Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Сборно-монолитные опоры в транспортном строительстве, роль тепловых процессов в технологии их сооружения и существующие методы учета термонапряженного состояния при их строительстве 11
1.1. Обзор конструкций возведенных опор 11
1.2. Процессы, протекающие в массиве опор и особенности их прогнозирования 24
1.3. Конструктивные особенности и взаимодействие элементов в опоре 44
1.4. Обзор методов расчета термонапряженного состояния 48
1.5. Предельная растяжимость бетона, как критерий трещиностойкости сборно-монолитных опор 52
1.6. Выводы по главе 1. Постановка цели и задач диссертационной работы 55
ГЛАВА 2. Теоретические предпосылки для расчета напряженно деформированного состояния в процессе сооружения сборно-монолитных мостовых опор 57
2.1. Методика исследования температурного режима 57
2.2. Методика исследования термонапряженного состояния 63
2.3. Учет воздействия солнечной радиации на вертикальные поверхности 66
2.4. Учет морозного расширения влаги в бетоне 68
2.5. Учет внезапных декадных понижений температуры окружающей среды 69
2.6. Учет особенностей технологии изготовления блоков 71
2.7. Выводы по главе 2 74
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования термонапряженного состояния сборно-монолитных опор мостов в период их сооружения 76
3.1. Цель и задачи исследования 76
3.2. Объект исследования и конструкция опор 76
3.3. Методика и оборудование для исследований 79
3.4. Экспериментальная проверка методики расчета 83
3.5. Результаты экспериментальных исследований 85
3.6. Выводы по главе 3 92
ГЛАВА 4. Расчетная оценка влияния различных факторов на напряженно-деформированное состояние сборно монолитных опор 93
4.1. Экзотермия бетона заполнения и особенности ее проявления 93
4.2. Замерзание водонасыщенного бетона заполнения 105
4.3. Усадка в бетоне заполнения 108
4.4. Перерывы в монтаже блоков и бетонировании 110
4.5. Солнечная радиация, поступающая на стенки опоры при летнем производстве работ 115
4.6. Внезапные похолодания при сооружения опоры 117
4.7. Технологические факторы при изготовлении блоков 119
4.8. Особенности начального прогрева выставленных блоков при сооружении опор в зимний период 126
4.9. Выводы по главе 4 131
ГЛАВА 5. Методика учета напряженно-деформированного состояния сборно-монолитных мостовых опор, возникающего в процессе их сооружения 133
5.1. Выявление общего подхода к учету напряженно-деформированного состояния сборно-монолитных опор мостов во время их строительства 133 5.2. Учет влияния экзотермии бетона заполнения 135
5.3. Учет влияния замерзания воды в бетоне при резких перепадах температур 139
5.4. Учет усадки в бетоне заполнения 140
5.5. Учет опасности длительных перерывов в процессе строительства 141
5.6. Учет внезапных похолоданий во время строительства 142
5.7. Учет термонапряженного состояния в блоках во время их прогрева на монтаже 142
5.8. Учет технологических особенностей 144
5.9. Об учете дополнительных факторов 148
5.10. Выводы по главе 5 151
ГЛАВА 6. Показатели технико-экономической эффективности применения методики учета термонапряженного состояния сборно-монолитных опор мостов 153
6.1. Снижение затрат на ремонт за счет предупреждения трещинообразования путем учета факторов, негативно влияющих на термонапряженное состояние опор 153
6.2. Выводы по главе 6 155
Заключение 156
Список использованной литературы 159
- Конструктивные особенности и взаимодействие элементов в опоре
- Учет воздействия солнечной радиации на вертикальные поверхности
- Методика и оборудование для исследований
- Солнечная радиация, поступающая на стенки опоры при летнем производстве работ
Введение к работе
Актуальность темы. Строительство мостов в северных районах, характеризуется отдаленностью от бетонных заводов и поселков, суровым климатом и в средней полосе на реках с ледоходом. Для строительства мостов в таких условиях эффективно использовать сборно-монолитные опоры. Контурные блоки из бетона высокого качества обеспечивают им повышенную сопротивляемость климатическим воздействиям, истирающему воздействию льда и плавающих предметов. Кроме того, сборно-монолитные опоры более технологичны и экономичны в строительстве по сравнению с монолитными.
В то же время опыт возведения сборно-монолитных опор в суровых условиях показал, что в них зачастую появляются трещины еще на стадии строительства. Были выявлены случаи, когда эти трещины возникали вследствие проявления скрытых дефектов. Это свидетельствует о том, что технологический аспект работы опор мало изучен и существует необходимость повышения их потребительских свойств.
Трещиностойкость сборно-монолитной опоры определяют
внутренние и внешние факторы: конструктивные и технологические. Некоторые из них, особенно те, что действуют в стадии эксплуатации, частично изучены. Однако, сам момент создания сборно-монолитной опоры, в котором имеет место иной набор факторов, не изучен.
В сборно-монолитной опоре наличие зон контакта трех материалов с разной массивностью, геометрией в сечениях и физико-механическими свойствами (блоков, заполнения ядра и швов) изменяет температурно-влажностное и напряжённо-деформированное состояние (НДС) всей опоры. В результате конструкция, представляющая собой оболочку из блоков, подвергается дополнительному термическому и силовому воздействию со стороны бетона заполнения. Это воздействие формируется в зависимости от сочетания внутренних факторов (массивности опоры; свойств бетона: водоцементного отношения, теплопроводности, теплоёмкости, предельной растяжимости и др.; экзотермии цемента; усадки бетона; темпа сооружения опоры) и внешних факторов (температуры среды, солнечной радиации, теплофизических свойств опалубки и технологического укрытия). В настоящее время отсутствует комплексная методика учёта влияния внутренних и внешних факторов при оценке трещиностойкости сборно-монолитных опор в процессе проектирования и разработки технологических регламентов. Эти факторы недостаточно учитываются в нормативных документах. Схема взаимодействия опоры с внешней средой от момента начала монтажа контурных блоков до момента завершения строительства, а также необходимость оценить степень участия вышеперечисленных факторов в формировании НДС в сборно-монолитной опоре предопределили направление настоящей работы и системный подход к проведению исследований.
Актуальность работы состоит в повышении потребительских свойств сборно-монолитных опор за счет учета влияния температурно-усадочных процессов на НДС, увеличении качества проектирования и скорости строительства, сокращении затрат на сооружение и ремонт.
Целью настоящей работы является повышение потребительских свойств сборно-монолитных опор мостов за счет учета в процессе строительства влияния температурно-усадочных процессов на их напряженно-деформированное состояние.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
- провести анализ отечественного и зарубежного опыта учета
температурно-усадочных воздействий при разработке методов обеспечения
трещиностойкости сборно-монолитных опор;
уточнить факторы, влияющие на температурно-усадочные процессы в сборно-монолитных опорах при строительстве, и обобщить методы учета;
выполнить ранжирование факторов по степени их влияния на НДС сборно-монолитных опор;
разработать методику учета факторов, влияющих на температурно-усадочные процессы и НДС в процессе строительства сборно-монолитных опор для повышения их потребительских свойств;
предложить мероприятия по исключению или снижению влияния выявленных факторов на потребительские свойства с целью учета их в процессе проектирования и строительства.
Методика проведения исследований предполагает использование теоретических и экспериментальных методов на основе рассмотрения опоры, как части моста, так и отдельного конструктивного элемента.
Теоретические методы основываются на многолетнем опыте расчетов с помощью математического моделирования тепло физических процессов и НДС с использованием программы AMGA, разработанной и используемой много лет в ЦНИИСе. Она позволяет рассчитывать тепловое и термонапряженное состояние различных конструкций, в том числе и сборно-монолитных опор. Поля температур и напряжений строятся на основе полученных значений с использованием программы MatLab.
Экспериментальные методы исследования основываются на апробации и внедрении полученных в работе рекомендаций и проверке их достоверности, а именно, в сопоставлении полученных теоретически расчетных данных с замерами температур, определении качества и сплошности бетона на объекте строительства сборно-монолитных опор. Измерения температур проводились с помощью термометров в заранее заложенных термометрических трубках. Исследование сплошности бетона проводилось с использованием неразрушающих методов контроля прибором А1220 «Монолит». Исследование поверхности бетона блоков и швов проводилось с использованием ультразвукового тестера УК 1401М.
Научная новизна работы.
Разработана расчетная модель качественной оценки НДС сборно-монолитных опор в процессе их сооружения с учетом влияния температурно-усадочных процессов. Данная модель учитывает геометрические параметры и разнородные свойства элементов сборно-монолитной опоры, в том числе разные физико-механические характеристики бетона блоков и заполнения, различные внешние и внутренние воздействия путем задания специальных краевых условий, а также условия взаимодействия опоры с другими конструктивными элементами моста.
С использованием этой модели установлены зависимости растягивающих напряжений и стесненных деформаций бетона в разных частях сборно-монолитных опор от: толщины опоры, экзотермии и расхода цемента в бетоне заполнения, усадки бетона заполнения, влияния солнечной радиации во время твердения бетона, технологических перерывов в бетонировании, влияния замерзания водонасыщенного бетона, внезапных похолоданий на стадии строительства.
Определены рациональные режимы при изготовлении контурных бетонных блоков и возведении монолитной части опор.
На основе учета влияния НДС на трещиностойкость сборно-монолитных опор в процессе их строительства представлена иерархия наиболее значимых факторов.
Практическая значимость.
Методика учета влияния температурно-усадочных процессов на НДС сборно-монолитных опор в процессе строительства позволяет повысить их потребительские свойства за счет определения и устранения причин трещинообразования, особенно в суровых климатических условиях.
Разработаны рекомендации по снижению негативного влияния температурно-усадочных процессов на термонапряженное состояние конструктивными и технологическими приемами, а также предложения по повышению трещиностойкости опор на стадии их проектирования и строительства.
Лично автором:
проведены натурные исследования изменения температуры в бетоне заполнения сборно-монолитных опор в процессе круглогодичного строительства, а также выполнены обследования конструкций после постройки методом неразрушающего контроля;
предложено значение предельной растяжимости для бетона блоков и заполнения в ледорезной части и выше прокладного ряда;
обоснована расчетная модель определения влияния основных факторов на напряженно-деформированное состояние для сборно-монолитных опор;
представлена качественная оценка взаимодействия опоры, как конструктивного элемента моста с другими элементами, и оценены особенности взаимодействия непосредственно в опоре;
определено влияние расхода цемента в бетон заполнения на термонапряженное состояние в процессе экзотермического саморазогрева в зависимости от толщины опоры;
адаптированы различные приемы задания краевых условий для определения влияния на напряженно-деформированное состояние температуры и усадки в бетоне заполнения, замерзания водонасыщенного бетона, одностороннего воздействия солнечной радиации;
впервые исследованы поля температур и напряжений в бетоне блоков на монтаже в зимний период и определены рациональные режимы их прогрева;
- исследован процесс круглогодичного изготовления блоков и выдачи
их на необогреваемый склад при отрицательной температуре;
- разработана методика учета влияния температурно-усадочных
процессов на НДС при строительстве сборно-монолитных опор.
Достоверность результатов работы базируется на использовании
фундаментальных положений теории тепломассообмена и ее влияния на
формирование свойств бетона и опоры, как конструктивного элемента,
применении современных методов теоретических и экспериментальных
исследований, результаты которых апробированы при строительстве мостов
и других транспортных сооружений, в том числе моста через пролив Босфор
Восточный в городе Владивостоке и объектов для Олимпиады в городе Сочи.
Результаты теоретических исследований подтверждаются
экспериментальными данными, полученными при строительстве сборно-монолитных опор моста через реку Москва в городе Бронницы.
Практическое внедрение. Результаты работы реализованы при разработке технологических регламентов на производство работ при строительстве сборно-монолитных опор мостов через реку Ангара на автодороге Богучаны-Байкит и реку Москва в городе Бронницы, что привело к сокращению сроков возведения объектов при высоком качестве строительства, в том числе путем исключения трещинообразования в опорах. Ряд выводов и предложений автора использованы при разработке СТО «Устройство опор мостов».
Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы представлены на заседаниях секции «Строительство и реконструкция искусственных сооружений (мосты, путепроводы, виадуки и т.п.)» Ученого совета ОАО «ЦНИИС», на «71 Научно-методической и научно-исследовательской конференции в Московском автомобильно-дорожном институте (МАДИ)».
Публикации. Основные положения работы отражены в 4 опубликованных печатных работах, в том числе 2 в журнале «Транспортное строительство», рекомендованном ВАК.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и общих выводов. Она содержит 173 страницы машинописного текста, 4 таблицы, 66 рисунков и список литературы из 147 наименований.
Конструктивные особенности и взаимодействие элементов в опоре
Цементный раствор или бетон при длительном хранении в воде характеризуется набуханием, т. е. увеличением объема и веса. Это набухание обусловлено адсорбцией воды цементным камнем: молекулы воды обладают расклинивающим действием и уменьшают межмолекулярные силы. Кроме того, вода вызывает уменьшение поверхностного натяжения материала, вследствие чего также происходит некоторое расширение бетона.
Набухание сопровождается увеличением веса бетона на величину около 1% [83]. 5. Напряженное состояние сборно-монолитных опор от расширения бетона при замерзании поверхности. Напряженное состояние в сборно-монолитных опорах возникает при замерзании влаги в бетоне заполнении [63,88,97,117,144].
Исследования, проведенные в России и за рубежом в последние пол века, позволили выявить общую картину и установить некоторые закономерности механизма замерзания затвердевшего бетона. При замораживании бетона в его структуре и в самой конструкции возникает напряженное состояние, вызванное следующими причинами: а) давлением растущих кристаллов льда в цементном камне и на контактах с заполнителем; б) гидравлическим давлением, возникающим в капиллярах вследствие отжатия воды из зоны замерзания; в) гидростатическим давлением в порах и капиллярах вследствие возникающих тангенциальных напряжений растяжения в стенках капилляров; г) различием в коэффициентах линейного расширения льда и скелета материала, т. е. цементного камня и зерен заполнителя.
В работе «Стойкость бетона и железобетона при отрицательной температуре» авторов В.М. Москвина, М.М. Капкина, Б.М. Мазура, A.M. Подвального приведены результаты исследований температурных деформаций бетонных образцов 5х5х25 см в морозильной камере [81,82]. Во всех опытах с влажными образцами обнаружено аномальное расширение образцов сначала в интервале температур от - 2 до - 8 С и затем еще более сильное расширение в интервале от - 30 до - 55 С. Для образцов с весовой влажностью 6,2% при первом замораживании относительная деформация расширения составила s = 110-4, а в десятом цикле уже s = 2010-3.
Аналогичный процесс может протекать в сборно-монолитной опоре с бетонным заполнением. В процессе повторяющихся ночных заморозков свободная влага из толщи бетона заполнения будет мигрировать к более холодной поверхности, т. е. к контакту с блоками. При этом замерзнет вода в крупных порах и капиллярах. Затем при наступлении более глубокого похолодания, процесс миграции влаги захватит более мелкие капилляры. Теория миграции разработана советскими учеными А.Ф. Лебедевым, П.И. Андриановым, Н.А. Цытовичем, М.И. Сумгиным, А.В. Лыковым и др. [4, 138].
Данные, полученные разными исследователями [38] в лабораторных условиях, показывают, что миграция воды усиливается при увеличении градиента температур, а также под влиянием цикличного многократного замораживания и оттаивания и увеличения длины образца. Так, для образцов из бетона и раствора длиной 1822 см при одностороннем охлаждении образцов превышение наибольшей влажности по отношению к наименьшей составляло от 6 до 23% (для температуры «холодного» конца от минус 12 до минус 15 С, а «теплого» от плюс 18 до плюс 20 С).
Насыщение влагой контактного с блоками слоя бетона заполнения в сборно-монолитной опоре может произойти также за счет сил гравитации вследствие опускания свободной воды сверху из бетона ригеля либо по неглубоким вертикальным поверхностным трещинам.
Одной из причин может стать неблагоприятный режим выдерживания бетона заполнения в первые двое суток, когда по сечению формируется так называемая «температурная кривая нулевых напряжений». Эта кривая может быть выпуклой, когда в ядре сечения идет саморазогрев за счет экзотермии, а с поверхности - умеренный теплосъем. Если, наоборот, при укладке бетонной смеси в течение первых двух суток твердения бетона поверхность подвергалась усиленному прогреву, например, в зимнее время горячи воздухом от теплогенераторов, то «кривая нулевых напряжений» получается вогнутой.
После остывания бетона и выравнивания температуры в поперечном сечении в первом случае в поверхностных слоях возникнут благоприятные сжимающие напряжения, а во втором - растягивающие, причем при определенном сочетании условий эти последние могут привести к возникновению неглубоких вертикальных трещин с наибольшим раскрытием на контакте бетона заполнения с контурными блоками [92].
Учет воздействия солнечной радиации на вертикальные поверхности
Сборно-монолитные опоры, относятся к массивным, как и монолитные, но имеют ряд характерных конструктивных особенностей, которые необходимо различать и учитывать при проектировании, в расчетах и при разработке технологических регламентов. К этим особенностям относятся:
а) Опора состоит из блоков, которые изготовлены заранее из высокопрочного бетона. Процесс гидратации и усадки в них в основном прошел, а прочность близка к стопроцентной. Это готовые конструктивные элементы, имеющие арматурные выпуски, с помощью которых они будут установлены и закреплены друг с другом в проектном положении по периметру опоры. После установки горизонтальные швы заполняют высокопрочным безусадочным раствором, а сами блоки подготавливают к последующему заполнению ядра, смачивая и прогревая при необходимости. Основным требованием является обеспечение благоприятного термонапряженного состояния в них после изготовления, что приводит к повышению трещиностойкости и помогает блокам в дальнейшем сопротивляться перепадам температуры и внезапным похолоданиям.
б) Для заполнения ядра опоры в основном используют бетон классом ниже, чем для блоков с целью экономии и уменьшения величины максимального саморазогрева от экзотермии, что благоприятно сказывается на возникающем напряжено-деформированном состоянии в забетонированной конструкции.
в) Толщина бетона заполнения в поперечном сечении варьируется вследствие специфики форм блоков. Это отражается на тепловом распределении в конструкции и приводит к неравномерному термонапряженному состоянию. Это хорошо видно в расчетах приведенных в следующих главах. г) Следует учитывать, что при разном составе бетона блоков и заполнения их коэффициент температурного линейного расширения будет отличаться, что впоследствии может приводить к неблагоприятному термонапряженному состоянию при циклических перепадах температур. д) Еще одним элементом опоры является прокладной ряд, устраиваемый по высоте конструкции с целью отделить ледорезную часть опоры из наиболее прочного бетона со специфической формой поперечного сечения от второго прямоугольного в плане яруса из блоков с менее прочным бетоном. Это также делается из экономических соображений, если позволяют проектные нагрузки. В невысоких опорах и опорах расположенных на суше прокладной ряд отсутствует, а опора заканчивается оголовком, на котором расположены подферменные тумбы под опорные части. Прокладной ряд и оголовки являются высокоармированными элементами и при соблюдении режимов выдерживания, как правило, не имеют трещин.
д) При рассмотрении опоры в целом, всегда необходимо учитывать ее взаимодействие с основанием, которым, как правило, является ростверк, изготовленный заранее. Во время максимального саморазогрева бетон заполнения расширяться под действием температуры и твердеет в таком состоянии, после чего, остывая, пытается сократиться, натягиваясь на ростверк, который не дает такой возможности и высока вероятность возникновения продольных трещин на всю длину. Именно поэтому после выравнивания температур по всему массиву опоры в ней остается напряженно-деформированное состояние, которое характеризуется растягивающими напряжениями в бетоне заполнения на контакте с бетоном ростверка и блоков. В поверхностных слоях опоры должны появиться сжимающие напряжения, что является свидетельством благоприятного собственного термонапряженного состояния в конструкции. В случае резкого понижения температуры окружающей среды, сжимающие напряжения в блоках будут компенсироваться возникающими при остывании растягивающими напряжениями.
е) В процессе строительства возникают ситуации, приводящие к неизбежным перерывам в производстве работ. Данный вопрос хорошо изучен для монолитных опор, а для сборно-монолитных должен быть рассмотрен подробнее. При зимнем бетонировании работы ведутся непрерывно, а основание, на которое впоследствии укладывается бетон и блоки должны быть предварительно прогреты. Установленные блоки, забетонированный ростверк или предыдущая захватка под воздействием окружающей среды остывают и нуждаются в дополнительных технологических операциях перед продолжением работ. Процесс прогрева основания и очистки поверхности старого бетона и арматуры от грязи не представляет опасности в случае соблюдения требований нормативных документов, в отличие от прогрева выставленных по периметру контурных блоков. При неправильной интенсивности обдува и температуры подаваемого воздуха на внешней поверхности блоков могут появиться температурные трещины еще до начала работ по укладке бетона заполнения.
Перечисленные выше процессы и факторы оказывают решающее влияние на формирование потребительских свойств возводимых сборно монолитных опор. Подробное рассмотрение и расчет их влияния на конструкцию приведены в следующих главах. Кроме того, даны конкретные рекомендации по снижению негативного влияния каждого из них и возможные варианты полезного использования для создания благоприятного термонапряженного состояния, уменьшения НДС, повышения трещиностойкости и долговечности возводимых опор.
Методика и оборудование для исследований
При строительстве моста на остров Русский через пролив Босфор Восточный (рис. 16) реализована уникальная конструкция как по размерам сооружения (высота пилона и опор, длина пролета), так и по использованию передового отечественного и зарубежного опыта. Научное сопровождение строительства моста включало в себя специально разработанные технологические регламенты, которые с одной стороны развивали требования СНиП, а с другой стороны являлись частью ППР. Технологические регламенты с теплофизическими расчетами, проведенными с участием автора, были разработаны на следующие конструкции моста: - ростверки под пилоны с перемычками с использованием самоуплотняющейся бетонной смеси (технология бетонирования); - опоры, в т.ч. пустотелые, на подходах (технология бетонирования); - пилоны (технология бетонирования); - железобетонная плита неразрезных сталежелезобетонных пролетных строений (процесс укладки бетона и режимы выдерживания); - преднапряженные неразрезные железобетонные пролетные строения коробчатого сечения вантовой части моста (новая конструкция каналообразователей, инъектирование каналов, в том числе впервые в практике мостостроения – в зимний период, регулирование напряженного состояния в процессе бетонирования)
Экспериментальная проверка методики расчета заключалась в следующем. При сооружении ростверка под пилон и самого пилона моста проводились замеры изменения температуры твердеющего бетона. На основании полеченных с объекта экспериментальных данных и их сравнения с расчетными значениями давались рекомендации по дальнейшему производственному процессу на объекте и вносились корректировки в расчетную модель для ее уточнения. Ниже представлены графики на которых видно соответствие расчетных и натурных данных (рис. 17).
Графики сопоставления расчетных и экспериментальных данных изменения температуры бетона при возведении моста (в ядре конструкции): а - пустотелая стойка пилона; б - ростверк под пилон. Как видно из графика на рисунке 17а значения температур оказались близки, чего нельзя сказать про рисунок 17б. Это объясняется впервые примененной в отечественной мостовой практике для ростверка самоуплотняющейся бетонной смеси. На графике видно, что разогрев происходим менее интенсивно и не достигает ожидаемых расчетных значений за счет состава бетона.
Разница в температурах для пилона объясняется заданием в расчетах минералогического состава бетона отличного от бетона на объекте.
Оценка и анализ всех полученных данных позволил разработать расчетную модель для сборно-монолитных опор с применением как обычного бетона, так и самоуплотняющейся бетонной смеси при соответствующем решении проектной организации. Но учитывая то, что в основном применяют обычный бетон, он и был принят в расчетах.
Результаты экспериментальных исследований. Было проведено обследование сборно-монолитной промежуточной опоры №2 автодорожного моста через р. Москва в г. Бронницы на предмет оценки сплошности и однородности по массиву бетона с использованием неразрушающих методов контроля. Кроме того проводился замер температур в твердеющем бетоне заполнения на всем этапе строительства для сравнения экспериментальных и теоретических данных с целью корректировки расчетной модели и назначения дополнительных мер по уходу за бетоном при необходимости.
Исследование сплошности и однородности бетона в определенных местах промежуточной опоры №2 производилось ультразвуковым методом (рис. 15). Обследованию была подвергнута надводная, надземная (доступная) поверхность опоры. Работа выполнена в соответствии с требованиями нормативных документов [33, 39, 40, 42, 43, 44, 118]. Обследование промежуточных опор было выполнено 23 июля 2012 года в сухую солнечную погоду при температуре воздуха +230С.
Процесс съемки показаний при прозвучивании тела бетона защитной оболочки с использованием ультразвукового дефектоскопа А1220 Монолит и замера глубины раскрытия трещин с помощью ультразвукового тестера УК 1401М приведен на рисунках 18 и 19.
Схема прозвучивания тела опоры с использованием ультразвукового прибора А1220 Монолит приведена на рисунке 15 (а) и (б). Проведенные исследования сплошности с использованием ультразвукового прибора А1220 Монолит показали, что участки с пустотами внутренней кладки опор не зафиксированы, однако присутствуют отражающие поверхности, в связи с этим можно сделать вывод что в этих местах структура материала отличается от основного материала промежуточных опор. Ниже приведены цветовые акустические схемы, на
Акустическая схема опоры 2 вид от опоры 3 (рис. 15б схема №3) в трех проекциях с амплитудой сигналов. По результатам анализа полученных данных прозвучивания тела промежуточной опоры №2 было установлено, что слагающий ее материал в целом находится в пределах нормы, имеет сплошную и в достаточной степени однородную структуру. На рисунках полосы размыты, что свидетельствует о незначительных изменениях в структуре материала слагающего тело опор.
Дефекты на цветовых акустических схемах в виде красных областей отсутствуют. Зеленая полоса на поверхности конструкции (видна на всех схемах и их проекциях) – это «мертвая» зона составляющая приблизительно 20 мм (за пределами чувствительности прибора).
Визуальное обследование показало, что в блоках и швах трещины отсутствуют. Однако в ригеле (оголовке) опоры присутствуют 3 трещины. С помощью прибора УК1401М выявлена их глубина. Она составляет до 4 см в пределах защитного слоя раскрытием до 0,15 мм. В последствие они были «вылечены». Причиной этому стало резкое суточное похолодание.
Далее было проведено сравнение данных замера температур в ядре опоры во время ее возведения и значений, полученных расчетным путем. Точки замеров приведены на рисунке 15в. Результаты представлены на рисунках 23 и 24 для первого и второго рядов блоков.
На рисунках видно очень высокое сходство экспериментальных данных с теоретическими, разница в значениях которых не превышает 5 С, что свидетельствует о приемлемой и правильно заданной расчетной схеме. Кроме того значения граничных условий, заданных для конкретного объекта строительства с довольно высокой точностью, играют важную роль в расчетах.
Солнечная радиация, поступающая на стенки опоры при летнем производстве работ
Возникающие в прослойке напряжения могут достигать предельных значений на сжатие. Одновременно в остальной части опоры возникают растягивающие напряжения.
Как видно из рисунка 39 растягивающие напряжения (до 40 кг/см2) гораздо выше, чем на рисунке 40, что вызвано меньшей массивностью первого. Соответственно и значение предельной растяжимости (= 2,1 1,210-4 1/см) на первом рисунке превышают допустимые для бетона заполнения, который, как правило, делают из менее качественного бетона. Красный цвет полей соответствует практически нулевым значениям и , а возникающие напряжения багрового цвета расположены непосредственно после темно-синих. Именно поэтому и происходит разрушение бетона на небольшом участке вблизи контакта ядра с блоками.
После проведения серии расчетов по полученным данным был построен график (рис. 41) зависимости возникающих в опоре напряжений при замерзании слоя водонасыщенного бетона от ее толщины (массивности). Видно, что напряжения могут быть опасными при толщине опоры менее 3 м. При проектировании опор этот фактор должен учитываться.
Усадка в бетоне заполнения.
Нельзя обойти вниманием такой важный фактор влияния на НДС в бетоне как усадка. Было проведено много исследований по усадке [17, 18, 63, 83], которые основаны на разных подходах. Но для приближенной оценки в расчетах возможно величину усадки определить как деформацию при понижении температуры в бетоне на 1015 С. Этот подход применен для сборно-монолитных опор.
Необходимо отметить, что расчет, в первую очередь, является качественным и значения напряжений и стесненных температурных деформаций могут отличаться от действительных как в большую, так и в меньшую сторону, в зависимости от мероприятий по предотвращению усадочных напряжений в бетоне ядра заполнения.
Основные предпосылки расчета НДС сводятся к следующему. В начальный момент при одинаковой температуре блоков и ядра, например, 0 С, напряжений нет. Затем если ядро мгновенно остыло на 15 С, то в объединенной конструкции возникнут стесненные деформации и напряжения: в бетоне ядра – растягивающие, в блоках – сжимающие. Рассмотрим эти два варианта. Смонтированы один и два ряда блоков. Затем уложен бетон. Если считать, что блоки имеют температуру 0 С, а бетон ядра -15 С, то сразу после их объединения в единую конструкцию возникнет напряженно-деформированное состояние.
Ниже представлены поля напряжений в сборно-монолитной опоре при ее сооружении в один и два ряда контурных блоков по высоте и значения соответствующих напряжений от усадки. видно, что с увеличением количества рядов растут и значения усадочных напряжений, причем сжимающие увеличиваются больше чем растягивающие, что является положительным фактором для бетона. На рисунке 42а на контакте бетона заполнения с блоками растягивающие напряжения составляют 4 кг/см2, а на рисунке 42б уже 5 кг/см2.
Поля напряжений и стесненных температурных деформаций от воздействия усадки в бетоне заполнения опоры: а – один ряд контурных блоков; б – два ряда контурных блоков.
Можно констатировать, что с увеличением высоты опоры и, соответственно, рядов блоков, значения усадочных напряжений увеличиваются не сильно. Аналогично с увеличением или уменьшением толщины опоры напряжения существенно меняться не будут.
Из рисунка 42 видно, что значения напряжений на контакте с основанием наибольшие, что может привести к сквозным трещинам в бетоне заполнения в месте их контакта. В случае интенсивного испарения воды могут появиться неглубокие трещины на поверхности бетона заполнения в месте контакта с блоками. В этот зазор может попасть вода и привести к частичному разрушению опоры, вплоть до выпадения контурных блоков. Для предотвращения столь нежелательного явления необходимо соблюдать допустимый перепад укладываемого бетона и бетона основания не превышающий 10 С.
Данное исследование показало, что необходимо принимать специальные меры для уменьшения усадочных напряжений, например, снижать В/Ц, применять безусадочные цементы или специальные добавки, соблюдать традиционные меры по уходу за уложенным бетоном.
Влияние перерывов в бетонировании на последующее термонапряженное состояние. При стабильном технологическом процессе сооружения опор укладка ведется захватками по высоте с непродолжительными перерывами. Однако бывают случаи длительных задержек либо полного прекращения работ на большой промежуток времени, когда в массиве бетона заканчивают протекать все процессы (экзотермия, усадка и т.п.). В таких случаях необходимо делать некоторые поправки в технологический процесс, чтобы избежать негативных последствий.
Проведено специальное исследование по выявлению закономерности возникновения напряжений и стесненных деформаций в конструкции сборно-монолитных опор при равномерном послойном бетонировании и бетонировании с перерывами. При постановке задачи принято, что температура между остывшим бетоном предыдущей захватки с блоками и свежим уложенным бетоном последующей захватки равнялась t=10С. В обоих случаях бетонирование ведется порядно. Однако в первом (без перерывов) бетон следующего ряда кладут при достижении допустимого перепада температур двух захваток. В таблице 1 представлены значения температур, допустимые для укладки следующего слоя бетона [116]. Во втором случае (с перерывами) бетон предыдущей захватки уже затвердел, его приходится очищать, а в случае похолодания еще и прогревать до требуемого допустимого температурного перепада в соответствии с таблицей 1, а в случае сильного потепления – охлаждать.
На рисунках 43-46 представлены поля напряжений при максимальном саморазогреве бетона заполнения в сборно-монолитных опорах, в зависимости от особенностей технологии: с перерывами между захватками и без них, с соответствующими разными начальными температурами. На рисунке 43 основание плюс 5С, блоки плюс 10С и свежеуложенный бетон плюс 10С удовлетворяют требованиям таблицы 2 по температурным перепадам.
