Содержание к диссертации
Введение
1. STRONG Методы расчета бетонных ошр мослов. цель исследования
STRONG 1.1. Особенности работы бетонных опор мостов 10
1.1.1. Основные конструктивные формы 10
1.1.2. Нагрузки и воздействия, характер работы бетона
в опорах мостов 12
1.1.3. Влиянке внешних условий на бетонные опоры мостов , 14
1.2. Анализ существующих методов расчета бетонных эле ментов 16
1.2.1. Расчеты по действующим нормативным документам , 16
1.2.2. Обзор предложений по расчету бетонных элементов г 19
1.2.3. Об учете влияния внешних условий в расчетах бетонных элементов 24
1.3. Цель и задачи исследования 26
2. Расчет бетонных опор w0стов с четом упруго-шіаш ческих свойств бетона 29
2.1. Применение метода упругих решений к расчету бетонных опор мостов 29
2.2. Об учете характера приложения нагрузки
2.2.1. Длительность и скорость приложения нагрузок и воздействий 33
2.2.2. Повторность загружений
2.3. Диаграмма деформирования бетона 41
2.4. Предельные состояния бетонных опор мостов по прочности и трещиностойкости. 45
2.5. Выводы по второму разделу 49
3. Экспериментально-теоретические исследобания работы бнецёнтреню.штых бетонных элементов 51
3.1. методика проведения эксперимента
3.1.1. цели исследования 51
3.1.2. Характеристики опытных образцов 52
3.1.3. Испытания на внецентренное сжатие 54
3.2, Результаты экспериментальных исследований 61
3.2.1. Прочность внецентренно сжатых бетонных элементов 61
3.2.2. Трещиностойкость внецентренно сжатых бетонных элементов 63
3.3. Сравнение результатов расчета, полученных по раз личным методикам с экспериментальными данными 68
3.3.1. Расчетные предпосылки, принятые при определении несущей способности по нормативным документам и по предлагаемой методике
3.3.2. Сравнение по несущей способности 73
3.3.3. Сравнение по трещиностойкости 79
3.4, Выводы по третьему разделу 80
4. Исследования влияния многократного зашражвания и оттаивания на изменение прочностных и дефрмативных характеристик бетона 84
4.1. Методика экспериментальных исследований 84
4.1.1. Цели исследования 84
4.1.2. Планирование эксперимента 85
4.1.3. Характеристики опытных образцов 89
4.1.4. Испытания на осевое растяжение 91
4.1.5. Измерение деформаций и усилий в бетонном образце 92
4.2. Результаты экспериментальных исследований по изучению влияния попеременного замораживания и оттаива ния на механические характеристики бетона 97
4.2.1. Изменение прочности и предельной деформативности тяжелого бетона 97
4.2.2. Прочность и деформативность бетона с добавками СНВ+СДБ 112
4.2.3. Прочность и предельная деформативность мелкозернистого бетона И4
м ми»
4.2.4. Прочность и предельная дефорштивность бетонов, изготовленных на цементах с различным минерале гическим составом 115
4.3. Коэффициенты условий работы 118
4.4, Выводы по четвертому разделу 123
5. Предложенгя по расчету бетонных опор мостов 128
5.1. Общие положения 128
5.2. Расчет на прочность, устойчивость и трещиностой-кость 131
5.3. Учет условий эксплуатации при расчетах опор мостов. 135
5.4. Сравнение результатов расчета бетонных опор мостов, полученных по ралзичным методикам 138
5.5. Выводы по пятому разделу 147
Заключение... 149
Cписок использоаанных источников
- Влиянке внешних условий на бетонные опоры мостов
- Длительность и скорость приложения нагрузок и воздействий
- Прочность внецентренно сжатых бетонных элементов
- Измерение деформаций и усилий в бетонном образце
Влиянке внешних условий на бетонные опоры мостов
Нагрузки и воздействия, характер работы бетона в опорах мостов. Уточнению значений величины нагрузок и воздействий на опоры мостов посвящены работы В.Г.Андреева и Г.К. Глыбиной /II/, Г.К.Евграфова и Н.Б.Лялина /12/, И.И.Казея и В.П.Польевко /13/, К.Н.Коржавина /IV и др. Все воздействия, вызывающие изменение напряженно-деформированного состояния бетонных конструкций, можно разделить на силовые и несиловые (темперааурные, влажностные и др.). Данная работа посвящена вопросам расчета бетонных мостовых опор на силовые воздейст БИЯ,
На первом этапе, включающем в себя сооружение опоры и установку пролетных строений, опора воспринимает постоянно возрастающую нагрузку с приложением, близким к центральному. При этом проявляется такое свойство бетона, характерное для длительного нагружения, как ползучесть. В опорах мостов она вызывает нарастание деформаций и может оказать влияние на переpaопределение напряжений но нормальным сечениям при уровне напряжений больше 0,5 #ор и достаточно большом их градиенте.
На втором этапе, после сдачи моста в эксплуатацию, на onoру нардду с постоянными нагрузками действуют и временные. Временная нагрузка воздеиствует на опору циклически с коли -чеством циклов до 100 в сутки, В зависимости от вида пролетного строения она может быть приложена центрально или вне -центренно со знакопеременным моментом относительно оси опо -ры и без изменения знака момента. Другие временные нагрузки « тормозная сила, давление ветра, навал судов, давление льда и пр. - являются эпизодическими. Закономерность и периодичность в их действии определить сложно. Время изменения на -грузок от минимального значения до максимального колеблется в широких пределах.
Предельное состояние опоры может наступить как на пер -вом этапе (например, при установке пролетного строения), так и на втором - от воздействия какого-либо сочетания постоян ных и временных нагрузок. При наступлении предельного состояния от воздействия монтажных нагрузок работа бетонной опоры может рассматриваться как работа при простом нагружении, В остальных случаях необходимо решать вопрос о степени вли -яния "истории" нагружения на несущую способность и трещино -стойкость, так как сложное нагружение оказывает эффект, су -щественно отличный от простого, если с приближением к разрушению структура бетона сильно отличается от той, которая имела бы место в случае простого нагружения. Явления, протека ющие в бетоне при сложном нагружении, недостаточно изучены, В этом направлении ведутся экспериментальные и теоретичес -кие работы, но только по накоплению необходимых данных можно будет перейти к их практическому применению /15/.
В нормальном сечении в стадии, близкой к предельному .состоянию по прочности, а часто и по трещиностоикости, зави-i симость между напряжениями и деформациями будет носить нелинейный характер. Факт нелинейности деформирования бетона при сжатии отмечен в исследованиях таких ученых, как В.Н.Банков, О.Я.Берг, Н.Н.БогданоБ, В.МЛ ондаренко, А.А.Гвоздев, Л.И. Косилевский, В.И!Мурашов, Г.Н.Писанко, Я.В.Столяров, К.Э.Таль, А.В.ШИН, Г.Рюш, Д.Десаи, С.Кришман/І5...І8 и др./. Нелинейность деформирования бетона при растяжении отмечается в работах В.В.Миихйлова , А.В.Носсрева, Г.Д.Цискрели, В.М.Чеетнова, В.Е.Ящука /19...21 и др./. В расчетах вне центре нн о сжатых бетонных элементов необходимо учитывать и нисходящую ветвь диаграммы деформирования бетона, так как работа отдельного во -локна бетонного элемента, загруженного внецентренно приложенной силой, аналогична работе бетонного образца, загруженного центрально с постоянной скоростью деформирования.
Влияние внешних условий на бетонные опоры мостов. Результаты исследований, приведенные в работаа/22...28 и др./, свидетельствуют о том, что современные бетонные опоры мостов в основном успешно противостоят неблагоприятным воз -действиям внешней среды. Средний срок службы опор со времени возведения до первого капитального ремонта составляет для опор постройки I880-I895 гг. 62 года, для опор постройки -I9I0-I965 гг. - 56 лет. По некоторым данным прогнозируемый срок службы для современных опор равен 60 годам /26/.
В настоящее время ведется интенсивное освоение север -ных районов нашей страны. В этих районах строительные конструкции подвергаются дополнительному неблагоприятному воздействию внешней среды /27, 29/. Натурные обследования и испы -тание мостовых конструкций показывают, что в сравнении с другими элементами моста опоры в наибольшей степени подвергаются эОому неблагоприятному влиянию /30, 31/.
Длительность и скорость приложения нагрузок и воздействий
В расчетах строительных конструкций по методу предельных состояний предельная нагрузка определяется, как нагрузка, появление которой вероятно с некоторой степенью обеспеченности только один раз во время эксплуатации или возведения сооружения, поэтьлу была принята предпосылка о простом нагружении опоры при наступлении предельного состояния /132/.
При однородном напряженном состоянии несущая способность элемента определяется несущей способностью материала. В предельном состоянии деформации бетона достигают значений, соответствующих пределу прочности бетона на сжатие или рас тяжение (в зависимости от вида нагружения). На диаграмме напряжения-деформации такое состояние соответствует точкам Я,В (см.рис.2»5). При неоднородном напряженном состоянии нерав -номерность напряжений по сечению приводит к тоцу, что часть волокон может работать в "закритической" стадии. При приме -нении методов, позволяющих определить напряженно-деформиро -ванное состояние сечения элемента с учетом упруго-пластичес-ких свойств материала, вопрос о критерии прочности может быть решен по-разному. Самое простое - назначить предельно допустимые деформации бетона по сжатию, а эа предельное принимать такое напряженно-деформированное состояние сечения, когда в крайних волокнах образца деформации сжатия достиг -нут этих предельных значений.
Предельные деформации сжатия зависят от многих факто -ров: вида и прочности бетона, процента армирования, формы поперечного сечения, вида напряженного состояния и пр. В настоящее время нет данных для обоснованного назначения вели -чины предельной деформативности бетона. Для использования такого критерия необходимы обширные экспериментальные и теоретические работы. Такого же мнения придерживаются и исследователи, предлагающие предельную деформативность в качестве критерия прочности /77/.
За критерий исчерпания прочности может быть принято условие равенства нулю определителя системы уравнений рав -новесия внутренних и внешних сил /133/.
А.В.Геммерлинг /122/ за критерий прочности предлагает принимать величину отпорности сечения на сжатие (растяже -ние) и на изгиб. Отпорность характеризует возможность сече 47 ния уравновесить приращение внешних сил. Несущая способность считается исчерпанной, если одна или обе отпорнооти становятся равными нулю: EF dF, C2.I8) F nrfegltF, С2Л9) где EF„EI, отпорнооти сечения соответственно продольной силе и изгибу; Ек - касательный модуль деформаций в рассматриваемой точке; Ц - расстояние от рассматриваемой точки до центра тяжести второго расчетного сечения. Координаты центра тяжести второго расчетного сечения определяются через геометрические характеристики второго расчетного сечения, которые, в свою очередь, зависят от напряженно-деформи-рованного состояния.
В работе /128/ на конкрбтном примере расчета бруса, работающего на изгиб, проведено сравнение различных критериев прочности. Для полученных решений, при которых определитель и значения отпорнооти имеют как положительные, так и отри -цательные значения, применен критерий устойчивого равнове -сия Лежен-Дирихле, показывающий, что положительное значение определителя и отпорнооти соответствует минимальному значению потенциальной энергии. Из проведенного в этой работе анализа следует, что за критерий прочности в общем случае нельзя брать условие сходимости процесса последовательных приближений или величину предельной деформативное и бетона сжатию.
Положительное значение отпорности является необходимым и достаточным условием прочности. "Обращение в нудь каждой ИЗ отпорностей означает, что сечение утратило способность воспринимать приращение соответе тающего усилия..." /122/. Таким образом, расчет бетонной опоры по первой группе пре -дельных состояний можно свести к расчету прочности нормального сечения, принимая за критерий исчерпания несущей спо -собности выражения: EFe = 0 ; Т-0. (2.20) Трещины в надфундаментной части опоры способствуют увлажнению бетона в глубине массива. Адсорбционное влияние влаги Б условиях массового трещинообразования отрицательно влияет на работу бетона, ведет к развитию процессов выщелачивания, снижению его прочности и уменьшению несущей способности элемента.
Разрушение бетона в уровне переменного горизонта воды отмечено в результатах обследований как транспортных, так и гидротехнических сооружений /25, ЗУ. Ускоренное разрушение бетона наблюдается в районах с суровым климатом /29/ и у опор, находящихся в нижнем бьефе гидроэлектростанций /25/.
Как было отмечено в первой главе, действующие нормы проектирования СНиП П-21-75 (п.З.і), СНиП П-56-77 (п.3.8) предусматривают расчет йа трещиностойкость для элементов, подвергающихся воздействию воды. СН 365-67 (п.3.28) преду -сматривает этот расчет для всех бетонных элементов. Однако его условность и неучет влияния внешней среды на работу бетона требует уточнения этого расчета. Способ, изложенный в п,2.1, позволяет определять напряженно-деформированное состояние бетонных элементов на любой стадии нагружения, и следовательно, может быть применен к расчету бетонных опор по образованию трещин. За предельное при этом принимается такое состояние, когда в каком-либо месте сечения деформа 49 ции растяжения , достигают величины предельной растяжимое- ( ти бетона о, Трещиностоикость сечения будет обеспечена, если выполняется условие как было показано в п.2.3 для бетонных опор (высота се -чения которых практически всегда больше одного метра; , равна предельной деформативности бетона при осевом растяже -Нии. На диаграмме напряжения-деформации (рис.2.5) это соот -Бетстцует точкеБ .
Способ, предлагаемый для расчета бетонных опор мостов и основанный на использовании метода упругих решений совместно с гипотезой плоских сечений, обладает рядом достоинств, важнейшим из которых является возможность определять напря -женно-деформироБанное состояние нормальных сечений бетонного элемента с учетом упруго-пластических свойств бетона на любой стадии нагружения, в том числе и после образования тре -щин вплоть до разрушения. При определении прочности и трещи-ностойкости монолитных, сборно-монолитных и сборных конструкций расчет ведется по одному алгоритму, что имеет определенное значение при выполнении расчетов на ЭВМ.
Прочность внецентренно сжатых бетонных элементов
Цэль исследования. Проблема учета изменения механических характеристик бетона под действием внешней среды в настоящее время особенно актуальна в связи с развитием стро ительства в районах с суровым климатом. Бетон в этих районах подвергается дополнительному разуушающему действию окружающей среды; увлажнение и высушивание, попеременное замораживание и оттаивание, действие очень низких температур и др. Основным разрушающим фактором бетона в таких районах является попере -менное замораживание и оттаивание. По данным натурных иссле -дований количество циклов замораживания и оттаивания бетона плотины ГЭС под действием внешних условий достигает 1200 и более в год. В наиболее тяжелых условиях находится бетон в зоне колебания уровня воды, где его водонасыщение близко к критическому, В мостовых опорах в подобных условиях работает бетон русловых опор.
Экспериментальному исследованию влияния внешней среды на изменение механических характеристик бетона посвящено много работ /29, Зч, 165...168/. Однако в них, главным образом, изучалось воздействие внешних условий на прочностные характеристики бетона при сжатии. Испытание на растяжение отличается от испытаний на сжатие бельшей сложностью, требует особой тщательности при изготовлении и центровке образцов, высоко -чувствительного комплекса аппаратуры для регистрации относи -тельных деформаций с погрешностью не более 5 е.о,д. Видимо поэтому экспериментальных данных по испытанию бетона на рас -тяжение недостаточно, в то время как опредеяяющими трещино 85 сТОЙКОСТЬ характеристиками бетона являются его предельная растяжимость и прочность при растяжении,
Совремзнные методы расчета позволяют рассчитывать сложные конструкции с учетом фактических свойств бетона. Недо -статочная изученность влияния различных темпера турно-влаж постных режимов работы на свойства бетона (в первую очередь на деформзтивные и прочностные характеристики при растяже -нии) не позволяет эффективно применять эти методы.
Целью экспериментальных исследований является; изучение влияния попеременного замораживания и оттаивания бетона на изменение его прочностных и деформативных ха -рактеристик при растяжении; учет этого влияния в расчетах на основе уточнения значений коэффициентов условий работы, 4,1.2. Планирование эксперимента. Ранее было отмечено, что для расчета по методу упругих решений необходимо знать такие характеристики бетона, как призменвая прочность, проч -ность на растяжение, предельные относительные деформации сжатия и растяжения. Наименее изученными характеристиками из перечисленных являются прочность и предельная относительная деформатиБность бетона при растяжении.
К факторам, отражающим влияние внешней среды на механи ческие характеристики бетона, относятся:влажность бетона, количество циклов увлажнения и высушивания, количество циклов замораживания и оттаивания, амплитуда колебания температуры при этом и др. В эксперименте рассмотрены факторы, оказываю щие наибольшее влияние на изменение прочности и деформативно-сти бетона в процессе эксплуатации опор мостов С JV" - коли -чество циклов замораживания-оттаивания, W - весовая процентная влажность бетона). В качестве фактора, условно отражающего .технологические свойства, принята призменная прочность бето на . Учитывая влияние структуры бетона и ми нералогического состава цемента на развитие деструктивных процессов под действием внешних условий, проведены сравни тельные испытания бетона с комплексной добавкой СНВЮДБ, мелко-зернистого бетона а также бетонов на цементах с раз личным минералогическим составом.
Для определения количества опытов и уровней варьируемых факторов было применено оптимальное планирование эксперимента /169/, а вычисление коэффициентов уравнений регрессии производилось с учетом отклонения значений фактора от назначенного уровня.
Экспериментальные работы проведены в несколько этапов. На первом этапе изучалась зависимость прочностных и деформа-тивных характеристик бетона при растяжении от количества циклов замораживания-оттаивания и влажности бетона. Проведен полный факторный эксперимент типа 2 (количество опытов равно 15). Матрица планирования для квадратичной модели имеет вид, приведенный в табл,4-іІ. На втором этапе была усовершенствована методика испытаний и регистрации деформаций по граням образцов, проведен расширенный эксперимент по изучению изменения характеристик бетона при растяжении, проведены сравнительные испытания образцов из мелкозернистого бетона и из бетонов с воздуховвллекающими и пласиифцируующими добав -ками. На третьем этапе было расширено факторное пространство дая одного из режимов испытания образцов, проведены сравни -тельные испытания бетонов, выполненных на цементах с различным минералогическим составом.
Измерение деформаций и усилий в бетонном образце
Разница в значениях величины предельной дефорштивности бетона, испытанного в режиме I и в режимах 2 и 3 при количестве циклов замораживания-оттаивания равном нулю,может быть объяснено несколькими причинами. На первом этапе работ при -меняли тензсрезисторы. Плоскость разрыва в подавляющем большинстве случаев не проходила по нему. Тензорезисторы были наклеены не на бетон, а на грунтовый слой, что также вносило ошибку, уменьшающую значения замеренных деформаций,
Скорость падения прочности при циклическом заморажива -нии-оттаивании в значительной степени зависит от влажностно-го режима испытания. Под действием попеременного замораживания в бетоне протекают деструктивные процессы, которые ведут к разуплотнению структуры. При оттаивании в воде повышается влажность бетона. Адсорбционное влияние влаги в условиях ми-кротрещинообразования отрицательно влияет на прочностные свойства бетона.
Изменение предельной деформативности бетона с увеличе -нием количества циклов замораживания-оттаивания имеет каче -ственное отличие для режима 3, При испытании в этом режиме сначала происходит некоторое снижение величины предельных относительных деформаций, а затем их увеличение. В режиме I и 2 в рассмотренном ф кторном пространстве такой зависимости не обнаружено.
На основании анализа моделей (4,2, 4.3, 4.9,.Л.12) можно сделать следующие выводы; величина сопротивления растяжению в значительной мере зависит от количества циклов замораживания-оттаивания; величина предельной деформативности существенно зависит 112 -ОТ влажности бетона, а при падении прочности на растяжение , не более чем на 30 практически не зависит от количества циклов заморажиБания оттаиЕания.
Прочность и деформативность бетона с добавками СНВ+СДБ. На втором этапе экспериментальных исследований были проведены испытания бетона с добавкой СНВ+СДБ (СИВ « 0,015 , СДБ -0,Ы от веса цемента в соответствии с /189/). Общее количество образцов составило 22 шт. Было проведено опыта во втором и третьем режимах испытания в холодильной камере на границах факторного пространсстаЖ С0-40), рассмотренно -го для бетона без добавок. Результаты испытания образцов приведены в приложении 2. Средняя призменная прочность бетона с добавками составила 30,1 Ша.
Значения прочности и предельной относительной деформа-тивности бетона при испытаниях по режимам 2 и 3 близки между собой. Сравним средние значения и решим вопрос о значимости их расхождений. Для этого проверим однородность дисперсий по критерию Бартлета. Проверка однородности приведена Б табл.4.12.
Значимость расхождений средних значений проверена по критерию Стьюдента по формуле: где й,, - средние значения сравниваемых величин /190/. Проверка значимости приведена в табл.4,13. На основании полученного результата можно сделать вывод о том, что изменение прочности и предельной деформативности бетона с добавками СНВ и СДБ при осевом растяжении в рассмотренном факторном пространстве не зависят от влажностного режима испытания в холодильной камере.
Прочность и предельная деформативность мелкойер -нистого бетона. Общее количество образцов из мелкозернистого бетона (см.табл.4.3) составило 44 шт. Были проведены по 4 опыта на сжатие и растяжение во втором и третьем режимах испкта -ния в холодильной камере на границах факторного пространства К (0-10 циклов), рассмотренного для тяжелого бетона. результаты испытания образцов из мелкозернистого бетона приведены в приложении 2. Средняя призменная прочность этого бетона составила 25,4 мла. В табл,4,15 приведено сравнение изменения прочности и предельной деформативности мелкозернистого бетона с аналогичными характеристиками тяжелого бетона.
Проведенное сравнение показало, что мелкозернистый бетон обладает большей деформативностью и имеет меньшее относительное снижение прочности при циклическом замораживании и оттай -вании. Эти явления можно объяснить различием в структуре этих бетонов.
Прочность и предельная деформативность бетонов, изготовленных на цементах с различным минералогическим составом. На третьем этапе работ были испытаны 36 образцов (проведены шесть опытов, в каждом по шесть образцов-близнецов), изготовленные с использованием цементов разного химико-минера -логического состава, выпускаемых Чернореченским и Краснояре -ким заводами. Основные характеристики примененных цементов, а также характеристики Белгородского цемента, использованного в опытах НИШБа, приведены в табл.4.16.
Похожие диссертации на Учет пластических свойств бетона и влияния попеременного замораживания и оттаивания на изменение его прочностных и деформативных характеристик в расчетах бетонных опор мостов
