Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ РАСЧЕТА АРМИРОВАННЫХ КОНСТРУКЦИЙ, РАБОТАЮЩИХ В АГРЕССИВНОЙ СРЕДЕ (ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РАСЧЕТУ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ) 13
1.1. Конструктивные схемы водопропускных труб, армирование и нагрузки 13
1.2. Условия эксплуатации водопропускных труб и агрессивные среды, действующие на них 16
1.3. Существующие расчетные схемы и методы расчета автодорожных водопропускных труб, а также конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных сред 25
1.3.1. Основные положения 25
1.3.2. Статический расчет труб 28
1.3.3. Существующие расчетные схемы и методы расчета конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных сред 32
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 54
2. УЧЕТ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ПОВЕДЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ 56
2.1. Дефекты и повреждения водопропускных труб 56
2.2. Агрессивные среды и их влияние на механические свойства материалов водопропускных труб 60
2.3. Экспериментальные данные по исследованию поведения водопропускных труб под нагрузкой в агрессивных условиях эксплуата ции 62
2.3.1 Схема эксперимента 63
2.3.2. Результаты эксперимента 64
2.4. Построение моделей деформирования армированных элементов водопропускных труб с учетом воздействия хлоридсодержащих сред 67
2.4.1. Модели деформирования разномодульных материалов 68
2.4.2. Теории деформирования разномодульных материалов. 70
2.4.3. Модель деформирования стержневого армированного конструктивного элемента с учетом воздействия хлоридсодержащей среды. 71
2.4.4. Модель деформирования армированного материала, находящегося в условиях плоского напряженного состояния. 76
2.5. Идентификация моделей по экспериментальным данным 79
2.5.1. Идентификация нелинейной модели деформирования бетона по экспериментальным данным. 79
2.5.2. Модель деформирования стальной арматуры в условиях воздействия хлоридсодержащей среды и ее идентификация. 83
2.5.3. Характеристики коррозионного поражения стальной арматуры в условиях воздействия хлоридсодержащей среды 84
2.5.4. Влияние коррозионного поражения на работу армирующего элемента. 93
2.5.5. Идентификация разномодульной модели деформирования бетона. 95
2.6. Уравнения деформирования изгибаемой пластины как элемента водопропускной трубы; 98
2.7. Применение полубезмоментнои теории оболочек к расчету круглой армированной водопропускной трубы, подвергающейся совместному действию нагрузки и хлоридсодержащей среды 108
2.7.1. Модель конструктивного элемента 108
2.7.2. Модель нагружения 110
2.7.3. Модель деформирования материала оболочки, находящейся в плоском напряженном состоянии и подвергающейся воздействию хлоридсодержащеи среды 111
2.7.4. Модель воздействия хлоридсодержащеи среды 112
2.7.5. Физические соотношения для усилий и деформаций, возникающих в оболочке армированной трубы. 114
2.7. б. Разрешающее уравнение оболочки по полубезмоментной теории В. З.Власова 116
2.8. Моделирование образования коррозионных трещин при коррозионном распухании арматуры в армированном конструктивном элементе. 118
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2. 133
3: ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ АРМИРОВАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ 136
3.1. Определение законов распределения хлоридсодержащеи среды по сечению армированных элементов. 136
3.2. Моделирование напряженного состояния стержневых армированных элементов с учетом воздействия хлоридсодержащеи среды. 147
3.2.1. Постановка задачи 147
3.2.2. Методика расчета армированного конструктивного элемента с учетом воздействия хлоридсодержащеи среды. 149
3.2.3. Численное моделирование поведения стержневого армированного элемента квадратного поперечного сечения при сжатии 153
3.2.4. Численное моделирование изгибаемого армированного элемента прямоугольного поперечного сечения при взаимодействии его с хлоридсодержащей средой 158
3.3. Расчет пластинчатых элементов армированной трубы прямоугольного поперечного сечения с учетом воздействия хлоридсодержащей среды 160
3.3. J. Основные уравнения, описывающие деформирование армированного пластинчатого элемента с учетом воздействия хлоридсодержащей среды 160
3.3.2. Верификация модели деформирования пластины с учетом воздействия хлоридсодержащей среды 163
3.3.3. Исследование напряженно-деформированного состояния пластины 166
3.3.4. Результаты расчета пластины, шарнирно опертой по контуру, для случая воздействия хлоридсодержащей среды на нижнюю поверхность 168
3.3.5. Результаты расчета пластины, шарнирно опертой по контуру, для случая воздействия хлоридсодержащей среды на верхнюю поверхность 172
3.3.6. Результаты расчета пластины, жестко защемленной по контуру, для случая воздействия хлоридсодержащей среды на нижнюю поверхность 174
3.3.7. Результаты расчета пластины, жестко защемленной по контуру, для случая воздействия хлоридсодержащей среды на верхнюю поверхность 176
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 207
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 209
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 211
ПРИЛОЖЕНИЯ. 237
Введение к работе
Актуальность темы:
Многие элементы конструкций транспортных сооружений, к которым относятся и мосты и водопропускные трубы и другие объекты, выполненные из бетона и железобетона, подвергаются воздействию не только эксплуатационных нагрузок и температуры, но и различных агрессивных сред. і Достаточно распространенной эксплуатационной средой является агрессивная хлоридсодержащая среда: Среди основных источников хлоридного воздействия на железобетонные элементы конструкций отметим у хлоридсодержащие средства-антиобледенители (на основе каменной соли), применяемые при борьбе с гололедом на транспортных; сооружениях; морскую воду либо солевой туман (характерный для приморской атмосферы), имеющие контакт с конструкцией; добавки-ускорители твердения (на основе хлоридных солей), ранее использовавшиеся при зимнем бетонировании.
Многочисленные результаты экспериментальных исследований и натурных наблюдений, выполненные многими учеными, свидетельствуют о том, что воздействие хлоридсодержащеи среды приводит к существенным; изменения деформативно-прочностных свойств: материалов армированных конструкций, в» некоторых случаях к изменению характера работы конструкции. Изменение свойств материалов во времени носит, как правило, необратимый характер и зависит от условий деформирования, характера воздействия хлоридсодержащеи среды, ее концентрации и других факторов. По 7 мере проникания хлоридсодержащеи среды в телоs конструкции происходит деградация защитного слоя, после чего становится возможной коррозия . арматуры. В результате коррозии уменьшается площадь поперечного сечения арматуры, а образующиеся при этом продукты коррозии приводят к образованию трещин, ориентированных вдоль арматуры и последующему отслаиванию защитного слоя. При этом изменяется характер сцепления арматуры, с окружающим материалом. Все эти факторы снижают несущую способность и повышают деформативность армированных конструкций.
Теория расчета армированных элементов конструкций; работающих в инертной (неагрессивной) среде в настоящее время достаточно развита и обоснована, но продолжает развиваться и далее, теория же расчета конструкций, подверженных коррозии, только начинает разрабатываться и потому находится в стадии становления.. Методы расчета армированных водопропускных труб опираются в основном на нормативные документы и не учитывают многие реальные факторы, оказывающие влияние на напряженно-деформированное состояние и долговечность водопропускных труб.
Процессы коррозии бетона, стали и железобетона в агрессивных средах.с химической точки, зрения І исследованы достаточно глубоко. На сегодняшний день существуют несколько фундаментальных теорий; описывающих процессы коррозии бетона и стали. Имеется богатейший экспериментальный материал, характеризующий общие условия разрушения бетона, стали и железобетона в различных агрессивных средах. Однако следует заметить, в литературе встречаются самые противоречивые, взаимоисключающие мнения по основным вопросам коррозии этих материалов. Разногласия, очевидно, связаны со следующими причинами: во-первых, для изучения процессов коррозии железобетона необходимо длительное время; во-вторых, значительное различие существующих методов исследований: и недостаточная полнота их затрудняют взаимоувязку результатов, полученных разными исследователями.
Следует отметить, что большая работа по разработке моделей деформирования различных элементов конструкций при совместном действии нагрузок и агрессивных сред проводилась и проводится І В нескольких научных центрах страны: в Москве под руководством Бондаренко В.Мі, Соломатова В.И:, ГузееваЕ.А., в Санкт-Петербурге под руководством Санжаровского Р.Б., в Саратове под руководством5 Овчинникова И.Г. и Петрова В.В;, в Волгограде под руководством Игнатьева В.А., в Саранске под руководством Селяева ВіП.
Задача разработки корректных моделей сопротивления армированных конструкций совместному воздействию внешних нагрузок и агрессивных эксплуатационных сред имеет практический интерес, но в то же время весьма сложна, трудоемка и еще далека до окончательного решения.
Целью диссертационной работы является:
- анализ изменений, вызываемых воздействием хлоридсодержащих сред на армированные элементы конструкций транспортных сооружений, в частности, водопропускных труб;
— разработка моделей деформирования и разрушения поврежденных армированных элементов конструкций водопропускных труб; взаимодействующих с агрессивными средами при одновременном действии нагрузки;
- разработка методик определения коэффициентов построенных моделей деформирования и разрушения армированных конструкций: при работе их в агрессивных средах по экспериментальным данным;
- разработка методик расчета армированных балочных, пластинчатых и оболочечных конструктивных элементов (применительно к конструкциям водопропускных труб) с учетом воздействия, хлоридсодержащих сред, проведение численных экспериментов и, исследование влияния хлоридсодержащих сред на изменение напряженно-деформированного состояния и долговечности указанных элементов конструкций.
Научная новизна работы:
— проведен анализ экспериментальных данных по влиянию хлоридсодержащих сред на прочностные и деформативные характеристики. компонентов армированных конструкций транспортных сооружений и показан- характер неоднородной по объему деградации механических свойств;
— построена система моделей, описывающих деформирование и разрушение армированных элементов конструкций транспортных сооружений с учетом деструктирующего воздействия хлоридсодержащих сред при одновременном действии, нагрузки;
- проведена идентификация построенных моделей по экспериментальным-данным И; получен набор коэффициентов, позволяющий проводить компьютерное моделирование и исследование влияния различных факторов на напряженно-деформированное состояние, и долговечность армированных; элементов водопропускных труб;
- разработаны методики расчета армированных конструктивных элементов стержневого, пластинчатого трубчатого типа (применительно к конструкциям водопропускных труб): с учетом воздействия хлоридсодержащих сред;
- с использованием , построенных моделей проведено исследование напряженно-деформированного состояния отдельных элементов армированных водопропускных труб? и кинетики: его изменения? под влиянием агрессивной среды;
- для расчета армированных элементов конструкций водопропускных труб впервые применена деформационная теория, позволившая корректно: связать статическую; геометрическую и физическую стороны задачи;
- для расчета круглых армированных элементов водопропускных труб под насыпями применена полубезмоментная теория оболочек В.З. Власова; получена полная система разрешающих уравнений.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены ві 11 публикациях, в том числе в учебных пособиях двух вузов.
Достоверность результатов работы обеспечивается: корректной идентификацией: и верификацией построенных моделей,, сопоставлением результатов численного моделирования с рядом экспериментальных данных; а также с результатами некоторых- теоретических исследований; полученных другими авторами:.
Апробация і работы. Основные результаты работы докладывались и. обсуждались, на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Волгоградского государственного архитектурно строительного университета (2000-2004 гг.); на Всероссийских научно-технических конференциях "Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии" (г. Тула, 2000, 2002, 2004 гг.); на Международных научно-технических конференциях «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (г. Пенза, 2002, 2003 гг.); на студенческой научно-практической конференции «Молодые специалисты — железнодорожному транспорту» (г. Саратов, 2002 г.); на 12 межвузовской конференции «Математическое1 моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2002 г.); на Международной конференции «Долговечность строительных конструкций: Теория и практика защиты от коррозии» (г. Волгоград, 2002 г.); на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы строительного материаловедения» (г. Саранск, 2002 г.); на Всероссийской научно-технической конференции, посвященной» 40-летию строительного факультета Мордовского государственного университета (г. Саранск, 2002 г.); на 3-й Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций» (г. Волгоград, 2003г.), на Международной конференции «Problems of urban, construction, engineering equipment, improvement and ecology» (г. Касабланка, Марокко, 2003 г.); Всероссийской научно-технической- конференции «Актуальные вопросы строительства» (г. Саранск, 2003 г.); на VI-й международной конференции «Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте» (г. Санкт-Петербург, 2004 г.); Международной научно-технической конференции «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути и инженерных сооружений. Повышение: качества подготовки специалистов и уровня научных исследований» (г. Москва, 2004 г.). Объем работы. Диссертация, состоит из. введения, трех глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы (244 наименования) и приложений, содержит 132 рисунка, 28 таблиц. Основное содержание диссертации изложено на 157 страницах текста.
На защиту выносятся:
- система моделей деформирования армированных элементов конструкций, подвергающихся деструктирующему воздействию хлоридсодержащих сред;
-результаты идентификации построенных моделей по экспериментальным данным;
- модели деформирования нагруженных различным образом армированных стержневых и пластинчатых конструктивных элементов водопропускных труб в хлоридсодержащей среде;
- методики расчета армированных стержневых и пластинчатых конструктивных элементов с учетом воздействия хлоридсодержащих сред, а также результаты исследования влияния хлоридсодержащих сред на изменение напряженно-деформированного состояния армированных элементов водопропускных труб;
- полубезмоментная теория деформирования круглых армированных водопропускных труб, подвергающихся деструкции в хлоридсодержащей среде;
- применимость деформационной теории к расчету армированных элементов водопропускных труб с учетом совместного воздействия нагрузки и хлоридсодержащей среды.
В первой главе диссертации приведен обзор работ, посвященных расчету элементов конструкций, подвергающихся воздействию агрессивной эксплуатационной среды. Рассмотрены примеры повреждений и разрушений различных инженерных конструкций, подвергающихся воздействию хлоридсодержащих сред. Проанализированы существующие подходы к описанию поведения элементов конструкций с учетом воздействия агрессивных сред.
Во второй главе рассматриваются вопросы, связанные с моделированием поведения армированного материала, подвергающегося воздействию хлоридсодержащей среды. На основе феноменологического подхода (по экспериментальным данным) построены модели: модели проникания агрессивной среды в армированный материал; модели деформирования компонентов армированного материала; модели коррозионного износа арматуры; модели взаимодействия продуктов коррозии арматуры с окружающим материалом и образования коррозионной трещины вследствие коррозионного распухания арматуры. Произведена идентификация и верификация построенных моделей.
Третья глава диссертационной работы посвящена вопросам расчета кинетики проникания агрессивной среды и напряженно-деформированного состояния армированных конструктивных элементов, подвергающихся воздействию хлоридсодержащей среды. Получены разрешающие уравнения для стержневых, пластинчатых и оболочечных конструктивных элементов из нелинейного разномодульного армированного материала, подвергающихся воздействию афессивной хлоридсодержащей среды. Разработана методика расчета указанных конструкций и приводятся результаты численных экспериментов.
Похожие диссертации на Механика поврежденных армированных конструкций, взаимодействующих с агрессивной средой
