Введение к работе
Актуальность темы:
Стержневые и пластинчатые армированные конструктивные элементы многих ответственных сооружений (например, выполненные из железобетона, армополимербетона, других строительных композитных материалов), в процессе эксплуатации подвергаются не только силовому и температурному нагружению, но и воздействию различных агрессивных сред.
Весьма широко распространенной эксплуатационной средой, особенно для транспортных сооружений, является хлоридсодержащая среда. Основными источниками хлоридного воздействия на армированные элементы конструкций являются хлоридсодержащие средства антиобледенители (на основе каменной соли), применяемые при борьбе с гололедом на транспортных сооружениях; морская вода или солевой туман (характерный для приморской атмосферы), имеющие контакт с конструкцией; добавки - ускорители твердения (на основе хлоридных солей), ранее использовавшиеся при зимнем бетонировании.
Результаты и натурных наблюдений и экспериментальных исследований, выполненных многими авторами, свидетельствуют о том, что воздействие хлоридсодержащеи среды приводит к существенным изменениям и кратковременных и длительных характеристик материалов армированных конструкций, что вызывает изменение характера работы конструкций, снижение их долговечности. 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 мере проникания хлоридсодержащеи среды в объем конструктивных элементов происходит деградация защитного слоя и последующая 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. Кроме того в материале армированных конструкций развивается процесс разрушения, рассматриваемый как процесс накопления повреждений, приводящий к увеличению деформативности. Все эти факторы с
тажяитг н^ТУ'чуо.
РОС. н.щиоіїгшТаТ
БИБЛИОТЕКА С.-Петербург
ОЭ 200 йкт tyfy
способность, повышают деформативность и сокращают срок службы армированных конструкций.
Коррозионное растрескивание также является весьма опасным видом разрушения элементов конструкций, причем особую чувствительность к коррозионному растрескиванию проявляют стали повышенной и высокой прочности, используемые в качестве предварительно напряженной арматуры. Этот вид разрушения во многих случаях приносит значительный материальный ущерб и может быть причиной серьезных аварий. Вызванное коррозионным растрескиванием обрушение моста через реку Огайо в 1967 году после 40 лет эксплуатации, стало причиной гибели сорока шести человек, в России из-за коррозионного растрескивания арматуры произошла авария пешеходного моста в Пушкино, коррозионному растрескиванию подвергается арматура предварительно напряженного железобетонного моста через Волгу в Саратове. Особая опасность обрушений вследствие коррозионного растрескивания заключается в том, что они происходят внезапно - без каких-либо заметных внешних признаков (увеличенных прогибов, раскрытия трещин, отслоения защитного слоя), которые бы предупреждали о возможности разрушения. Коррозионное растрескивание можно определить как самопроизвольное разрушение металла при одновременном воздействии коррозионной среды и статических растягивающих напряжений при практически полном отсутствии пластической деформации. Коррозионное растрескивание вызывают растягивающие напряжения, независимо от того, каким способом они созданы. Внешне одинаково с коррозионным растрескиванием при действии растягивающих напряжений проявляется растрескивание вследствие водородного охрупчивания, причем водород концентрируется в зоне максимального объемного напряженного состояния. Вследствие наводороживания изменяются почти все механические характеристики стали. До настоящего времени не существует единой теории коррозионного растрескивания.
Теория расчета напряженно-деформированного состояния и долговечности армированных элементов конструкций, работающих в инертной (неагрессивной) среде, в настоящее время достаточно развита и обоснована, но продолжает развиваться и далее, теория же расчета элементов
армированных конструкций, особенно предварительно напряженных, подвергающихся коррозии, только начинает разрабатываться и потому находится в стадии становления. Обычные методы расчета предварительно напряженных армированных элементов конструкций опираются в основном на нормативные документы и не учитывают многие реальные факторы, оказывающие влияние на напряженно-деформированное состояние и долговечность этих конструкций.
К настоящему времени имеется богатейший экспериментальный материал, характеризующий общие условия разрушения армированных элементов конструкций и составляющих материалов в агрессивных средах. Однако различие существующих методов исследований и недостаточная полнота их затрудняют взаимоувязывание результатов, полученных разными исследователями.
Все это приводит к выводу о необходимости создания достаточно полного банка данных по результатам испытаний составляющих материалов и самих армированных конструкций и даже о создании специального открытого сайта для свободного доступа к результатам экспериментов как с целью их использования, так и с целью их пополнения.
Большая работа по разработке моделей деформирования различных элементов конструкций при совместном действии нагрузок и агрессивных сред проводилась и проводится в нескольких научных центрах страны: в Москве под руководством Бондаренко В.М., Баженова Ю.М., Соломатова В.И., Гузеева Е.А., В.И. Римшина, Б.В. Гусева, В.Ф. Степановой, A.M. Пухонто, в Санкт - Петербурге под руководством Санжаровского Р.Б., П.Г. Комохова, в Саратове под руководством Овчинникова И.Г., Петрова В.В., Иноземцева В.К., в Волгограде под руководством Игнатьева В.А., в Саранске под руководством Селяева В.П., Черкасова В.Д. и в других городах.
И хотя в указанных направлениях уже проделана определенная работа,
но в целом задача разработки и исследования корректных моделей
деформирования и разрушения нагруженных армированных (особенно
предварительно напряженных) конструкций в агрессивных
эксплуатационных средах все еще весьма сложна, трудоемка и далека до окончательного решения.
Целью диссертационной работы является:
Построение и исследование моделей деформирования и разрушения стержневых и пластинчатых армированных конструкций, подвергающихся хлоридной коррозии или коррозионному растрескиванию.
Задачи работы:
- анализ особенностей воздействия хлоридсодержащих сред и сред,
вызывающих коррозионное растрескивание на армированные, в том числе и
предварительно напряженные, элементы конструкций;
- разработка моделей деформирования и разрушения армированных
элементов конструкций, взаимодействующих с хлоридсодержащими средами
и подвергающихся коррозионному растрескиванию с использованием
деформационной теории и теории накопления повреждений;
разработка методик идентификации построенных моделей деформирования и разрушения армированных элементов конструкций в хлоридсодержащих средах и средах, вызывающих коррозионное растрескивание, по экспериментальным данным и верификация полученных результатов;
разработка методик расчета напряженно-деформированного состояния и долговечности армированных стержневых и пластинчатых конструктивных элементов с учетом воздействия хлоридсодержащих сред и коррозионного растрескивания, проведение численных экспериментов и исследование влияния хлоридсодержащих сред и коррозионного растрескивания на изменение напряженно - деформированного состояния и долговечности армированных элементов конструкций.
Научная новизна работы:
проведены систематизация и анализ экспериментальных данных по влиянию хлоридсодержащих сред и сред, вызывающих коррозионное растрескивание, на кратковременные и длительные механические характеристики компонентов армированных конструкций и показаны особенности взаимодействия и влияющие на него факторы;
для описания кинетики коррозионного растрескивания армирующих элементов предварительно напряженных конструкций предложено использовать теорию накопления повреждений, построен ряд моделей коррозионного растрескивания армирующих элементов, произведены их идентификация и верификация;
построена система моделей, описывающих деформирование и разрушение стержневых и пластинчатых армированных элементов конструкций с учетом деструктирующего воздействия хлоридсодержащих сред при одновременном действии нагрузки, а также для предварительно напряженных конструкций с учетом коррозионного растрескивания;
проведена идентификация построенных моделей по экспериментальным данным и получены наборы коэффициентов, позволяющие проводить компьютерное моделирование и исследование влияния различных факторов на напряженно-деформированное состояние и долговечность армированных элементов конструкций, как в хлоридсодержащих средах, так и в условиях коррозионного растрескивания;
разработаны методики расчета армированных (в том числе и предварительно напряженных) конструктивных элементов стержневого, балочного и пластинчатого типа с учетом воздействия хлоридсодержащих сред и кинетики коррозионного растрескивания;
с использованием построенных моделей проведено исследование напряженно-деформированного состояния и долговечности армированных конструктивных элементов стержневого, балочного и пластинчатого типа при различных схемах воздействия нагрузки и агрессивной среды;
для расчета армированных элементов стержневых и пластинчатых конструкций применен подход, основанный на сочетании деформационной теории с теорией накопления повреждений, что позволило корректно связать статическую, геометрическую и физическую стороны задачи расчета конструкций с задачей определения долговечности армированных конструкций.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 14 публикациях, в том числе двух монографиях и учебном пособии.
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 работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-
преподавательского состава Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (2001-2005 гг.); на межвузовской конференции «Разработка методов расчета, диагностики, проектирования, строительства, эксплуатации существующих и вновь создаваемых сооружений» (Саратов, 2001 г.); на Международных научно-технических конференциях «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (Пенза, 2002, 2003, 2004, 2005 гг.); на студенческой научно-практической конференции «Молодые специалисты - железнодорожному транспорту» (Саратов, 2002 г.); на Международной научно-технической конференции «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств» (Пенза, 2003 г.), на Международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» (Саранск, 2003, 2004, 2005 гг.), на Всероссийской конференции «Прогрессивные технологии в обучении и производстве» (Камышин, 2004 г.); на VI Международной конференции «Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте» (Санкт - Петербург, 2004 г.); на Международной научно-практической конференции «Развитие современных городов и реформа жилищно-коммунального хозяйства» (Москва, 2005 г.), на Международной конференции по теории оболочек и пластин (Саратов, 2005 г.).
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы (301 наименование), содержит 195 рисунков, 54 таблицы. Основное содержание диссертации изложено на 224 страницах.
На защиту выносятся:
- модели коррозионного растрескивания и коррозионного износа
армирующих элементов, результаты их идентификации и верификации;
система моделей деформирования и разрушения армированных (в том числе и предварительно напряженных) стержневых и пластинчатых элементов конструкций, подвергающихся деструктирующему воздействию хлоридсодержащих сред или коррозионному растрескиванию; результаты идентификации построенных моделей по экспериментальным данным;
применимость теории накопления повреждений к моделированию кинетики разрушения бетонных частей конструкций и коррозионного растрескивания арматуры в армированных стержневых и пластинчатых элементах
конструкций, взаимодействующих с агрессивными средами, вызывающими хлоридную коррозию и коррозионное растрескивание;
методики расчета напряженно-деформированного состояния и долговечности армированных стержневых и пластинчатых конструктивных элементов с учетом воздействия хлоридсодержащих сред и коррозионного растрескивания, а также результаты исследования влияния хлоридсодержащих сред и коррозионного растрескивания на изменение напряженно-деформированного состояния и долговечности армированных элементов конструкций;
- применимость деформационной теории и теории накопления повреждений к расчету армированных стержневых и пластинчатых элементов конструкций с учетом совместного воздействия нагрузки и хлоридсодержащей среды либо коррозионного растрескивания.
