработку схем армирования) распространенных типов массивных железобетонных и напорных сталежелезобетонных конструкций гидросооружений.
Приведенные выше положения подтверждают актуальность выбранной темы работы.
Представленная диссертационная работа посвящена решению научной проблемы развития теории массивного железобетона, имеющей важное
хозяйственное значение, в направлении разработки новых и совершенствования существующих методов расчета, а также разработки и научного обоснования технических решений по армированию массивных железобетонных и напорных сталежелезобетонных конструкций с целью повышения надежности и обеспечения безопасности гидротехнических сооружений.
Цель и задачи диссертационной работы. Исходя из вышеизложенного, цель диссертационной работы заключается в развитии теории железобетона в направлении разработки новых и совершенствования существующих методов расчета напряженного состояния и прочности массивных железобетонных и напорных сталежелезобетонных конструкций гидротехнических сооружений на основе единого методологического подхода; в разработке практических рекомендаций по расчету и в принципиальном усовершенствовании схем армирования для повышения надежности и безопасности; а также в развитии и совершенствовании нормативно-методической базы проектирования гидротехнических сооружений.
Для достижения вышеуказанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
выполнить анализ основных типов массивных железобетонных и напорных сталежелезобетонных конструкций гидротехнических сооружений, методов их расчета (включая метод численного математического моделирования их работы) и положений нормативно-методических документов;
разработать классификацию многообразных массивных железобетонных и напорных сталежелезобетонных конструкций по своим характерным признакам;
усовершенствовать метод численного моделирования гидросооружений и их массивных железобетонных и напорных
сталежелезобетонных конструкций при централизованном единообразном подходе и максимальном учете характерных особенностей массивного гидротехнического железобетона.
Для массивных железобетонных конструкций балочного типа:
выполнить экспериментальные исследования напряженного состояния и прочности, в том числе при наличии наклонных граней и контактных строительных швов;
усовершенствовать существующий метод расчета вторичных полей напряжений и разработать новый метод расчета вторичных напряжений (в том числе с учетом наклонных граней, контактных строительных швов и сложной формы сечения) на основе блочных моделей;
разработать новый метод расчета прочности с учетом распределения вторичных напряжений, расположения и сопротивления контактных строительных швов;
разработать практические рекомендации по расчету напряженного состояния, прочности и армирования, а также усовершенствовать на расчетной основе схемы их армирования.
Для строительных контактных швов в массивных конструкциях гидросооружений:
провести экспериментальные исследования сопротивления контактных швов при сложном напряженном состоянии, в том числе с учетом пересекающих их арматурных стержней;
усовершенствовать метод расчета прочности неармированных и армированных контактных швов при сложном напряженном состоянии;
разработать практические рекомендации по расчету прочности неармированных и армированных контактных швов в массивных железобетонных конструкциях гидросооружений, охватывающих полный диапазон действия усилий;
Для объемных и плоскостных массивных железобетонных конструкций со взаимно перпендикулярным расположением арматуры:
выполнить экспериментальные исследования напряженного состояния и прочности конструкций при различном наклоне арматурных стержней большого диаметра по отношению к направлению действующего усилия;
разработать инженерные методы расчета и практические рекомендации по расчету прочности и по армированию с учетом распределения главных напряжений.
Для массивных напорных сталежелезобетонных конструкций водопроводящего тракта (водоводов и турбинных блоков со спиральными камерами):
выполнить экспериментальные исследования напряженного состояния и прочности конструкций водоводов и развилок;
провести теоретические (аналитические) и расчетные (численными методами) исследования напряженного состояния и прочности в целом, а также для характерных элементов (развилок, колен и др.) и характерных участков (входных, компенсационных участков, околостаторных зон и др.);
усовершенствовать методы расчета прочности с учетом сложного пространственного напряженного состояния и аварийных случаев с разработкой практических рекомендаций по расчету прочности и армирования с усовершенствованием схем армирования.
Разработать предложения по совершенствованию и развитию положений нормативных и нормативно-методических документов по расчету прочности и армирования массивных железобетонных и напорных сталежелезобетонных конструкций гидротехнических сооружений.
Научную новизну диссертации составляют следующие результаты, развивающие теорию массивного гидротехнического железобетона:
разработанная впервые классификация многообразных массивных железобетонных и напорных сталежелезобетонных конструкций по характерным признакам: конструктивным особенностям, сложному характеру напряженного состояния, по способу определения условий наступления предельного состояния, а также по характеру механизмов трещинообразования и разрушения;
усовершенствованный метод численного моделирования гидросооружений и их массивных железобетонных и напорных сталежелезобетонных конструкций при централизованном единообразном подходе и максимальном учете характерных особенностей массивного гидротехнического железобетона;
новые экспериментальные данные о характере трещинообразования, о напряженном состоянии и прочности, а также о характере разрушения массивных железобетонных конструкций балочного типа, в том числе с продольными и поперечными контактными швами и наклонными гранями;
усовершенствованный метод расчета вторичных полей напряжений и разработанный на основе блочных моделей новый метод расчета вторичных напряжений в массивных железобетонных конструкциях балочного типа, в том числе при наличии наклонных граней, контактных швов и сложной (тавровой) формы сечения, включая разработанную впервые новую зависимость для расчета касательных напряжений в конструкциях с наклонными гранями;
новый метод расчета прочности и армирования, в том числе в продольных сечениях конструкций балочного типа, с учетом вторичных напряжений, расположения и сопротивления контактных строительных швов;
разработанные практические рекомендации по расчету напряженного состояния и прочности, а также усовершенствованные схемы
армирования массивных железобетонных конструкций балочного типа (в том числе имеющих контактные швы, наклонные грани и сложную форму сечения), принципиально отличающиеся от традиционных схем в направлении перевода части армирования из разряда конструктивного в разряд рабочего на характерных участках, включая зоны контактных строительных швов, применение которых способствует повышению надежности и безопасности сооружений;
новые данные экспериментальных исследований прочности контактных строительных швов при сложном напряженном состоянии и сопротивления сдвигу арматуры, пересекающей контактные швы и трещины;
усовершенствованный в целях повышения надежности и безопасности метод расчета прочности контактных строительных швов в массивных конструкциях гидросооружений при сложном напряженном состоянии с учетом новых данных экспериментальных исследований сопротивления контактных строительных швов и пересекающих их арматурных стержней;
разработанные практические рекомендации по расчету прочности контактных строительных швов (в том числе армированных) в гидросооружениях, впервые охватывающие полный диапазон сочетания действующих усилий (растяжение, сжатие и сдвиг);
новые данные экспериментальных исследований массивных конструкций со взаимно перпендикулярным расположением арматуры, полученные впервые на крупномасштабных моделях (натурных фрагментах сооружений) с арматурой большого диаметра, характерной для гидросооружений;
новые инженерные методы расчета прочности и армирования, разработанные впервые для объемных и плоскостных массивных конструкций гидросооружений при взаимно перпендикулярном расположении арматурных стержней большого диаметра с учетом
распределения главных напряжений, обоснованные теоретически и экспериментально;
разработанные впервые практические рекомендации по расчету прочности массивных объемных и плоскостных железобетонных конструкций при взаимно перпендикулярном расположением арматурных стержней, обеспечивающие эффективное армирование и безопасную эксплуатацию гидросооружений;
новые данные экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния и прочности сталежелезобетонной конструкции развилки напорного водовода (узла распределителя), обосновывающие уточненные решения (включая схемы армирования) распределителя напорного водовода;
новые результаты расчетно-теоретических исследований напряженного состояния и прочности сталежелезобетонных конструкций водоводов и турбинных блоков (включая характерные элементы и участки), имеющие принципиальные отличия от традиционных представлений;
усовершенствованные методы расчета прочности и армирования массивных напорных сталежелезобетонных конструкций водопроводящего тракта: водоводов (в том числе их развилок, распределителей, компенсационных и входных участков) и турбинных блоков со спиральными камерами (улитками) с учетом новых данных экспериментальных и расчетно-теоретических исследований, впервые (для повышения надежности и безопасности) учитывающие фактическое напряженное состояние листовой и арматурной стали и действие нагрузок аварийных случаев;
практические рекомендации по расчету и по армированию массивных сталежелезобетонных конструкций напорных водоводов (в том числе развилок, распределителей, компенсационных и входных участков) и турбинных блоков со спиральными камерами, разработанные с учетом
фактического сложного напряженного состояния и нагрузок аварийного случая, повышающие надежность и безопасность сооружений;
усовершенствованные схемы армирования массивных напорных сталежелезобетонных конструкций водопроводящего тракта гидросооружений (в том числе разработанные впервые для компенсационных, входных участков и распределителей водоводов, нижних околостаторных зон турбинных блоков и вокруг спиральных камер с мягкой прокладкой), принципиально отличающиеся от традиционных схем заменой конструктивной арматуры рабочей арматурой, определяемой расчетом, обеспечивающие безопасность сооружений при аварийной ситуации повреждения внутренней стальной оболочки;
разработанные в целях повышения надежности и безопасности гидротехнических сооружений положения нормативных и нормативно-методических документов по расчетам прочности и по армированию массивных железобетонных и напорных сталежелезобетонных конструкций, дополняющие и уточняющие действующие нормы.
Все перечисленные результаты выносятся на защиту. Достоверность результатов исследований, научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается:
хорошим согласованием теоретических, расчетных (численными методами) и экспериментальных данных;
применением при экспериментальных и численных исследованиях положений теории планирования экспериментов, проверенных на практике методов испытаний и контрольно-измерительной аппаратуры;
использованием для сопоставления результатов натурных исследований;
применением апробированных (на тестовых задачах) методов численного моделирования в рамках известных и широко применяемых программных комплексов;
проведением анализа экспериментальных результатов и построением на их основе теоретических зависимостей с применением методов математической статистики.
Практическое значение работы состоит в использовании разработанных автором методов расчета, практических рекомендаций по расчету и технических решений по армированию массивных конструкций при проектировании, строительстве, оценке состояния (с учетом данных натурных наблюдений), усилении и ремонте конкретных гидросооружений. Применение разработанных и усовершенствованных автором методов расчета и практических рекомендаций (достаточно простых, физически ясных и удобных для проведения инженерных расчетов в практической деятельности проектировщиков и исследователей), а также новых и принципиально усовершенствованных схем армирования способствует повышению надежности гидросооружений и обеспечению их безопасной эксплуатации в соответствии с возросшим уровнем современных требований к гидросооружениям. На основе результатов исследований был разработан ряд применяемых на практике нормативно-методических документов.
Личный вклад соискателя состоит в постановке задач исследований, теоретической разработке новых расчетных зависимостей методов расчета, практических рекомендаций по расчету и положений нормативно-методических документов, а также в научном руководстве и непосредственном участии на протяжении многих лет в проведении экспериментальных и расчетных исследований массивных железобетонных и напорных сталежелезобетонных конструкций проектируемых, строящихся и эксплуатируемых сооружений. Основные результаты работы получены
автором лично. Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность докт. техн. наук О.Д.Рубину и докт. техн. наук, профессору Залесову А.С. за плодотворное научное сотрудничество, ценные советы и помощь в работе над диссертацией, а также докт. техн. наук Николаеву В.Б. за ценные предложения и сотрудничество на начальных этапах работы.
Внедрение результатов работы. Значительная доля расчетно-теоретических и экспериментальных исследований проводилась по заказам проектных, строительных и эксплуатационных организаций для конкретных объектов гидротехники и гидроэнергетике. Результаты диссертационной работы внедрены автором при обосновании проектных решений и мероприятий по усилению и ремонту, при оценке состояния эксплуатируемых сооружений, а также непосредственно при строительстве сооружений ряда отечественных и зарубежных объектов: Аушигерская, Богучанская, Юмагузинская ГЭС, Загорская ГАЭС, ГЭК «Аль-Вахда» (Марокко), гидроузлы «Тери» (Индия), «Три Ущелья» (Китай), «Чханьхэвань» (Китай), «Капанда» (Ангола), канал им. Москвы, Плявиньская ГЭС, Павловская ГЭС и др. На основании результатов расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, анализа действующих нормативных документов разработаны и внедрены положения по расчету массивных конструкций в «Пособие» к СНиП 2.06.08-87, окончательную редакцию норм проектирования бетонных и железобетонных конструкций гидросооружений СНиП 33-08-03, в «Рекомендации» института «Гидропроект» по расчету балочных и массивных конструкций гидросооружений, по расчету и оценке состояния напорных водоводов и др.
Апробация работы. Материалы исследований по теме диссертации докладывались: на IV научно-техническом совещании Гидропроекта по вопросам совершенствования научных исследований, ускорения внедрения достижений науки и техники в проекты с целью повышения эффективности
строительства и эксплуатации ГЭС, ГАЭС и АЭС, Москва, 1982 г.; на Всесоюзных научно-технических совещаниях «Предельные состояния бетонных и железобетонных конструкций энергетических сооружений», г. Нарва, 1986 и 1990 гг.; на V научно-техническом совещании Гидропроекта по вопросам повышения эффективности и качества научных исследований и проектирования, ускорения внедрения достижений научно-технического прогресса при строительстве и эксплуатации гидротехнических объектов в свете решений XXVII съезда КПСС, Москва, 1987 г.; на Всесоюзном научно-техническом совещании «Основные направления совершенствования исследований и проектирования энергетических объектов (ТЭС и АЭС)», г.Нарва, 1991 г.; на XXI научно-технической и методической конференции «Наука и высшее образование 96», Москва, 1996 г.; на Международном симпозиуме «International symposium on new trends and guidelines on dam safety», Барселона, Испания, 1998 г.; на 5-м Международном конгрессе ЭКВАТЭК-2002 «Вода: экология и технология», Москва, 2002 г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Экологическая устойчивость природных систем и роль природообустройства в ее обеспечении», Москва, 2003 г.
Публикации по теме диссертации. Результаты исследований, проведенных лично, а также под научным руководством и при непосредственном участии автора, опубликованы в 69 работах: статьях в научно-технических журналах, сборниках научных трудов, материалах конгрессов и конференций (журналы: «Гидротехническое строительство» и «Энергетическое строительство», сборники трудов «Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева», «Сборник трудов Гидропроекта», «Безопасность энергетических сооружений», «Материалы координационных совещаний по гидротехнике» и др.).
Работа была выполнена в научно-исследовательском секторе института Гидропроект им. СЯ.Жука (позднее ОАО «НИИЭС») и в ООО «Центр сооружений, конструкций и технологий в энергетике».
Анализ существующих методов численного моделирования железобетонных гидротехнических сооружений и их массивных конструкций
Расчетные исследования гидросооружений и их массивных железобетонных конструкций выполнялись специалистами ведущих организаций в области теории бетона и железобетона, железобетонного строительства, в том числе энергетического и гидротехнического строительства. Среди таких организаций следует выделить ГУП НИИЖБ, АО «ЦНИИСК им. Кучеренко», АО «НИИСК», АО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева», АО «Институт Гидропроект», НИС Гидропроекта (ОАО «НИИЭС»), МГСУ, МГУП, С-ПбГТУ, МИКХиС, РГОТУПС, КазИСИ, НИИЖТ, РУДН и др.
До появления электронно-вычислительных машин математическое определение напряженно-деформированного состояния конструкций и сооружений основывалось на классических методах сопротивления материалов, теории упругости, строительной механики, которые являлись основными методами математического моделирования. Начало работ в этом направлении связано с именами выдающихся ученых-механиков: академика Б.Г. Галеркина (составили основу широко известного метода Бубнова-Галеркина), проф. С.Г. Гутмана, - фундаментальные исследования которых получили развитие в работах его учеников: С.Г. Шульмана, А.А. Храпкова, Б.М. Нуллера, Л.П. Трапезникова, Я.Г. Скоморовского и других, и тем самым заложили основу для последующего внедрения ЭВМ. Расчеты сооружений численными методами позволяют учесть существенные конструктивные особенности, нагрузки, граничные условия, нелинейность, а также и другие особенности, которые не представляются возможным учесть классическими методами расчетов. Расчеты же на основе классических подходов, в основном проводятся проектировщиками на предварительной стадии расчетов, или применительно к отдельным элементарным конструкциям.
Наибольший вклад в исследование напряженного состояния и прочности массивных гидросооружений на основе численного математического моделирования внесли Л.Н. Розин, В.Г. Корнеев, А.А. Храпков, Л.П. Трапезников, Я.Г. Скоморовский, Л.А. Гордон, А.В. Вовкушевский, Л.Б. Гримзе, Б.А. Шойхет, Т.Ю. Крат, Л.В. Корсакова и другие [17, 30, 31, 133,148, 168, 169,171].
Результаты проведенных исследований Л.А. Розина, а также работы Л.Б. Гримзе, Л.А. Гордона, Я.Г. Скоморовского по расчету арочных плотин по стержневым схемам были реализованы в программном комплексе ТОРМАК, разработанном в ЛО Гидропроекта им. С.Я. Жука В.Г. Корнеевым, Н.А. Вульфовичем, В.П. Зарубаевым.
Для моделирования массивных сооружений и конструкций был разработан целый ряд программных комплексов, как правило, основанных на методе конечных элементов, таких как МКЭСТД, ПЗУ, ОЗУ, KPAK(Crack), ТУ ОС, ДУПР (DYPR), ДИСК. Разработку этих программ выполняли ведущие специалисты: Л.А. Гордон, А.В. Вовкушевский, А.А. Готлиф, Б.А. Шойхет, В.А. Зейлигер, Л.Б. Сапожников, Ю.Н. Ефимов, А.П. Троицкий, СБ. Заливако, Л.Г. Колтон, Е.А. Люцко, О.А. Турчина.
Комплексы программ для расчетов массивных гидросооружений разрабатывались в НИСе Гидропроекта. К ним следует отнести программу «Болид»[163], для решения плоских, плоскоприведенных и осесимметричных задач теории упругости (авторы Б.В. Фрадкин, Л.И. Шатова). Модернизованная версия программы «Новбол», позволяющая учитывать нелинейное, упруго-пластическое состояние бетона, была разработана на основе учета криволинейных диаграмм деформирования бетона с нисходящий ветвью при сжатии и растяжении, а также в условиях сложного плоского напряженно - деформированного состояния (алгоритм подготавливался С.Я Гуном, В.Б. Николаевым, Е.С. Лейтесом и др.) и обеспечивает возможность проследить поэтапное изменение напряженного состояния путем автоматизированного проведения итерационных расчетов.
Более поздним продуктом, разработанным с использованием основных принципов построения программного комплекса «Болид» является программа «Проза» (пространственная задача) для решения трехмерных задач теории упругости при определении пространственного напряженно-деформированного состояния объемных конструкций и элементов [164].
Параллельно д.т.н. Белостоцким A.M. проводилась разработка и совершенствование программного вычислительного комплекса «СТАДИО», который в настоящее время является одним из наиболее совершенных и «продвинутых» отечественных продуктов, не уступающих ведущим зарубежным комплексам на мировом уровне [15, 16]. Многоцелевой программный комплекс «СТАДИО» разработан для решения стационарных, нестационарных и динамических задач теории поля, для расчетов статического и динамического напряженно-деформированного состояния, устойчивости и прочности произвольных пространственных комбинированных систем в линейной и нелинейной постановках.
В МГСУ широко применяются вычислительные комплексы «CRACK», «ЛИРА» и др. В последние годы . во ВНИИГ широко используется «COSMOS/M», в Гидропроекте - ANSYS, MARC и др.
Широкое применение нашли также известные зарубежные и отечественные пакеты прикладных программ ADINA, ANSYS, ABAQUS, NONSAP, NASTRAN, COSMOS/M, MARC, «СТАДИО», SCAD-МИРАЖ-ЛИРА, ИКАРУС, РАДУГА, СИПРАМАК и др.
Разработка метода расчета вторичных напряжений в железобетонных, конструкциях балочного типа на основе блочной модели
В настоящем разделе приведены результаты исследований распределения вторичных напряжений в элементе балочной конструкции на основе блочной модели [65, 82].
При исследовании конструкции постоянного прямоугольного сечения была принята следующая расчетная блочная модель и ее основные характеристики.
Принималось, что эпюра касательных напряжений целиком расположена над трещиной и имеет треугольную форму с максимумом в вершине трещины. В вертикальном сечении в средней части блока распределение касательных напряжений принималось по закону Журавского. При этом объемы эпюр над трещиной и между трещинами принимаются равными между собой и равными действующей поперечной силы. На рис. 2.3.1 представлена расчетная блочная модель железобетонного элемента прямоугольного сечения. Схема расчетного фрагмента полублока показана нарис. 2.3.2.
Как это видно из анализа блочной модели элемента прямоугольного сечения, слева и справа на выделенный фрагмент действуют различные вертикальные усилия. Распределение вторичных нормальных поперечных вертикальных напряжений а у sec на участке между трещиной и серединой блока длиной 0,51сгс в продольном сечении на уровне вершины трещины было принято по треугольному закону с максимумом а у т sec в вершине трещины, что было установлено ранее численным анализом (МКЭ).
Слева (в сечении с трещиной) действует усилие равное поперечной силе Q. Справа (в сечении между трещинами) действует усилие ь соответствующее верхней отсеченной части эпюры касательных напряжений. Разность этих усилий AQ соответствует нижней отсеченной части эпюры за пределами расчетного фрагмента.
На нижней грани фрагмента возникают вертикальные растягивающие напряжения, уравновешивающие разность вертикальных сил AQ.
Исследование влияния наклона грани железобетонного элемента на величину вторичных напряжений при действии поперечной силы проводилось на основе блочной модели фрагмента элемента, заключенного между соседними трещинами. Ширина элемента - В.
При этом рассматривалась половина расчетного участка блока, протяженностью 0,51СГС (полублок).
Были приняты следующие допущения и предпосылки. Предполагалось, что над вершиной первичной нормальной трещины (в сжатой зоне) распределение касательных напряжений близко к треугольному. Эпюра касательных напряжений полностью расположена в вертикальном сечении над трещиной и соответствует величине действующей поперечной силы Q. В вертикальном сечении, расположенном в середине блока, распределение касательных напряжений принято в соответствии с установленным выше законом распределения г по формуле (2.2.22 см. раздел 2.2) в Ху,(7 зависимости от величин поперечной силы и изгибающего момента [41, 42, 43,81,82].
Распределение вторичных поперечных растягивающих напряжений на нижней грани расчетного фрагмента принималось по треугольному закону.
Расчетная схема в рамках блочной модели для исследования вторичного поля напряжений в конструкциях с наклонной гранью представлена на рис. 2.3.3. Схема расчетного фрагмента полублока показана на рис. 2.3.4.
Величина вторичных поперечных растягивающих напряжений определяется в вершине трещины в горизонтальном сечении (то есть на расстоянии Хо от верхней сжатой грани или на расстоянии И - Хо от нижней растянутой грани).
Анализ имеющихся данных экспериментальных исследований массивных железобетонных конструкций балочного типа
Автором был выполнен анализ имеющихся данных экспериментальных исследований массивных железобетонных балочных элементов.
После аварии, произошедшей на Боткинской ГЭС (падение стенки камеры шлюза) в целях исследований массивных железобетонных конструкций гидросооружений во ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева в 1967-1968 гг. были проведены экспериментальные исследования четырех основных серий крупномасштабных железобетонных моделей (балочные и консольные элементы, подпорные и шлюзовые стены постоянного и наклонного сечения) [73, 157, 173].
В первую серию вошли фрагмент конструкции камеры шлюза (Ф-1) в натуральную величину (который был возведен и испытан в условиях строительства) и две модели фрагмента в масштабе 1:4 (М-1 и М-2), которые были изготовлены и испытаны в лабораторных условиях. В моделях М-1 и М-2 одна из стен не имела поперечной арматуры, другая имела поперечное армирование, рассчитанное по различным методикам (СНиП И-В.1-62, СН 55-59).
Во вторую серию вошли четыре сборно-монолитных железобетонных балки, изготовленные в масштабе 1:5 стенки камеры шлюза в корне заделки (сечение 1,0x0,4 м, длина 5 м).
Третью серию составляли восемь железобетонных балок (поперечное сечение 0,24x0,75 м, длина 5,55 м), часть из которых не имела поперечной арматуры, а в остальных балках поперечная арматура назначалась по различным соображениям.
Четвертая серия была представлена двумя массивными двухконсольными балками (длина 6,8 м, сечение на опоре 1,0 х 0,3 м). Одна из балок не имела поперечного армирования, другая имела поперечные хомуты и отгибы в количестве, достаточном для восприятия главных растягивающих напряжений.
Одной из наиболее крупных опытных железобетонных моделей являлась модель шлюза Боткинской ГЭС, изготовленная в натуральную величину во ВНИИГ на Ивангородском полигоне. Натурный фрагмент Ф-1 бетонировался и испытывался в горизонтальном положении. Полная высота модели равнялась 18 м, размеры корневого сечения - 5x2 м. Модель изготавливалась из бетона марки 250 и арматуры класса А-П . В корневом сечении было установлено 30 0 40 А-П в три ряда по высоте сечения. По высоте стенки сечение арматуры уменьшалось в соответствии с эпюрой моментов. Поперечная арматура отсутствовала (как и в натурном сооружении) в соответствии с действующими в тот период нормами СН 55-59. В ходе испытаний было зафиксировано образование крупных веретенообразных трещин (до 1-2 мм), а также вторичных продольных и слабонаклонных трещин, по которым происходило последующее разрушение.
В лабораторных условиях испытательного зала отдела гидросооружений им. Б.Е.Веденеева были изготовлены две крупномасштабные модели М-1 и М-2 в масштабе 1:5 геометрического подобия. Обе железобетонные модели М-1 и М-2 были возведены в вертикальном положении. Общая высота моделей составляла 4,0 м, размеры корневого сечения - 1,25x0,5 м. Продольная рабочая арматура у наклонной тыловой грани устанавливалась в количестве 30 0 10 А-П и обрывалась по высоте сечения. В каждой модели одна из стен (А) имела поперечную арматуру, другая стена (Б) не имела поперечной арматуры. Модель М-1 изготавливалась без строительных швов, в модели М-2 на отметке 2,24 м были устроены горизонтальные швы бетонирования. Испытания проводились при однократном нагружении и при многократно повторном нагружении (до 1000 циклов), после чего доводились до разрушения.
В ходе испытания в стенах Б без поперечного армирования были зафиксированы наклонные вторичные трещины разрушения конструкций, пересекающие сечение стен на значительном участке их протяженности. В стенах же с поперечной арматурой (А) были зафиксированы обычные нормальные трещины. Однако, в стадии предразрушения отмечались вторичные горизонтальные ответвления нормальных трещин. Общий характер трещинообразования в моделях М-1 и М-2 представлен на рис.3.2.1.в.
Проведенные испытания моделей Ф-1, М-1 и М-2 показали, что наличие поперечной арматуры способствующей ограничению веретенообразных трещин (на 25-40 %), предотвращает развитие вторичных наклонных трещин разрушения конструкций.
В тех же лабораторных условиях ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева были проведены крупномасштабные испытания двухконсольных балок Б-1К и Б-2К. Модели имели длину 6,8 м, ширину 0,3 м, высоту сечения, измеряющуюся от 0,3 м до 1,0 м. Арматура 12016 А-И была размещена у растянутой горизонтальной грани в три ряда с обрывами по длине консолей. В балке Б-1К поперечная арматура отсутствовала, а в балке Б-2К были поставлены хомуты и косые стержни с целью воспринимать главные растягивающие напряжения без учета работы бетона на растяжение. Величина главных растягивающих напряжений в балке Б-1К составила 0,75 Rbt , при этом произошло хрупкое разрушение по наклонным вторичным трещинам
Прочность контактных швов гидротехнических сооружений при сдвиге
Прочность контактных швов на растяжение определяется сцеплением "старого" и "нового" бетонов, которое обусловливается образованием физико-химических связей между "новым" и "старым" бетоном. Степень этих связей зависит от возраста "старого" бетона, характера обработки поверхности "старого" бетона (необработанные швы, обработанные швы путем удаления поверхностного слоя "старого" бетона), прочностных характеристик и состава "нового" бетона.
Согласно приведенным материалам о влиянии возраста "старого" бетона [39], прочность сцепления контактного шва наиболее интенсивно уменьшается при перерыве бетонирования в течение первых 24 часов. С дальнейшим увеличением перерыва в бетонировании снижение прочности сцепления уменьшается, а после перерыва, равного примерно 7 суткам и более прочность сцепления остается практически постоянной.
При перерыве бетонирования до 3-х часов контактная прочность сцепления бетона снижается не значительно и это снижение может не учитываться. В результате снижение прочности контактного шва происходит до набора "старым" бетоном примерно 70% прочности, а в дальнейшем возраст "старого" бетона не оказывает влияния на контактную прочность шва.
В информациях [34, 113] приведены обобщенные данные об изменении прочности контактных швов на растяжение в зависимости от способов обработки поверхности "старого" бетона контактного шва. Согласно этим данным относительная прочность контактных швов на растяжение (в долях от сопротивления бетона растяжению), может изменяться в достаточно широких пределах от 0,4 - при необработанных швах до 1,0 - при наиболее интенсивной обработке.
В информации [60] приведены данные различных исследований о прочности обработанных и необработанных контактных швов на растяжение, которые выполнялись при различной прочности бетона на сжатие (от 15 МПа до 40 МПа), различном перерыве бетонирования (от 0,25 до 12 суток), различных методах определения прочности бетона на растяжение (на изгиб, раскалывание, центральное растяжение) при различных условиях испытаний (лабораторных, натурных). В целом, при прочих равных условиях обработанные швы показывают более высокую прочность на растяжение, составляющую около 0,6-0,8 от сопротивления бетона растяжению, в то время, как прочность необработанных швов на растяжение составляет около 0,4-0,6 от сопротивления растяжению бетона.
Рассмотрим сравнительные экспериментальные исследования прочности обработанных и необработанных контактных швов на растяжение [60].
Испытания проводились для трех типов швов: а) без обработки поверхности шва с перерывом бетонирования 14 суток, б) с обработкой путем удаления цементной пленки металлическими щетками с перерывом бетонирования до суток, в) с такой же обработкой, но с перерывом бетонирования 1 сутки.
Кубиковая прочность образцов 1-го типа составляла около 50 МПа, для образцов 2-го типа - в среднем около 30 МПа, и для образцов 3-го типа -около 35 МПа.
Испытания показали, что относительная прочность необработанных контактных швов на растяжение (в долях от сопротивления растяжению бетона) составляла весьма незначительную величину, порядка 0,02-0,025, для обработанных швов при большом перерыве бетонирования значительно большую, но все же сравнительно небольшую величину, порядка 0,2 - 0,25. а при небольшом перерыве бетонирования - несколько большую величину, порядка 0,25 - 0,40.
Наиболее полная оценка влияния состава «нового» бетона на прочность контактного шва на растяжение представлена в [39]. Исследование проводилось на основе планируемого эксперимента с обработанной поверхностью «старого» бетона контактных швов, с большим возрастом «старого» бетона (1 год) при изменении наиболее значимых параметров состава бетона, влияющих на прочность контактных швов при растяжении: водоцементного отношения от 0,5 до 0,8 и расхода цемента от 300 кг/м3 до 500 кг/м . При этом прочность «старого» бетона на сжатие составляла около 20 МПа, а прочность «нового» бетона на сжатие в зависимости от состава изменялась от 3,5 МПа до 30 МПа, прочность бетона на растяжение - от 0,35 МПа до 1,75 МПа.
