Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы и проблематика работы 20
1.1 Особенности деформирования бетона во времени. 20
1.2 Некоторые представления о механизме ползучести бетона.
1.3 Основные гипотезы существующих теорий ползучести бетона. 33
1.4 Феноменологические теории ползучести бетона и области их применения. 38
1.5 Предложения по учету отступления от принципа наложения . 54
1.6 О возможном физическом механизме деформирования бетона. 60
1.7 Влияние многократного приложения нагрузки на характер деформирования бетона. 67
Выводы по ГЛАВЕ 1 70
ГЛАВА 2. Экспериментальные исследования деформирования бетона во времени. 71
2.1. Методика экспериментальных исследований. 72
2.2. Способы разделения компонент деформаций ползучести 74
бетона.
2.3. Необратимые деформации ползучести бетона. 81
2.4. Влияние уровня загружения на необратимые деформации первого рода. 85
2.5. Влияние возраста бетона на необратимые деформации первого рода. 88
2.6. Исследование влияния длительности действия нагрузки на необратимые деформации первого рода. 90
2.7.Исследования влияния продолжительности отдыха на необратимые деформаций ползучести первого рода.
2.8.Деформации ползучести бетона, подчиняющиеся принципу наложения воздействий. 100
2.9. Характер изменения обратимых деформаций ползучести бетона. 104
2.10. Влияние возраста бетона на деформации ползучести, подчиняющиеся принципу наложения. 107
2.11. Экспериментальное определение функции влияния обратимых деформаций ползучести бетона L(t,r) 109
2.12. Исследование ползучести бетона при сложных,
ступенчато - изменяющихся режимах загружения. 110
2.13.Перераспределение напряжений между бетоном и
арматурой во времени. 122
2. 14 Исследование характера изменения упругих (мгновенных) деформаций бетона. 129
Выводы по ГЛАВЕ 2 135
ГЛАВА 3. Основные положения нелинейной теории ползучести бетона . 136
3.1.Основные гипотезы и уравнения нелинейной теории ползучести бетона 136
3.2. Зависимости, характеризующие компоненты деформации бетона. 143
3.3.Аналитическая форма записи необратимых деформаций для различных режимов изменения нагрузки. 147
3.4. Учет частоты изменения периодической нагрузки в теории ползучести бетона. 154
3.5. Сравнение результатов расчета по теории ползучести бетона с экспериментами . 159
З.б.Нормированиепараметров, характеризующих деформации ползучести бетона. 163
3.7.Развитие нелинейной двухкомпонентнои теории ползучести бетона на область сложного напряженного состояния. 166
3.8.Теорема о скорости необратимой деформации ползучести бетона. 168
Выводы по ГЛАВЕ 3 172
ГЛАВА 4. Решение интегральных уравнеий нелинейной теории ползучести бетона . 173
4.1. Решение релаксационной задачи нелинейной двухкомпонентной теории ползучести бетона « методом малого параметра». 173
4.2. Решение релаксационной задачи двухкомпонентной теории ползучести бетона при постоянном, начальном напряженном состоянии. Уравнение первого типа. 178
4.3. Решение уравнения нелинейной теории при переменном, начальном напряжении. Уравнение второго типа . 184
4.4. Решение релаксационной задачи нелинейной теории ползучести для стареющего бетона. 188
4.5. Решение релаксационной задачи центрально - сжатого железобетона при воздействии на него многократно -ступенчато изменяющейся нагрузки. 191
4.6. Расчет колон с учетом ползучести бетона и осадки основания. 196
Выводы по ГЛАВЕ 4. 202
ГЛАВА 5. Расчет железобетонных конструкций по нелинейной теории ползучести бетона . 203
5.1. Определение напряженного состояния сжатого железобетонного элемента с учетом ползучести бетона. 203
5.2. Расчет железобетонной опоры ветроэнергетической установки роторного типа. 209
5.3.Определение напряженного состояния в изгибаемом железобетонном элементе с учетом ползучести бетона. 212
5.4.Расчет потерь предварительного напряжения в арматуре от ползучести бетона для изгибаемого элемента. 216
5.5.Расчет изгибаемого предварительно напряженного железобетона с учетом ползучести бетона на действие внешней нагрузки. 221
5.6.Расчет неразрезной железобетонной балки с учетом ползучести бетона и осадки промежуточной опоры. 227
5.7.Расчет железобетонной рамной конструкции, при осадке основания и с учетом ползучести бетона. 234
5.8 Расчет толстостенного железобетонного корпуса реактора с учетом ползучести бетона. 239
5.9. Расчет перераспределения напряжений в предварительно напряженной железобетонной защитной оболочке АЭС. 248
5.10.Расчет трещиностойкости напорных, предварительно напряженных железобетонных трубопроводов ГАЭС. 257
5.11. Принцип Гвоздева - Галустова 269
5.12. Область применения общей нелинейной теории ползучести бетона. 271
Выводы по ГЛАВЕ 5. 272
ГЛАВА 6. Некоторые перспективы для железобетонных сооружений . 274
6.1. Новые типы АЭС с заменяемыми блок - модулями реакторных отделений. 276
6.2. Строительство наплавных АЭС на шельфе морей. 277
6.3. Наплавной способ снятия с эксплуатации прибрежных АЭС.
2 6.4. Наплавные приливные электростанции. 284
6.5. Наплавные железобетонные буровые платформы, для арктических шельфов. 287
6.6. Предварительно напряженный железобетонный корпус реактора. 289
6.7. Предварительно напряженные железобетонные защитные
оболочки АЭС. 293
6.8. Наплавные АЭС малой и средней мощности. 296
Выводы по ГЛАВЕ 6. 298
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ. 299
ЛИТЕРАТУРА
- Предложения по учету отступления от принципа наложения
- Экспериментальное определение функции влияния обратимых деформаций ползучести бетона L(t,r)
- Сравнение результатов расчета по теории ползучести бетона с экспериментами
- Решение уравнения нелинейной теории при переменном, начальном напряжении. Уравнение второго типа
Введение к работе
Актуальность работы. Ценные качества бетона и железобетона как строительных материалов сделали возможным широкое использование их в промышленном, гражданском, транспортном и энергетическом строительстве, что и объясняет бурное развитие их применения. Производство бетона в год составляет одну тонну на каждого жителя Земли.
Любое улучшение строительных свойств бетона и совершенствование методов расчета и проектирования дает большой экономический эффект.
Использование при проектировании более совершенных методов расчета позволяет более обоснованно, экономно и правильно армировать железобетонные сооружения, тем самым обеспечивать их надежность и долговечность.
В настоящее время проблема безопасности и повышения надежности объектов приобретает первоочередное значение. Современное законодательство, например Закон РФ «О безопасности гидротехнических сооружений», требует безаварийной эксплуатации ГЭС, АЭС и др. ответственных сооружений. Такой подход существенно отличается от ранее практиковавшегося, направленного главным образом на экономию строительных материалов и финансовых средств.
Учитывая, что повреждения ответственных сооружений АЭС, ГЭС могут привести к катастрофическим последствиям, решение задач по повышению надежности, безопасности сооружений на основе совершенствования теории железобетона, разработки новых методов расчета и технических решений имеет важное практическое значение.
Надежность и долговечность бетонных и железобетонных конструкций и сооружений не может быть обеспечена без полного учета особенностей деформирования бетона. Многочисленные экспериментальные исследования, проведенные в мире, показали, что в бетонных и железобетонных конструкциях, находящихся под длительным действием нагрузок, возникают неупругие деформации, которые в несколько раз могут превышать начальные, мгновенные (упругие) деформации. Поэтому вопрос прогнозирования длительного деформирования бетона во времени и связанного с этим перераспределением напряжений между бетоном и арматурой является актуальным и имеет важное значение.
В современной инженерной практике для расчетного обоснования сооружений используют феноменологические теории, критерием правильности которых является их экспериментальное обоснование.
Диссертация автора посвящена развитию недостаточно разработанной нелинейной теории ползучести бетона, которая помимо старения и наследственности учитывает необратимые деформации ползучести (не связанные со старением силового происхождения), зависящие от уровня напряжения и характера изменения длительных воздействий. Рассматриваются процессы деформирования бетона, характеризующиеся затуханием их скорости при нелинейной зависимости между напряжениями и деформациями ползучести.
Необходимо отметить, что проектируемое сооружение кроме надежности, безопасности и экономической целесообразности должно обеспечить функциональную пригодность. Определение функциональной пригодности сооружений невозможно без правильного прогнозирования перераспределения напряжений между бетоном, арматурой и герметичной облицовкой (в энергетических сооружениях и др.), происходящего вследствие ползучести бетона.
Целью работы является развитие и совершенствование теории железобетона в направлении разработки новой нелинейной теории ползучести бетона и, на ее основе, решение многочисленных задач инженерной практики, позволяющих более правильно прогнозировать во времени напряженное состояние, надежность ответственных железобетонных сооружений и их функциональную пригодность.
Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:
- исследовать особенности деформирования бетона и его компонентов при различных уровнях напряжения и характерах влияния нагрузки;
- определить причины, приводящие к факту возникновения погрешностей в существующих теориях ползучести от применения принципа наложения воздействий;
- разработать предложения, устраняющие погрешности от применения принципа наложения воздействий;
- разработать новую феноменологическую теорию ползучести бетона, устраняющую, по данным экспериментальных исследований, несоответствие существующих теорий ползучести бетона;
-разработать более совершенные методы расчета различных железобетонных конструкций с учетом ползучести бетона, свободные от погрешностей, обнаруженных экспериментально.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые экспериментально исследован характер изменения компонентов деформирования ползучести бетона и сформулированы гипотезы, позволяющие построить уравнения нелинейной теории ползучести бетона.
2. Разработана новая нелинейная ( двухкомпонентная) теория ползучести бетона, учитывающая экспериментально обнаруженные свойства бетона проявлять необратимые деформации, не связанные со старением и позволяющая одновременно учитывать свойство старения и наследственность бетона.
3. Представлены решения нелинейных уравнений теории ползучести бетона, полученные в конечном виде (в виде формул), удобном для пользователей при расчете сооружений.
4. Впервые разработан метод расчета перераспределения напряжений между бетоном, арматурой и герметичной облицовкой ответственных инженерных сооружений (защитные оболочки АЭС, водоводы большого диаметра ГАЭС, и др.), позволяющий оценить длительную трещиностойкость этих сооружений (с учетом нелинейности и необратимости деформирования бетона) и определить функциональную пригодность сооружений.
5 Доказано, что обнаруженные особенности деформирования бетона могут приводить к потере длительной трещиностойкости сооружений, хотя рассчитанная железобетонная конструкция формально удовлетворяет требованиям СНиП.
6. Разработан новый принцип ( принцип Гвоздева - Галустова ), согласно которому влияние ползучести бетона на напряженное состояние конструкции ищется как произведение упругих напряжений той же задачи на функцию релаксации напряжений.
7.Доказано, что предлагаемая нелинейная теория ползучести бетона является общей, из которой, как частные случаи, вытекают известные теории ползучести бетона: теория упругой наследственности, теория старения, наследственная теория старения.
8. Впервые доказана теорема о скорости необратимой деформации ползучести бетона, согласно которой ее скорость определяется только действующим напряжением. Напряжения большего (ранее действовавшего) уровня не оказывают на нее влияния. Скорость необратимой деформации ползучести бетона может вычисляться как функционал по истории нагружения.
9. Диссертантом разработаны новые типы наплавных энергетических сооружений, которые защищены многочисленными патентами и свидетельствами на изобретения.
Практическая значимость работы. Решена научно-техническая проблема учета основных деформативных свойств бетона при расчетном обосновании железобетонных сооружений.
Разработан фундаментальный принцип Гвоздева – Галустова, который позволяет на основе простых, физически ясных формул прогнозировать характер изменения напряженного состояния железобетона.
На базе разработанных новых методов расчета железобетонных конструкций впервые получены следующие практические результаты:
-
Доказано, что в проекте предварительно напряженного железобетонного водовода ГАЭС необходимо отказаться от варианта конструкции, когда металлическая, герметичная облицовка толщиной 3мм расположена в теле железобетона. Доказано, что в результате перераспределения напряжений, вследствие ползучести бетона, напряжение в облицовке переходит уровень пластического напряжения металла и облицовка не может обеспечить герметичность водовода ГАЭС, а следовательно теряет свою функциональную целесообразность.
2.Установлено, что в защитной оболочке пятого блока Нововоронежской АЭС, вследствие ползучести бетона, напряжения в ненапряженной арматуре (со временем) увеличатся более чем в 2 раза, что подтверждено данными натурных наблюдений.
3.Предложены новые типы наплавных, блочных энергетических сооружений, в 1,5 раза уменьшающие стоимость сооружений и сокращающие сроки их строительства.
4. На новые решения для железобетонных сооружений автором получено 14 патентов и авторских свидетельств.
5.Расчетные исследования проводились по заказам: специальных КБ,
НИИ, проектных, строительных и эксплуатационных организаций.
Разработанная теория ползучести бетона позволяет не только более правильно рассчитывать ответственные железобетонные конструкции, но и объяснять многие явления, обнаруженные ранее (экспериментально), но не объясняемые существующими теориями ползучести бетона.
Результаты работы использованы и внедрены :
- В проекте защитной оболочки пятого блока Нововоронежской АЭС.
- В проекте Загорской ГАЭС.
- В проекте железобетонных опор ВЭС.
-При расчетном обосновании предварительно напряженного
железобетонного корпуса АЭС с реактором ВК-500.
- В рекомендациях по конструкциям и технологии строительства
предварительно напряженных водоводов ГАЭС большого диаметра.
На защиту выносятся:
1.Результаты экспериментальных исследований, позволившие установить особенности деформирования бетона во времени при различных уровнях одноосного напряженного бетона и железобетона, при различных статически изменяющихся режимах воздействия нагрузки.
2. Экспериментально обоснованные гипотезы нелинейной теории ползучести бетона и основные уравнения теории.
3. Уравнения и формулы, описывающие различные компоненты деформирования бетона во времени, а также результаты анализа и сопоставления расчетных и экспериментальных данных, полученных при различных изменяющихся режимах воздействия нагрузки на бетонные и железобетонные элементы конструкций.
4.Решения интегральных уравнений нелинейной теории ползучести бетона, позволяющие проектировщикам пользоваться полученными формулами при расчетах различных железобетонных конструкций, а также доказательство быстрой сходимости полученных решений.
5.Методы расчетов конкретных железобетонных конструкций, полученные на базе общей нелинейной теории ползучести бетона.
6.Методы прогнозирования перераспределения напряжений в железобетонных конструкциях, необходимые для оценки длительной трещиностойкости и долговечности железобетонных сооружений.
7. Доказательство теоремы о скорости необратимой деформации ползучести бетона и разработка принципа Гвоздева - Галустова.
8. Новые конструктивные решения и технологические методы строительства наплавных энергетических сооружений, по которым автором получены многочисленные патенты.
Достоверность полученных результатов подтверждается данными лабораторных экспериментов, а также результатами натурных наблюдений на крупномасштабных моделях и реальных сооружениях.
Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждена:
большим объемом экспериментально-теоретических исследований с бетонными и железобетонными образцами, в том числе натуральной величины;
апробацией разработанных методик расчета конкретных конструкций и соответствием результатов расчета экспериментальным данным, полученным в результате наблюдений за приборами, установленными в реальных сооружениях.
Апробация работы.
Основные положения диссертации обсуждались: на секции теории железобетона ученого совета НИИЖБ Госстроя СССР, г. Москва, 1975г; на ученом совете БелДорНИИ, г Минск, 1974г; на научном совете НИСа Гидропроект , г. Москва 1980 ; на ученом Совете ОАО НИИЭС, г. Москва, 2007г.; на заседании кафедры железобетонных конструкций МГСУ г. Москва, 2007г., на научно-техническом Совете ОАО « ЦНИИПромзданий» 26.03.2008г. и др.
Отдельные положения работы, включенные в диссертацию, обсуждались: на конференции по проблеме ползучести и усадки бетона, г. Киев, 1969г; на У11 конференции по бетону и железобетону, г.Минск, 1972г; на конференции НИИЖБ Госстроя СССР «Длительные деформативные процессы в бетонных и железобетонных конструкциях», Москва, 1966г;
на конференции НИИЖБ Госстроя СССР «Особенности деформаций бетона и железобетона», Москва 1969г; на координационном совещании по гидротехнике «Динамика гидротехнических сооружений», г. Тбилиси, 1970г; на конференции американского Ядерного Общества США Сан- Франциско, 1991г
Публикации. По теме диссертации опубликованы: 1 монография и 39 научных статей, в том числе за последние пять лет 8 статей опубликовано в журналах, включенных в перечень ВАК. Автором получены 14 патентов и авторских свидетельств на изобретения.
Диссертация обобщает результаты исследований, которые проводились под руководством или при непосредственном участии автора.
Объем и структура работы . Диссертация состоит из введения, шести глав и выводов. Объем диссертации составляет 321 страницу, включая 99 рисунков, 16 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 303 наименований.
Предложения по учету отступления от принципа наложения
В работах Васильева П.И. /40,41,42/ исследована ползучесть бетона при высоких уровнях напряжения а ( 0,2 - 0,9)Rnp. Было показано, что граница условно —линейной области ползучести бетона может быть принята соответствующей а 0,5 R„p. Берг О.Я. /21. 22/ считает, что именно этот уровень отвечает границе образования микротрещин в бетоне. По Бергу О.Я. граница образования микротрещин лежит в интервале 50 - 75% от временного сопротивления бетона и тем выше, чем прочнее бетон.
В работах Васильева П.И. /40,41,42/ показано, что линейная зависимость между упруго — мгновенными деформациями и вызвавшими их напряжениями сохраняется вплоть до разрушения. В работах /7,124, 132,/ Щербакова /226, 227/ и автора /55, 56,72/ и др. установлено, что связь между скоростью деформаций ползучести и напряжением нелинейна. Однако через небольшой промежуток времени после загружения эта нелинейность существенно уменьшается. Следовательно, основная нелинейность деформаций ползучести реализуется в начальный период после приложения нагрузки.
Продолжительность действия этого периода зависит от уровня напряжения, и в ряде случаев может быть принятой t -т у= ( 5-7 ) сут.
В работах Яшина А.В., автора /54,63, 72/, а затем /131,168/ выявлено, что деформации упругого последействия линейно зависят от вызвавших их напряжений, независимо от уровня предшествующей нагрузки.
Это обстоятельство в дальнейшем привело к дальнейшим подробным исследованиям обратимых и необратимых деформаций ползучести. Существенное влияние на деформации ползучести бетона оказывает характер напряженного состояния (растяжение, изгиб, кручение и т.д.).
Гленвиль и Томас /247,246/ показали, что удельные деформации ползучести бетона при сжатии и растяжении одинаковы.
Девис Г. /240/ и Дютрон / 244/ отмечали, что при численно равных напряжениях деформации ползучести бетона при растяжении превышают деформации ползучести при сжатии.
Васильев П.И. /41/, исследуя деформации ползучести на растворных образцов показал, что мера ползучести раствора при растяжении
(сгр=1.25 МПа) в 1,5 раза больше, чем при сжатии ( тсж = 7,5 МПа). Аналогичные результаты были получены Блинковым В.В. / 25/.
Саталки А.В. /186/, проводивший исследования бетона молодого возраста (г і = 7 сут.), обнаружил, что при одинаковых напряжениях деформации ползучести при растяжении в пять раз превышают деформации ползучести при сжатии. При одинаковых уровнях нагружения, т.е. TC5K/RIIP =0,5; сг p/Rp =0,5, деформации ползучести при сжатии превышают деформации ползучести при растяжении.
Из работ Воронкова Н.И. /51/ следует, что мера ползучести бетона при растяжении в 3-4 раза больше меры ползучести при сжатии.
В исследованиях Катина Н.И. /124/, проведенных на изолированных образцах показано, что мера ползучести цементно - песчанного раствора при численно равных напряжениях при растяжении на 20 - 30% больше, чем при сжатии. Воронков Н.И. /51/ определил, что ползучесть изолированных образцов при растяжении превышает деформации ползучести при сжатии на 10 — 15%. Шейкин А.В. и Николаев В.А. установили, что при численно одинаковых напряжениях егСж=о"р=: 0,5Rnp= 1,19 МПа, мера ползучести бетона при растяжении равна мере ползучести бетона при сжатии. Воронков Н.И. /51/ определил, что ползучесть изолированных образцов при растяжении превышает деформации ползучести при сжатии на 10 — 15%.. Шейкин А.В. и Николаев В.А. установили, что при численно одинаковых напряжениях тсж= тр= 0,5Rnp= 1,19 МПа, мера ползучести бетона при растяжении равна мере ползучести бетона при сжатии.
В исследованиях Илтона /237/, проведенных на изолированных бетонных цилиндрах показано, что ползучесть бетона при растяжении примерно в два раза больше, чем при сжатии.
В экспериментах Александровского СВ. и Багрий В.Я. /4/, проведенных на изолированных бетонных образцах как в молодом, так и в зрелом возрасте показано, что при численно равных напряжениях деформации ползучести при растяжении в 1.5 раза больше деформации ползучести при сжатии.
В результате анализа экспериментальных исследований авторы работы /4/ предложили:
1. при расчете бетонных конструкций ( до появления трещин), работающих при низких напряжениях в сжатой зоне, исходить из неравенства мер ползучести -меньше при сжатии и больше при растяжении, т.е. бетон рассматривать как неоднородное тело с различными характеристиками при сжатии и растяжении;
2. при численно неодинаковых напряжениях по абсолютной величине (больше при сжатии и меньше при растяжении) соотношение между удельными деформациями ползучести при сжатии и растяжении считать зависимыми от степени нелинейности деформаций ползучести при сжатии.
Это соотношение может быть как больше 1, так и меньше 1 в зависимости от отношения напряжений;
3. для стадии эксплуатационных нагрузок т (0,4 — 0,5)Rnp, деформации ползучести при сжатии и растяжении считать одинаковыми, т.е. можно пользоваться мерой ползучести при сжатии, полученной при эксплуатационной нагрузке;
4. в случае высоких сжимающих напряжений в сжатой зоне исходить их неравенства мер ползучести СсжО О-ОЛО и в расчетах применять нелинейную теорию ползучести бетона.
В результате анализа /41,119,124,193,228/ отмеченных исследований можно принять, что ползучесть бетона при растяжении линейно зависит от напряжений вплоть до напряжений, близких к пределу прочности бетона при растяжении т 0,9Rnp.
Интересны исследования ползучести бетона при кручении /27, 117,194/, которые показали, что связь между напряжениями и деформациями ползучести бетона при кручении так же, как и при осевом растяжении, линейна до величин, близких к разрушению.
Изучению ползучести бетона при сложном напряженном состоянии посвящены работы: /117,121,123,137,152, 166,173,235,254/. Они относятся к изучению бетона при двухосном сжатии и при кручении . Установлено, что сжатие бетонных дисков в боковом направлении (по оси У) уменьшает деформации ползучести бетона в направлении оси X, причем это уменьшение колеблется в пределах 0,3 — 1. Такой широкий разброс связан с тем, что в ряде случаев эксперименты проводились на неизолированных, тонких дисках, на которые сказывается усадка бетона.
В случае с изолированными образцами /254/, отношение мер ползучести бетона при двухосном сжатии к соответствующим деформациям при одноосном сжатии, изменяется в пределах 0,8-1,0 .
В работах /140,152,166,248/ исследовалась зависимость коэффициента К, характеризующего отношение мер ползучести при двухосном сжатии к деформациям одноосного сжатия, от действующих напряжений и коэффициента Пуассона v.
Как отмечает Прокопович И.Е /172/ на коэффициент К оказывает влияние уровень напряжений и целый ряд других факторов.
В работе /101/ исследовались бетоны при сжатии с кручением, для напряжений, не превышающих половины прочности бетона при растяжении. Установлено, что связь между деформациями ползучести бетона и вызвавшими их напряжениями может быть принята линейной.
Экспериментальное определение функции влияния обратимых деформаций ползучести бетона L(t,r)
Особенность необратимых деформаций второго рода заключается в том, что они проявляются как результат физико — химических процессов и длительности действия нагрузки. Они имеют место в упрочняющемся бетоне и практически отсутствуют в бетоне зрелого возраста.
В процессе длительно действующей нагрузки в упрочняющемся бетоне в результате миграции в порах и щелях свободная вода взаимодействует с ранее непрогидратированным цементом, вследствие чего образуются новообразования в виде коагуляционных и кристаллизационных контактов, которые способствуют возникновению дополнительных упругих связей, препятствующих в процессе разгрузки полному восстановлению деформаций цементного камня в бетоне.
Одновременно с этим процесс упрочнения цементного камня во времени снижает относительный уровень ранее действующей нагрузки и, как следствие, приводит к уменьшению доли обратимых деформаций по сравнению с ранее натекшими за весь промежуток действия нагрузки.
Оба этих процесса происходят одновременно, в связи с чем трудно оценить степень влияния каждого из них в отдельности. Ясно лишь то, что влияние первого обстоятельства гораздо продолжительнее второго, так как старение (уменьшение деформирования во времени) бетона и, следовательно, проявление необратимых деформаций второго рода гораздо дольше, чем его упрочнение.
Строго говоря, природа деформирования бетона в разнообразных условиях значительно сложнее и зависит от большего числа факторов, однако мы остановились на наиболее существенных причинах деформирования бетона, которые позволяют качественно представить, а в ряде случаев предсказать характер проявления компонентов деформаций бетона.
В данном разделе приводятся исследования, позволяющие проследить за характером изменения компонент деформации ползучести бетона в зависимости от изменения наиболее важных факторов, влияющих на них. В работе Гвоздева А.А. и Кардовского Ю.Н. /127/ изучался характер изменения обратимых и необратимых деформаций виброползучести. Разделение компонент деформаций виброползучести осуществлялось способом, предложенным Гвоздевым А.А. (см.2.3.). Исследования /127/ показали, что необратимые деформации ползучести первого рода при циклическом воздействии нагрузки нелинейно зависят от вызвавших их напряжений, хотя уровень их загружения был невысок. Вместе с тем обратимые деформации виброползучести были практически пропорциональны вызвавшим их средним напряжениям цикла.
Было показано, что деформации виброползучести как при первом, так и втором загружениях превышают деформации статической ползучести бетона образцов- близнецов.
Доля необратимых деформаций первого рода в общих деформациях виброползучести возрастает с уменьшением характеристик амплитуды цикла р. Обратимые же деформации виброползучести, подсчитанные по средним напряжениям, остаются линейными, но большими чем обратимые деформации статической ползучести. Коэффициент подобия обратимых деформаций виброползучести и статической ползучести колеблется в пределах 1.25-1.5.
На основании этих исследований Кардовский Ю.Н. уточнил и распространил принятые нами ранее гипотезы относительно обратимых деформаций ползучести на случай пульсационного приложения нагрузки, в частности: 1 обратимые деформации виброползучести линейны и зависят только от среднего напряжения цикла; 2.экспериментальные кривые описывающие развития во времени обратимых деформаций виброползучети и кривые статической ползучести подобны; 3.необратимые деформации первого рода нелинейно зависят от их средних напряжений цикла при всех уровнях загружения; 4.относительная величина необратимых деформаций в общих неупругих деформациях при действии пульсационых нагрузок выше, чем при действии постоянных (во времени) нагрузок; 5.необратимые деформации виброползучести при прочих равных условиях, возрастают с уменьшением характеристики амплитуды цикла и увеличением уровня напряжений. В экспериментах Кардовского Ю.Н. удалось установить, что пульсационное приложение нагрузки способствует образованию в теле бетона структурных (микротрещин) изменений.
Это подтверждалось изменением скорости прохождения ультразвука в испытываемых образцах. Образование микротрещин приводит к накоплению остаточных деформаций.
Показано, что необратимые деформации первого рода также обуславливаются уменьшением межкристаллического течения в результате уменьшения вязкости гелевой структурной составляющей, связанной с уменьшением внутреннего трения при пульсационном приложении нагрузки.
К сожалению, нет других исследований, связанных с изучением компонент деформаций ползучести при пульсационном воздействии нагрузки, хотя существует много работ, посвященных изучению полных деформаций виброползучести, использование которых затруднительно, так как невозможно разделить полные деформации виброползучести на соответствующие компоненты.
Это не позволяет сформулировать общую теорию ползучести бетона с переходом ее от вибрационной к статической ползучести. В частности, не исследовано влияние возраста бетона на компоненты деформаций виброползучести, не изучено влияние высокого уровня напряжений на деформации ползучести, отсутствуют данные по изучению компонент деформаций виброползучести при растяжении и целый ряд других необходимых исследований. Обобщая результаты приведенных исследований можно заключить, что деформации ползучести бетона зависят от большого числа факторов.
Существующие представления о механизме ползучести бетона не позволяют также сформулировать физическую теорию, достаточно полно (количественно) описывающую процесс ползучести бетона.
Многочисленность, а иногда противоречивость различных вариантов физических теорий говорит о сложности вопроса.
Для отражения количественной стороны процесса ползучести бетона разработаны различные феноменологические теории ползучести, устанавливающие соотношение между деформациями и напряжениями во времени. Эти теории основаны на многочисленных результатах экспериментальных исследований и на определенных гипотезах. По мере накопления новых экспериментальных данных принятые гипотезы уточняются, что приводит к необходимости разрабатывать новые более совершенные феноменологические теории ползучести, в том числе для бетона.
Сравнение результатов расчета по теории ползучести бетона с экспериментами
Для проверки гипотезы, согласно которой необратимые деформации бетона не зависят от продолжительности времени между двумя воздействиями нагрузки, (продолжительности отдыха), были проведены специальные экспериментальные исследования на твердеющем бетоне /60/. Эксперименты проводились в условиях одноосного сжатия бетонных призм нагрузкой, не превышающей уровень загружения а 0,4R пр. Опытные образцы (призмы) изготавливались из тяжелого бетона состава 1 : 2,07 : 3, 48 ( по весу) и В / Ц = 0,5 на портландцементе Волковысского завода.
В качестве заполнителя использовался гранитный щебень крупностью 15 мм и кварцевый песок. Методика изготовления и изоляции образцов соответствовала описанной ранее технологии. Физико-механические характеристики исследуемого бетона приведены в таблице 2.2. Бетонные (изолированные) призмы сечением 7 х 7 см и высотой 60 см испытывались как в молодом, так и старом возрасте.
В молодом возрасте (г = 5сут) большая группа призм была загружена на кратковременное (24 часа) действие нагрузки с напряжением (сг = 0,4/?пр = 5.0 МПа ) с полной последующей разгрузкой (рис 2.16) .
После отдыха равной продолжительности (t-r2— 2; 14 ; 36 суток) образцы - близнецы вновь повторно загружались в соответствующие моменты времени, и их деформации сопоставлялись с деформациями ползучести свежих образцов - близнецов, загруженных в момент времени, соответствующий моменту повторного загружения.
Вторая группа образцов - близнецов загружалась одновременно с первой, на более продолжительный период (/ - г = 3 сут.) действия нагрузки, с полной последующей разгрузкой и выдержкой после нее разной продолжительности (t-rr=2;u 12 суток, рис 2.16, Р-2). Для определения величины необратимых деформаций первого рода, соответствующих испытанному бетону была загружена третья группа призм (близнецов) в возрасте 5 суток той же нагрузкой (рис. 2.16; Р-3). Продолжительность действия нагрузки составляла 15 суток.
Для сопоставления деформаций режимных образцов - близнецов с деформациями ползучести вновь загруженных образцов была испытана четвертая группа образцов (призм) в моменты, соответствующие возрасту бетона ( 5; 6; 8; 10; 13; 20; 42 сут.) . Режимы загружения образцов близнецов (призм) старого возраста приведены на рис. 2. 17 (1; 2; 3). В момент времени, соответствующий возрасту 147 суток, были нагружены образцы - близнецы под нагрузку о = 11,7 МПа. Образцы группы (Рс-1; 7 штук) после кратковременного действия нагрузки равной 1 суткам полностью разгружались. После отдыха разной продолжительности (2; 14; 70 суток) они повторно загружались (Рс -1) той же нагрузкой на более продолжительный период (12 суток). Группа образцов (Рс -2) загружалась одновременно с группой ( Рс -1) на более длительный период первичной нагрузки (5 суток). Продолжительность отдыха в образцах второй группы соответственно составляла 2; 22 суток, а продолжительность действия повторной нагрузки -12 суток.
Одновременно с первой и второй группами образцов была загружена третья группа образцов - близнецов (Рс -3) той же нагрузкой, длительность действия которой составляла 20 суток и была вполне достаточной для выбора в бетоне большей части необратимой деформации первого рода.
В возрасте 167 суток образцы группы (Рс-3, где индекс «с» соответствует испытанию образцов старого возраста) полностью разгружались и загружались повторно в возрасте 178 суток.
Влияние длительности отдыха на необратимые деформации первого рода определялось путем сопоставления деформаций повторной ползучести режимных образцов с деформациями ползучести свежих образцов -близнецов. Свежие образцы (близнецы), загружались в моменты времени, соответствующие повторному загружению режимных образцов.
Как видно из таблиц 2.3; 2.4, отношение деформаций ползучести повторного загружения режимных образцов к соответствующим деформациям ползучести свежезагруженных образцов - близнецов (У), независимо от разной продолжительности отдыха было постоянным. Так, для образцов группы Р-1 с предысторией загружения 1 сутки это отношение составляло Уср=0, 87 (для образцов, загруженных в молодом возрасте), для образцов, загруженных в старом возрасте - 0,81, хотя продолжительность отдыха у них существенно отличалась (2; 14; 36; суток - в молодом возрасте и 2; 14; 30 суток - в старом возрасте). Для образцов группы (Р-2) с предысторией загружения t-zy= 3 суток указанное отношение соответствовало 0,85 при продолжительности отдыха 2 и 12 суток. Длительность действия первичной нагрузки для образцов, загруженных в старом возрасте, несколько превышала аналогичный режим для образцов молодого возраста и соответствовала 5 суткам, что отразилось в свою очередь на величине коэффициента Vcp.
Решение уравнения нелинейной теории при переменном, начальном напряжении. Уравнение второго типа
При проектировании бетонных и железобетонных сооружений, подверженных длительному воздействию нагрузки прогнозируется напряженно — деформированное состояние, которое сопоставляется с допустимыми значениями и определяется надежность и долговечность сооружения. Для учета ползучести бетона в расчетном аппарате используется статистически обоснованные экспериментальные значения деформаций
В качестве нормативных характеристик ползучести бетона /153, 174/ принимаются среднестатистические значения меры ползучести для тяжелых бетонов, изготовленных с применением портландцемента, крупного заполнителя из плотных прочных горных пород и кварцевого песка, качество которых, а также условия приготовления, укладки, уплотнения смесей отвечают требованиям действующих стандартов.
Расчетные характеристики деформаций ползучести бетона получают путем умножения нормативных значений на произведение коэффициентов, учитывающих влияние отклонений условий изготовления, загружения и эксплуатации железобетонных элементов от эталонных условий.
Согласно методике, разработанной в Одесском инженерно-строительном институте/171,174/, предельная мера ползучести бетона вычисляется по следующей формуле: С (оо,г1) = СэПк=1Кк Где КК — коэффициент, учитывающий отличие деформаций от эталонного бетона. В качестве эталонного /171,174/ принят бетон марки М-400 на портландцементе марки М-500 стандартной тонкости помола, гранитном щебне, изготовленный на смеси с водо-цементным отношением В/Ц = 0, 55 и содержащего цементного теста по массе Рт = 20%, бетон вибрированный естественного твердения. Образцы эталонного бетона размером поперечного сечения 20x20 см загруженного в возрасте 28 суток сжимающими напряжениями т =0,4 R пр , и хранятся при постоянной температуре и относительной влажности воздуха 70%.
Накопленный многочисленный материал, обобщенный в соответствующих рекомендациях /153, 171/, позволяет определить нормативные и расчетные значения параметров, характеризующих деформативные свойства бетона.
В частности, с помощью указанных документов, в зависимости от марки бетона, могут быть определены следующие характеристики бетонов: Еб((/) ; Rnp (t); Сп(оо,г,); v = 0,2 - коэффициент Пуассона.
Согласно /166/, расчетное значение меры ползучести бетона определяется следующим образом: С (M,r,) = CN (»,!,)&?, (3.6.1) где , -коэффициенты, зависящие от влажности среды и модуля открытой поверхности: C(t,r) = l / Еб (г,) - 1 / Еб (0 + ССоо.г.ЖОДг-г,) (3.6.2.) где в{?х) = Са + Ае 5т ; Со = 0,5; у =0,004 - 0,01; К .=0,8; f(t- т,) = 1- Ксе"7(/_Гі) ; А = 0,625 -0,875; =0,008-0,02. Значение параметров А,8,у принимается по соответствующим таблицам. При высоком уровне загружения (нелинейной области деформирования), функции нелинейности предлагается /185/ учитывать следующим образом: sH (cr,t,T) = F[o-(t)]C «,T) = o-(t)[l + ocS"(t)]C4t,r) ( 3.6.3) Где S(t) - относительный уровень приложенных напряжений: S(t) = 1 = 0,7786 R(t) = R пр(0 Ra(t) R(t) vc и и -параметры функции нелинейности. В рекомендациях /166/ степень нелинейности деформирования бетона принимается для всех видов бетона равной 4. RM (t) - математическое R (t) ожидание сопротивления бетона при сжатии: RM (t) = —-—.
В литературе имеются многочисленные экспериментальные исследования, в которых показано, что степень нелинейности деформирования для разных бетонов различна, и меняется в широких пределах, однако для упрощения нормирования, значение параметра и принимается u=Const. Внедрение нелинейной теории, учитывающей накопление необратимых деформаций ползучести, не связанных со старением (двухкомпонентная теория), может быть осуществлена при использовании экспериментального , материала, обобщенного в рекомендациях /166/.
Для реализации поставленной задачи воспользуемся данными экспериментальных исследований, проведенных нами на тяжелом бетоне различных марок и описанных в главе 2.
Эксперименты показали, что полная «удельная» деформация ползучести в линейной области деформирования для тяжелого бетона может выражаться следующим образом: CN (t,r) = Соб 0,r)+ FH ( Г,/,Г) = 0,7 CNN{t,r) + 0,3 CN (t,r) (3.6.4.) где CoG (t,r ) - обратимая (удельная) деформация ползучести бетона. F н ( a,t,r) - необратимая деформация ползучести бетона первого рода. При сг 0,4Лпр F„(O-, r)=F0[l-e- -7 )] «0,3CN(t,r,) (3.6.5) Параметр р характеризует скорость роста необратимой деформации бетона. По данным экспериментов этот параметр изменяется в пределах: р =0,1-0,2. В нелинейной области деформирования, когда а- 0,4R пр. предельная условная «удельная» необратимая деформация ползучести бетона, при произвольной степени нелинейности деформирования и выражается следующим образом: F0N = С N (t,r) [ 0,3 + vc Su (г) ] / cr\ (t) (3.6.6.) Зная нормативное значение CN (t, г), легко подсчитать значение обратимой и необратимой составляющих : C06N (t, г,) и FoN . Вычисление расчетных значений С0б (t, г t ) и F0 получается путем умножения нормативных значений С0б (t,r {) и F0 на соответствующие произведения коэффициентов 2,з Размерность С0б (t,r і ) = 0,7 С (t,r і ) соответствует размерности удельной деформации ползучести см2 /кг, а размерность предельной необратимой составляющей определяется из выражения (3.6.6). и зависит от степени нелинейности и.
После накопления экспериментальных данных по соотношению обратимой и необратимой составляющих деформаций ползучести для бетонов различных типов и марок, параметры ползучести могут быть уточнены.
Обычно для построения любой феноменологической теории исходят из анализа соответствующих экспериментальных исследований, обобщение которых дает возможность сформулировать основные гипотезы теории. Так поступали при формулировании гипотез двухкомпонентнои теории ползучести бетона для одноосного напряженного состояния. В случае со сложным напряженным состоянием возникают трудности, связанные с недостаточностью экспериментального материала. Имеющиеся в литературе экспериментальные исследования /118,121, 123, 137, 140, 143, 152, 165, 173, 235, 252, 254, 268./ относятся к изучению полных длительных деформаций при сложном напряженном состоянии, большинство из которых относятся к экспериментальному исследованию при двухосном напряженном состоянии.
Экспериментальный материал по изучению характера изменения компонент деформаций ползучести при сложном напряженном состоянии бетона в научной литературе отсутствует.
