Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние строительства автодорожных железобетонных мостов и особенности климата во Вьетнаме 8
1.1. Краткая характеристика автодорожной сети во Вьетнаме и перспектива ее развития 8
1.2. Особенности климатических условий Вьетнама 13
1.3. Обзор современных технологий, внедренных в строительстве железобетонных мостов во Вьетнаме 16
1.4. Состояние вопроса, цель и задачи диссертационной работы 23
Глава 2. Систематизация теоретических основ и изложена методика определения термонапряженного состояния монолитных конструкций железобетонных мостов 30
2.1. Уравнение теплопроводности 30
2.2. Процесс гидратации цемента и тепловыделения 31
2.3. Колебание температуры окружающей среды 38
2.4. Граничные условия 38
2.5. Основы термоупругости 44
2.6. Методика определения термонапряжений в монолитных конструкциях железобетонных мостов 50
2.7. Учет ползучести в определении термонапряжений 54
2.8. Нарастание модуля деформации твердеющего бетона 58
2.9. Нарастание прочности твердеющего бетона 61
Выводы по главе 2 69
Глава 3. Разработка программы определения термонапряженного состояния монолитных конструкций железобетонных мостов ... 70
3.1. Алгоритм определения температурного состояния по методу конечных разностей 70
3.2. Алгоритм определения термонапряженного состояния по методу начальных приращений с учетом ползучести 75
3.3. Блок-схема определения температурного и термонапряженного состояний 84
3.4. Исходные данные и результаты расчета 85
3.5. Сравнение результатов расчета и экспериментальных измерений 87
3.5.1. Обзор условий строительства моста Хиен Лыонг и методика
измерения температуры 87
2.5.2. Определение исходных данных для расчета 90
3.5.2. Сравнение результатов расчета и экспериментальных измерений 92
Выводы по главе 3 100
Глава 4. Расчет и установление характера термонапряженного состояния монолитных конструкций железобетонных мостов, сооружаемых в условиях Вьетнама. Разработка практических рекомендаций 101
4.1. Особенности температурного состояния монолитных конструкций железобетонных мостов, сооружаемых в условиях Вьетнама 101
4.2. Закономерность изменения термонапряжений в монолитных железобетонных конструкциях 109
4.3. Термонапряженное состояние массивных конструкций мостов 112
4.3.1. Термонапряженное состояние массивных конструкций мостов со свободными торцами 112
4.3.2. Термонапряженное состояние массивных конструкций, частично ограниченных в температурной деформации на торцах 115
4.3.3. Влияние срока распалубки на термонапряженное состояние массивных мостовых конструкций 119
4.4. Термонапряженное состояние конструкций пролетных строений железобетонных мостов 124
4.4.1. Термонапряженное состояние конструкций пролетных строений со свободными торцами 124
4.4.2. Термонапряженное состояние конструкций пролетных строений, частично ограниченных в температурной деформации на торцах 126
4.4.3. Термонапряженное состояние конструкций пролетных строений, полностью ограниченных в температурной деформации на торцах 129
Выводы по главе 4 133
Общие выводы 135
Литература
- Обзор современных технологий, внедренных в строительстве железобетонных мостов во Вьетнаме
- Колебание температуры окружающей среды
- Алгоритм определения термонапряженного состояния по методу начальных приращений с учетом ползучести
- Закономерность изменения термонапряжений в монолитных железобетонных конструкциях
Введение к работе
Актуальность работы. В дорожно-мостовом строительстве Вьетнама до конца 80-х годов железобетонные пролетные строения преимущественно монтировали из сборных балок полигонного изготовления.
Интенсивный подъем экономики страны в последующие годы, резкое увеличение объема перевозок и мощности транспортных потоков обусловили необходимость модернизации и расширения дорожной сети, инициировали новый подход к строительству мостовых сооружений на базе мирового опыта применения современных технологий производства, использования неразрезных систем и конструкций из монолитного железобетона.
В течение последнего десятилетия построен ряд крупных монолитных железобетонных мостов, в том числе вантовых, пересекающих русла больших рек в нижнем течении. В мостостроении Вьетнама наметилась тенденция применения технологий цикличной продольной надвижки и навесного бетонирования.
В ходе производства вьетнамские строители столкнулись со значительными трудностями в связи с недостатком как нормативной базы, так и технологического оборудования. Механическое использование зарубежных стандартов, не учитывающих особенности местных условий страны, не позволяет решить возникающие проблемы, имеющие специфические характер.
Одним из актуальных вопросов при возведении монолитных железобетонных мостов во Вьетнаме является обеспечение трещиностойкости конструкций. Обследованием конструкций построенных мостов на стадии строительства был зафиксирован ряд поверхностных трещин в плитах свайных ростверков опор, поверхностных и сквозных трещин в элементах пролетных строений. Ширина раскрытия трещин в некоторых случаях достигает 1,0 - 1,5 мм, что серьезно влияет на долговечность конструкций. Среди потенциальных причин появления трещин в железобетонных конструкциях на стадии строительства отмечены температурные напряжения, возникающие в процессе
твердения бетона. Анализ характера обнаруженных трещин обусловил необходимость исследования термонапряженного состояния монолитных конструкций железобетонных мостов, сооружаемых в климатических условиях Вьетнама, и разработки мероприятий, способных уменьшить риск появления температурных трещин. В стране пока не проводили научные работы, посвященные данному вопросу.
Цель диссертационной работы. Исследовать и установить характер температурного и термонапряженного состояний монолитных конструкций железобетонных мостов (массивных фундаментов опор, элементов пролетных строений), сооружаемых в условиях Вьетнама; проверить конструкции на температурную трещиностойкость; разработать рекомендации по усовершенствованию производственной технологии.
Научная новизна работы содержится в следующем:
разработаны алгоритм и программа для определения температурных полей и термонапряжений в монолитных железобетонных конструкциях с учетом ползучести бетона, влияния температуры твердения бетона на процесс нарастания модуля деформации и прочности бетона, а также с учетом специфических климатических условий разных регионов Вьетнама;
выполнено исследование и установлен характер термонапряженного состояния монолитных конструкций железобетонных мостов, сооружаемых в разных регионах Вьетнама в разные сезоны года; дана оценка по температурной трещиностойкости конструкций;
разработаны рекомендации по подбору состава бетона, виду опалубки, регламенту проведения производственных работ (стадии бетонирования, момента распалубки) для разных видов конструкции монолитных железобетонных мостов.
Достоверность результатов работы подтверждена результатами экспериментальных исследований температурных полей, проведенных в пролетном строении моста Хиен Лыонг. На основе методики определения термонапряжений в монолитных железобетонных конструкциях, разработанной
автором, выявлена причина образования трещин в пролетном строении моста Фа Лай.
Практическая ценность работы заключена в установлении характера термонапряженного состояния монолитных конструкций железобетонных мостов, сооружаемых в условиях Вьетнама и разработке рекомендаций по усовершенствованию технологии строительства.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
теоретическое обоснование и методика определения температурных полей и термонапряжений в монолитных конструкциях мостов из железобетона;
результаты исследования температурного и термонапряженного состояний монолитных конструкций железобетонных мостов, сооружаемых в условиях Вьетнама, при свободной и ограниченной температурных деформациях их торцов;
рекомендации по усовершенствованию технологии строительства с целью повышения температурной трещиностойкости монолитных конструкций железобетонных мостов, сооружаемых в условиях Вьетнама.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы опубликованы в 3 статьях, доложены и одобрены на ежегодных научно-технических конференциях (2002 - 2005 гг.) Московского автомобильно-дорожного института (ГТУ).
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 147 страницах машинописного текста и включает введение, четыре главы, общие выводы, 69 рисунков, 13 таблиц и список литературы из 98 источников.
Обзор современных технологий, внедренных в строительстве железобетонных мостов во Вьетнаме
Страна расположена преимущественно вдоль меридианов (от 830 до 2332 северной широты), поэтому на территории Вьетнама существуют разнообразные климатические условия. На севере страны имеют место сезоны: весна, лето, осень и зима. А на юге страны имеют место сухой сезон (с начала декабря до конца апреля) и сезон дождей (с начала мая до конца ноября).
В Юго-восточной Азии преобладает жаркий и влажный климат. Влажность объясняется не только тем, что почти вся Юго-восточная Азия находится в тропическом или субтропическом поясах, но и наличием муссонов. Муссон несет влажный воздух из экваториальной зоны в районы северного и южного полушарий, включая районы, находящиеся за тропиками. В районах тропического пояса осадки выпадают круглый год, а под влиянием муссона в них бывает период с большим количеством осадков - сезон дождей. Весь Вьетнам находится в тропическом поясе северного полушария. Северный Вьетнам, расположенный ближе к северным тропикам, не оказывается под влиянием сухого климата, наоборот, годовой объем осадков очень высокий.
Климат меняется с севера на юг, а также от равнины до гор. Средняя годовая температура по всей стране выше 20С, кроме высокогорных районов. С севера на юг среднегодовая температура повышается в зависимости от широты. В Ха-Занг (крайнем севере) среднегодовая температура достигает +22,9С, в Ханое +23,4С, в Тхань-Хоа +23,6С, в Нгхэ-Ан +24,7С, в Хуэ +25,2С, в Хошимине +26,9С, однако имеются существенные различные температуры по сезонам в разных регионах страны. Летом по всей стране температура почти одинакова. Самая высокая температура зафиксирована в Ханое +42,8С, в Хуэ +39,9С и в Хошимине до +40С. В зимний период температура на северной части страны заметно понижается. Самая низкая температура зафиксирована в Ханое +2,7 С, в Хуэ +8,8 С и в Хошимине +13,8С, в горных районах иногда ниже О С [94].
Среднее суточное колебание температуры составляет 7-8С. Максимальное суточное колебание температуры, замеченное в горном регионе северной части страны в зимний период, достигает 13 - 15 С.
Во Вьетнаме господствуют два направления ветров, летом муссон юго-восточный, а зимой северо-восточный. Кроме того, в отдельных районах бывают другие ветры, появляющиеся в определенные времена. Средняя скорость ветра составляет 2-3 м/с. В дни активного воздействия муссона, скорость ветра высокая и достигает 5-10 м/с, особенно когда действуют тайфуны или циклоны она может доходить до 20-30 м/с [94].
На всей территории Вьетнама имеется место высокий объем осадков; осадки распределяются весьма неравномерно: в среднем годовой объем осадков колеблется от 1500 мм на равнинах и невысоких плоскогорьях до 3000 мм в горах и высокогорных плато. Среднегодовые осадки составляют в Ланг-Шон 1436 мм, в Ханое - 1668 мм, в Хуэ - 2890 мм, в Ня-Чанг - 1441 мм, в Хошимине - 1979 мм, в Ха-Тьен - 1956 мм.
Относительная влажность очень высокая, среднегодовая влажность по всей стране выше 80%. Среднегодовая влажность воздуха составляет в Ханое 84,5%, в Хуэ - 89,1% и в Хошимине - 81,8%.
По характеру климатических условий территорию страны можно разделять на восемь регионов. Температурные характеристики для них по данным многолетних наблюдений [94] приведены в табл. 1.2.
Выше приведенные данные показывают, что климат Вьетнама очень сложный, но, в конечном счете, господствующим является его тропический характер, что определяется особенностью природы всей страны. В целом, высокая температура и сильный ветер являются неблагоприятным условиям для бетонных работ и возведения монолитных конструкций железобетонных мостов. производства работ, изготовили в России и поставили во Вьетнам оборудование и сложные обустройства для надвижки пролетного строения. Мост имеет габарит проезжей части Г-8 + 2 х 1,5 м. Пролетное строение в плане прямолинейно, в профиле расположено на вертикальной кривой с радиусом 4800 м. В поперечном сечении пролетное строение трапецеидально-коробчатое постоянной высоты 2,5 м с наклонными стенками (рис. 1.4).
Надвижку пролетного строения вели по постоянным опорам моста с применением металлического аванбека в виде 2-х болто-сварных стальных балок со сплошной стенкой при вытягивании по системе «Охта-Тулуза», укомплектованной 2-мя парами тяговых домкратов ТДГ-240-1620 общей мощностью 960 тс (рис. 1.5). Сооружение пролетного строения моста Хиен Лыонг было начато в декабре 1996 г. и закончено через 27 месяцев в феврале 1999 г.
После моста Хиен Лыонг технология цикличной продольной надвижки применена и усовершена в строительстве мостов Куан Хау (31,5 + 3x42 + 40 м) и Шао Фонг (38,0 + 4 х 42,0 + 38,0 м). В настоящее время ЦПН стала одной из конкурентно-способных технологий в мостостроении во Вьетнаме. Технология навесного бетонирования (НБ) внедрена впервые во Вьетнаме на строительстве пролетного строения главных пролетов (64,84 + 2 х 102,0 + 64,84 м) моста Фу Лыонг, расположенного на национальной дороге №5, введенного в эксплуатацию в декабре 1996 г. За последние десять лет в стране успешно были построены более 30-ти мостов по этой технологии, конструкция пролетных строений по которой способна перекрыть большие пролеты, обеспечивающие габарит подмостей для пропуска судов. По форме поперечного сечения пролетных строений наибольшие распространения на практике получили коробчатые балки с вертикальными или наклонными стенками.
Типовые поперечные сечения коробчатых балок - однокоробчатое с вертикальными стенками; б - однокоробчатое с наклонными стенками; с - двухкоробчатое
Балки пролетных строений бетонируют секциями длиной 3,0 - 4,5 м непосредственно на агрегате массы 70 - 100 т (рис. 1.7). Строительный цикл возведения одной секции, включающий выдвижение оснастки, бетонирование секции и натяжение преднапрягаемой арматуры, составляет в среднем 7 суток. Секции над опорой и крайние секции обычно бетонируют на жестких подмостях, опирающихся на опоры или временные фундаменты (рис. 1.8).
Колебание температуры окружающей среды
Колебание температуры окружающей среды можно разделить на три категории: 1. Сезонные колебания температуры с периодом в один год; 2. Колебания температуры, связанные с прохождением циклонов и антициклонов - это непериодический вид колебаний температуры; 3. Суточные колебания температуры. При исследовании температурного состояния твердеющего бетона нас наиболее интересуют сезонные и суточные колебания температуры. Среднюю суточную температуру можно предварительно подбирать из данных многолетних наблюдений по регионам Вьетнама в разные периоды года, которые подробно описаны в главе 1. Однако перед проведением бетонных работ их необходимо корректировать, учитывая конкретные особенности местных условий в данный момент. Ход суточного колебания температуры довольно хорошо описывается косинусоидой: 2itt T(t) = Тсрсут. - Ас cos—— , (2.12) где Терпуг. - средняя суточная температура; Ас — амплитуда колебания температуры; 0С - период колебаний, равный 24 часам. Их значения для основных регионов Вьетнама приведены в табл. 1.2 [23].
Уравнение теплопроводности должно решаться при заданных начальных и граничных условиях. В некоторый момент времени, рассматриваемый как начальный, известна температура по всему объему тела и на контуре: T —T(x,y,z,t=o) (3.55) На контуре тела могут быть заданы граничные условия следующих видов [17,57,65]. Граничные условия I рода. В любой точке на поверхности тела известно изменение температуры во времени. Граничные условия IIрода. Задан тепловой поток на контуре —, то есть, dt дТ известен градиент температур по нормали к поверхности тела —: дп 2 = -A.E(xk,ykfzk,t), (2.13) где п - внешняя нормаль.
Граничные условия III рода. Теплообмен между поверхностью тела и средой происходит по закону Ньютона. Предположим, что поверхность тела имеет температуру Тп, а температура среды Тср (рис.2.2). Если температура повышается по направлению нормали, то приток тепла происходит в обратном направлении: qi =-Я.ї-. (2.13) on С другой стороны, тепловой поток, который может быть воспринят средой, равен q2 = а(Тп - Тср). Эти два тепловых потока должны уравновешивать друг друга. На этом основании можно составить равенство: L= .(Tcpn), (2.14) где а - коэффициент теплопередачи. Нетрудно убедиться, что при а = оо граничные условия III превращаются в граничные условия I рода. Величина коэффициента а зависит от вида поверхности и состояния газа (воздуха), омывающего поверхности тела. При наличии на поверхности теплоизоляции ее влияние на температурное состояние можно приблизительно учесть с помощью приведенного коэффициента теплопередачи [54, 55]: К- .,„ — — пр 1 1 = п я а Д Я, (2.15) где 8j — толщина і-го слоя ограждения, м; Х - коэффициент теплопроводности материала отдельного слоя ограждения, Вт/м2.С; а - коэффициент теплопередачи у наружной поверхности ограждения, Вт/м2.С; а имеет разные значения в зависимости от скорости ветра (табл. 2.4).
Коэффициент теплопроводности материала А, (Вт/м2.С) определяет стационарные процессы теплопередачи в бетоне и представляет собой количество тепла (ккал), протекающее в единицу времени (ч) при установившемся тепловом режиме через единицу площади изотермической поверхности (м ), при единичном температурном градиенте (град/м). Значения А, для различных материалов [55] перечислены в табл. 2.5.
В строительном профиле наиболее часто встречаются граничные условия III и IV родов, которые могут задаваться в смешанном виде для различных частей поверхности тела.
Задачи термоупругости могут решаться в перемещениях и напряжениях. Более удобные решения получаются в перемещениях. Изменение температуры тела Т проводит к изменению в записи закона Гука из числа основных уравнений теории упругости. Для объемного напряженного состояния он получит вид [3, 4,17]:
Алгоритм определения термонапряженного состояния по методу начальных приращений с учетом ползучести
Для определения термонапряженного состояния с учетом ползучести бетона существует несколько методов. В рамках линейной теории наследственного старения следует отметить традиционный метод, основанный на использовании функции релаксации. Сущность метода заключается в том, что определение напряжения при заданной деформации опирается на решение интегрального уравнения (2.48), которое после математической обработки имеет вид: (О т„ где о (t), а (Т)- напряжения в момент t и т с учетом ползучести.
Уравнение такого вида с переменным верхним пределом носит название уравнения Вольтера второго рода. В решении задачи термонапряжения необходимо соблюдать условия равновесия, что эквивалентные усилия, возникающие в теле конструкции, должны равняться нулю. В таком случае, данный поход к решению задачи термонапряжения представляет повышенную сложность.
Предложен П. И. Васильевым достаточно эффективный численный метод так называемый «метод начальных приращений» [17,20, 21]. Метод основан на двух основных положениях:
1. Предполагается существование линейной зависимости между напряжениями и мгновенными деформациями, вследствие чего напряженное состояние элемента, вызванное мгновенным приложением нагрузки, может быть определено как в упругом теле.
2. Приращение деформаций ползучести, образовавшееся в течение некоторого малого промежутка времени At, может быть определено без учета изменений напряжений за этот же отрезок с точностью до бесконечно малых высших порядков. Решение задач проводится следующим образом:
Непрерывное изменение напряжений и деформаций заменяется ступенчатым изменением. Весь исследуемый период времени разбивается на достаточно малые интервалы At. Напряженно-деформированное состояние в начале первого интервала определяется решением соответствующей упругой задачи.
Деформации ползучести в течение интервала At определяются в предположении неизменности напряжений в течение этого интервала. При этом пренебрегаем величинами второго порядка малости. Если найденные приращения деформации удовлетворяют условиям совместности и граничным условиям, то никакого перераспределения напряжений не происходит. В противном случае условия совместности должны быть удовлетворены за счет дополнительных приращений упругих деформаций. Приращения упругих деформаций связаны с изменением напряженного состояния.
Рассматривая полученные приращения деформации ползучести как заданные вынужденные деформации, приложенные к упругому телу, находим приращения приращений и упругих деформаций, обеспечивающих соблюдение условий совместности и уравнения равновесия.
Далее рассматривается следующий интервал времени с учетом изменения напряжений в течение предыдущего интервала. К достоинствам метода начальных приращений можно отнести возможность учета влияния температуры на деформативные характеристики бетона, что является особенно актуальным вопросом для бетонов высоких классов с большим расходом цемента. Ниже рассудим подробно.
Закономерность изменения термонапряжений в монолитных железобетонных конструкциях
На рис. 3.5 - 3.11 приведены графики изменения температуры по расчету и по экспериментальным измерениям для разных элементов конструкции пролетного строения моста Хиен Лыонг. Сравнение результатов расчета и экспериментальных измерений позволяет отметить следующее:
1. Среднее отклонение максимальной температуры по расчету и экспериментальным измерениям составляет 2-3 С, что находится в пределах 3 5%. Существенное отклонение, отмеченное в верхней плите секции №3 моста Хиен Лыонг, достигает 5 С. Это объясняется резким повышением температуры в первые сутки после бетонирования, отличающимся в остальные сутки, которое с допущением не учитывается в исходных данных при расчете.
2. Температура в первой очереди бетонирования секции №1 резко падает после достижения пика, отличающегося от хода температуры в других случаях. Это можно объяснить существенным повышением скорости ветра в последующие сутки после бетонирования, что приводит к значительному отклонению по сравнению с результатом расчета на отдельных участках графика (7 С).
3. В общем, расчетная кривая изменения температуры по разработанной программе хорошо описывает процесс изменения температуры в монолитных железобетонных конструкциях. Разработанная автором программа может считаться приемлемой для прогноза температурного состояния, которое является базой для расчета и оценки термонапряженного состояния монолитных конструкций железобетонных мостов.
1. Детально проанализированы и разработаны алгоритмы для определения температурных полей и термонапряжений в монолитных конструкциях железобетонных мостов, учитывающие специфические условия регионов Вьетнама.
2. Применение автором численного метода конечных разностей и начальных приращений в разработке программы способствует упрощению решения задач и позволяет учитывать все основные факторы, влияющие на термонапряженное состояние конструкций как ползучесть твердеющего бетона, непрерывное изменение модуля деформация...
3. Проведено сравнение результатов по расчету и экспериментальным измерениям на конкретном мостовом объекте (мосту Хиен Лыонг), по которому отмечена хорошая их сходимость. Разработанная автором программа может использоваться для расчета, прогноза и оценки температурного и термонапряженного состояний монолитных конструкций железобетонных мостов, сооружаемых в условиях Вьетнама.
Определение температурного состояния занимает важное место в ходе исследования термонапряженного состояния монолитных железобетонных конструкций. Оно дает основание для расчета возникающих термонапряжений и оценки температурной трещиностойкости конструкций на стадии строительства, кроме этого, позволяет прогнозировать реальную прочность бетона в раннем возрасте, необходимую для определения момента снятия несущих опалубок и проведения натяжения преднапрягаемых арматур.
По разработанной автором программе проведены исследования температурного состояния ряда конструкций, различных по массивности, которые возводятся в разных регионах страны в разные периоды года. Отмечены примерные случаи для Вьетнама следующие: 1. Горный регион северного Вьетнама - самый холодный в зимние месяцы; 2. Северный регион среднего Вьетнама - самый жаркий в летние месяцы. В качестве материала опалубки рассмотрены два варианта: металлическая опалубка и деревянная опалубка из доски толщиной 2,0 см (наиболее популярно используемые во Вьетнаме); время окончания укладки бетона назначается в 18 час; портландцемент марки М 500.
В табл. 4.1 - 4.4 приведена зависимость максимальной температурой, достигающей в процессе твердения от толщины конструкций и количества цемента в 1 м3 бетона для классов В2О-В50.
