Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы 16
1.1 Физические основы коррозионных повреждений железобетона 16
1.2 Физические модели деформирования железобетонных конструкций 26
3.1 Методы оценки трещиностойкости железобетонных конструкций 28
3.2 Выводы. Цель и задачи исследования 31
2. Постановка задачи о силовом сопротивлении изгибаемых железобетонных элементов 33
2.1 Общие положения 33
2.2 Уравнения силового сопротивления бетона 45
2.3 Квазилинейное представление уравнений силового сопротивления 51
2.4 Кинетика коррозионных повреждений бетона 59
2.5 Выводы 69
3. Расчетная модель для исходного элемента 70
3.1 Напряженно-деформированное состояние неповрежденного коррозией железобетонного элемента 70
3.2 Смещение нулевых осей нормальных напряжений и нейтральных осей деформаций 79
3.3 Деформирование изгибаемых железобетонных элементов 84
3.4 Выводы 92
4. Расчетная модель для поврежденного коррозией железобетонного элемента 93
4.1 Исходные положения 93
4.2 Остаточный ресурс силового сопротивления поперечному изгибу по прочности нормальных сечений 98
4.3 Остаточный ресурс силового сопротивления поперечному изгибу по прочности наклонных сечений 101
4.4 Остаточный ресурс силового сопротивления деформированию 103
4.5 Выводы 108
5. Особенности силового сопротивления железобетоного изгибаемого элемента, поврежденного коррозией 109
5.1 Жесткость (отпорность) поврежденного коррозией железобетонного изгибаемого элемента 109
5.2 Характеристика силового сопротивления деформированию 115
5.3 Выводы 128
6. Повышение трещиностоикости железобетонных изгибаемых элементов, поврежденных коррозией 129
6.1 Количественная оценка повреждений 129
6.2 Расчетная модель, варианты повреждений 132
6.3 Жесткость сечения и момент начала трещинообразования 139
6.4 Повышение трещиностойкости поврежденных коррозией железобетонных конструкций 141
6.5 Методика расчета повышения сопротивления образованию трещин поврежденного коррозией железобетонного элемента обжатием 143
6.6 Экспозиция обжатия железобетонных конструкций, поврежденных коррозией 157
6.7 Выводы 160
7. Экспериментальная оценка силового сопротивления железобетонныз элементов образованию трещин 167
7.1 Объемы экспериментального исследования 167
7.2 Конструирование и изготовление опытных образцов 168
7.3 Порядок проведения исследований 175
7.4 Оценка экспериментальных исследований 178
7.5 Оценка трещиностойкости экспериментальных образцов-балок 181
7.6 Сравнение экспериментальных и численных исследований по трещиностойкости 188
7.7 Выводы 196
Основные выводы и заключение 197
Список литературы 199
Приложение 1. Справка о внедрении результатов научных исследований в НИИСФ РААСН 223
Приложение 2. Справка о внедрении результатов научных исследований в ОАО «Экспериментальный научно-проектный институт» 224
Приложение 3. Акт о внедрении результатов диссертационной работы в ООО "ЦЕНТРОГИПРОРУДА" 225
Приложение 4. Акт о внедрении результатов диссертационных исследований в ООО "Строительная Компания № 1" 226
Приложение 5. Акт о внедрении результатов научных исследований в ООО "МОСТСТРОЙИНВЕСТ" 227
Приложение 6. Справка о внедрении результатов научных исследований в учебный процесс БГТУ им. В.Г. Шухова 229
Приложение 7. Справка о внедрении результатов научных исследований в учебный процесс МГАКХиС 230
- Физические основы коррозионных повреждений железобетона
- Деформирование изгибаемых железобетонных элементов
- Характеристика силового сопротивления деформированию
- Сравнение экспериментальных и численных исследований по трещиностойкости
Введение к работе
Актуальность темы. Железобетон является и в ближайшей перспективе остается основным материалом для природоохранных, коммуникационных, коммунальных, специальных и ряда других сооружений. Значительная часть из них предназначена для защиты населения, производств, территорий от вредных или даже чрезвычайных техногенных и климатических нагрузок. Наряду с этим железобетон используется как материал для технологического оборудования и транспортно-хранилищных конструкций, требующих высокого уровня обеспеченности. Одновременно такие конструкции очень часто испытывают воздействие агрессивных сред, подвергаются коррозионным повреждениям. Это снижает их трещиностоикость, отрицательно влияет на их эксплуатационную пригодность и даже конструктивную безопасность.
В частности, экспериментально установлено, что структура бетона, его плотность и проницаемость и, следовательно, коррозионная проницаемость непосредственно связаны с уровнем действующих напряжений. Между тем, современные методы оценки ресурса трещиностойкости с учетом влияния коррозионных повреждений еще только разрабатываются, а в имеющихся публикациях отсутствуют предложения по учету некоторых важных факторов; например, фактора влияния уровня напряженного состояния на коррозионные повреждения и трещиностоикость бетона.
Поскольку ответственное место среди перечисленных выше сооружений занимают железобетонные конструкции, предназначенные для одновременного восприятия силовых и средовых воздействий, которые могут вызывать потерю их функционального назначения - защитного потенциала самих сооружений, постольку для указанных железобетонных конструкций началом возникновения рисковых ситуаций служит момент образования трещин в бетоне растянутой части сечения.
В связи с этим проблемное значение обеспечения на заданный срок сохранения трещиностойкости имеет задача прогнозирования момента появления трещин в растянутой зоне железобетонных конструкций с максимальным по количеству и по значимости учетом факторов силового и коррозионного происхождения. Такая постановка выдвигает вопрос о способах увеличения ресурса трещиностойкости, о потерях этого ресурса во времени в процессе эксплуатации сооружений и оценке продолжительности эффективности осуществленного усиления конструкции.
В связи с этим требуется создание уточненных методов теоретического прогноза силового сопротивления по трещиностойкости железобетонных конструкций, эксплуатируемых в реальных средах.
Автор выражает благодарность доктору технических наук А. Иванову за помощь при завершении работы.
Целью диссертационной работы является выявление влияния особенностей напряженно-деформированного состояния и характера коррозионных повреждений на критерии момента образования трещин в эле-
4 ментах железобетонных конструкций, выбор способов увеличения ресурса трещиностойкости, снижение этого ресурса во времени в процессе эксплуатации сооружений и оценка продолжительности эффективности выполненного усиления конструкции. Автор защищает:
способ назначения кинетических ограничений продвижения коррозионных повреждений в зависимости от уровня напряженного состояния элементов для эксплуатируемых железобетонных конструкций;
расчетную модель и способ вычисления характеристик продвижения коррозионных повреждений в зависимости от уровня напряженного состояния;
правило совпадения коэффициентов сохранения механических свойств по всем характеристикам силового сопротивления бетона, применяемое для сечений поврежденного коррозией железобетона;
предложения по эквивалентной замене рассчитываемых сечений приемом замены поврежденных частей сечения;
расчетную модель силового сопротивления образованию трещин изгибаемых железобетонных элементов с учетом коррозионных повреждений бетона сжатой, растянутой зон и рабочей арматуры: соответствующий метод численного определения допустимых изгибаемых моментов от нагрузки по предельным характеристикам бетона;
прием повышения трещиностойкости методом обжатия растянутой части железобетонного элемента и способы расчета момента вероятного наступления трещинообразования;
экспозицию трещиностойкости, связанную с потерями обжатия за счет ползучести бетона и релаксации напряжений в элементах обжатия;
выявление особенностей изменчивости положения центра тяжести приведенного сечения, жесткости и отпорности сечений вдоль пролета в процессе нагружения (разгружения) в зависимости от знака, уровня напряжений в компонентах сечения, изменения характеристик их силового деформирования (модулей деформации) и коррозионных повреждений.
Научную новизну работы составляют:
методика построения расчетных ограничений эксплуатационных повреждений по уровню действующих напряжений;
предложения по вычислению параметров продвижения фронта коррозионных повреждений в диапазоне нулевых напряжений длительной прочности;
расчетная модель распределения коррозионных повреждений по высоте сечения бетонного образца при одновременном обжатии и воздействии агрессивной среды;
обоснование единого коэффициента сохранения количественных характеристик всех механических свойств бетона как приема расчетной оценки ресурса прочности и жесткости железобетонных элементов, поврежденных коррозией;
классификация процессов коррозионных повреждений по кинетическим признакам: затухающий процесс, фильтрационный процесс и лавинный процесс;
расчетная модель и способы количественной оценки момента образования трещин в железобетоне, поврежденном коррозией;
расчетная модель повышения трещиностойкости методом обжатия растянутой зоны и количественные оценки потерь этого обжатия за счет ползучести бетона и релаксации напряжений в элементах обжатия;
обоснование и алгоритм вычисления экспозиции трещиностойкости для эксплуатируемых поврежденных коррозией железобетонных конструкций;
специфические особенности силового сопротивления деформированию железобетонных элементов, основанные на выявленной изменчивости положения центра тяжести приведенного сечения, жесткости и отпорно-сти изгибаемых железобетонных элементов вдоль пролета, характеристики сопротивления деформированию в зависимости от знака нагружения.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов в диссертации обеспечены использованием базовых положений сопротивления материалов, строительной механики и согласуются с основами теории железобетона, экспериментальными и теоретическими исследованиями по коррозионному повреждению бетона и арматуры в железобетонных конструкциях.
Практическое значение и реализация результатов работы.
Разработанный комплексный метод позволяет количественно оценить состояние и ресурсы трещиностойкости элементов железобетонных конструкций, поврежденных коррозией, рассчитывать необходимые уровни обжатия и потери натяжения, а также экспозицию сохранения трещиностойкости во времени при конкретных уровнях нагружения и ин-тенсивностях коррозионных воздействий.
Разработанный комплексный метод может быть представлен как часть решения проблемы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций.
Результаты проведенных исследований были внедрены в учебный процесс Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова для студентов специальности «Городское строительство и хозяйство» в дисциплинах «Конструкции городских сооружений и зданий» и «Технические вопросы реконструкции зданий»; в учебный процесс Московской государственной академии коммунального хозяйства и строительства для студентов специальности «Промышленное и гражданское строительство» в дисциплине «Усиление железобетонных конструкций при коррозионных повреждениях»; в ООО «Центрогипроруда» при проектировании несущих конструкций двух природоохранных защитных сооружений; в 000 «Строительная Компания №1» в условиях стесненной городской застройки при возведении сборно-монолитных подпорных стен, в 000 «Мостстройинвест» при изготовлении и расчете балок сборно-монолитной конструкции, а также использованы в исследовательских работах научно-исследовательского института строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук и при расчетах трещиностойкости железобетонных конструкций, проектируемых ОАО «Экспериментальный научно-исследовательский институт» (г. Москва).
Апробация работы и публикации.
Основные положения работы опубликованы и доложены на V-ой Международной научно-практической конференции «Инженерные системы -2012» (г. Москва, апрель, 2012 г.), на семинаре кафедры «Железобетонные и каменные конструкции» Московской государственной академии коммунального хозяйства и строительства (г. Москва, май, 2012 г.).
В полном объеме работа доложена и одобрена на расширенном заседании кафедры «Городское строительство и хозяйство» Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова (г. Белгород, сентябрь, 2012 г.).
По теме диссертации опубликовано 18 научных статей, в том числе 16 работ опубликованы в журналах входящих в перечень ВАК РФ, а также издана монография.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, основных выводов и заключения, списка литературы и приложения.
Работа изложена на 230 страницах, включающих 198 страниц основного текста, 25 рисунков, 27 таблиц, список литературы из 247 наименований и приложения.
Физические основы коррозионных повреждений железобетона
В результате изучения работ П.А. Ребиндера о структурно-механических и физико-механических свойствах твердых тел [178], экспериментов З.Н. Цилосани [212, 213], исследований Б.В. Гусева [92- 96] и проведения анализа трудов В.М. Бондаренко по кинетике повреждений бетона во времени, прочности, деформативности и устойчивости железобетонных конструкций, эксплуатируемых в агрессивной среде [50, 53, 56, 59, 62], можно осуществить описание процессов разрушения структуры бетона во времени с позиции теории силового сопротивления применительно к образованию трещин.
В 1928 году П.А. Ребиндер установил обратимое влияние среды, выражающееся в понижении сопротивляемости твердых тел деформированию и разрушению в результате физической (обратимой) адсорбции поверхностно-активных веществ из окружающей среды. Это влияние среды, главным образом, является результатом понижения свободной поверхностной энергии твердого тела при физической адсорбции молекул среды на его истинной поверхности (эффект Ребиндера) [212]. Исследование этого эффекта имело большое научное и практическое значение: стали возможными изыскание путей повышения надежности и долговечности конструкций за счет использования закономерностей взаимодействия среды с материалами, особенно находящимися в нагруженном (напряженном) состоянии, а также разработка оптимальных технологий получения материалов с заданными улучшенными свойствами или эффективных технологий, связанных с их обработкой [151, 175, 176, 212, 216].
Все это существенно при оценке изменения свойств материалов несущей части конструкции не только как процесса химической коррозии, но и как процесса их разрушения с позиции прочности и деформативности [52, 113, 122, 155,156, 158,160].
Как показано в опытах по исследованию адсорбционного влияния среды на механические свойства твердых тел [6, 178, 212, 213], дефекты их строения непрерывно развиваются при деформировании внешними силами. Под нагрузкой, при дальнейшем нарастании которой достигается разрыв, происходит деструктуризация материала; наибольшие изменения происходят при напряжениях, близких к пределу прочности [11, 53, 178, 236].
Влияние внешней среды на механические свойства, и прежде всего на процессы механического разрушения твердых тел различного рода, часто пытаются свести к химическому и электрохимическому разрушению. Однако влияние внешней среды выражается и в понижении прочности, или снижении сопротивления деформированию, под влиянием адсорбции, т.е. поглощения молекул из окружающей среды поверхностями твердого тела, меняющимися при деформации [81, 178].
Прогнозирование поведения бетона в условиях эксплуатации может быть уточнено при объективных представлениях о физической природе прочности и деформативности бетона, а также с помощью современных представлений о механизме влияния различных факторов на эти свойства. Все это необходимо для дальнейшего совершенствования методов расчета и конструирования бетонных и железобетонных конструкций с учетом реальных свойств материала.
Следует отметить, что применительно к бетонным и железобетонным конструкциям, эксплуатируемым в агрессивных средах, требуется дополнительная дифференциация факторов и следствий коррозионных повреждений, которая будет использована при построении расчетных моделей силового сопротивления бетонных и железобетонных конструкций.
Исходные структурно-механические характеристики бетонов зависят от состава их компонентов, технологии изготовления, особенностей внешних несиловых воздействий, а эксплуатационные характеристики и структурные изменения связаны с уровнем, знаком и режимом их напряженно-деформированного состояния [62, 87, 216]. Из исследований А.В. Саталкина и Л.П. Макаренко известно, что с увеличением сжимающих статических напряжений бетон вначале уплотняется, а затем разуплотняется вплоть до разрушения. При этом вначале пористость и проницаемость уменьшаются, а затем поры множатся, соединяясь между собой в трещины, и проницаемость мвтериала увеличивается. Как отмечается в работе [53], процесс коррозионных повреждений зависит от уровня действующих напряжений, и в процессе нагружения конструкции, с ростом напряжений и изменением структуры материала, меняется глубина коррозионного продвижения.
Исследования, начатые в настоящей работе, носят самостоятельный характер и являются выявлением закономерностей трещинообразования в связи с коррозией бетона. Между тем, общие вопросы трещинообразования и трещиностойкости бетона были рассмотрены в ряде работ [17, 19, 21, 109, 129, 140]. При этом основным фактором развития трещин в реальной (эксплуатируемой) конструкции является уровень напряженного состояния. Сам факт коррозии - это следствие проникновения в глубь бетона агрессора. Таким образом, эффект проникновения агрессивной среды зависит от проницаемости бетона, а трещиностойкость бетона обусловливает степень его проницаемости. Следовательно, для реальной конструкции, работающей под нагрузкой, главным фактором, влияющим на проницаемость бетона, будет являться уровень напряженного состояния.
В результате проведения анализа ряда работ [13, 14, 94, 119, 141, 149, 169] следует отметить, что имеющиеся предложения по оценке влияния коррозии бетона на силовое сопротивление конструкции не увязаны с уровнем ее напряженного состояния, а вытекают из лабораторных испытаний экспериментальных образцов, помещенных в различные среды. Отмечая этот факт, дальнейшие исследования автора будут сосредоточены в заданном направлении.
Следует отметить, что в диссертационных исследованиях в основном приводится стандартная ситуация, при которой коррозионные воздействия проявляются при эксплуатационных условиях, после того как сооружение построено и введено в эксплуатацию. Этим определяется тот исходный момент, когда все нагрузки, предусмотренные этапом эксплуатации уже восприняты конструкциями, и они находятся в напряженном состоянии. В связи с этим, определяя фактор коррозионных повреждений, мы располагаем известными напряжениями в каждом конструктивном элементе, и следовательно, получаем возможность вычислить глубину коррозионного фронта повреждений.
Повреждения
Повреждение материала конструкции может быть силовым и средовым. Силовые повреждения, как правило, возникают вследствие превышения проектных усилий, определенных расчетом при проектировании конструкции. В этом случае может быть неточным (ошибочным) расчет, либо нарушены условия эксплуатации в связи с вызванными теми или иными факторами (технологией изготовления, монтажа конструкции, запроектными нагрузками, авариями и т.п.). Силовые повреждения в большинстве своем вызывают появление трещин, обусловленных нарушением структуры бетона. В связи с этим происходит снижение жесткости элементов конструкции, ведущее в ряде случаев к уменьшению несущей способности конструкции. Поэтому повреждения от силовых воздействий необходимо исключить на всех стадиях проектирования, изготовления, монтажа и эксплуатации конструкции [84, 115].
Как уже говорилось, повреждения строительных конструкций могут возникать как на стадии строительства, так и при эксплуатации. Согласно анализа, который провел Э.Н. Кодыш [117], установлены основные причины повреждений строительных конструкций в период строительства и на стадии проектирования: ошибки проектировщиков - 25% от числа всех аварий; заводские дефекты конструкций - 30%; низкое качество строительно-монтажных работ - также 30%. При эксплуатации повреждения строительных конструкций возникают вследствие силовых воздействий, осадок фундаментов, коррозионных воздействий, техногенных аварий и т.п. [134].
Локальные силовые повреждения вызывают необходимость своевременной экспертной оценки и принятия соответствующих конструктивных решений по их ликвидации; множественные силовые повреждения, например, возникшие при сейсмических воздействиях или авариях, должны быть оценены детальным обследованием и расчетом с последующим принятием конструктивных мероприятий по их устранению. Важность силовых повреждений значима, однако изучение силовых повреждений не является областью исследований настоящей диссертационной работы.
Деформирование изгибаемых железобетонных элементов
Описанные выше раздвоения нейтральных осей напряжений и деформаций не влияют на расчет жесткости.
Расчет жесткости железобетонного сечения, в составе которого всегда имеются нелинейно деформирующиеся материалы, необходимо начинать с выбора оси отсчета. Линейная строительная механика, зачастую, центры тяжести сечений располагает на нейтральных осях [125, 165, 170]. Следовательно, определение жесткости относительно нейтральной оси, и определение жесткости относительно оси, параллельной нейтральной оси и проходящей через центр тяжести сечения, одинаково. Таким образом, назначение оси отсчета для определения жесткости решается субъективно. Однако, для железобетонных элементов, у которых центры тяжести сечений не расположены на нейтральной оси, назначение осей при определении жесткостей требуют особого изучения.
В работе [44] доказано, что расчет по деформативности элементов строительных конструкций, у которых центры тяжести приведенных сечений не лежат на нулевой оси напряжений, жесткости следует определять относительно оси, проходящей через эти центры тяжести параллельно нулевой оси.
Таким образом, линейная теория железобетона предусматривает отсчет жесткости осуществлять от нулевой оси, а нелинейная теория - от оси, проходящей через центр тяжести приведенного сечения параллельно нулевой оси.
Сравнивая нелинейную и линейную теории и соответственно прямоугольную и треугольную эпюры нормальных напряжений в сжатой зоне бетона, устанавливаем: х Я о
Уравнения (3.2) обусловливают, что депланация сечений (пЕ 1) уменьшает жесткость железобетонных сечений. Так как коэффициент п имеет связь с действием касательных напряжений, то уменьшение жесткости можно связать с действием поперечных сил. С учетом (3.31) записываем M= L + asAs{X-a)+ (h0-X). (3.48)
Считаем, что в соответствии с СП, напряжения в сечениях в момент разрушения заданы: напряжения в сжатом бетоне равны пределу призменной прочности Увф — Rnp — Rb , напряжения в растянутой и в сжатой арматуре соответствуют пределам прочности для арматурной стали ст = Rs и as=Rs. Тогда при f0=0 формула (3.48) обращается в нормативную формулу, используемую при расчете прочности по предельным состояниям для изгибаемых железобетонных конструкций.
Следует отметить, что зависимости (3.51) и (3.52), (3.53) взаимно увязаны допущениями о плоских сечениях и условиями совместности деформаций.
Временный модуль деформаций бетона для сжатой зоны и коэффициент 4 s для рабочей растянутой арматуры, определяемые с учетом режима, длительности и уровня НДС, дают возможность найти жесткость сечения железобетонного элемента. Такая жесткость будет отражать неравновесные факторы железобетона: нелинейность, неравновесность, анизотропию и т.п. и будет зависеть от уровня НДС.
При росте длительности нагружения все более выраженно проявляется ползучесть бетона, при этом увеличивается и коэффициент ys. Таким образом, расчетная жесткость сечения D снижается, а перемещения железобетонного элемента увеличиваются. Нелинейность деформирования вместе с уровнем нагружения оказывают значительное влияние на величину перемещений: при росте напряжений жесткость снижается, это обусловливает увеличение деформаций железобетонных элементов.
При изменении вдоль оси элемента жесткости решение интегральных уравнений (3.55) и (3.56) зачастую трудоемко или неосуществимо. В этом случае целесообразно применять приближенные методы.
С увеличением площади эпюры изгибающих моментов рост прогибов ввиду нелинейности деформирования делается значительным.
Характеристика силового сопротивления деформированию
На рис 5.2 использованы следующие обозначения: 7Л -предельное напряжение условного линейного деформирования; сг - текущее напряжение; JT - экстремальное напряжение; Є - текущая деформация; єоб - обратимая деформация неповрежденного коррозией образца; єноб необратимая деформация неповрежденного коррозией образца; Є об обратимая деформация поврежденного коррозией образца; є н.об — необратимая деформация поврежденного коррозией образца. При этом отметим, что при нагружении отмечается нелинейная связь между напряжениями и деформациями, а при разгружении - линейная.
На рис. 5.2 с учетом принципа Энгессера-Ясинского [49] линия разгрузки неповрежденного коррозией образца 2-3 параллельна линии начального модуля деформации 0-1, а линия разгрузки поврежденного коррозией образца 2-4 сдвинута в связи с ростом необратимых деформаций; 0-2-5 - работа, затраченная на деформирование образца W , 2-3-5 работа неповрежденного коррозией образца W, 2-4-5 - то же, поврежденного коррозией образца W ; фигура 0-2-3 — петля гистерезиса энергии деформирования неповрежденного коррозией образца A W \ 0-2-4 то же для поврежденного коррозией образца AW , при AW = -W;AW =W-W ;AW AJ.
График диаграммы J — Є имеет две части: восходящая ветвь ОТ и нисходящая ветвь ТК; восходящая ветвь соответствует устойчивому напряженно-деформируемому состоянию, нисходящая - неустойчивому. Уравнения силового сопротивления соответствуют восходящей ветви. Обратима только линейная часть полных деформаций, коэффициент обратимости определяется по формулам.
Зафиксировав основные факторы силового сопротивления бетона и переходя на примере изгибаемого железобетонного стержня к исследованию неоднородного напряженно-деформированного состояния конструкций, отметим, что поскольку жесткость и отпорность отсчитывается относительно оси, проходящей через центр тяжести приведенного сечения [44], то изменение знака (нагружение и разгружение), величины (фактор нелинейности) и режима действия сил значительно влияют на силовое сопротивление деформированию; в частности, при медленном во времени воздействии перемещение центра тяжести происходит статически, а при быстром (или внезапном) - динамически, когда проявляются инерционные факторы и возможны импульсные воздействия [138, 201, 206, 232].
Для поперечного изгиба железобетонного элемента при одиночном армировании применительно к первому предельному состоянию расчетная схема сечения дана на рис. 5.3.
На рис. 5.3 приводятся следующие обозначения: А - слой полностью утраченного сопротивления; Б - переходный слой; В - слой сохраненного сопротивления; b0,h — ширина и высота сечения балки; h0 - рабочая высота ТУ сечения; К - кривая функции сохранения свойств бетона; z - толщина слоя полностью разрушенного коррозией бетона; 5 - толщина переходного слоя (глубина продвижения фронта коррозии, отсчитывается от слоя полного разрушения, К і = 0; р - толщина слоя сжатой части поперечного сечения, неповрежденного коррозией; х - высота сжатой части поперечного сечения; as - толщина защитного слоя растянутой арматуры; COs - коэффициент сохранения силового сопротивления растянутой арматуры, поврежденной коррозией.
Обратим внимание, что поскольку величина 8 зависит от уровня напряжений, т.е. от величины изгибающего момента, постольку эпюра моментного силового сопротивления М (V) (эпюра материалов) концептуально отличается от эпюры материалов для неповрежденных коррозией балок.
Например, при неизменном вдоль пролета армировании для шарнирноопертой балки постоянного сечения, нагруженой равномерно распределенной нагрузкой, эти эпюры материалов имеют различный характер (рис. 5.4).
Сравнение экспериментальных и численных исследований по трещиностойкости
Для проверки сходимости разработанного ранее алгоритма расчета сборно-монолитных стержневых конструкций [17, 20] и определения пределов его эффективности были проведены численные исследования напряженно-деформированного состояния и трещиностойкости конструкций рассмотренного вида [18, 19]. Они дают оценку трещиностойкости для исходного состояния таких конструкций (без коррозионных повреждений). Однако, как говорилось выше, особенности силового сопротивления такого рода конструкций позволяют анализировать конструкции, многослоиность которых определяется коррозионными повреждениями.
При построении численных и экспериментальных исследований применялись одни и те же положения и принципы. Это создает возможность проверки адекватности расчетного аппарата (математической модели) представленного в работах [17, 20], физической модели.
Сопоставление результатов опытов для трех серий образцов-балок с теоретическими данными приведено в табл. 7.8, 7.9 и показано на рис. 7.6, 7.7.
При анализе полученных значений прогибов и кривизн, отмечается хорошая качественная и количественная сходимость экспериментальных и расчетных значений. Это позволяет применять предложенную методику для практических расчетов при оценке по второй группе предельных состояний слоистых конструкций, в том числе и тех, многослойность которых определяется коррозионными повреждениями.
При проверке адекватности разработанной методики физической модели по моменту трещинообразования выполнены сопоставления величин расчетного и опытного моментов трещинообразования Мсгс (табл. 7.10).
Ввиду того, что опытные исследования и методика расчета построены так, что напряженно-деформированное состояние конструкции на каждой ступени нагружения зависит от предшествующих этапов ее работы, то при анализе эффективности статистических оценок опытных значений по сравнению с расчетными величинами необходимо использование критерия согласования. В данном случае, при малой выборке, был применен критерий Фишера. В табл. 7.11. приведены полученные статистические данные.
Полученные данные о деформируемости и трещиностойкости исследуемых конструкций позволили определить влияние основных факторов: класса бетона, структуры сечения, процента армирования, характеристики податливости контактного шва между монолитной и сборной частями сечения. В то же время были установлены определенные закономерности:
- численные исследования, основанные на предложенной в диссертации методике расчета, подтвердили полученные в экспериментах количественные и качественные закономерности деформирования и трещиностойкости сборно-монолитных балок, в том числе по значениям моментов образования трещин и величинами прогибов;
- опытные и численные исследования показали, что при повышении класса бетона начало нелинейной ползучести стремится к моменту образования трещин;
- при равных физико-механических характеристиках материалов монолитной и сборной частей, конфигурация и месторасположение контактного шва, вместе с процентом армирования оказывают большое влияние на деформирование и трещиностойкость конструкций.
Конструктивная многослойность железобетонных элементов конструкций имеет аналогию с многослойностью цельного элемента, материалы которого подвержены коррозионным повреждениям. В последнем случае условные слои различаются как механическими характеристиками материалов, так и интенсивностью коррозионного влияния, которое в свою очередь зависит от напряженно-деформированного состояния элемента.
Похожие диссертации на Силовое сопротивление железобетонных конструкций по трещиностойкости, эксплуатируемых в реальных средах
