Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор состояния вопроса и постановка задачи исследований 12
1.1 Способы усиления железобетонных пролетных строений автодорожных мостов 12
1.2 Нормативная методика расчета усиленных железобетонных конструкций 30
1.3 Методика расчета неусиленных железобетонных конструкций по АСІ 318-08 [78] 33
1.4 Методика расчета усиленных наклейкой углеволокна железобетонных конструкций по АСІ 440.2R-08 [77] 36
1.5 Развитие методов расчета железобетонных конструкций, усиленных под нагрузкой 40
1.6 Выводы и постановка задачи 46
Глава 2. Теоретические исследования напряженно деформированного состояния и несущей способности усиливаемых железобетонных пролетных строений 49
2.1 Общий подход 49
2.2 Физическое уравнение бетона «о-є» 53
2.3 Учет ползучести бетона в расчетах железобетонных пролетных строений 68
2.4 Основные положения и допущения в расчетах железобетонных элементов
2.5 Аналитический аппарат и алгоритм расчета для определения параметров напряженно-деформированного состояния и несущей способности железобетонных пролетных строений 80
2.5.1. Неусиленное пролетное строение 83
2.5.2. Пролетное строение, усиленное под нагрузкой накладной плитой 90
2.5.3. Пролетное строение, усиленное под нагрузкой методом наклейки листового профиля 94
2.5.4. Пролетное строение, усиленное под нагрузкой смешанным методом наклейки листового профиля и накладной плитой 98
2.6 Описание программ и алгоритма расчета 102
2.7 Выводы по главе 105
Глава 3. Численные исследования 106
3.1 Исследование напряженно-деформированного состояния пролетного строения моста через реку Большой Кизил 106
3.1.1. Общие сведения 106
3.1.2. Расчет пролетного строения моста через реку Большой Кизил до усиления 108
3.1.3. Расчет пролетного строения моста через реку Большой Кизил усиленного накладной плитой 111
3.1.4. Расчет пролетного строения моста через реку Большой Кизил усиленного наклейкой листов углеродных волокон 114
3.1.5. Расчет пролетного строения моста через реку Большой Кизил усиленного накладной плитой и наклейкой листов углеродных волокон 117
3.2 Исследование напряженно-деформированного состояния пролетного строения моста через реку Узу у г. Порхова Псковской области 120
3.2.1. Общие сведения 120
3.2.2. Расчет пролетного строения моста через реку Узу 122
3.2.3. Расчет пролетного строения моста через реку Узу усиленного накладной плитой 124
3.2.4. Расчет пролетного строения моста через реку Узу усиленного наклейкой листов углеродных волокон 127
3.2.5. Расчет пролетного строения моста через реку Узу усиленного накладной плитой и наклейкой листов углеродных волокон 130
3.3 Исследование напряженно-деформированного состояния
пролетного строения моста через реку Тойда 133
3.3.1. Общие сведения 133
3.3.2. Расчет пролетного строения моста через реку Тойда до усиления 134
3.3.3. Расчет пролетного строения моста через реку Тойда усиленного накладной плитой 136
3.3.4. Расчет пролетного строения моста через реку Тойда усиленного наклейкой листов углеродных волокон 140
3.3.5. Расчет пролетного строения моста через реку Тойда усиленного накладной плитой и наклейкой листов углеродных волокон 143
3.4 Выводы по главе 146
Глава 4. Сравнение экспериментальных данных с результатами
4.1 Исследование напряженно-деформированного состояния новой ж/б балки по типовому проекту 3.501-81 выпуск 7-1, до и после усиления. 149
4.2 Исследование напряженно-деформированного состояния ж/б балки по серии 3.503.1-81 выпуск 7-1 до и после усиления 159
4.3 Выводы по главе 168
Глава 5. Анализ влияния толщины накладной плиты на несущую способность конструкции 169
5.1 Исследование несущей способности усиливаемого пролетного строения моста через реку Большой Кизил 169
5.2 Исследование несущей способности усиливаемого пролетного строения моста через реку Уза 172
5.3 Исследование несущей способности усиливаемого пролетного строения моста через реку Тойда 175
5.4 Выводы по главе 178
Заключение 179
Список литературыQ
- Нормативная методика расчета усиленных железобетонных конструкций
- Основные положения и допущения в расчетах железобетонных элементов
- Расчет пролетного строения моста через реку Большой Кизил усиленного накладной плитой
- Исследование напряженно-деформированного состояния ж/б балки по серии 3.503.1-81 выпуск 7-1 до и после усиления
Нормативная методика расчета усиленных железобетонных конструкций
Приведенные в обзоре инженерные решения по усилению мостов свидетельствуют о все более возрастающем интересе к этой проблеме в России и в других странах, что отражается в увеличении числа реконструируемых мостов, а также выделяемых средств на производство ремонтных работ. В области теоретических исследований ведется анализ структуры расходов на содержание, ремонт и реконструкцию мостов, создание нормативной базы. Исследуются вопросы расчета усиливаемых мостовых конструкций и сооружений.
Главным направлением исследований является разработка и апробация инженерных решений и способов по реализации усиления пролетных строений.
Подробно изучено усиление ребристых пролетных строений и накоплен опыт его реализации. Наиболее эффективным и перспективным является усиление накладной плитой, это связано с тем что, практически все реконструируемые мосты имеют проблемы с гидроизоляцией, деформационными швами и опорными частями, как следствие для их восстановления остается необходимость перерыва движения и полной разборки проезжей части. В результате даже при обычном ремонте есть возможность произвести усиление пролетного строения без значительного удорожания строительно-монтажных работ. Простота устройства такого вида усиления позволяет выполнить работы в кратчайшие сроки. При ремонтах и реконструкциях искусственных сооружений для увеличения несущей способности железобетонных пролетных строений в комплексе с монолитной железобетонной накладной плитой низ пролетных строений усиливается металлическим прокатом вдоль пролета. При самостоятельном применении способа усиления методом наклейки, необходимо проводить тщательные расчеты, т.к. велика вероятность возникновения эффекта хрупкого разрушения. Применение способов наклейки поверхностной арматуры целесообразно в комбинации с металлическими крепежными элементами (высокопрочными болтами, тягами, упорами и т.п.), назначение которых -снять концентрацию напряжений, исключить отрицательные последствия изменения во времени физико-механических свойств клеевых швов.
Таким образом, можно сделать вывод, что наиболее эффективным и перспективным методом усиления и уширения пролетных строений существующих мостов и путепроводов по основным технико экономическим показателям является устройство монолитной железобетонной накладной плиты.
Этот метод усиления и уширения пролетных строений успешно применяется при ремонтах и реконструкциях искусственных сооружений в России и за рубежом на протяжении 20 лет и ни разу не привел к ухудшению работы сооружений, что доказывает его целесообразность.
Успешное решение вопросов усиления в немалой степени зависит от совершенствования методов расчета конструкций, а широко внедряемая компьютеризация будет способствовать созданию вычислительных комплексов, способных реализовать решение сложных инженерных задач. Возможность современных ЭВМ позволяет выражать физические явления различными сложными моделями без упрощенных предпосылок, например, учет действительных диаграмм «напряжения - деформаций», разрабатывать численные алгоритмы расчета конструкций по сложным, но значительно более экономичным схемам.
Однако нормативная база дает указания для расчета по сильно упрощенной методике, с использованием не обоснованных эмпирических коэффициентов. Согласно СНиП [10] при превышении нагрузки до усиления на 65 % и более расчетной величины расчетные характеристики бетона и арматуры усиления умножаются на коэффициенты условий работы бетонауъл = 0,9; арматуры —ysr\ = 0,9. Изгибаемые элементы, усиливаемые бетоном и железобетоном, рекомендуется рассчитывать как элементы сплошного сечения при условии соблюдения конструктивных и расчетных требований по обеспечению совместной работы старого и нового бетонов. При этом подходе не учитывается, этапность включения в работу накладных элементов, величина нагружения до усиления, нелинейность работы материалов.
В настоящее время, методы расчета, учитывающее нелинейную работу конструкций, развиваются все более успешно. Учет нелинейных факторов значительно осложняет расчет, но это позволяет получить более экономичное, обоснованное и достоверное решение.
Актуальной проблемой остается разработка методов расчета балочных железобетонных конструкций, основанных на комплексном учете нелинейных факторов, обеспечивая достаточную простоту и методологическое единство решений.
В соответствии с этим определены основные задачи дальнейших исследований. 1. Построение уравнений равновесия внутренних и внешних усилий в сечениях как типового так и усиливаемого различными способами изгибаемых элементов с использованием нелинейных диаграмм деформирования бетона на основе деформационной модели расчета 2. Разработка программного комплекса для расчета на ЭВМ. 3. Проведение численных экспериментов и анализ результатов расчета.
Основные положения и допущения в расчетах железобетонных элементов
Прочность нормального сечения элемента, загруженного внешними силами, обеспечена, если заданным нагрузкам отвечает вполне определенный вектор приращений деформаций. Если прочность нормального сечения не обеспечивается, то заданный вектор внешних сил вызывает неограниченный рост вектора приращений деформаций, т.е. приводит к разрушению сечения.
Нелинейный характер деформирования бетона приводит к существенному отличию очертания эпюр напряжений в сечениях железобетонных элементов от линейного вида, характерного для упругих материалов. При разгрузке эпюры напряжений в сечениях принимают более сложный вид, обусловленный перераспределением усилий по сечению в результате развития в бетоне неупругих деформаций, закрытия и зажатия трещин в сочетании с упругой работой арматуры, стремящейся занять исходное недеформированное состояние. А.В. Кузнецов под руководством В.А. Ерышева экспериментально оценил распределение напряжение по высоте сечения железобетонного элемента [26]. Для этого по высоте рассматриваемого сечения изгибаемых и внецентренно сжатых элементов измерялись деформации бетона при одинаковой базе измерений. Сечение условно разбивалось по высоте на полоски в соответствии со схемой расположения тензодатчиков и, используя методику аналитического описания диаграмм деформирования бетона, при нагрузке по текущей величине деформаций, определялись напряжения и строились фактические эпюры распределения напряжений по высоте сечения
Важной особенностью реальных материалов является нелинейный характер зависимости между напряжением и деформацией. Учет таких особенностей деформирования материалов конструкций в расчете позволяет приблизить теоретические прогнозы к реальному их поведению.
В практике проектирования железобетонных конструкций принято различать физическую, геометрическую и конструктивную нелинейности.
Для полного анализа напряженно-деформированного состояния конструкции следует учитывать все три вида нелинейностей. Физическая нелинейность обусловлена учетом в расчете нелинейной зависимости между компонентами обобщенных напряжений и деформаций и характеризует работу материала конструкции в упругопластической области.
Бетон по структуре является весьма неоднородным материалом. Одновременное присутствие в бетоне твердой, жидкой и газообразной фаз определяет сложную напряженно-деформированную картину при действии нагрузки. Даже при постоянном росте нагрузки формирование неоднородного поля напряжений происходит по сложному закону. Неоднородная структура обуславливает нелинейное деформирование бетона под воздействием нагрузки [33]. Нелинейность деформирования бетона характеризуется отсутствием пропорциональной связи между напряжениями и деформациями. Скорость нагружения также оказывает влияние на диаграмму бетона: при высоких скоростях передачи нагрузки диаграмма приближается к прямой, характер деформирования стремиться к упругой закономерности; при невысоких скоростях передачи нагрузки проявляется нелинейный характер деформирования бетона, зависимость аь-Єь принимает криволинейный вид с выпуклостью к оси напряжений. Неупругие деформации обладают свойством изменять начальные прочность и жесткость бетона. Соотношения «напряжение-деформация» для бетона являются основополагающими при построении расчетных моделей нормальных сечений на основании деформационной модели. В настоящее время существует множество предложений по аналитическому описанию законов деформирования бетона.
В общем случае связь напряжений и деформаций в бетоне обусловлена многими аргументами: временем нагружения, режимом нагружения, условиями передачи нагрузки, наличием градиента деформаций и напряжений, прочностью и видом бетона, армированием, размерами образцов и др. [34, 35, 36, 36, 37]. Расчет железобетонных элементов на всех стадиях работы связан с уточнением параметров диаграмм деформирования бетона при однородном напряженном состоянии, разработкой и использованием методик перехода к диаграммам при неоднородном напряженном состоянии. Учет всех этих факторов неизбежно ведет к громоздким зависимостям, которые приводят к сложным задачам при выполнении практических расчетов бетонных и железобетонных конструкций. Упрощение аналитических зависимостей диаграмм аь-Єь приводит к получению математических функций (тригонометрической [39], полиномиальной [40,41, 42], экспоненциальной [43], дробно-линейной [44], сплайн-функции [45] и др.), в которых физические закономерности деформирования учитываются посредством эмпирических коэффициентов.
На современном этапе развития теории железобетона и нормативной базы по мнению A.M. Зулпуева [46] в общем случае к диаграммам деформирования бетона должны предъявляться следующие требования: -они должны быть простыми по форме и универсальными, т.е. иметь несложную математическую запись при минимальном числе опытных параметров с ясным физическим смыслом и быть пригодными для описания поведения наибольшего набора разных материалов; -параметры диаграммы должны иметь соответствующее обоснование с позиций теории вероятностей и математической статистики; -диаграммы должны быть пригодными для решения задач расчета конструкций по предельным состояниям, оценки результатов испытаний и т.д.; -в диаграммах должны отражаться факторы времени и повторного нагружения; диаграммы должны легко увязываться с современными вычислительными подходами с использованием ЭВМ, т.е. служить для построения матриц жесткости сечений, элементов и систем, а также для реализации различных итерационных процессов, характерных для расчетов железобетонных конструкций.
Расчет пролетного строения моста через реку Большой Кизил усиленного накладной плитой
При определении внутренних усилий, действующих в растянутом профиле усиления и сжатой плите, необходимо учитывать деформации железобетонной балки до усиления с учетом этапности загружения.
На первом этапе производится разборка мостового полотна и полная разгрузка пролетного строения. На втором производится наклейка углеволокнистых лент. Величина начального изгибающего момента на этом этапе определяется только от собственного веса балки. На третьем этапе производится усиление накладной плитой и к весу балки добавиться вес бетона накладной плиты, расчет начальных напряжений необходимо вести с учетом работы уже наклеенного профиля. На четвертом этапе определяется полная несущая способность балки.
Расчетная схема нагрузок и схемы распределения напряжений и деформаций в сечениях приведены на рисунке 21. Расчетные схемы: а- приведенное сечение; б- эпюры распределения напряжений и деформаций по высоте сечения Составим систему уравнений равновесия внутренних и внешних усилий. В общем виде уравнения, для балок без предварительно напряженной арматуры с границей сжатой зоны бетона в плите и в соответственно, будут иметь вид:
По формулам (69, 70, 71, 72) автором написаны программы для персонального компьютера. Программа «Расчет железобетонного ребристого пролетного строения автодорожного моста с использованием нелинейной диаграммы деформирования бетона», предназначенная для расчета неусиленных балок пролетного строения, написана на языке программирования Delphi, в среде разработки Embarcadero RAD Studio 2010. 9 января 2013г. она зарегистрирована в федеральной службе по интеллектуальной собственности. На рис. 22 представлено рабочее окно программы. елезобетонного ребристого пролетного строения автодорожного мо„
Окно программы «Расчет железобетонного ребристого, пролетного строения автодорожного моста с использованием нелинейной диаграммы деформирования бетона»
Расчеты усиливаемых пролетных строений написаны в программе Mathcad. Так как системы уравнений заданы в аналитическом виде, каждому символу присвоено численное значение и все принятые упрощения. Принципиальная блок схема приведена на рис. 23.
1. На основе деформационной модели разработана методика расчета усиливаемых железобетонных балок пролетного строения с использованием нелинейной диаграммы деформирования бетона.
2. Выведены системы уравнений, описывающие напряженно деформированное состояние пролетного строения в рассматриваемых сечениях.
3. Предложенная математическая модель расчета позволяет определять напряженно деформированное состояние как неусиленной, так и усиленной конструкции на любой стадии загружения и оценить несущую способность усиленной конструкции с учетом начальных напряжений и деформаций до усиления.
4. Разработанный алгоритм расчета реализован в комплексе программ, написанных на языке программирования Delphi, в среде разработки Embarcadero RAD Studio 2010.
Рассматривается возможность пропуска по мосту, через реку Большой Кизил в Уфимской области сверх нормативной нагрузки по проекту доставки ПГУ-410 из порта Роттердам на Южно-Уральскую ГРЭС. Вес генератора фирмы Siemens расположенного на дватцатичетырехосной тележке составил 340т (рис. 24). Основные параметры моста: длина 138,51 м; продольная схема -21,60x6; габарит Г-10,40 м; тротуары повышенного типа из сборных типовых блоков слева и справа по 1,5 м (рис. 25). Мост имеет общую ширину 15,3 м. Движение двух полосное двухстороннее. Покрытие проезжей части -асфальтобетонное. Толщина одежды мостового полотна 22 см (в среднем).
Статическая система моста - температурно-неразрезная. В каждом пролетном строении по 9 предварительно-напряженных балок без диафрагм с уширенной пятой.
Расчет пролетного строения моста через реку Большой Кизил до усиления. Проводим расчет балки до усиления по СНиП [56] и по предложенной методике и анализ возможности пропуска сверхнормативной нагрузки (табл. 5). Для учета накопленных повреждении, в расчетах площадь сечения арматуры уменьшена на 10%. Расчетное сопротивление арматуры Rs=1055 МПа. Расчетное сопротивление бетона Rb=15,5 МПа.
Согласно расчету по [56] предельный момент крайней балки (несущая способность главной балки) составляет-Мпр=2436,02кНм 3382кНм. Как следствие провоз генератора не возможен. В дополнение проведем расчет по нормативному документу США АСІ 318-08 [78] по результатам которого предельный момент крайней балки составляет-Мпр=2540,1 кНм 3382кНм. Решение систем уравнений (67, 69) дает предельный момент балки-Мпр=2522,9 кНм.
Исследование напряженно-деформированного состояния ж/б балки по серии 3.503.1-81 выпуск 7-1 до и после усиления
Напрягаемая арматура состоит из 12-ти горизонтальных пучков, каждый из которых, в свою очередь, состоит из 24-х проволок В-П диаметром 5,0 мм. Контролируемое усилие в пучке при натяжении составляет 496,9 кН.
Площадь сечения преднапряженной арматуры Ар=56,52 см . Расчетное сопротивление арматуры Rp=1055 МПа. Расчетное сопротивление бетона сжатию по первой группе предельных состояний- Rb=22 МПа по второй группе -RbjSer=29MQa.
Испытание балки проходило в два этапа. На первом этапе испытывали неусиленную балку на момент 7334 кН м. На втором этапе было произведено усиление с помощью наклейки на нижнюю поверхность 4-х слоев ткани углеродной ленты шириной 250 мм и испытали уже усиленную балку на момент 7981 кН м.
Нагружение балок проводилось поэтапно в соответствии с программой испытаний. После приложения каждой доли нагрузки балку выдерживали под нагрузкой не менее 10 минут. Во время выдержки производился осмотр балки с фиксацией трещин и снятие показаний с приборов (табл. 23).
Решение систем уравнений (67, 69) позволяет определить напряженно-деформированное состояние конструкции на любой стадии загружения. Результаты расчета представлены в таблице 23.
При испытаниях не учитывались относительные деформации от собственного веса балки. Для достоверности результатов было принято решение уменьшить расчетные относительные деформации на величину деформаций при загружении собственным весом балки.
Балка была испытана с доведением до разрушения по двум признакам: - максимальный прогиб составил более (1/142L) [79]; - максимальное раскрытие нормальных трещин в балке 0,6 мм. 1 В процессе проведения испытаний проводились следующие измерения: - прогибы в середине пролёта фиксировались по этапам, при загружении балки контрольными нагрузками. Измерения производились прогибомером ПМУ -0.1, с ценой деления 0.1 мм, а также велся контроль путем нивелировки по линейке с ценой деления 1 мм, закрепленной вертикально на ребре балки в середине пролета; - осадки опор контролировались путем нивелировки по линейкам с ценой деления 1 мм, закрепленным вертикально на ребре балки по оси опирання над опорами; - деформации бетона с середине пролета фиксировались по верхней фибре плиты балки. Измерения производились механическими измерителями деформаций с индикаторами часового типа ИЧ-10 с точностью измерений до 0.01 мм и диапазоном измерений 0.0-10.0 мм, на базе от 340 до 400 мм. Индикаторы дублировались по двум сторонам от ребра. для измерения ширины раскрытия трещин использовались металлические щупы. На каждом этапе нагружения осуществлялся визуальный осмотр поверхности балок на предмет наличия трещин и ширины их раскрытия с фиксацией их на ребре балки при помощи цветных мелков. К XCDОнІ-чейСОей X ей Н СП 3ю оёи S о03н оCDКК о Изгибающий момент в середине пролета от домкратов, (кН м) Полный изгибающий момент в середине пролета с учетом собственного веса, (кН м) Расчетные относительные деформации в сжатом бетоне полученные по предложенной методике (с применением расчетных характеристик бетона), 10" Расчетные относительные деформации в сжатом бетоне полученные по предложенной методике, за вычетом деф-ций от собственного веса балки (с применением расчетных характеристик бетона), 10" Расчетные относительные деформации в сжатом бетоне полученные по предложенной методике (с применением нормативных характеристик бетона), 10" Расчетные относительные деформации в сжатом бетоне полученные по предложенной методике, за вычетом деф-ций от собственного веса балки (с применением нормативных характеристик бетона), 10" Относительные деформации в бетоне полученные эксперементальным путем, 10"
Изгибающий момент в середине пролета от домкратов, (кН м) Полный изгибающий момент в середине пролета с учетом собственного веса, (кН м) Расчетные относительные деформации в сжатом бетоне полученные по предложенной методике (с применением расчетных характеристик бетона), 10" Расчетные относительные деформации в сжатом бетоне полученные по предложенной методике, за вычетом деф-ций от собственного веса балки (с применением расчетных характеристик бетона), 10" Расчетные относительные деформации в сжатом бетоне полученные по предложенной методике (с применением нормативных характеристик бетона), 10" Расчетные относительные деформации в сжатом бетоне полученные по предложенной методике, за вычетом деф-ций от собственного веса балки (с применением нормативных характеристик бетона), 10" Относительные деформации в бетоне полученные эксперементальным путем, 10" и теоретические относительные деформации в середине пролета усиленной балки.
Вывод: на основании полученных данных, составлены диаграммы зависимости относительных деформаций от величины изгибающего момента (диаграмма 15, 16). Из диаграмм видно, что графики имеют одинаковое очертание, как для неусиленной так и для усиленной балок. Разница величин составляет тот же порядок цифр, что и в предыдущем варианте.
Доказано, что алгоритм позволяет моделировать НДС балочных элементов сооружения, на различных этапах реконструкции, оценивая эффективность применения элементов усиления, в виде накладной плиты и внешнего армирования, при различных их сочетаниях а так же различных уровнях совместного деформирования с балками пролетного строения. 6. Проведенный анализ и обработка результатов испытаний железобетонных балок длиной 33 и 24м, сначала новых, а потом после усиления наклейкой внешнего армирования, обосновал эффективность нелинейной деформационной модели для балок, исследуемых в диссертации, и подтвердил достоверность результатов полученных расчетным путем.
Похожие диссертации на Разработка методов расчета железобетонных балочных пролетных строений мостов. 18 февраля 2015 года на основании письменного заявления соискателя принято решение о снятии
