Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Методы исследования и регулирования технологических напряжений в бетонных конструкциях 10
1.1. Обзор и анализ методов определения технологических напряжений 26
1.2. Выбор оптимального способа формуемости и уплотнения бетонной смеси для получения гарантируемой прочности бетона 29
1.3. Определение тепловыделяющей способности и нарастания прочности на образцах-свидетелях 32
1.4. Особенности управляемой и неуправляемой тепловой обработки бетонных изделий 34
1.5. Влияние остаточных технологических напряжений на прочность бетонных строительных изделий 37
1.6, Остаточные напряжения в различных бетонных изделиях 41
Выводы по главе 1 45
Глава II. Математическое обоснование экспериментальных методов исследования термонапряжений. Формулировка начально-краевых задач теплопроводности и термоупругости при расчете бетонных конструкций сложной формы 46
2.1. Уравнения теплопроводности 47
2.2, Уравнения плоских задач термоупругости 50
2.3. Математическое обоснование аналоговых методов исследования термонапряженного состояния в элементах конструкций из бетона 52
2.3.1. Построение математической аналогии между плоской задачей термоупругости и изгибом пластины для изотропных тел 53
2.3.2. Особенности применения аналоговых методов для тел с анизотропными свойствами и упругопластических задач 59
2.3.3. Решение осесимметричных задач теории упругости методом электромоделирования 61
2.3.4. Мембранная аналогия 63
Выводы по главе II 67
Глава III. Исследование полей напряжений и деформаций в строительных конструкциях сложной геометрии 68
3.1. Плита прямоугольного поперечного сечения 69
3.2. Круглая плита 74
3.3. Брус эллиптического поперечного сечения 76
3.4. Элементы конструкций с центральным круглым отверстием 78
3.5. Исследование температурных напряжений в элементах конструкций тоннелей коробчатого типа 81
3.6. Исследование температурных напряжений в плите-ригеле с учетом нарушения сплошности 93
Выводы по главе III ,97
Глава IV. Методы регулирования технологических напряжений в крупногабаритных строительных конструкциях 98
4.1. Исследование и регулирование температурных полей и напряжений в плите-ригеле с учетом каналообразующих круглых отверстий 98
4.2. Исследование температурных напряжений в плите-ригеле с учетом нарушения сплошности в виде тонких сквозных вырезов 107
4.3. Определение и регулирование технологических напряжений в плите-ригеле на упругом основании 116
Выводы по главе IV 130
Выводы 131
Литература 133
Приложение 145
- Выбор оптимального способа формуемости и уплотнения бетонной смеси для получения гарантируемой прочности бетона
- Влияние остаточных технологических напряжений на прочность бетонных строительных изделий
- Математическое обоснование аналоговых методов исследования термонапряженного состояния в элементах конструкций из бетона
- Брус эллиптического поперечного сечения
Введение к работе
-.
4S64V-
Актуальность темы. Современный уровень развития строительства, особенно в гор одах-гигантах Российской Федерации (Москве, Нижнем Новгороде, Санкт-Петербурге, Воронеже, Ростове-на-Дону, Владивостоке, Новосибирске, Архангельске, Екатеринбурге и др.), характеризуется крупномасштабной реконструкцией транспортных магистралей и сооружений, а также строительством новых сложных по геометрии мостов, магистралей верхнего этажа, тоннелей протяженностью от 500 до 2500 метров.
Особые проблемы возникают при проектировании и строительстве тоннелей, кр-дсідахліоїціїми собой сложные строительные сооружения, К КОЮрЫМ предъявляются повышенные требования технической и эксплуатационной надежности и безопасности, в значительной мере определяемые уровнем их прочностной надежности. Учитывая, что элементы конструкции тоннелей имеют большие габаритные размеры (25х12)м; (50х25)м, а строительство ведется в полевых условиях, исключается возможность их тепловой обработки с целью уменьшения температурных напряжений. Эти проблемы значительно возрастают, когда строительство тоннелей ведется без прекращения эксплуатации транспортных магистралей, под которыми пробиваются тоннели (рис. 1). Особенно это относится к исследованию температурных и остаточных напряжений технологического характера в крупногабаритных бетонных опорных стенках, коробчатых профилях туннелей, плит-ригелей. Правильный выбор конфигурации этих конструкций определяет снижение максимальных напряжений и минимальное количество опасных температурных трещин, которые образуются в период затвердевания бетона, соответствующий максимальному объемному тепловыделению q„ бетонной массы.
Отсюда возникает необходимость определения еще на стадии проектирования действительного уровня температурных напряжений, возникающих в момент достижения бетоном наибольшей интенсивности объемного тепловы-
Шпунт/lapcetr (опора) 'Дом>краты
ж/д полотно
ж/б элементы тоннеля
Буросекущие сваи(бетонные)
Рис. 1. Принципиальная схема закладки элементов магистральных тоннелей, без нарушения движения железнодорожного и автомобильного транспорта
Данная проблема является одной из наиболее актуальных при расчете строительных конструкций с учетом температурного воздействия и представляет собой обширный раздел современной механики деформируемого твердого тела. Использование и широкое распространение новых технологий строительства, качественно новых материалов, в том числе цементно-бетонных материалов, обладающих высокой тепловыделяющей способностью, определяет необходимость дальнейшего развития теоретических и экспериментальных методов механики деформируемого твердого тела, а также создание новых комплексных методов исследования и регулирования термонапряженного состояния элементов конструкций, работающих в условиях неоднородного температурного поля, с учетом структурных особенностей в виде тонких сквозных отверстий, моделирующих макротрещины. Сюда и относится дальнейшее развитие методов расчета наземных и подземных сооружений с учетом условий их производства и эксплуатации.
Целью диссертации является: разработка расчетно-экспериментальных методов определения и регулирования термонапряженного состояния технологического характера крупногабаритных строительных конструкций сложной геометрии, возводимых в полевых условиях; обоснование применимости подходов и методов механики деформируемого твердого тела к бетону на ранней стадий его созревания, соответствующей максимальному уровню объемного тепловыделения, при достижении прочности не менее Rt>0,5R„; теоретическое обоснование моделирования задачи плоской термоупругости для тел сложной формы, в том числе - многосвязных областей, методом пластиночной аналогии; практическая реализация разработанных методов исследования и регулирования напряженного состояния для повышения прочностной надежности современных крупногабаритных транспортных сооружений.
Научная новизна работы состоит в следующем: установлено, что температурные напряжения в крупногабаритных конструкциях, изготавливаемых в полевых условиях, определяются исключительно уровнем объемного тепловыделения qv и особенностями геометрии изделия; на основе анализа результатов проведенных экспериментов, а также известных данных проведено обоснова-
ниє возможности представления конструкций из бетона как твердого тела уже на ранней стадии созревания бетона, соответствующей максимальному уровню объемного тепловыделения, при достижении прочности не менее R,=0,5R„; при использовании метода пластиночной аналогии построены модели-пластины с учетом граничных условий наружного и внутреннего контуров, отражающих граничные условия элементов конструкции тоннеля, и получены точные и основанные на них расчетные рабочие формулы для определения температурных напряжений по замеренным деформациям на рабочем поле модели-пластины от аналоговых нагрузок; для регулирования термонапряжений разработан эффективный метод анкерного армирования и проведено исследование влияния кана-лообразующнх отверстий на напряженное состояние элементов конструкции тоннеля.
Выбор оптимального способа формуемости и уплотнения бетонной смеси для получения гарантируемой прочности бетона
Величина температурных остаточных напряжений в готовом изделии существенно зависит от особенностей технологии изготовления бетона, в связи с чем необходимо знать предысторию его изготовления. На каждом этапе технологического процесса (приготовление бетонной формовочной смеси, формование, термовлажностная обработка или без нее, а также марки цемента) создаются специфические условия, влияющие на величину температурных и остаточных напряжений.
Рассматривая технологию тяжелых и легких бетонов на этапе приготовления формовочной смеси, следует сказать, что одним из основных факторов, которые определяют свойства бетона — является качество заполнителя. От вида заполнителя зависит объемная масса, прочность и другие свойства бетона. Бетоны на пористых заполнителях отличаются от тяжелых бетонов небольшой объемной массой и сравнительно небольшой прочностью, которая практически всегда меньше заданной марки бетона. От вида и свойств заполнителя зависит количество цемента и воды, необходимое для придания бетонной смеси определенной формуемости и уплотняемости. Крупность, шероховатость, пространственная упаковка, величина поверхности и водопоглошение зерен гравия непосредственно или косвенно влияют на формирование коагуляционной структуры цементного геля в бетонной смеси.
Одной из причин, вызывающих существенное снижение (физико-механических, физико-технических) свойств и характеристик бетонов, является неоднородность не только заполнителя, но главным образом и конечной формы изделия. Она порождает внутренние напряжения и деформации, превышающие допустимый оптимум и может вызывать образование трещин, дислокаций и др [31]. Значительное влияние на неоднородность поля напряжений оказывает форма, рельеф и чистота поверхности зерен заполнителя, гранулометрический состав и содержание его в бетоне.
Существует расчетный метод подбора оптимального гранулометрического состава смеси гравия (щебня) и песка, при котором в каждом конкретном случае достигается плотная их упаковка, и который имеет хорошую сходимость с экспериментальными данными. Важное место в технологическом процессе следует отвести формированию бетонной смеси. Формуемость цементного геля (среды, придающей бетонной смеси это свойство) неотделима от конкретных условий деформации смеси, т.е. способа и режима ее обработки. Без учета этих условий понятие формуемости не имеет физического смысла. Понятие фор муемости неотделимо от уплотняемости, которая с удалением свободной жидкости и воздуха из цементного геля, переориентацией частиц твердой фазы и изменением распределения жидкости в объеме цементного геля. Под формуе-мостью цементного геля следует подразумевать способность его принимать любую заданную форму в условиях деформации сжатия со сдвигом без нарушения сплошности и образования структурных дефектов. Чем выше деформа-тивная способность цементного геля при указанных условиях, тем лучше его формуемость.
Обычно рассматривают вибрирование или вибропрессование как метод механического уплотнения бетонной смеси без надлежащего учета способности цементных частиц образовывать при взаимодействии с водой коагуляционную структуру. В настоящее время вибрирование расценивается не только как метод механического уплотнения бетонной смеси, но и как средство воздействия на физико-химические процессы, способствующие активации коагуляцией ного уплотнения цементного геля, для создания, в конечном счете, однородности материала по прочностным свойствам. Виброуплотнения - при груз на поверхности смеси, частоту и амплитуду колебаний, продолжительность вибрирования. Установлено, что амплитуда колебаний рамы виброплощадки, вибровкладышей или других рабочих органов вибрационных машин при уплотнении легкобетонных смесей должна быть 0,35 - 0,75 мм при частоте колебаний 1500-3000 в мин. Эффективно для этих смесей и высокочастотное вибрирование. При уплотнении жестких бетонных смесей рекомендуется применять двухчас-тотное вибрирование (3000 и 6000 кол/мин) с виброперегрузом. В зависимости от изготовляемых элементов конструкций виброобработка и ее режимы выбираются таким образом, чтобы физико-механические свойства RB,aT,E и другие отвечали бы заданным. Обычно эти работы производятся строителями — технологами. Результаты сводятся в таблицы зависимости режимов виброуплотнения бетонов и их подвижности, а также набора прочности в зависимости от времени созревания бетона. Как видно из таблицы. Хорошее перемешивание (активизация) в бетоне связана с рабочей прочностью бетонных деталей. Таким образом, стремление максимально плотно «упаковывать» заполнитель объясняется тем, что бетон заданной прочности при минимальном расходе вяжущего получается при наибольшем сближении зерен пористых заполнителей, т.е. при предельной степени уплотнения бетонных смесей. Степень уплотнения по какой-либо формуле подсчитать невозможно, поэтому определяется опытным путем. Относительную подвижность бетонной смеси на протяжении многих десятилетий принято определять экспериментальным путем по осадке нормального конуса «ОК». Метод этот прост и удобен; он применяется как в заводских условиях, так и непосредственно на строительных площадках, и задается в каждом отделочном случае в зависимости от предъявляемых требований заказчика.
Следует заметить, что подвижность бетонной смеси, прежде всего, зависит от расхода воды и цемента. Для каждого состава бетона существует свой оптимальный расход воды соответствующий наилучшей виброукладываемости. Вибрирование, вибропрессование, сушка, центрифугирование, вибровакууми-рование и другие способы уплотнения бетонной смеси, способствуя отжатию жидкой фазы из цементного геля, одновременно предотвращает возможность образования водных мешков под зернами заполнителя. Особенности получения наиболее однородного бетона подробно описаны в работах [35,41].
Влияние остаточных технологических напряжений на прочность бетонных строительных изделий
Таким образом, проведенный анализ литературных данных показывает, что прочность изделия из бетона зависит не только от прочности материала и технологии его изготовления, а также от типа напряженно-деформированного состояния, которое реализуется в процессе технологической обработки. Методы тепловой обработки бетона дают возможность повысить температуру бетона при обязательном сохранении его влажности. Нагрев является источником повышения скорости процесса гидратации, убыстряет течение химических реакций. Прочность бетона значительно возрастает вследствие ускорения гидратации цемента. Окаменение цементного геля сопровождается в естественных температурно-влажностных условиях постепенным увеличением прочности практически до одного года. При повышенной температуре и влажности среды этот процесс значительно ускоряется и уже через несколько часов прочность цементного камня достигает значительной величины. С другой стороны, рост прочности цементного камня может полностью приостановиться или сменится ее спадом, если при твердении произойдет интенсивная миграция жидкости из цементного камня во внешнюю среду.
Широко применяемые в настоящее время ямные камеры для тепловлаж-ностной обработки бетона паром не дают возможности регулировать температуру и влажность в камере, поэтому для тепловой обработки бетона в последнее время используют продукты сгорания природного газа. Качество тепловой обработки и нарастания прочности зависит от многих факторов: от режима пропарки, от пропарочных камер, от форм для укладки бетона, от компоновки изделий в камере, от расположения их в цехах. При этом во всех процессах, связанных с переходом материала из пластического или вязкопластического состояния в упругое или квазиупругое возникают остаточные напряжения, величина которых зависит от температурных влагостных перепадов, т.к. интегрально от температурных неоднородных полей, которых необходимо замерять по наружному и внутреннему контру
Опыт Подольского ЖБК показал, что величина средней по объему температуры одного изделия за 40 минут после распалубки понизилась на 6С, а в штабеле, состоящем из 10 плит темп понижение температуры не превышал 2 град тт ——. Чем меньше температурные перепады, тем меньше остаточные напряже час ния возникают в изделии. С одной стороны, чем выше прочность самого бетона, которая зависит от марки цемента, от количества его в бетонной смеси, от величины В/Ц, тем прочность изделия повышается, а с другой стороны необходимо учитывать возникающие технологические напряжения, которые могут повысить предел прочности бетона при растяжении.
Только в случае, когда физические явления, протекающие в бетоне при пропаривании не снижают качество бетона, не приводят к образованию тре щин, является справедливым неравенствоаа =&, + тр +аи Я„, где: а,,огр,а-11 напряжения, возникающие соответственно от разности температур и интенсивности объемного тепловыделения qv, внутренних давлений, влагосодержаний и критического замораживания и размораживания в порах бетона. По данным А.А. Малининой [23], напряжения apt возникающие на стадии охлаждения очень малы, поэтому приведенная выше формула применяется в виде: а0 = сг, + тв Rn у а на ранней стадии ао=Ст, и зависит только от qv.
Напряжение С7Й связано с циклическим замораживанием и размораживанием, возникает после изготовления бетонных конструкций и в основном в процессе их длительной эксплуатации. Тщательный анализ этого явления приведен [24], где убедительно показано, что даже в таких, практически нереализуемых случаях, когда влага заполняет полностью имеющиеся лоры и насечки поверхности изделий после многократного циклирования температуры (200-Ї-300) раз, прочность бетона может уменьшаться на (10-И 5)%.
Анализ публикаций показывает отсутствие единого мнения у различных исследователей [25,26,27,28,29], и многие авторы вообще исключают такую ситуацию, т.к. до настоящего времени нет общепринятой теории разрушения бетонных материалов, а, следовательно, и конструкций. Поэтому, на стадии изготовления крупногабаритных бетонных элементов конструкций, когда идет или интенсивная тепловая обработка или конструкции производятся в полевых условиях без тепловой обработки температурные напряжения имеют большое значение, а в ранней стадии созревания играют превалирующую роль. В этом случае в зависимости от вида конструкций его формы, геометрии рассматриваемых сечений конкретных изделий, варьируя, изменяя геометрию исследуемых сечений можно с помощью методов механики деформируемого твердого тела достичь минимально возможных уровней термонапряжений, возникающих в начальный период твердения, в конкретных изделиях выполненных из бетона и железобетона. Однако, даже, при достижении минимальных термонапряжений, как показывает физическое моделирование, возникает возможность наличия отдельных поверхностных трещин (посечек) на изделии, которые должны быть успешно ликвидированы либо механической обработкой или другим методом технологического регулирования общего напряженного состояния, примеры которых автор приводит в дальнейшем.
Математическое обоснование аналоговых методов исследования термонапряженного состояния в элементах конструкций из бетона
Для исследования напряженно-деформированного состояния конструкций широко используются различные виды аналогий: пластиночная, электро гидродинамическая аналогия, гидротепловая аналогия, мембранная аналогия и др. Рассмотрим и проанализируем аналоговые методы с точки зрения их экономические и универсальности, а также возможности получения решений различных задач на одной построенной модели. При этом необходимо отметить, что определяющим фактором использования той или иной аналогии является точность эксперимента, зависящая от применяемых методов определения аналоговых деформаций, перемещений, углов поворота и т.д.
При рассмотрении сложных задач математической физики в ряде случаев эффективным способом их решения может быть сведение исходной задачи к некоторой аналоговой, т.е. к задаче, имеющей ту же математическую формулировку, но описывающей иной физический процесс. Решение аналоговой задачи в силу ее специфических особенностей достаточно просто получается посредством экспериментального моделирования соответствующего физического процесса, а решение исходной задачи определяется с помощью формул, устанавливающих соответствие между терминами исходной и аналоговой задач. Примерами такого подхода являются использование электрического моделирования для решения задач теплопроводности и изгиба пластин, гидродинамической аналогии — для решения задач теории упругости и др.
В плоской задаче термоупругости эффективным оказалось применение математической аналогии между задачами определения функций напряжения F и прогиба w жестко защемленной по контуру пластины. Эта аналогия устанавливает связь между температурными напряжениями в теле (вторые производные функции напряжения F) и моментами изгиба пластины (вторые производные функции прогиба w). Конечным результатом такого соответствия терминов задачи термоупругости и задачи изгиба пластин являются довольно простые соотношения между поверхностными деформациями пластин и температурными напряжениями исследуемого тела. При этом пластина имеет контур, геомет рически подобный контуру области, для которой ищется решение плоской задачи термоупругости.
Существование математической аналогии между задачами определения функций напряжения F и прогиба w жестко защемленной по контуру пластины впервые отмечено в [103], а ее первое практическое применение описано в [24-34]. Использование данной аналогии для определения термонапряженного состояния отражено в [57,58]. В [90-92] применены известные теоретические решения задачи изгиба пластин для описания соответствующего термонапряженного состояния в односвязных областях простейших форм: тонкая, прямоугольная пластина, длинный прямоугольный стержень, круглый диск, треугольная пластина. Однако такой путь не дает никаких преимуществ, поскольку исходная и аналоговая задачи математически идентичны. Поэтому целесообразно применение экспериментальных методов исследования напряженно деформируемого состояния модели-пластины, например, измерением деформаций с помощью тензорезисторов. Этот метод применим для случаев плоской деформации и плоского напряженного состояния. Решение задачи о плоской деформации точно удовлетворяет уравнениям пространственной теории термоупругости почти для всего длинного призматического тела. Оно приближено только вблизи торцевых поверхностей, где условия для нормального напряжения удовлетворяются в смысле принципа Сен-Венана.
Брус эллиптического поперечного сечения
Брус круглого сечения с центральным круглым отверстием. Теоретические формулы, определяющие температурные напряжения, возникающие от действия постоянного тепловыделения qv в брусе круглого сечения с центральным (симметричным) круглым отверстием, известны [91]. Экспериментальное исследование на основе пластинчатой аналогии, проведенное автором, имеет хорошее совпадение с теоретическим решением. В данном случае речь идет о элементе конструкции, выполненной из бетона в полевых условиях (рис. 3.9). Эта работа проводилась как на модели-пластине из оргстекла, так и на пластине из бетона.
Квадратная плита с центральным отверстием. Далее для сравнения с теоретическим решением решалась задача на модели-пластине для квадратной плиты с центральным круглым отверстием для подтверждения, что пластиночная аналогия экспериментально реализуется с одинаковой точностью как для односвязных задач термоупругости, так и для многосвязных.
Для квадратной плиты с симметрично расположенным центральным круглым отверстием (рис. 3.9) также применим метод пластиночной аналогии. Известно аналитическое решение для случая, когда объемное тепловыделение qv=const и условия сохранения количества тепла имеет математическое выражение вида где а - длина стороны квадрата, Ro - радиус окружности Г - длина окружности. Так как температурное поле симметрично температурное напряжения зависят только от интенсивности тепловыделения qv и в случае многосвязной области. Приведенные на рис. 3.9 результаты аналитического и экспериментального решения задач показывают хорошее совпадение результатов исследования. Отличие полученных результатов составляет не более (5 -7)%.
Как видно, достаточная точность определения температурных напряжений возникающих в бетонных элементах конструкций в момент максимального уровня тепловыделения для односвязных и многосвязных достаточно сложных форм изделий обоснованно позволяет воспользоваться методом пластиночной аналогии и для более сложных по геометрии конструкций и деталей типа коробчатых элементов бетонных тоннельных сооружений. Для определения стационарных и квазистационарных температурных напряжений возникающих в бетонных изделиях, имеющих отверстия необходимо было определить не только объемное тепловыделение qv, но и температурное поле исследуемых сечений.
Для нахождения наиболее оптимального с точки зрения прочностной надежности профиля коробчатого тоннельного элемента конструкции из условия минимального уровня температурных остаточных напряжений определим температурное поле в сложных по геометрии сечениях тоннельных элементов на примере прямоугольного коробчатого элемента конструкции с двумя отверстиями. Исследуем температурное поле прямоугольного элемента конструкции с двумя и одним отверстием (рис. ЗЛО).
В связи с тем, что представленная область является многосвязной, возможно возникновение достаточно высоких температурных напряжений при закладке туннельного сечения выполненного из железобетона в полевых условиях. Оценочные расчеты и эксперименты показали, что разностенность конструкции дает значительный температурный вклад в напряжения [24], поэтому автор предложил двухкоробчатую систему последовательного проталкивания секций с помощью мощных домкратов. Симметричность геометрии тоннеля относительно центральных осей инерции h,E очевидна. Поэтому для расчета принята 1/4 сечения туннеля.
Итак, процесс получения приближения решения задачи предусматривает наличие циклической процедуры вычисления ортонормированной системы координатных функций задачи на каждом последовательном этапе, причем каждая такая процедура предполагает использование решения, полученного на предыдущем временном этапе.
Приведенное решение задачи позволяет получать функцию AU в безразмерном виде для любой точки коробчатого поперечного сечения тоннельных элементов конструкций изделия в различные моменты времени t. С целью моделирования механических сил для этих же точек был принят метод нагруже-ния модели-пластины по методу сеток, т.е. нагружение постоянной сосредоточенной силой по заранее намеченной на пластине сетке. Каждой силе, приложенной в 1,2,3,...п ячейке соответствует деформация еіп в точках расположения датчиков. Сумма полученных деформаций е,л соответствует действию распределенной нагрузки (Рху). Применение такого нагружения удобно для использования как стационарного, так и квазистационарного температурного поля, так как результаты измерения при этом методе могут быть пересчитаны в пределах упругости материала модели-пластины для различных законов нагружения [73,74]. Опишем получение температурных напряжений для любого нестационарного решения на примере отливки коробчатого поперечного сечения, когда нагружение модели-пластины происходит по методу сеток. В некоторой точке прикладывается единичная сосредоточенная сила, от которой замеряют -деформации в точках 1,2,3,... Обозначим деформации е!к, е2ь замеренные в точке к (к=1,2,3,...п) от сосредоточенной единичной силы, приложенной в центре ячейки 1 0=1,2,3.. .п).
