Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задачи 3
1.1 Конструкции, здания и сооружения 3
1.2. Предыстория и износ бетона и железобетона 5
1.3. Повреждения бетона и железобетона 8
1.4. Количественная оценка остаточного ресурса силового сопротивления и усиление поврежденного железобетона 16
Выводы по главе i (предмет исследований) 17
2. Расчет исходных железобетонных конструкций 20
2.1. Уравнения состояния материалов 20
2.2. Интегральные оценки НДС 35
2.3. Силовое сопротивление 45
Выводы по главе 2 .-. 52
3. Повреждения бетона и арматуры 54
3.1. Силовые повреждения 54
3.2. Коррозионные повреждения бетона 60
3.3. Коррозионные повреждения арматуры 66
Выводы к главе 3 74
4. Остаточный ресурс силового сопротивления железобетонных конструкций, поврежденных коррозией 76
4.1. Факторы повреждения конструкций 76
4.2. Остаточный ресурс силового сопротивления поперечных сечений конструкций 77
4.3. Влияние повреждений опорных узлов на остаточный ресурс силового сопротивления Выводы по главе 4 90
5. Усиление железобетонных конструкций, поврежденных коррозией 92
5.1 Усиление железобетонных конструкций наращиванием 92
5.2 Влияние временного режима производства работ по усилению на ндс конструкций 94
5.3 Апробация 97
Выводы к главе 5 106
Общие выводы 108
Литература
- Повреждения бетона и железобетона
- Интегральные оценки НДС
- Коррозионные повреждения арматуры
- Влияние повреждений опорных узлов на остаточный ресурс силового сопротивления
Повреждения бетона и железобетона
Бетон - искусственный камневидный материал. Он характерен ярко выраженной анизотропией физико-механических свойств, в частности, его силовое сопротивление растяжению на порядок выше силового сопротивления сжатию. В растянутых или изгибаемых конструктивных элементах этот недостаток компенсируется армированием и (или) предварительным обжатием растянутых зон сечений. Бетон реагирует на изменение гигрометрических и физико-химических характеристик среды.
Силовое сопротивление железобетона совокупно определяется свойствами его компонент и спецификой их совместной работы, включающей сцепление арматуры с бетоном и допустимость локального трещинообразования. Силовое сопротивление бетона, арматуры, сцепления между ними и в целом железобетона отличают нелинейность связи между напряжениями и деформациями, накопление деформации во времени (ползучесть) и релаксация напряжений, частичная необратимость деформаций, возрастные изменения свойств.
Одновременно, силовое сопротивление бетона и железобетона существенно зависит от эксплуатационных факторов: предыстории существования, характера повре ждений и временного режима нагружения. Прочность бетона всех номинаций к моменту оценки силового сопротивления зависит от знака, уровня, режима и продолжительности предшествующего нагружения.
Статическое обжатие образцов в пределах сохранения сплошности (до начала трещинообразования) повышает кратковременную прочность бетона, а выше этих пределов - снижает, если до растяжения образцов они были обжаты, то их сопротивление растяжению уменьшается. Степень такого влияния зависит от условия предшествующего обжатия. Причина этого кроется в структурных повреждениях материала.
Сопротивление бетона деформированию, испытавшего предшествующее нагружение, также связано со знаком и уровнем этого нагружения. Итак, если предшествующее нагружение имело знак нагружения противоположный последующему на-гружению, а его уровень превышает уровень микротрещинообразования, то сопротивление деформированию снижалось; если предшествующее и текущее нагружение имеет одинаковый знак, то модуль мгновенной деформации при последующем на-гружении не зависит от величины приложенных к этому моменту деформации ползучести, а временный модуль деформации вычисляется тривиально [116]. „ , ч Дсг(У,/\) E- )=jki (1Л) где Д т(г, ґ,) = ст(ґ) - т(/[) - приращение напряжений AS(t, /\) = s(t, t{)- s(tx, t0) - приращение деформаций т.е. также не зависит от величины накопленных к этому времени деформаций, поэтому заметим, что критика М.В. Бондаревым [32] т.н. веерной диаграммы оказывается непродуктивной.
Описанные эффекты упрочнения или разупрочнения бетона, кроме того, зависят от временного режима предшествующего нагружения; так при вибрационном пригружении силовые сопротивления могут, как увеличиваться, так и уменьшаться в зависимости от возраста и особенностей становления бетона, а также от частоты вынужденных колебаний и амплитуды-динамических нагружений. Одновременно меняются жесткости зданий и сооружений, а, следовательно, частоты их собственных колебаний [3,33]. Помимо прямых исследований, относящихся к оценке влияния предыстории деформирования на силовое сопротивление материалов и конструкций, существует достаточно большое число исследований, в которых такая задача не ставилась, но получены важные экспериментальные свидетельства такого влияния.
Вместе с тем, имеющаяся информация до настоящего времени недостаточно обобщена. По-видимому, потому СНиП не учитывает влияния предыстории нагруже-ния на силовое сопротивление материалов и конструкций.
Износ представляет собой объективно существующий фактор снижения силового сопротивления бетона, обусловленный старением искусственного материала. Он связан, прежде всего, с особенностями становления, гидратации и структуризации цементного камня, продолжающихся после изготовления конструкций возводимых зданий и сооружений. Износ - многофакторное явление, зависящее от химического состава бетона и специфики технологических пределов, температурных и гигромет-рических характеристик среды, а также вмешательства сопутствующих силовых воздействий.
По мере гидратации цемента, структуризации цементного камня, т.е. по мере становления бетона, как искусственного материала, и его старения происходят разнонаправленные процессы, связанные со структурными новообразованиями; сначала уплотнение и повышение прочности бетона, затем разрушение внутренних связей и уменьшение прочности. Такой механизм отличается от развития бетона под нагрузкой, когда, согласно А.С. Десову [62], бетон при исключении поверхностного трения разрушается (при сжатии): а) от раскалывания заполнителей в «жестких» системах при достаточно высо кой прочности цементного камня; б) от раскалывания или разрыва цементного камня у «нежестких» бетонов; в) от нарушения сцепления между цементным камнем и заполнителем. Заметим, что здесь речь идет о так называемой кратковременной прочности. Вопросам становления и износа бетона, неразрывно связанных друг с другом, посвящено много работ отечественных и зарубежных исследователей [15, 16, 28, 30, 55, 62, 63, 64, 90, 94, 120].
Интегральные оценки НДС
Рядом авторов изложенный прием «дискретно» модифицируется применительно к возможностям электронно-вычислительной техники. Наиболее разработан метод конечных элементов (МКЭ), который в зависимости от густоты «сетки» и числа последовательных приближений позволяет по точности решений приблизиться к аналитическому методу. Обычно для расчета бетонных и железобетонных элементов достаточна точность 95%. Вместе с тем, следуя А.Ф. Лолейту и Я.В. Столярову, показавшим, что уточнение очертания эпюры нормальных напряжений в сжатой зоне изгибаемых железобетонных элементов влияет на оценку несущей способности не более (3-г5)%, нами принята следующая запись [3 5] ґ z\» а \Х; где о- и ст. — текущие по высоте и фибровые нормальные напряжения; z и X— текущая ордината и высота сжатой зоны бетона; (2.076) na — параметр нелинейности нормальных напряжении 0 п =1-(1-/о) или na=\-{\-f0]
Выражения (2.076) и (2.077) отображают тот факт, что при малых уровнях нагружения, когда в пределе М - 0, параметр па стремится к единице и эпюра нормальных напряжений очерчивается треугольником; при высоких уровнях нагружения, когда М/Мпр -»1, параметр па приближается к /0, т.е. эпюра нормальных напряжений очерчивается фигурой, близкой к прямоугольнику, в том числе для случая идеальной пластичности Оо=0) очерчивается прямоугольником.
Для изгибаемых брусьев, кроме чистого изгиба, форма эпюры нормальных напряжений вдоль оси бруса не остается неизменной, а меняется от треугольной в сечениях с малыми моментами до почти прямоугольной в местах экстремальных моментов (рис. 2.6). где пє — параметр, отображающий депланацию сечений, связанную с наличием поперечных сил (обычно пе 1, но не намного отличается от единицы). Заметим, что пе = 1 (1.02) соответствует гипотезе плоских сечений. Записи (2.076) и (2.078) взаимосвязаны Є (2.079) ст = сг, «J \ЄФ J \G4J подчеркнем, что єф — описывает влияние реологических процессов на развитие напряжений и деформаций во времени. \ / 4 /\ V V V a 6 в uc. 2.6 Изменения эгпоры нормальных напряжений для поперечных сечений в различных зонах изгибаемого элемента. а) зона линейного деформирования; б) зона нелинейного деформирования; в) зона предельного деформирования
Депланация сечений неоднородно деформируемых брусьев, аналогично может добно быть записана в виде де пе — параметр, отображающий депланацию сечений, связанную с наличием оперечных сил (обычно пе 1, но не намного отличается от единицы).
Заметим, что пе = 1 (1.02) соответствует гипотезе плоских сечений. Записи (2.076) и (2.078) взаимосвязаны одчеркнем, что єф — описывает влияние реологических процессов на развитие наряжений и деформаций во времени. При однородном нелинейно и неравновесно деформированном состоянии эле-ента, когда и напряжения, и относительные деформации неизменны по всему попе-ечному сечению, вопросы положения нейтральной оси и величины жесткости самих сечений решаются однозначно просто — нейтральной оси не существует (можно говорить, что она отнесена в бесконечность), а жесткость сечения равна M = Eep(t)Ae+EsAs (2.080) где Е — временный модуль деформации бетона; Ав — площадь бетонного сечения; Es — площадь деформации арматуры; А5 — площадь поперечного сечения арматуры.
При неоднородном напряженном состоянии элемента (например, изгибе), когда и напряжения и относительные деформации по высоте сечения меняются, вопрос о жесткости решается просто только для случая линейного деформирования материала. M = Eep(t)J0+EsJs (2.081) где J0 и Js — отсчитываемые от нейтральной оси сечения момент инерции для сжатой части бетона и для арматуры.
При нелинейном деформировании для неоднородного напряженного состояния непосредственные аналогичные построения приводят к значительным усложнениям, а при расчете задач аналитическими способами — к непреодолимым математическим трудностям, требуя использования систем нелинейных дифференциальных и интегро-дифференциальных уравнений. Поэтому существующие способы расчета бетонных и железобетонных конструкций, по сути, сводятся к некоторым линеаризациям и последовательным приближениям [35,66,101].
Интегральная оценка участия в сопротивлении изгибаемых элементов растянутой зоны бетона осуществляется, исходя из следующих экспериментальных данных.
Вследствие неоднородности структуры бетона и, в известной мере, арматурной стали в растянутых зонах железобетонных элементов еще до возникновения трещин намечаются ослабленные участки. Это предопределяет неравномерность сцепления арматуры с бетоном и распределения деформаций вдоль длины элемента, во времени; при увеличении внешней нагрузки указанные явления усугубляются, и в наиболее ослабленных участках возникают трещины, причем в сечении с трещиной и вблизи его сцепление вообще нарушается, а все растягивающие усилия воспринимаются арматурой.
Согласно предложению В.И. Мурашева [85] после появления трещин влияние растянутой зоны бетона на жесткость изгибаемых элементов непосредственно не учитывается, а оценивается интегрально введением корректирующего множителя ц/ к модулю упругости растянутой арматуры.
Однако, при этом возникает некоторая методологическая двойственность: если изгибающий момент в сечении меньше расчетного момента образования трещин, то корректирующим множителем щ не пользуются, а в расчет вводится растянутая зона бетона; если же этот момент больше момента трещинообразования, то растянутая зона бетона непосредственно не учитывается, а используется интегральный множитель y/s. Так как по длине изгибаемого элемента величины моментов меняются, то это приводит к тому, что на одних участках при оценке жесткости используется одна методика (методика линейного сопротивления материалов), на других — инженерная методика В.И. Мурашева.
Коррозионные повреждения арматуры
Агрессивность коррозионного воздействия внешней среды на железобетонные конструкции зависит как от характеристики агрессора (типа, концентрации, температуры и т.п.), так и от качеств материала конструкций (его хим- или биостойкости, структуры, проницаемости, влажности, средств защиты). В частности, даже углекислый газ воздуха является слабо или средне агрессивной средой по отношению к бетону конструкций, эксплуатирующихся в нормальных или влажных условиях. Рассматривая коррозионную стойкость железобетонных конструкций, целесообразно раздельно изучать повреждаемость бетона и арматурной стали.
Еще в начале систематического изучения процессов коррозии бетонов А.А. Байков [24] отметил, что все бетонные сооружения на портландцементе неизменно подвергаются выщелачиванию извести и последующему разрушению. Наибольшую практическую опасность в связи с этим представляют углекислый газ воздуха, обычные и особенно сульфатные грунтовые воды.
Вместе с тем, для цементного бетона характерна способность к самозалечиванию повреждений, а некоторые продукты коррозии — кальцит, гипс, эттрингит — создают вторичную структуру твердения и фактор повышения прочности. Последние явления стабильны лишь для квазиконстантной внешней среды при наличии остаточного ресурса прочности, сохранившегося в процессе коррозионного разрушения. Наконец, процессы образования продуктов коррозии самотормозятся вследствие коль-матирования последними пор бетона. Как отмечено выше, в настоящее время существует ряд конкурирующих концепций механизма разрушения бетона при воздействии агрессивной сульфатной среды: — по схеме отрыва (деструкция вызывается давлением, оказываемым новообразованными кристаллами; деструкция следует за ростом осматического давления, возникающем в поровой структуре цементного камня вследствие роста гипсо- и эттрин-гито включений [70], чему способствует малая растяжимость бетона при = 0,1 мм/м); — по схеме среза (деструкция бетона предопределяется развитием коллоидной формы гипса и эртрининга за счет преодоления тангенциальных сопротивлений между конгломератными компонентами).
При этом, как отмечает СВ. Шестоперов, повышение тонкости помола цемента снижает структурную устойчивость цементного камня за счет более интенсивного образования эттрингита [122].
Испытания образцов из цементного камня, подвергавшимся агрессивному воздействию среды, четко показали наличие трех характерных зон: светлая, наружная, имеющая практически нулевую прочность; сравнительно мало разрушенная переходная зона более темного цвета; однородная внутренняя, где цементный камень имеет исходную прочность. То есть имеет место смена характера коррозионных повреждений по глубине образцов [59,70]. Первая зона - зона разрушения нагруженного слоя бетона - может быть осредненно оценена произведением т.н. скорости разрушения бетона мм/год и длительностью коррозионного воздействия Z/ — 2. мм/год при этом а мм/год назначаются в зависимости от агрессивности среды (см. табл. 3.2) таблица 3.2 Степень агрессивности среды 3. мм/год слабая до 0,4 средняя 0,4+1,2 сильная 1,2 Вторая зона - переходная зона - граничит с зоной не разрушенного бетона на некото рой глубине 8, где 5 - глубина нейтрализации, глубина коррозионного проникнове ния (см. ). Для практического моделирования деструктивного процесса необходимо осуществить его схематизацию, заключающуюся во введении некоторых рабочих гипотез, в частности: — принцип равнодоступности А.Д. Фрама-Каминского, когда принимается, что все элементарные процессы протекают параллельно и независимо друг от друга, а поверхности раздела фаз, где осуществляются эти процессы, в равной степени доступны; — все процессы рассматриваются в квазистационарном режиме, т.е. предполагается, что изменение отдельных параметров за кратковременный период пренебрежимо мало, а переход к кинетике осуществляется сопряженно (например, с помощью учета углубления агрессивного фронта и накопления продуктов взаимодействия).
При этом существенно, что зерна наполнителя стремясь к уменьшению поверхностной энергии, объединяются в агрегаты — кластеры различных размеров, представляющие собой качественно иные включения (псевдофазу), существующие в вяжущем наряду с неагригированными частицами. Максимальное насыщение кластерами обеспечивает экстремальное упрочнение наполненной структуры; кластерообра-зование обуславливает термодинамическую неоднородность структуры. В литературе имеется несколько конкурирующих предложений по прогнозу глубины коррозионного фронта 5.
В ряду других одно из альтернативных предложений по расчету 8 получается с помощью нелинейного обобщения упоминаемого выше постулата Гульдберга-Вааге: d-MMX = -a.[m,OX . (3.34) at при т О Здесь A5{t,t,) = 6(co,h)-S{t,tu) (3.35) 8— глубина проникновения коррозии (глубина нейтрализации); Д — приращение глубины проникновения коррозионного фронта в конструкцию; знак (-) правой части означает уменьшение во времени скорости проникновения коррозии; /о, t — начальное и текущее время изменения глубины проникновения коррозии; а и т — эмпирические характеристики процесса коррозии, зависящие от видовых признаков и интенсивности агрессии, а также от номинации материала.
Вместе с тем, напомним, что известные предложения по описанию коррозионных повреждений бетонов не учитывают влияния величины и вида напряженно-деформированного состояния образца. Между тем, экспериментально выявлено, что уровень и вид напряженного состояния влияют на проницаемость бетона, что, в свою очередь изменяет коррозионные повреждения. Так, согласно опытам [110], умеренное сжатие уменьшает коррозионную повреждаемость портландцем ентного камня (рис.3.1).
Влияние повреждений опорных узлов на остаточный ресурс силового сопротивления
Здания и сооружения воспринимают силовые нагрузки и несиловые воздействия. Это имеет место, как на стадии возведения, так и в течение всего периода их эксплуатации.
Нагрузки и воздействия могут меняться во времени и в пространстве, т.е. изменяться по величине, режиму, области приложения и направлению. А до этого при проектировании, формально удовлетворяющим СНиП; при изготовлении конструкций, при их монтаже, при реконструкции, осуществляемых с учетом нормативных документов и по предусмотренным в проектах технологиям или с их нарушением, возникают и накапливаются предшествующие периоду эксплуатации дефекты, влияющие на силовое сопротивление зданий и сооружений.
После ввода объекта в эксплуатацию начинает действовать набор нагрузок и воздействий, включающий в себя, помимо обычных, стандартных, составляющих, технологические и техногенные факторы, а также изменение условий силового и деформационного взаимодействия фундаментов с основанием (или подземных сооружений с окружающей горной породой).
При этом, повторим, что одновременно большинству строительных материалов объективно присущи такие свойства, как старение и деструктуризация, в том числе охрупчивание, как анизотропия, нелинейность, неравновесность, частичная необратимость и наследственность силового деформирования; как повреждаемость при несиловых и средовых температурно-влажностных, природно-климатических, техногенных, коррозионных воздействиях и т.п. Причем, и это необходимо подчеркнуть, поименованные (и другие) свойства, проявляясь в различных материалах по разному, взимосвязаны и взаимообусловлены.
Таким образом, силовые и несиловые нагрузки и воздействия, особенности изготовления конструкций и возведения объектов, реальные свойства материалов и, нередко, недостатки проектных решений приводят к появлению и накоплению дефектов силового сопротивления, геометрических несовершенств и коррозионных повреждений сечений, элементов, их связей и соединений; конструкций, зданий и сооружений. Указанная совокупность факторов и обстоятельств создает по отношению к те кущим оценкам силового сопротивления конструкций и, следовательно, конструк тивной безопасности зданий и сооружений некоторую предысторию их существования.
Речь идет, по сути, о наследственном влиянии реально существующих физических несовершенств материалов и конструкций и накопленных к текущему моменту времени повреждений на силовое сопротивление зданий и сооружений.
Также очевидно, что потребителя, в конечном итоге, кроме функциональной пригодности и экономической целесообразности использования, интересует безопасность зданий и сооружений на протяжении всего периода эксплуатации.
Железобетонные конструкции теряют ресурс силового сопротивления как вследствие повреждения сечений элементов (снижение прочности и модуля деформации бетона, выбытия арматуры, чрезмерного раскрытия трещин и т.п.), так и вследствие разрушения опорных узлов, изменения расчетной схемы. Повреждения сечений элементов снижают величины предельных разрушающих моментов и жесткости сечений, обуславливает выход из строя опорных узлов и, меняя расчетные схемы, приводят к увеличению внутренних усилий, что предопределяет возникновение дефицита силового сопротивления конструкций. Во всех случаях повреждения сопровождаются снижением конструктивной безопасности сооружений [38].
Поврежденные коррозией железобетонные сечения конструкций теряют ресурс силового сопротивления, в первую очередь, вследствие того, что, начавшееся на поверхности контакта с агрессивной средой коррозионные повреждения бетона во времени прогрессируют, затем фибровые слои полностью разрушаются, а толщина слоя разрушенного бетона постепенно увеличивается и, соответственно, вглубь элемента перемещается поверхность контакта агрессивной среды и бетона, сохраняющего резервы силового сопротивления; фронт коррозионных повреждений также перемещается вглубь сечений. Однако, по мере удаления от поверхности величина интенсивности повреждений падает и на некотором отдалении повреждения исчезают. Таким образом, как было показано выше (3.2) отчетливо прослеживается сущ. ствование трех характерных областей силового повреждения. Это область полног разрушения материала; переходная область, в которой влияние коррозионных повр( ждений, уменьшаясь постепенно по мере отдаления фибровых слоев, исчезает; и о ласть неповрежденного материала.
Одновременно с коррозионными повреждениями бетона могут корродировав металлические закладные детали и арматура; это корродирование металлических час тей сечения может их также полностью разрушить.
Расчет остаточного силового сопротивления железобетонных элементов должен производиться с учетом описанных особенностей коррозионных повреждений. А. Ресурс силового сопротивления центрально-сжатого железобетонного бруса; случай двухстороннего симметричного коррозионного повреждения (Рис. 4.1).
Похожие диссертации на Влияние факторов нагружения и коррозионных воздействий на силовое сопротивление реконструируемого железобетона
