«МЕТОДИКА УЧЕТА ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОУСАДОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ НА НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ СБОРНОМОНОЛИТНЫХ ОПОР МОСТОВ В ПРОЦЕССЕ СТРОИТЕЛЬСТВА ...»

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

(ОАО «ЦНИИС»)

На правах рукописи

Черный

Кирилл Дмитриевич

МЕТОДИКА УЧЕТА ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОУСАДОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ НА НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ СБОРНОМОНОЛИТНЫХ ОПОР МОСТОВ В ПРОЦЕССЕ

СТРОИТЕЛЬСТВА

Специальность: 05.23.11 – Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук Владимир Павлович Величко Москва - Содержание Введение …………………………………………………………………. ГЛАВА 1. Сборно-монолитные опоры в транспортном строительстве, роль тепловых процессов в технологии их сооружения и существующие методы учета термонапряженного состояния при их строительстве…………………………...… 1.1. Обзор конструкций возведенных опор……………………… 1.2. Процессы, протекающие в массиве опор и особенности их прогнозирования……………………………………………… 1.3. Обзор методов расчета термонапряженного состояния…… 1.4. Предельная растяжимость бетона, как критерий трещиностойкости сборно-монолитных опор……………… 1.5. Выводы по главе 1. Постановка цели и задач диссертационной работы…………………………………….. ГЛАВА 2. Теоретические предпосылки для расчета напряженнодеформированного состояния в процессе сооружения сборно-монолитных мостовых опор………………………… 2.1. Методика исследования температурного режима………..… 2.2. Методика исследования термонапряженного состояния…... 2.3. Учет воздействия солнечной радиации на вертикальные поверхности…………………………………………………… 2.4. Учет морозного расширения влаги в бетоне……………..… 2.5. Учет внезапных декадных понижений температуры окружающей среды…………………………………………… 2.6. Учет особенностей технологии изготовления блоков……… 2.7. Выводы по главе 2……………………………………………. ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования термонапряженного состояния сборно-монолитных опор мостов в период их сооружения……………………………………………………. 3.1. Цель и задачи исследования…………………………………. 3.2. Объект исследования и конструкция опор…………………. 3.3. Методика и оборудование для исследований………………. 3.4. Экспериментальная проверка методики расчета…………… 3.5. Результаты экспериментальных исследований…………….. 3.6. Выводы по главе 3……………………………………………. ГЛАВА 4. Влияние различных факторов на напряженнодеформированное состояние сборно-монолитных опор…… 4.1. Экзотермия бетона заполнения и особенности ее проявления…………………………………………………….. 4.2. Замерзание водонасыщенного бетона заполнения…………. 4.3. Усадка в бетоне заполнения………………………………….. 4.4. Перерывы в монтаже блоков и бетонировании…………….. 4.5. Солнечная радиация, поступающая на стенки опоры при летнем производстве работ…………………………………... 4.6. Внезапные похолодания при сооружения опоры…………… 4.7. Технологические факторы при изготовлении блоков……… 4.8. Особенности начального прогрева выставленных блоков при сооружении опор в зимний период…………………….. 4.9. Выводы по главе 4……………………………………………. ГЛАВА 5. Методика учета напряженно-деформированного состояния сборно-монолитных мостовых опор, возникающего в процессе их сооружения……………………………………… 5.1. Выявление общего подхода к учету напряженнодеформированного состояния сборно-монолитных опор мостов во время их строительства…………………………… 5.2. Учет влияния экзотермии бетона заполнения………………. 5.3. Учет влияния замерзания воды в бетоне при резких перепадах температур………………………………………… 5.4. Учет усадки в бетоне заполнения……………………………. 5.5. Учет опасности длительных перерывов в процессе строительства………………………………………………….. 5.6. Учет внезапных похолоданий во время строительства……. 5.7. Учет термонапряженного состояния в блоках во время их прогрева на монтаже…………………………………………. 5.8. Об учете дополнительных факторов………………………… ГЛАВА 6. Показатели технико-экономической эффективности применения методики учета термонапряженного состояния сборно-монолитных опор мостов……………………………. 6.1. Снижение затрат на ремонт за счет предупреждения трещинообразования путем учета факторов, негативно влияющих на термонапряженное состояние опор…………. Список использованной литературы……………………………………. Актуальность темы. Строительство мостов в северных районах, характеризуется отдаленностью от бетонных заводов и поселков, суровым климатом и большим количеством рек с ледоходом. Для строительства мостов в таких условиях эффективно использовать сборно-монолитные опоры. Контурные блоки из бетона высокого качества обеспечивают им повышенную сопротивляемость климатическим воздействиям, истирающему воздействию льда и плавающих предметов. Кроме того, по сравнению с монолитными, сборно-монолитные опоры более технологичны и экономичны в строительстве.

В то же время опыт возведения сборно-монолитных опор в суровых условиях показал, что в них зачастую появляются трещины еще на стадии строительства. Были выявлены случаи, когда эти трещины возникали вследствие проявления скрытых дефектов. Это свидетельствует о том, что технологический аспект работы опор почти не исследован и существует проблема их трещиностойкости.

Трещиностойкость сборно-монолитной опоры определяют внутренние и внешние факторы: конструктивные и технологические.

Некоторые из них, особенно те, что действуют в стадии эксплуатации, частично изучены. Однако, сам момент создания сборно-монолитной опоры, в котором имеет место иной набор факторов, не изучен.

В сборно-монолитной опоре наличие зоны контакта затвердевшего бетона блоков и твердеющего бетона ядра изменяет температурновлажностное и напряжённо-деформированное состояние (НДС) всей опоры.

В результате конструкция, представляющая собой оболочку из блоков, подвергается дополнительному термическому и силовому воздействию со стороны бетона заполнения.

Термическое и силовое воздействие формируется в зависимости от сочетания внутренних факторов (массивности опоры; свойств бетона:

водоцементного отношения, теплопроводности, теплоёмкости, предельной растяжимости и др.; экзотермии цемента; усадки бетона; темпа сооружения опоры) и внешних факторов (температуры среды, солнечной радиации, теплофизических свойств опалубки и технологического укрытия). Схема взаимодействия опоры с внешней средой от момента начала монтажа блоков внешней оболочки до момента завершения строительства, а также степень участия перечисленных факторов в формировании НДС в сборномонолитной опоре предопределили цель настоящей работы и направление проведения исследований.

Таким образом, актуальность работы состоит, с одной стороны, в значимости влияния на НДС и трещиностойкость сборно-монолитной опоры внутренних и внешних факторов на стадии ее сооружения, а с другой стороны, в отсутствии методики учёта влияния этих факторов при оценке трещиностойкости опор в процессе проектирования и разработки технологических регламентов. Применение методики на практике позволит повысить качество, исключить трещинообразование и увеличить долговечность возводимых конструкций.

Целью настоящей работы является разработка методики учета факторов, влияющих на температурно-усадочные процессы при строительстве сборно-монолитных опор для повышения их трещиностойкости.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

- провести анализ отечественного и зарубежного опыта обеспечения трещиностойкости сборно-монолитных опор;

- исследовать факторы, влияющие на трещинообразование в сборномонолитных опорах при строительстве;

- выполнить ранжирование факторов по степени их влияния на НДС сборно-монолитных опор;

трещинообразование в сборно-монолитных опорах, возникающих в процессе их строительства - предложить мероприятия по исключению или снижению влияния выявленных факторов на трещинообразование с целью учета их в процессе проектирования и строительства.

Методика проведения исследований предполагает использование теоретических и экспериментальных методов.

Теоретические методы основываются на многолетнем опыте расчетов с помощью математического моделирования теплофизических процессов и НДС с использованием программы AMGA, разработанной и используемой термонапряженное состояние различных конструкций, в том числе и сборномонолитных опор.

апробации и внедрении полученных в работе рекомендаций и проверке их достоверности, а именно, в сопоставлении полученных теоретически расчетных данных с замерами температур, определении качества и сплошности бетона на объекте строительства сборно-монолитных опор.

Измерения температур проводились с помощью термометров в заранее заложенных термометрических трубках. Исследование сплошности бетона проводилось с использованием неразрушающих методов контроля прибором А1220 «Монолит». Исследование поверхности бетона блоков проводилось с использованием ультразвукового тестера УК 1401М.

Научная новизна работы.

Разработана расчетная модель формирования НДС сборномонолитных опор в процессе их сооружения с учетом влияния температурноусадочных процессов. Данная модель учитывает геометрические параметры и разнородные свойства сборно-монолитной опоры, в том числе разный модуль упругости бетона блоков и заполнения, а также различные внешние воздействия путем задания специальных краевых условий.

растягивающих напряжений и стесненных деформаций бетона в разных частях сборно-монолитных опор от: экзотермии и расхода цемента в бетоне заполнения, влияния замерзания водонасыщенного бетона, толщины опоры, усадки бетона заполнения, технологических перерывов в бетонировании, внезапных похолоданий на стадии строительства, влияния солнечной радиации во время твердения бетона.

Впервые определена значимость каждого фактора по степени его влияния на НДС и трещиностойкость сборно-монолитных опор в процессе их строительства.

Практическая значимость.

Методика учета влияния температурно-усадочных процессов на НДС сборно-монолитных опор в процессе строительства позволяет повысить их качество за счет повышения трещиностойкости, особенно в суровых климатических условиях.

Разработаны рекомендации по снижению негативного влияния температурно-усадочных процессов на термонапряженное состояние конструктивными и технологическими приемами, а также предложения по повышению трещиностойкости опор на стадии их проектирования и строительства.

Достоверность результатов работы базируется на использовании фундаментальных положений теории тепломассообмена, применении современных методов теоретических и экспериментальных исследований, результаты которых апробированы при строительстве мостов и других транспортных сооружений, в том числе моста через пролив Босфор Восточный в городе Владивостоке. Результаты теоретических исследований подтверждаются экспериментальными данными, полученными при строительстве сборно-монолитных опор моста через реку Москва в городе Бронницы.

Практическое внедрение. Результаты работы реализованы при разработке технологических регламентов на производство работ при строительстве сборно-монолитных опор мостов через реку Ангара в городе Иркутске и реку Москва в городе Бронницы, что привело к сокращению сроков возведения объектов при высоком качестве строительства, в том числе путем исключения трещинообразования в опорах.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы представлены на заседаниях секции «Строительство и реконструкция искусственных сооружений (мосты, путепроводы, виадуки и т.п.)» Ученого совета ОАО «ЦНИИС», на «71 Научно-методической и научноисследовательской конференции в Московском автомобильно-дорожном институте (МАДИ)».

опубликованных печатных работах, в том числе 2 в журнале «Транспортное строительство», рекомендованном ВАК.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и общих выводов. Она содержит 155 страниц машинописного текста, таблицы, 64 рисунка и список литературы из 117 наименований.

строительстве, роль тепловых процессов в технологии их сооружения и существующие методы учета термонапряженного состояния при их строительстве.

1.1. Обзор конструкций возведенных опор.

Надфундаментная композитная конструкция, в поперечном сечении составленная из контурных блоков, заполненных монолитным бетоном, называется сборно-монолитной опорой (рис. 1).

Областью их применения являются средние, большие и внеклассные мосты с горизонтальным, вертикальным и горизонтально-вертикальным членением контурных блоков в опорах. Необходимо отметить преимущество применения таких опор на реках с ледоходом и лесосплавом, поскольку их поверхность устойчива к истиранию за счет высокого качества бетона блоков, изготовленных заранее. Отсутствие армирования блоков в большинстве случаев дает значительную финансовую выгоду. Однако в работе будут рассмотрены опоры, сечение которых представляет собой контур из бетонных или железобетонных блоков, ядро которого заполнено монолитным бетоном по типовому проекту № 3.501.1-150.

Качество конструкции, необходимое для сложных условий работы опор, достигается высококачественным заводским изготовлением контурных блоков. Бетон заполнения также должен отвечать высоким требованиям.

Контурные блоки изготавливают на заводах или полигоне в основном в районе строительства. Они имеют классность бетона выше, чем бетон заполнения ядра, поскольку условия эксплуатации опор, как правило, очень суровые [43].

Эффективным организационным приемом при сборном строительстве является разделение работ на две стадии: изготовление конструкций и их монтаж на мосту [54]. Учитывая, что число заводов несопоставимо меньше числа возводимых мостов, изготовление, как правило, осуществляют на полигонах, используя достаточно современную технологическую оснастку.

Самым главным преимуществом сборно-монолитных опор необходимо отметить то, что тепловыделение бетона блоков при твердении, не связанно с теплофизическими процессами в бетоне заполнения, поскольку они происходят в разные периоды времени [7, 8, 9, 10, 11].

В 1936 году профессор Н. М. Колоколов предложил сборную крупноблочную конструкцию бетонных опор больших мостов, как альтернативу гранитной облицовке [54].

В послевоенный период вся промышленность пошла по пути индустриализации и инноваций, однако сдерживающим фактором в мостостроении оставались конструкции массивных опор мостов. Активный поиск различных конструктивных решений принес свои результаты.

Было предложено отказаться от гранитной облицовки, которая очень быстро и часто приходила в негодность в основном из-за вымывания раствора швов и ненадежного закрепления камней в бетоне опор.

Свой путь развития сборно-монолитные опоры начали еще с середины 20-х годов 20 века. Сборно-монолитные опоры из блоков заводского изготовления пришли на смену опорам с гранитной облицовкой и стали конкурентоспособными с монолитными. Это объясняется тем, что процесс изготовления и устройства гранитной облицовки был на редкость сложным, требующим очень высокой квалификации рабочих камнетесов, определяющих скорость производства блоков и самих облицовочных работ.

В зимнее же время процесс значительно замедлялся из-за необходимости возведения тепляка. Ядро сборно-монолитной опоры первоначально представляло собой бутовую кладку, затем стало полностью состоять из монолитного бетона. К 50-м годам данная разновидность опор привлекла к себе значительное внимание и получила широкое распространение по всей стране [34, 43, 57, 79, 104].

В жестких климатических условиях с резко континентальным климатом, на реках с ледоходом и под воздействием эксплуатационных нагрузок длительная эксплуатация мостов подтвердила надежность и долговечность искусственной облицовки вместо гранитной.

Впервые в массовом объеме сборно-монолитные опоры были применены при возведении Мостостроем №2 средних мостов железной дороги Актогай – Госграница в 1955 г. Конструкция опор считается классической, поскольку состояла из блоков, уложенных по периметру с монолитным ядром. После этого Мостострой №2 разработал и построил сборно-монолитные опоры из блоков-оболочек высотой 37 и 47 см с минимальным количеством типоразмеров. Блоки-оболочки в основном готовились на вибростолах. Они оказались неудачными вследствие появления трещин при транспортировке и монтаже. Поэтому в дальнейшем высоту блоков было решено увеличить на 10-20 см. В некоторых случаях для опор небольших размеров применяли облицовочные блоки с наружными геометрическими размерами опор, без членения на элементы [13, 14].

конструкций перед монолитными как:

- снижение трудозатрат в связи с отказом от опалубки и подмостей, а так же вследствие большей механизации работ;

- увеличение темпов строительства (блоки облицовки из бетона по производительности труда;

- повышение качества поверхности опоры;

- качественная связь блоков с ядром опоры реализована с помощью технологических приемов (конструктивные особенности блоков, применение для связи арматурных выпусков и др.) - возможность регулировать качество блоков в зависимости от объекта строительства;

- возможность варьировать размеры опор за счет изменения общих габаритов и за счет использования конфигурации блоков.

Сами опоры классифицировались по нескольким критериям (рис. 2):

- опоры горизонтального членения (применялись на первом этапе развития);

- опоры вертикального членения;

- опоры комбинированного членения.

Рис.2. Классификация опор по расположению в них блоков:

а) горизонтальное; б) вертикальное; б) комбинированное.

Блоки опор так же имеют свою классификацию:

- используемые в качестве облицовки;

- используемые как элементы опалубки;

- используемые в качестве тела опоры.

По расположению в сечении опоры блоков подразделяют на:

- члененные по длине;

- имеющие замкнутый контур;

- коробчатого сечения;

- швеллерообразного сечения;

- двутаврового сечения;

- Т-образной конфигурации [43].

Поиски более эффективных конструкций велись постоянно. Мост через р. Иню в г. Новосибирске построили в 60-х годах с использованием армоэлементами. После проведения испытаний подтвердилась их высокая надежность.

напряженных опор показали себя хорошо, но вследствие дополнительной сложности работ по преднапряжению и усиленному армированию дальнейшее их использование было признано нецелесообразным.

За рубежом сборно-монолитные конструкции не получили такого широкого распространения, как в СССР, из-за более мягких климатических территорий [43].

железобетонных блоков позволяет получить высокопрочную и красивую поверхность опоры, исключает необходимость применения разного рода опалубки и дает возможность вести постройку массивных бетонных опор индустриальными методами. Кроме того, применение сборно-монолитных опор мостов улучшает качество бетонной кладки по следующим причинам:

водонепроницаемой оболочке из бетонных блоков, оказывается в условиях почти неизменяемого влажностного режима;

- хорошая теплопроводность бетонной опалубки обеспечивает более благоприятную температурную кривую нулевых напряжений, выгодную для последующего сопротивления бетона появлению температурных трещин.

Эти благоприятные обстоятельства значительно уменьшают усадочные и температурные напряжения в бетоне, а, следовательно, и трещинообразование.

В деле борьбы с температурными трещинами радикальным средством является строительство опор с уменьшенной массивностью. Например, в опоре шириной 3 м возможны гораздо меньшие разности температур в различных точках и меньшие температурные напряжения, чем в опоре шириной 5 м [63].

Разработкой проектов сборно-монолитных опор занималось большое количество организаций, что привело к конструктивному разнообразию сборных элементов. Начиная с середины 50-х годов, насчитывается более различных типовых проектов сборно-монолитных опор из блоков, применимость которых на одном объекте затруднялась или было невозможно вследствие их координальных различий. В некоторых случаях конструкции опор не удовлетворяли проектным характеристикам по качеству, надежности и внешнему виду. Одним из важнейших отрицательных факторов в данной ситуации являлось то, что опалубка для каждого проекта изготавливалась индивидуально и не была унифицированной, что приводило к перерасходу производительности труда. Типовые проекты опор были рассчитаны на пролеты не более 66 метров, а для больших пролетов требовались индивидуальные проекты.

Нескоординированность сказывалась на качестве, снижалась экономическая эффективность, не было выработано основной наиболее эффективной технологии производства.

совершенствования конструкций полносборных мостовых опор. Опоры данного типа характерны тем, что ядро заполняется не монолитным бетоном, а сборными бетонными блоками. Они были построены на мостах через р.

Абакан и Норильская. Но главным недостатком этих опор являлось отсутствие гарантии заполнения швов между блоками раствором. Данный вариант не приобрел широкого распространения.

При рассмотрении каждого вида блоков выявлялись существенные недостатки каждого из них:

- блоки с замкнутым контуром вследствие температурно-усадочных факторов имели большое количество трещин, кроме того, они не были универсальными;

- опоры с блоками коробчатого сечения были ограниченны по ширине, а длина менялась с большими интервалами, что не отвечало требованиям практики мостостроения;

- швеллерообразное и двутавровое сечение блоков позволяло изменять длину опоры в небольшом интервале, и было также ограничено фиксированной шириной, а так же сложностью изготовления блоков;

- опоры с Т-образным сечением были трудоемкими на монтаже вследствие увеличения числа монтажных элементов, а ширина опоры ограничивалась фиксированными размерами.

Все вышеперечисленные конструкции нуждались в унификации для дальнейшего успешного строительства мостовых опор, которые, как известно, занимают наибольшую по времени часть в возведении моста. Когда в восточных районах России (Дальний Восток и Сибирь, включая районы с сейсмической активностью) расширилось строительство, стала очевидной необходимость разработки конструкций опор для альтернативной замены гранитной облицовки.

Еще с начала 70-х годов «ЦНИИС» приступил к масштабным исследованиям этого вопроса. В основу разработок было положено три модификации блоков.

Блоки I модификации.

В основе лежат четыре типа блоков:

- прямые, для создания линейных размеров опоры;

- концевые, для носовой и хвостовой частей;

- переходные, на контакте боковых и режущих граней опор;

+ блоки для заполнения тела опоры.

Блоки имели строповочные петли, а скрепляли их между собой путем склеивания эпоксидным клеем. Каждый ряд блоков соответствует блокам предшествующего, но перевернут постелью на 180о относительно него. На практике точность установки обычно не соответствовала требованиям, и блоки стали устанавливать один на один, что приводило к образованию вертикальных клееных колонн.

Блоки II модификации.

В отличие от блоков I модификации со строповочными петлями, тут предусмотрены углубления для строповочных захватов с тыльной стороны.

Также улучшена фиксация блоков при монтаже за счет впадин, выступов и фасок. Необходимо еще отметить близкую к Т-образной конфигурацию переходного и концевого блоков, в которых отсутствуют шпоночные утолщения.

Блоки III модификации.

Основное их отличие от блоков II модификации заключается в уменьшении размеров постелей, выполненных Т-образными, а также заполнением полостей бетоном в процессе бетонирования ядра. [43] Именно эти новые конструкции пришли на смену большому количеству неудачных единичных вариантов, устранив их недостатки, и в большей степени стали соответствовать требованиям мостостроения. Все это и привело в дальнейшем к увеличению объема использования сборномонолитных опор.

Новые конструкции были разработаны ОАО «ЦНИИС» совместно с Гипротранстмостом. Все швы между блоками были на растворе и допускали установку антисейсмичной арматуры только в монолитном ядре. Для сейсмических районов была возможность устанавливать арматуру по контуру, а горизонтальные швы заполнять эпоксидным клеем. Вместе с тем кардинальные улучшения претерпела технология заводского изготовления блоков, что позволило применять жесткий бетон и получать высокие характеристики бетона по морозостойкости, водонепроницаемости и прочности.

Необходимо отметить также варианты блоков, разработанных другими организациями.

1) Блоки Мостотреста.

Это железобетонные плиты, выполненные прямыми и Г-образными – для мостов на суходолах, а с закруглением, обтекаемой формы – в водной среде. Блоки оснащены строповочными петлями.

б) Блоки II модификации.

Блоки с увеличенной шириной с железобетонными анкерными выпусками для лучшего сцепления с ядром опоры. Устранены фаски и увеличена ширина постели. Присутствуют строповочные петли. Они представлены четырьмя видами типоразмеров с прямыми, переходными и концевыми блоками.

2) Блоки Мостостроя №8 – Гипротрансмоста.

Блоки клинообразной формы в нижней части, с железобетонным анкерным выступом («сапожком») для облегчения монтажа и улучшения анкеровки с ядром опоры, расположенным с тыльной стороны. Всего насчитывается девять типов блоков с двумя типоразмерами каждый.

3) Блоки СКБ Главмостостроя – Ленгипротрансмоста.

Клинообразная в нижней части плита с опорным ребром и петлевыми выпусками арматуры с тыльной стороны, используемыми вместо строповочных петель для извлечения из опалубки. Представлены тремя типами и двумя (12 симметричных, 18 несимметричных) подтипами блоков, получаемых с использованием вкладышей в опалубке. На монтаже гребни верхних блоков входят в Т-образные канавки трапецеидальной формы верхних постелей блоков предшествующего яруса.

4) Блоки Мосгипротранса.

Блоки, с внутренними сквозными воронкообразными полостями в центральной части, вертикальными трапецеидальными пазами на боковых наружных поверхностях, выполнены в форме параллелепипеда. Выпуски арматуры, расположенные в верхней части, на монтаже входят в полости верхних блоков, и после бетонирования служат для усиления конструкции.

Существует пять типов блоков, но широкое применение получили только три из них [43].

Накопленный в ОАО «ЦНИИС» опыт строительства средних, больших и внеклассных мостов позволил выявить положительные и отрицательные особенности сборно-монолитных мостовых опор. Из недостатков можно выделить наличие большого количества швов, некачественно заполненных раствором и нерациональное использование прочностных свойств материала. После проведения досконального анализа, инициированного МПС, лучшими были признаны конструкции инв. № (Гипротрансмост) и №537 (Ленгипротрансмост).

Основываясь на этих проектах, Ленгипротрансмост разработал типовой проект унифицированных сборно-монолитных опор из контурных блоков для железнодорожных и автодорожных мостов и этим проектом впоследствии были заменены все предшествующие.

Типовой проект сборно-монолитных опор с контурными бетонными блоками инв. №3.501.1-150 «Опоры унифицированные железнодорожных мостов с применением изделий заводского изготовления» – это последний проект данной серии, утвержденный МПС (№А 190 6У). При утверждении проекта были отменены все ранее существующие проекты опор с контурными блоками из-за наличия в них существенных недостатков, в том числе применяемые в массовом количестве типовые проекты инв. №537 и №176.

Использование единого проекта на всей территории страны имело крайне благоприятные последствия, учитывая налаженное заводское изготовление блоков.

Рациональным стало применение клея в горизонтальных стыках контурных блоков, что увеличило до 6 месяцев сооружение опор без тепляков, сократило объем кладки и повысило качества работ, а также отпала необходимость порядной нивелировки после первого ряда [15].

Бетонные контурные блоки во всех проектах запроектированы больших размеров: высотой до 2 м, длиной – до 4 м. Это делалось для уменьшения общей длины всех швов. Заполнение швов предусматривалось либо цементно-песчаным раствором, либо эпоксидными составами. При использовании цементно-песчаных растворов в 90% случаев получались «пустошовки» из-за невозможности технологически обеспечить полное заполнение швов, а также из-за усадки цементно-песчаного заполнения швов, вызывающей трещины в затвердевшем растворе и нарушение сцепления с бетоном блоков. Шов был не долговечным и через 3-5 лет он имел серьезные повреждения, требующие текущего ремонта. Более высокое качество опор и их долговечность обеспечивало использование эпоксидного клея, но существенными ее недостатками являются токсичность и необходимость устройства опалубки, обеспечивающей изготовление блоков с жесточайшими требованиями по допускам на размеры.

В новом типовом проекте № 3.501.1-150 «Опоры унифицированные железнодорожных мостов с применением изделий заводского изготовления»

предусмотрено заполнение горизонтальных швов эпоксидным клеем. В нашей стране цеха по изготовлению блоков по новому проекту организованы в Перми в Мостоотряде №125 и в г. Глазов. Имеющаяся там опалубка не обеспечивает требуемую точность изготовления блоков по опалубочным размерам. Поэтому по согласованию с проектными организациями ОАО Трансмост (автор типового проекта) и филиалом ОАО «РЖД»

«Ленгипротранспуть» и ОАО «Мостдортранспроект» (авторы моста) была согласована замена эпоксидного клея на состав ЭМАКО S88 для увеличения допустимой высоты горизонтального шва до 10 мм и возможности выставлять блоки в опоре вертикально. Разная толщина горизонтальных швов по проекту: клеевых (по нормам) – 2 мм ( 1), на ЭМАКО S88 – 10 мм ( 5) потребовали внесения корректировки при назначении высоты опор.

Регулировка высоты опор производилась изменением высотных размеров подферменных тумб. Из-за новизны принятых решений и вынужденных отступлений от типового проекта в опорах моста к их возведению была привлечена лаборатория «Опор мостов» филиала ОАО «ЦНИИС» научноисследовательского центра «Мосты», которая разработала технологический регламент и на объекте строительства оценивала качество работ и перспективность принятых решений.

На однопутном железнодорожном мосту через р. Унжа на 655 км линии Буй-Свеча Северной ж.д., строящемся с 2004 года, с использованием контурных блоков запроектированы опоры №№ 1, 2, 3. Общий вид опор приведен на рисунке 3. Все опоры запроектированы двухъярусными с монолитным прокладником. Оголовки опор приняты монолитными (рис. 3).

Сооружение первого яруса и расположение блоков в конструкции представлены на рисунке 4. Новая конструкция горизонтального шва, отличная от типового проекта приведена на рисунке 5. Состав ЭМАКО S выбран исходя из следующих высоких показателей: прочность через 24 часа – около 350 кг/см2, через 28 дней – 700 кг/см2, при высоких показателях адгезии к бетону [93].

Рис. 4. Сооружение первого яруса и раскрепление блоков внутри опоры.

1.2. Процессы, протекающие в массиве опор и особенности их прогнозирования.

Для учета термонапряженного состояния сборно-монолитных опор в процессе их сооружения в первую очередь необходимо управлять температурным режимом бетонируемой конструкции [7, 19, 23 35, 59, 61, 86].

Для описания теплового процесса в реальной опоре необходимо использовать шесть параметров:

1) геометрическую форму и размеры;

2) теплофизические характеристики материала (теплоемкость, теплопроводность). Если опора состоит из нескольких материалов, то должны быть заданы границы распространения этих материалов и теплофизические свойства всех материалов;

3) закон распространения тепла внутри опоры;

4) начальные условия, т.е. должна быть задана температура опоры во всех ее точках (температурное поле) в момент начала рассчитываемого процесса;

5) температуру окружающей среды;

6) условия теплообмена на поверхности.

Рассмотрим более подробно перечисленные выше шесть параметров применительно к проблеме бетонирования реальной опоры.

Геометрическая форма и размеры. От того, насколько массивна конструкция, какова ее протяженность в длину, ширину, высоту, каково сочетание отдельных элементов, существенно зависит температурный режим. Однако общая форма и размеры конструкции заданы проектом, поэтому здесь это понятие будет распространяться на выделенную область и ее разбивку на слои, захватки, последовательность бетонирования элементов и т. п. Это является одним из главных элементов процесса учета термонапряженного состояния.

Таким образом, первой составляющей управления температурным режимом конструкции является схема разбивки на отдельные элементы бетонирования: слои, захватки и т. п.

Теплофизические характеристики материалов. Как правило, все характеристики материалов заданы в проекте, поэтому здесь требуется лишь грамотно их задать, используя справочную литературу.

Закон распространения тепла внутри опоры. Основной закон теплопроводности может быть сформулирован так: плотность теплового потока q прямо пропорциональна градиенту температур (Формула Лыкова).

элементарного объема описывается дифференциальным уравнением:

где: х, у, z – координаты в пространстве;

Т – температура тела в рассматриваемой точке;

Э, е, а, в, с – известные функции от х, у, z, Т.

нелинейные, т. е. зависят от Т. Но в случае бетона они, как правило, принимаются линейными.

В правой части уравнения (1.2.1) также имеется температура Т.

Температурный режим каждого участка зависит от того, сколько времени прошло после укладки данного слоя, когда забетонированы соседние слои захватки и т. п. Поэтому второй составляющей управления температурным режимом являются начальное время и длительность интервалов между бетонированием смежных участков.

Функция «Э» определяет дополнительный внутренний теплосъем или тепловложение (положительный или отрицательный). На практике можно существенно повлиять на температурный режим организацией дополнительного нагрева или охлаждения через заделанные в массиве бетона трубы, полости, электроды и т. п.[90, 91]. Поэтому третьей составляющей управления температурным режимом является дополнительная подача тепла внутрь массива или съем тепла из массива с помощью трубопроводов, полостей, электродов и т. п.

В данной работе теплосъем не рассматривается, а тепловложение – это экзотермия цемента. Она учитывается в программе.

Начальные условия. В рассматриваемом случае речь идет о начальной температуре бетонной смеси в момент ее укладки. Это важный параметр, который существенно влияет на последующий ход распределения температуры в опоре. Однако опыт показывает, что на практике начальную температуру трудно регулировать: на бетонных заводах она, как правило, не регулируется, а длительная транспортировка (иногда более часа) дополнительно усиливает неопределенность.

Температура окружающей среды. Наружную температуру воздуха, естественно, регулировать нельзя, но можно создавать различного рода оболочки и тепляки, внутри которых температура может регулироваться.

Условия теплообмена на поверхности. Основной показатель условий теплообмена – это термическое сопротивление на поверхности бетона. Оно складывается из термического сопротивления теплоотдачи от твердого тела к внешней среде (наружному воздуха или воде) и термического сопротивления дополнительной теплоизоляции, состоящей из опалубки, утепления, прослоек воздуха и т. п. Здесь открываются широкие возможности для управления температурным режимом: теплоизоляция может меняться по мощности и во времени (может быть постоянной и временной). Условия теплообмена определяет оснастка для бетонирования, правильная разработка которой является одной из главных задач технолога.

Таким образом, основные составляющие, с помощью которых можно управлять температурным режимом и, следовательно, термонапряженным состоянием конструкции, следующие:

1) рациональная разбивка на отдельные элементы бетонирования;

2) сокращение или увеличение длительности интервалов между бетонированием смежных участков;

3) дополнительная подача тепла внутрь массива с помощью теплогенераторов или съем тепла из массива с помощью трубопроводов, полостей, электродов и т. п.;

4) использование температуры окружающей среды (зима, лето);

5) регулирование термического сопротивления на поверхности бетонируемого элемента.

Кроме того, как уже отметилось выше, теоретически возможна регулировка теплофизических характеристик материалов, изменение расхода цемента, начальной температуры бетонной смеси и др., однако, на стадии разработки технологии изготовления уже запроектированной конструкции и в условиях сложившейся общей организации производства регулирование этими параметрами затруднительно [74, 75, 76, 77, 78, 99, 100].

2. Особенности формирования напряженно-деформированного состояния в сборно-монолитных опорах вследствие разогрева бетона в В процессе сооружения сборно-монолитных опор мостов в них могут возникать стесненные деформации и напряжения. Напряжения в бетонных массивах можно разделить на три вида.

Первый вид напряжений – это температурные, которые определяются разностью средних температур смежных по высоте блоков бетонирования.

Каждый последующий блок затвердевает при более высокой температуре, чем предыдущий. После остывания в верхнем блоке возникают растягивающие напряжения по всей его толщине, что может привести к глубоким или даже сквозным трещинам.

Второй вид – это температурные напряжения, которые определяются разностью температур между центром и поверхностью массива. Как правило, при этом возникает двузначная эпюра напряжений: в ядре массива имеет появляющиеся трещины относительно неглубокие (порядка 15 25 см).

Однако, складываясь с первым видом, суммарные растягивающие напряжения могут привести к существенному увеличению раскрытия трещин на вертикальной поверхности.

Третий вид – усадочные напряжения, возникающие за счет высыхания поверхностных слоев бетона заполнения. Они аналогичны по своему характеру температурным напряжениям второго вида.

С точки зрения учета температурно-усадочных воздействий при бетонировании и последующем выдерживании бетона можно выделить этапов.

Этап первый – от момента укладки бетона до момента набора поверхностными слоями прочности 0,25 0,30 R28. Длительность его 1 суток. К этому моменту желательно, чтобы поверхность бетона заполнения на контакте с блоками была на 15 – 20 оС холоднее ядра сечения. Это способствует повышению трещиностойкости при эксплуатации.

Этап второй – от момента окончания 1-го этапа до момента максимального разогрева ядра от экзотермии, что связано с возможностью возникновения недопустимых растягивающих напряжений и трещин на поверхности бетона заполнения.

Этап третий – начальный период остывания массива, который характеризуется набором прочности бетона и остыванием поверхности до допустимых величин. Окончание периода связано с рациональным промежутком времени между бетонированием смежных по высоте захваток (для снижения температурных напряжений первого вида).

Этап четвертый – непосредственно подготовка к разбору тепляка в зимнее время. Он определяется длительностью формирования благоприятного температурного поля, позволяющего снять тепляк. На этом этапе иногда целесообразно дополнительно утеплить поверхность для снижения «теплового удара» в первые часы после снятия тепляка.

Этап пятый – разборка тепляка. Этап начинается с момента начала снятия тепляка и заканчивается устройством дополнительной временной тепло- и влагозащиты поверхности во время дальнейшего остывания (см.

этап шестой). Для избежания «теплового удара» продолжительность этапа должна измеряться часами.

Этап шестой – второй период остывания конструкции. Он длится несколько суток до тех пор, пока разность температур поверхности опоры и воздуха не становится допустимой, после чего снимают теплозащиту.

Этап седьмой – период окончательного остывания конструкции в естественных условиях [3].

Вначале бетон заполнения сборно-монолитной опоры, разогреваясь, деформируется свободно (т.е. независимо от блоков облицовки), поскольку представляет собой пластичную смесь. Постепенно бетонная смесь твердеет и превращается в твердое тело, при этом ядро начинает работать совместно с контурными блоками, и сборно-монолитная опора работает как единая конструкция. В результате разности температур в разных ее частях возникают стесненные температурные деформации.

В момент укладки бетонной смеси с достаточной для практики точностью можно считать, что ее температура «tн» равна температуре контурных блоков. Постепенно происходит разогрев бетонной смеси за счет экзотермии цемента, при этом ее температура на t,1 выше температуры блоков. Однако и в момент укладки и в начальной стадии разогрева бетонная смесь достаточно пластична, поэтому ядро и блоки деформируются независимо. Сцепление бетона с ядром начинается вскоре после укладки бетонной смеси, однако эта связь настолько непрочная, что разрушается установлено, что бетон можно с достаточной для практики точностью считать схватившимся с блоками при достижении им прочности равной 0,25R28, где R28 – проектная прочность бетона [60, 61, 62, 63, 64, 65, 66]. В этот момент бетон достигает температуры tк, а перепад температур между ядром и блоками становится равным tк. После этого бетон может далее разогреться до температуры tmax. В этом случае разность температур между ядром и блоками будет равна t1. Далее начинается остывание ядра (после окончания твердения цемента). В какой-то промежуточный момент блоков. В этот момент условно можно принять, что температура снова равна tн.

Деформированное состояние и характер его влияния на сборномонолитную опору.

Если принять за начало отсчета 0 оС, то при достижении температуры линейного расширения. С достаточной для практики точностью он принимается равным для бетона До достижения прочности R = 0,25R28 разогреваемая за счет экзотермии цемента бетонная смесь практически не меняет объем на протяжении элементарного участка длиной l. Поскольку при разогреве происходит некоторое расширение, действие его направлено во все стороны, но объем остается постоянным и равным длине участка l.

При достижении прочности R = 0,25R28 бетон «замыкается» с блоками облицовки, и с этого момента работает с ними совместно. Таким образом, бетон ядра замыкается с контурными блоками при одинаковом объеме бетона и блоков, но при разной их температуре.

деформируется уже не как пластичное, а как упруго-пластическое тело. Если бы ядро и блоки могли бы деформироваться независимо друг от друга, то деформации ядра равнялись бы:

а у блоков остались бы прежними:

Однако, поскольку ядро и блоки уже не являются независимыми, деформации в отдельных точках сечения будут связаны между собой по определенному правилу. В соответствии с гипотезой плоских сечений поперечное сечение останется плоским, но переместится поступательно на определяться несимметричностью эпюры распределения температур по высоте. Упругие относительные деформации будут определяться разностью образом, при нагреве ядро должно было свободно расшириться на величину ( t1) по сравнению с моментом «замыкания», но более холодные блоки препятствует этому и в них возникают растягивающие деформации. В связи с этим в ядре возникают упругие деформации сжатия. Аналогично при остывании ядра в нем возникают деформации растяжения, а в блоках – стесненные деформации сжатия. В момент выравнивания температуры по сечению свободные относительные деформации определяются:

где: tк – разность температур между ядром и блоками облицовки в момент замыкания.

Термонапряженное состояние и характер его влияния на сборномонолитную опору.

Эпюра упругих напряжений « » по форме подобна эпюрам упругих относительных деформаций « ». Величина напряжений определяется зависимостью:

где: Е – модуль упругости материала для той точки, где определяется напряжение (для ядра – Ея, для блоков – Еб).

Таким образом, мы видим, что при бетонировании и в процессе набора прочности бетона сборно-монолитной опоры в результате ее разогрева и остывания на разных стадиях возникает разное по характеру напряженное состояние. В момент максимального разогрева в ядре и блоках возникают сжимающие напряжения. По мере остывания и выравнивания температур ядра и блоков в конструкции формируются растягивающие напряжения. Величина этих напряжений будет проанализирована в последующих главах, здесь же следует, забегая несколько вперед, отметить, что эти напряжения в отдельных случаях могут быть незначительными, а в ряде случаев приводить к образованию трещин в бетоне.

Момент «замыкания» имеет место обычно через сутки – двое (в зависимости от многих условий) после укладки бетонной смеси. За этот период температура сборно-монолитной опоры изменяется. Разогрев ядра по толщине происходит неравномерно: в центре нагрев более интенсивный, чем на поверхности, поскольку с поверхности происходит теплоотдача в пространство. На контакте ядра и блоков облицовки также имеет место теплообмен, поэтому по контуру опора также разогревается, но меньше чем в центре. Имеет место и еще ряд других тепловых процессов [81].

В качестве критерия оценки температурных воздействий в дальнейшем приняты как температурные (упругие) деформации, так и напряжения. Это сделано для того, чтобы необходимость пользования модулем упругости бетона, который является весьма неопределенной характеристикой бетона, колеблющейся в широких пределах, не являлась решающим фактором. Кроме того, напряженное состояние оценивается по критерию предельной растяжимости бетона Вероятность появления температурных трещин в бетонных блоках и швах опоры определяется величиной максимальных термоупругих деформации. Для определения максимальных термоупругих деформаций растяжения, кроме температурной кривой нулевых напряжений, необходимо знать наиболее невыгодное распределение температур в бетонных опорах, возможное в климатических условиях района расположения данного моста.

Расчет термоупругих деформаций и напряжений в сборномонолитных опорах производится численными методами на основе гипотезы плоских сечений.

3. Напряженное состояние сборно-монолитных опор от усадки Напряженное состояние массивных бетонных опор мостов вызывается не только температурными, но и усадочными явлениями. Однако усадка бетона распространяется на небольшую глубину бетонного массива и потому может вызывать значительные напряжения только в тонком поверхностном слое. Усадочные трещины имеют несравненно меньшую глубину и раскрытие, чем температурные трещины.

составляющих: температурной и усадочной.

максимальной и минимальной температурами, заданными в проекте:

Под собственными деформациями бетона понимают объемные деформации, связанные с температурными, влажностными или иными воздействиями на бетон при отсутствии внешней нагрузки. Наиболее проявляющийся в атмосферных условиях даже при стабильной температуре и влажности воздуха и обозначаемый общим термином «усадка».

В соответствии с современными воззрениями [2, 5, 20, 112], различают, по крайней мере, три составляющих суммарной деформации усадки бетона: контракционную, влажностную и карбонизационную усадку, происхождение которых связывают с различными физико-химическими процессами в бетоне. Контракционная усадка развивается в период наибольшей интенсивности протекающих химических реакций. Влажностная усадка определяется перемещением и испарением влаги в образовавшемся жестком каркасе цементного камня. Изменения в цементном камне, которые вызываются его частичным перерождением под действием внешней среды, способствуют развитию карбонизационной усадки [19, 20].

При изучении объемных деформаций усадки преимущественно оперируют относительными величинами линейной деформации бетона уt, которая развивается неравномерно в течение времени t с момента окончания твердения свежеуложенного бетона во влажных условиях (tо).

Усадка бетона в значительной мере зависит от массивности бетонного элемента и от влажности окружающей среды. Характер нарастания во времени усадочных деформаций при постоянной влажности окружающей зависимости:

где: t - время с момента окончания твердения свежеуложенного - параметр, зависящий от влажности и температуры окружающей среды, размеров поперечного сечения элемента и ряда - предельные (конечные) значения деформаций, которые накапу Следует отметить, что процесс усадки может протекать в зависимости от массивности бетонного элемента несколько лет (10 лет и более). Однако большая часть деформаций усадки (70 90 %) проявятся в первые 1-3 года.

Ниже излагается общий подход к расчету деформаций усадки.

формуле:

где: к1 и к 2 - коэффициенты, учитывающие фактические условия ная (при t ) относительная величина линейной деформации усадки, развивающаяся с момента окончания С учетом этих данных по формуле (1.2.8) получили следующие результаты:

Взяв за основу большее из этих двух значений 1,13 10-4 и несколько «округлив» его, получим, что конечная усадка бетонного элемента составит не более у Учитывая, что возможное снижение усадки из-за конструкционного 0,1 мм/м.

Так как явление усадки по его окончательному результату можно сопоставить с действием равномерного охлаждения бетона, а коэффициент линейного расширения бетона принимается равным 10 -5 1/оС, то можно сказать, что полученная величина усадки = 1, понижению температуры tу = 10о.

Однако, стоит отметить, что обычно принимают в 1,5 раза большую величину tу = 15о.

(учитывающий также влияние усадки), ведущий к продольным деформациям, оказывается равным:

4. Напряженное состояние сборно-монолитных опор от набухания Цементный раствор или бетон при длительном хранении в воде характеризуется набуханием, т. е. увеличением объема и веса. Это набухание обусловлено адсорбцией воды цементным камнем: молекулы воды обладают расклинивающим действием и уменьшают межмолекулярные силы. Кроме того, вода вызывает уменьшение поверхностного натяжения материала, вследствие чего также происходит некоторое расширение бетона.

Набухание сопровождается увеличением веса бетона на величину около 1% [72].

5. Напряженное состояние сборно-монолитных опор от расширения Напряженное состояние в сборно-монолитных опорах возникает при замерзании влаги в бетоне заполнении [56, 76, 95, 114].

Исследования, проведенные в России и за рубежом в последние пол века, позволили выявить общую картину и установить некоторые закономерности механизма замерзания затвердевшего бетона. При замораживании бетона в его структуре и в самой конструкции возникает напряженное состояние, вызванное следующими причинами:

а) давлением растущих кристаллов льда в цементном камне и на контактах с заполнителем;

вследствие отжатия воды из зоны замерзания;

в) гидростатическим давлением в порах и капиллярах вследствие возникающих тангенциальных напряжений растяжения в стенках капилляров;

г) различием в коэффициентах линейного расширения льда и скелета материала, т. е. цементного камня и зерен заполнителя.

В работе «Стойкость бетона и железобетона при отрицательной температуре» авторов В.М. Москвина, М.М. Капкина, Б.М. Мазура, A.M.

Подвального приведены результаты исследований температурных деформаций бетонных образцов 5 х 5 х 25 см в морозильной камере [71]. Во всех опытах с влажными образцами обнаружено аномальное расширение образцов сначала в интервале температур от - 2 до - 8 °С и затем еще более сильное расширение в интервале от - 30 до - 55 °С. Для образцов с весовой влажностью 6,2% при первом замораживании относительная деформация расширения составила s = 1·10-4, а в десятом цикле уже s = 20·10-3.

Аналогичный процесс может протекать в сборно-монолитной опоре с бетонным заполнением. В процессе повторяющихся ночных заморозков свободная влага из толщи бетона заполнения будет мигрировать к более холодной поверхности, т. е. к контакту с блоками. При этом замерзнет вода в крупных порах и капиллярах. Затем при наступлении более глубокого похолодания, процесс миграции влаги захватит более мелкие капилляры.

Лебедевым, П.И. Андриановым, Н.А. Цытовичем, М.И. Сумгиным, А.В.

Лыковым и др. [4, 67, 109].

Данные, полученные разными исследователями [35] в лабораторных условиях, показывают, что миграция воды усиливается при увеличении градиента температур, а также под влиянием цикличного многократного замораживания и оттаивания и увеличения длины образца. Так, для образцов из бетона и раствора длиной 1822 см при одностороннем охлаждении образцов превышение наибольшей влажности по отношению к наименьшей составляло от 6 до 23% (для температуры «холодного» конца от минус 12 до минус 15 °С, а «теплого» от плюс 18 до плюс 20 °С).

Насыщение влагой контактного с блоками слоя бетона заполнения в сборно-монолитной опоре может произойти также за счет сил гравитации вследствие опускания свободной воды сверху из бетона ригеля либо по неглубоким вертикальным поверхностным трещинам.

выдерживания бетона заполнения в первые двое суток, когда по сечению формируется так называемая «температурная кривая нулевых напряжений».

Эта кривая может быть выпуклой, когда в ядре сечения идет саморазогрев за счет экзотермии, а с поверхности - умеренный теплосъем. Если, наоборот, при укладке бетонной смеси в течение первых двух суток твердения бетона поверхность подвергалась усиленному прогреву, например, в зимнее время горячи воздухом от теплогенераторов, то «кривая нулевых напряжений»

получается вогнутой.

После остывания бетона и выравнивания температуры в поперечном сечении в первом случае в поверхностных слоях возникнут благоприятные сжимающие напряжения, а во втором - растягивающие, причем при определенном сочетании условий эти последние могут привести к возникновению неглубоких вертикальных трещин с наибольшим раскрытием на контакте бетона заполнения с контурными блоками [79].

6. Особенности трещинообразования в сборно-монолитных опорах.

Температурные трещины в сборно-монолитных опорах мостов чаще всего появляются примерно через год после постройки. Трещины, как правило, направлены вертикально. Такое расположение трещин объясняется тем, что при объемном распределении напряжений в опоре растягивающие напряжения в блоках оказываются бльшими в горизонтальном направлении, чем в вертикальном. Растягивающие напряжения в вертикальном направлении меньше вследствие благоприятного соотношения геометрических размеров опоры и разгружающего влияния вертикальной нагрузки от собственного веса опоры и пролетного строения. Возникновение вертикальных трещин в сборно-монолитных опорах в свою очередь создают дополнительную разрядку напряженного состояния поверхностного слоя опор, предупреждая тем самым образование горизонтальных трещин.

Наиболее опасное неравномерное распределение температур по толщине и по высоте в сборно-монолитных опорах возникает в период резких похолоданий в осенне-зимний период года. При понижении температуры бетонные блоки охлаждаются и сокращаются в размере, испытывая сопротивление ядра, сохраняющего более высокую температуру.

Вследствие этого в ядре опоры возникают сжимающие напряжения, а в блоках – растягивающие напряжения. Если растягивающие напряжения превысят предельную прочность бетона на растяжение, то в бетонных блоках могут появиться трещины даже при отсутствии каких-либо внешних нагрузок [48, 54, 92, 124, 125, 133, 136].

Наличие трещин является крайне нежелательным, и опасным для сборно-монолитных опор по следующим причинам:

1. Трещины приводят к нарушению монолитности опор и разрушению швов между блоками и, следовательно, к снижению их сопротивляемости действию внешних нагрузок.

2. Трещины способствуют увеличению водонасыщения бетона, особенно в тех зонах опор, которые увлажняются водой.

3. Трещины могут явиться как бы проводником для воды и газов.

4. Вода, попадающая в трещины и замерзающая в них, будет постепенно разрушать бетон и вызывать увеличение раскрытия трещин.

Раскрытие трещин также возрастает под влиянием периодических колебаний температуры наружного воздуха.

5. Трещины ухудшают внешний вид опор.

6. Трещины понижают эффективность мероприятий по повышению поверхностной прочности бетонной кладки опор.

цементным раствором. Под влиянием колебаний температуры и влажности окружающей среды трещины непрерывно «дышат»: их раскрытие уменьшается летом и увеличивается зимой, поэтому раствор в местах заделки трещин будет разрушаться. Кроме того, заделка трещин может создать замкнутые карманы для скопления в трещинах воды, которая при замерзании будет вызывать дополнительное разрушение бетона.

значительные трещины, является сложным и дорогостоящим, так как обычно требует проведения сложных технологических операций по инъектированию раствором тела опоры с предварительным сверлением большого количества отверстий.

Для современного мостостроения проблема борьбы с появлением температурных трещин в сборно-монолитных опорах, имеет большое значение. Устранение трещин позволит повысить прочность и долговечность сборно-монолитных опор, а так же снизить эксплуатационные расходы на их содержание и ремонт. Недостаточное внимание, уделяемое до сих пор вопросу предотвращения появления температурных трещин в сборномонолитных опорах, объясняется тем, что ухудшение их состояния в результате появления трещин сказывается не сразу, а постепенно, по прошествии некоторого времени.

В блок схеме на рисунке 6(а) показаны факторы, влияющие на НДС сборно-монолитных опор, и дана их классификация, а на рисунке 6(б) представлен принципиальный подход к выявлению наиболее опасных из них.

Рис. 6. Блок-схема: а – факторов, влияющих на НДС сборномонолитных опор; б – методики выявления наиболее опасных факторов, влияющих на НДС сборно-монолитных опор.

Воздействие всех факторов кроме экзотермии рассматривается отдельно. На экзотермию в значительной степени влияют расход цемента и толщина (массивность) опоры, поэтому они должны рассматриваться комплексно.

1.3. Обзор методов расчета термонапряженного состояния.

Расчеты температурного режима и термонапряженного состояния конструкций производили по разработанной В.П. Величко и Э.М. Гулиным в Центральной лаборатории инженерной теплофизики ОАО «ЦНИИС»

программе «AMGA». Это доработанная и усовершенствованная версия более старой программы «ZA» разработанной В.П. Величко, A.P. Соловьянчиком, и В.А. Зориной и многократно апробированный при решении целого ряда сложнейших проблемных вопросов, возникавших как при заводском изготовлении изделий сборного железобетона, так и при строительстве сооружений с применением монолитного бетона.

Программа совершенствовалась в течение многих лет в процессе решения прикладных задач, возникавших в транспортном строительстве.

Основные этапы создания программы AMGA:

1970 г. – решение системы из 12 уравнений для тепловой задачи БЭСМ-4 и параллельно на гидравлическом интеграторе В.С.Лукьянова (автор программы на языке АЛГОЛ и сравнительного исследования ее с гидравлическим интегратором В.П.Величко);

1974 г. – подпрограмма расчета полей температурных напряжений (первая публикация, автор В.П.Величко [27]);

1975 г. – программа АМГА с динамическими массивами данных и любыми граничными условиями (1976 г. – первая публикация, автор В.П.Величко [43]);

1977 г. – программа ZА010 на Фортране (В.П.Величко в соавторстве с В.А.Зориной) для ЭВМ МИНСК-32;

1989 г. – программа ZА200 для изменяемой геометрии и учетом экзотермии цемента (авторы В.П.Величко, А.Р. Соловьянчик, В.А.Зорина, З.А.Елисеева) на Фортране для ЕС ЭВМ;

1990 г. – перевод программы ZА200 с Фортрана на Паскаль для работы на персональных ЭВМ (выполнен В.А.Зориной);

облегчающей подготовку исходных данных (соавтор Л.Л. Старчевская);

2003 г. – дополнение основной программы модулем, производящим разбиение, нумерацию и расчет параметров изопараметрических элементов (соавтор Э.М. Гулин) [42].

термонапряженного состояния бетонных и железобетонных конструкций в элементах сооружений сложной конфигурации. В программе реализована возможность расчета по «ключам», с помощь которых можно регулировать постановку задач необходимые параметры получаемой информации [89].

Конечно, существуют другие программы, с помощью которых можно решить подобные задачи. В основном они все основаны на методе конечных элементов (МКЭ) [49, 50]. Кроме того, есть программы, разработанные в Центральной лаборатории инженерной теплофизики ОАО «ЦНИИС» В.В.

Пассеком, основанные на методе элементарных балансов (МЭБ), а также для учета экзотермии при разогреве бетона [74, 75, 76, 77, 78].

Специалисты в этой области есть в таких институтах как ЦНИИС (Москва), СГУПС (Новосибирск), ВНИИГ им. Веденеева (Санкт-Петербург) и в ряде других.

При разработке алгоритма и технологии решения тепловых задач использован метод гидравлических аналогий В.С.Лукьянова. Следуя этому методу, процесс представляют в виде тепловой или гидравлической модели, (изопараметрических элементов), взаимодействующих между собой и с окружающей средой. В программе AMGA значение температуры, прочности, температурных напряжений в элементе модели отождествляются со значением этой величины в его центре, а в течение каждого временного шага обмен теплом между элементарными объемами (элементами модели) происходит по закону установившегося движения. При таком представлении баланс тепла (вещества) в элементарном объеме за временной интервал (шаг) описывается обыкновенным дифференциальным уравнением.

Весь процесс изменения температур во множестве элементов описывается системой таких уравнений. В программе система уравнений формируется автоматически по исходным данным и интегрируется методом Рунге-Кутта.

Одна из ветвей программы предназначена для расчета температурных процессов в твердеющем бетоне. В ней используется подпрограмма расчета тепловыделения цемента и набора прочности бетона. Эта ветвь программы оперирует с шагом введения поправок. Как правило, его величина больше временного шага интегрирования. На каждом шагу введения поправок определяется показатель зрелости бетона (приведенное время) в отдельном изопараметрическом элементе, а по нему определяется величина тепловыделения и температурная поправка. Приведенное время – это время, в течение которого в бетоне наблюдается то же приращение прочности, если Приведенное время определяется делением фактической продолжительности шага введения поправок на переходный коэффициент, численные значения которого впервые определены В.С. Лукьяновым [60, 61]. Полученное в течение каждого интервала приведенное время суммируется с приведенным временем всех предыдущих интервалов и по найденному значению и графику зависимости прочности от времени выдерживания при температуре 20 оС находится текущее значение прочности бетона в отдельном элементе.

График задается в исходных данных и должен быть определен заранее в лабораторных условиях для данного состава бетона. Тепловыделение цемента определяется по методике, предложенной А.Р. Соловьянчиком [91].

При этом учитывается тип цемента, его расход на 1 м3 бетона, константа скорости реакции и содержание основных минералов: трехкальциевый силикат, двухкальциевый силикат, трехкальциевый алюминат, четырехкальциевый алюмоферрит.

При исследовании термонапряженного состояния железобетонных конструкций возможно применение метода конечных элементов (МКЭ) и гипотезы плоских сечений. Метод конечных элементов при решении аналогичных задач нашел применение в МИИТе, ВНИИГе им. Веденеева, СГУПСе и др. В ЦНИИСе же выбран более простой (при переходе от одной расчетной схемы к другой), более оперативный и более дешевый по затратам машинного времени метод, основанный на гипотезе плоских сечений [26, 76, 77].

Основные допущения этого метода сводятся к следующему:

одноосным (напряжения действуют вдоль ее оси, стремясь вызвать появление поперечных трещин);

- полученные расчетом напряжения хотя и могут превосходить предел трещинообразования, но расчетная схема при этом считается неизменной, а сами напряжения остаются упругими;

- краевой эффект на торцах игнорируется.

Если торцы элемента свободны, материал обладает упругими свойствами, не изменяющимися по сечению, а в начальный момент, когда температура во всех точках сечения одинакова и напряжения отсутствуют, то в любой последующий момент, когда температура изменится на какую-то величину, в конструкции появятся температурные напряжения.

В основе алгоритма расчета термонапряженного состояния в программе AMGA лежит метод Малинина-Биргера [21, 67], который оперирует с плоскими сечениями произвольной формы. Метод позволяет определить температурные напряжения, действующие в средней части протяженной конструкции в ее продольном направлении. Методика определения момента возникновения начального термонапряженного состояния и количественной оценки величины напряжения в последующие периоды существования конструкции с учетом пластических свойств бетона принята в соответствии с работами [15, 23, 24, 60, 63, 106].

трещиностойкости сборно-монолитных опор.

Трещиностойкость бетона при сжатии изучена в большей степени, чем при растяжении, поэтому последняя представляет собой практический характеристиками бетонов [53, 60, 74].

В связи с отсутствием единой методики оценки предельной растяжимости бетона и с учетом различных строительных норм и варьируется в широких пределах (7,025,0) ·10-5.

Существуют разные подходы и точки зрения по определению значений предельных деформаций бетона при изучении вопроса о предельной растяжимости бетона.

растяжимости бетона. Для большего удобства работы распределены в хронологическом порядке.

1907 год. В работах зарубежных авторов К. Баха [115], А.

Клейнлогеля [116], Е. Пробста [117] утверждается, что величина предельной растяжимости не зависит от наличия арматуры в бетоне и составляет (7,730)· 10-5.

1962 год. В работе О.П. Кварикадзе [60] отмечается, что при увеличении скорости нагружения, величина относительных деформаций растяжения, соответствующих одной и той же интенсивности нагружения имеет незначительное отличие друг от друга.

1963 год. 1) В работе Г.К. Хайдукова, В.Д. Малявского [107] отмечается, что имеющиеся данные о увеличении предельной растяжимости при армировании бетона, имеют место, при неточностях в определении экспериментальных исследованиях, сделан вывод, что величина предельной растяжимости бетона в армированных элементах независимо от процента армирования и местоположения арматуры составляет (1015)·10-5 и, следовательно, не отличается от неармированного бетона.

2) В работе Г.Д. Цискрели [108] отмечается, что величину предельной растяжимости бетона можно повысить за счет армирования, основываясь на том, что бетон является неоднородным материалом и при осевом растяжении бетонной конструкции происходит неравномерное перераспределение напряжений. В местах пор и пустот образуется концентрация напряжений, которая оказывает значительное влияние на деформации растяжения бетона.

Армирование позволяет снижать концентрацию напряжений и приводит к белее равномерному распределению деформаций растяжения бетона по сечению, тем самым приводит бетон к лучшей однородности. В работе в целом отмечается, что на величину предельной растяжимости бетона влияют следующие технологические факторы: качество цемента, заполнителя и цементного камня, условия и среда твердения, возраст и армирование.

1970 год. В исследованиях А.П. Епифанова, Л.М. Гаркуна [44] величина предельной растяжимости бетона определена с учетом градиентов деформаций. Исследования проводились на образцах подвергнутых осевому и внецентренному растяжению, на основании которых отмечается, что при градиентах деформаций по сечению образцов до (0,41,0)·10-5 1/см предельная растяжимость бетона возрастает в 1,62,0 раза по сравнению с предельной растяжимостью бетона при однородном напряженнодеформированном состоянии.

1972 год. В работе A.A. Кудрявцева [58] предельная растяжимость бетона не зависит от прочности бетона на растяжение, а зависит от времени.

1977 год. В работах A.B. Караваева [49] величина предельной растяжимости бетона определяется классом и возрастом, влажностью и скоростью нагружения, схемой загружения элемента и градиентом деформаций по сечению.

1980 год. В работе В.Е. Ящука, П.Г. Кургина [113] говорится о возрастании предельной растяжимости бетона при изгибе по сравнению с предельной растяжимостью при осевом растяжении и в значительной степени зависит от высоты изгибаемого элемента. Отмечается возрастание предельной растяжимости бетона с увеличением класса бетона.

Обзор рассмотренных выше исследований показал, что величину предельной растяжимости бетона необходимо нормировать в зависимости от прочностных и деформационных характеристик бетона [12].

1983 год. В работе О.М. Донченко, Л.Б. Гержулы [33, 34] говорится о росте предельной растяжимости бетона с 11,2·10-5 до 16,1·10-5 при повышении прочности бетона на растяжение с 2,1 МПа до 2,8 МПа.

1992 год. В работе Р.Г. Литвинова [59] отмечается рост предельной растяжимости бетона при изгибе по сравнению с предельной растяжимостью при осевом растяжении ввиду возникновения зоны предразрушения в месте образования начальной трещины вследствие микротрещинообразования [12].

2006 год. В работе Байдина О.В. отмечено, что характер распределения относительных деформаций бетона по высоте сечения сборномонолитного стержня является линейным, следовательно, применение гипотезы плоских сечений будет справедливо при расчете таких конструкций, а значение предельной растяжимости бетона в опытных сборно-монолитных балках составляет (1325) ·10-5 1/см.

В настоящее время нельзя сказать однозначно, что прочность бетона влияет на величину предельной растяжимости бетона, как нельзя сказать о влиянии скорости нагружения на деформативность бетона.

В качестве критерия трещиностойкости сборно-монолитных опор предлагается использовать предельную растяжимость бетона, для которой были приняты следующие значения: = 1,01,2·10-4 1/см (мм/м) для бетона заполнения и = 2,22,4·10-4 1/см (мм/м) для блоков соответственно.

1.5. Выводы по главе 1.

1. Сборно-монолитные опоры мостов представляют особую важность для нашей страны, вследствие расположения значительной части ее территории в северных районах с суровым климатом, с большим количеством рек с ледоходом, вследствие высокого качества бетона блоков облицовки, большей простоте, скорости сооружения и снижения затрат на строительство по сравнению с монолитными опорами.

2. Многолетний опыт проектных и строительных организаций в СССР привел к созданию типового проекта №3.501.1-150 «Опоры унифицированные железнодорожных мостов с применением изделий заводского изготовления», который сочетает все преимущества сборномонолитной конструкции опор. Появление новых материалов для заполнения швов повысило эффективность новой конструкции. Тем не менее, знание и изучение методов контроля тепловых процессов в опорах по этому типовому проекту представляет особую важность. Только благодаря правильно назначенным режимам выдерживания бетона можно получить бездефектную и долговечную опору.

3. Для оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) сборно-монолитных опор под влиянием различных физических и химических процессов предлагается использовать метод, сочетающий расчет температурных полей и полей температурных напряжений.

трещинообразование в сборно-монолитных опорах мостов зависит от протекающих в них процессов, которые играют главную роль в обеспечении качества и влияние которых необходимо оценить расчетом.

Предотвращение и снижение трещинообразования значительно повысит эффективность, долговечность и приведет к увеличению межремонтных интервалов.

5. Основываясь на анализе многолетних теоретических и экспериментальных данных, в качестве критерия трещиностойкости сборномонолитных опор предлагается использовать предельную растяжимость бетона, для которой были приняты следующие значения: = 1,01,2·10-4 1/см (мм/м) для бетона заполнения и = 2,22,4·10-4 1/см (мм/м) для блоков соответственно.

Глава 2. Теоретические основы для расчетов.

2.1. Методика исследования температурного режима.

Для расчета температурного и термонапряженного состояния сборномонолитных опор выбрана программа AMGA. Принцип проведения расчетов и основные особенности программы представлены ниже. Подлежащую исследованию область расчленяют на изопараметрические элементы, как правило, прямоугольные, но они могут иметь и форму треугольника.

Рекомендуется более мелкие элементы располагать у границ и в местах, где ожидается более резкое изменение температур. Любой элемент может иметь не более 6 связей с соседними, включая граничные условия.

Программа AMGA [25, 26, 27, 28, 29], как и предшествующая ей ZA [82, 83] позволяет убирать симметричную часть конструкции и использовать только половину для анализа и расчета. Это позволяет упростить расчетную схему и сократить количество блоков. Для этого в программе предусмотрено специальное граничное условие.

Термические сопротивления (R) на границах между элементами и их теплоемкость (С) рассчитываются программой автоматически после разбивки на элементы.

Граничные условия (изменение температуры среды) задают таблицей.

При этом они могут быть заданы прямой, ломаной, ступенчатой линиями и кривой. Начальные условия для всех элементов также задают таблицей.

При решении поставленных задач реализованы расчеты по «ключам»:

- расчет температурного поля в двумерной области (с учетом экзотермии или без);

- расчет упругих температурных напряжений на заданный момент времени, в любом несимметричном сечении, составленном из одного либо множества материалов, теплофизические и термоупругие характеристики которых не зависят от температуры и координат;

- расчет поля прочности в твердеющем бетоне.

Программа осуществляет автоматический учет экзотермии.

Уравнение баланса тепла рассматривается в виде:

Q1 - количество тепла, которое необходимо сообщить некоторому объему Q2 - количество тепла, протекающего через поверхность рассматриваемого объема за время d вследствие теплопроводности материала и тепловосприятия поверхности;

Q3 - количество тепла, выделенное вследствие экзотермии цемента за время d.

Для изопараметрических элементов, на которые разбивается область исследования, это уравнение записывается в виде:

где t m - температура m-го изопараметрического элемента (блока), для которого записано уравнение;

t1, tn - температура элементов (блоков), соприкасающихся (связанных) с тем элементом (блоком), для которого записано уравнение;

d - элементарный период теплообмена;

n - число связей элемента (блока), для которого записано уравнение, с соседними, включая граничные условия;

соприкасающимися элементами (блоками);

- теплоемкость m-го элемента, для которого записывается уравнение;

q m - тепловыделение m-го элемента.

расчленяется на N изопараметрических элементов. Их взаимодействие между собой описывается системой обыкновенных дифференциальных уравнений, аналогичных выше приведенному т.е. тепловая модель конструкции превращается в математическую модель:

где nN - количество связей m-го элемента, включая граничные условия;

предшествующий данному момент времени.

В используемой программе система уравнений типа (2.1.12) и (2.1.13) интегрируется методом Рунге-Кутта подпрограммной RKGS. Последняя автоматически выбирает шаг интегрирования d в соответствии с заданной верхней границей погрешности.

Если абсолютная погрешность в ходе расчета получается больше заданной, то шаг делится пополам. Шаг интегрирования удваивается, если точность избыточна.

Предельное число уравнений системы равно 500, граничных условий 24. Для вычисления правых частей уравнений системы составлена программа, которая учитывает схему связей между конечными элементами и последних с граничными условиями.

тепловыделения цемента и набора прочности бетона построена следующим образом.

На каждом временном шаге интегрирования по заданной температуре, вычисленной на предыдущем шаге для элемента m, определяется переходной коэффициент по формуле:

где n - показатель степени, различный для разных цементов и видов теплового воздействия.

Существует так же более сложная методика вычисления переходного коэффициента, разработанная А.Р. Соловьянчиком [82, 83] С использованием этого коэффициента определяется показатель зрелости бетона в данном элементе. Затем определяется величина тепловыделения цемента, температурная поправка для данного элемента и, наконец, его температура с поправкой.

Функция тепловыделения цемента задается в виде зависимости:

где К1 - константа скорости реакции первого порядка превращения исходного продукта в промежуточный, а К2 - эквивалентная константа скорости реакции, позволяющая учитывать влияние порядка реакции на скорость ее протекания, задавая значения которой можно приблизить расчетные данные по тепловыделению к экспериментальным на начальном этапе твердения бетона [90];

Эmax - максимально возможная расчетная величина тепловыделения кг цемента (ккал/кг), вычисляемая как:

П С3 А, П С3S, П С4 АF, П С2 S - процентное содержание клинкерных минералов в цементе.

Показатель зрелости (приведенное время твердения) бетона в изопараметрическом элементе с номером m определяется по формуле:

где - продолжительность i-го временного интервала (выбирается исходя из допустимой погрешности).

Приведенное время – это время, в течение которого в бетоне наблюдается то же приращение прочности, если бы он твердел в определяется делением фактической продолжительности шага введения поправок на переходный коэффициент, численные значения которого впервые определены В.С.Лукьяновым [61]. Полученное в течение каждого интервала приведенное время суммируется с приведенным временем всех предыдущих интервалов и по найденному значению и графику зависимости прочности от времени выдерживания при температуре 20 оС находится текущее значение прочности бетона в отдельном элементе. График задается в исходных данных и должен быть определен заранее в лабораторных условиях для данного состава бетона. Методика определения величины тепловыделения цемента предложена А.Р. Соловьянчиком [91].

тепловыделения цемента определяется по формуле:

где Ц - расход цемента, кг/м3;

Температурное приращение на i-ом шаге составит:

Температура бетона на i + 1 шаге изопараметрического элемента m вычисляется по формуле:

гарантирующие устойчивость решения:

где Cmin, Cmax - минимальное и максимальное значение теплоемкости блока;

сопротивления между двумя соседними балками;

— требуемая точность вычисления температур.

После автоматической разбивки на блоки элементы рассчитывают теплоемкости каждого из них по формуле:

Суд - удельная теплоемкость материала блока;

- плотность материала;

В последующем рассчитывают термические сопротивления для внутренних и наружных, пограничных элементов используя формулы:

где lm, lk - расстояние от центра соответствующего элемента до поверхности контактных элементов m и k;

m, k - теплопроводность материалов в элементах m и k;

F - площадь контакта между элементами иди со средой;

к - коэффициент теплоотдачи с поверхности в среду [29, 98].

Если известен характер роста прочности бетона данного состава в изотермических условиях при нормальной температуре (20оС), то программа составит прогноз прочности бетона в отдельных элементарных объемах от момента укладки бетонной смеси до любого конечного момента времени.

Следует отметить, что программный комплекс AMGA позволяет учесть реальную тепловую ситуацию, при которой происходит твердение бетона в закономерностями [77] имеется возможность задать разные граничные условия сверху - над тепловлажностным покрытием с учетом ветра и солнечной радиации на горизонтальную поверхность и т.д. Выходные данные (значения роста прочности и изменения температуры бетона) выдаются на экран компьютера и на печать в виде графиков в заданные моменты времени в объеме, соответствующем постановке задачи. Далее для интересующих моментов времени с помощью программного комплекса MATLAB строятся поля температур и напряжений.

2.2. Методика исследования термонапряженного состояния.

Для определения температурных напряжений в брусе любого сечения Малининым Н.Н. и Биргером И.А. предложена формула [21, 67]:

Где верхним индексом помечены моменты относительно приведенных Если заменить интегралы суммами (что необходимо при переходе от сплошного сечения к сечению, расчлененному на элементарные блоки), выражения величин, входящих в формулы (2.1.26) примут вид:

жесткости;

– коэффициент температурного расширения материала в i-м элементарном блоке;

Ei – модуль упругости материала в том же блоке в рассматриваемый момент времени;

ti – средняя температура элементарного блока с номером i.

определяются углом поворота, который находится из выражения:

J xn, J y – главные осевые моменты инерции термоупругой жесткости относительно центральных осей О ц - Х ц и О ц - У ц.

Значения J y и J xц определяются по формулам:

где hi – размер элементарного блока в направлении, параллельном оси абсцисс;

li – то же в направлении оси ординат;

yiц – координаты центра тяжести i-го элементарного блока в тяжести сечения.

Положение центральных осей определяется в произвольно выбранной системе координат О п в - Х п в и О п в - У п в отрезками a и b по формулам:

Модель строится следующим образом. Сечение мысленно разбивают на элементарные блоки: прямоугольники, прямоугольные треугольники, круги или эллипсы. Каждый из них должен быть задан координатами центра тяжести (в системе координат О п в - Х п в и О п в - У п в ) и размерами hi, li. Для прямоугольников - это его стороны, для треугольников - катеты, для кругов и эллипсов - диаметры. Для отверстий один из размеров (hi или li) должен быть отрицательным. Заданные координаты центров тяжести элементарных блоков автоматически пересчитываются в центральной системе (О ц - Х ц и О ц - У ц ) с учетом переноса осей в центр тяжести сечения, а затем в главной центральной (О г л - Х г л и О г л - У г л ) уже с учетом поворота осей и центра тяжести на угол. Последний пересчет выполняется по формулам:

Главные осевые моменты инерции термоупругой жесткости в третьей системе координат определяются по формулам:

Если модель построена верно, то должна удовлетворяться проверка:

где + и – – соответственно напряжения со знаком + и знаком –.

Описанный алгоритм реализован в программе AMGA.

2.3. Учет воздействия солнечной радиации на вертикальные поверхности.

состояния сборно-монолитных опор было учтено воздействие солнечной радиации на опору по методике [85] разработанной в ЦНИИСе В.П. Величко и В.А. Паталеевым под руководством В.С. Лукьянова и Н.А. Цуканова.

Для открытого положения вертикальной стенки уравнение солнечного радиационного баланса имеет вид:

поверхности, (ккал/см2)/мес;

Sb – прямая среднемесячная солнечная радиация, поступающая на вертикальную поверхность;

D и Q – среднемесячные суммы рассеянной и суммарной солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность;

– альбедо вертикальной поверхности сооружения;

E – эффективное излучение земной поверхности при температуре ее, равной температуре воздуха;

S – коэффициент, характеризующий отличие свойств излучения данной поверхности от свойств абсолютно черного тела;

– постоянная Стефана-Больцмана;

c – температура вертикальной поверхности сооружения;

n – температура поверхности почвы;

0,5E и 2S 3(2c-n-) – длинноволновые составляющие.

При условии c=n= уравнение (2.3.42) приобретает вид:

Для учета поступления сумм прямой солнечной радиации на вертикальные поверхности опоры наиболее целесообразно пользоваться коэффициентами, позволяющими переходить от сумм прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность к суммам прямой солнечной радиации на вертикальную:

где: Sг – прямая солнечная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность;

m – коэффициент перехода от сумм прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность к суммам прямой солнечной радиации на вертикальную.

Значения коэффициентов даны в рекомендациях [85] в виде таблиц по месяцам.

Для расчета был принят район Московской области город Бронницы (на 5525' северной широты), в котором проходило строительство сборномонолитных опор. В соответствии с исследованиями [63] Москва и область подвержены большим по значению и более резким перепадам температур, чем в районах крайнего севера. В упомянутой [63] работе установлено, что для мостовых опор наиболее опасны декадные похолодания.

Среднемесячные суммы солнечного радиационного баланса q для каждого месяца определяются на основании выражения (2.3.42).

Составляющие этого выражения и коэффициент m для 5525' северной широты находятся по таблицам 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 9 путем интерполяции.

Альбедо и по таблице 8 [85].

Увеличение среднемесячной температуры воздуха за счет действия солнечной радиации на вертикальной поверхности tм определяется как частное от деления среднемесячной суммы солнечного радиационного баланса q на коэффициент тепловосприятия 1.

Результаты расчетов удобно оформлять в табличной форме [85].

2.4. Учет морозного расширения влаги в бетоне.

Негативные последствия от замерзания свободной воды в опоре могут быть следующими: вследствие цикличного замораживания и оттаивания бетон заполнения на контакте с блоками становится более хрупким, разрушается, что приводит к заполнению пустот еще большим количеством воды и, в дальнейшем, к еще большими напряжениям. Вода может попасть в некачественные или дефектные швы, а так же от молекулярного подсоса в опорах находящихся в воде. Это в конечном итоге может привести к выщелачиванию значительной части бетона заполнения, а так же к выпадению блоков облицовки вследствие потери крепления к телу опоры.

долговечности опор, а так же дорогостоящему ремонту.

В бетоне всегда остается часть химически несвязанной воды (до литров воды на 1 м3 бетона) [110]. Вода, замерзая, увеличивается в объеме в среднем на 9% [71]. Для оценки воздействия данного фактора задачу расширения. Обозначим температуру «сухого» бетона t1, а температуру замерзшего «влажного» бетона - t2. Обозначим обычную относительную температурную деформацию бетона:

замерзающего бетона и зададим ее значение из приведенных в 1 главе в пункте 1.2 экспериментов:

Приравняем ту и другую деформации и из равенства определим температуру t2:

количественно соответствует температурному расширению «сухого» бетона при повышении температуры последнего на 200 °С [29].

2.5. Учет внезапных декадных понижений температуры окружающей среды.

Для расчета максимальных термоупругих деформаций растяжения в распределение температуры в теле опоры, от воздействия климатических условиях, характерных для места расположения рассматриваемого моста.

максимальной амплитудой годового хода среднемесячных температур (Аг) и максимальной ординатой возможного декадного отклонения от годового хода среднесуточных температур (Ад). При этом положение декадного отклонения принято совпадающим по времени с наиболее неравномерным распределением температур в массиве от изменения среднемесячных температур воздуха. Для расчета наибольший интерес представляют именно внезапные декадные понижения (рис. 7). С целью определения величин Ад составлены карты территории России и СНГ с изолиниями (рис. 8).

Рис. 7. Схема амплитуды годового хода среднемесячных температур и декадного отклонения от нее.

Интерес представляет декадное отклонение и расчет его влияния на опору.

Рис. 8. Карта территории России и СНГ с изолиниями. [63, 99].

2.6. Учет особенностей технологии изготовления блоков.

Расчеты проведены для типового проекта 3.501.1-150, который учел замечания и предложения предшествующих и является в настоящий момент одним из лучших проектов.

Необходимость применения сборно-монолитных опор мостов [14] была вызвана суровыми условиями эксплуатации: суровые климатические условия, мощный ледоход. В условиях круглогодичного строительства в первую очередь необходимо определить место для изготовления блоков облицовки и пути доставки к объекту. Блоки (рис. 10 и 11) либо изготавливают на заводах, либо используют специальный мобильный цех (рис. 9), который оперативно собирается около моста и обеспечен необходимой технологической оснасткой и оборудованием, а так же материалами и приспособлениями, освещен и обеспечен теплом. Так же в цеху предусмотрена камера-отстойник готовых блоков, где они добирают необходимую прочность после распалубки.

Рис. 9. Мобильный цех для производства блоков.

Основная задача состоит в необходимости изготовления большого количества блоков в сжатые сроки при порой суровой и продолжительной зиме на бездорожье и вдали от населенных пунктов.

Типовым проектом предусмотрено применение блоков трех типов (рис.

10 и 11): концевых, переходных и прямых. Размеры блоков по лицевой поверхности изменяются, образуя девять основных типоразмеров. Высота блоков принята 1.5 м, толщина 0.7 1.0 м (прямых – 0.8 м).

Блок 3к 11. Блок 3к 14. Рис. 10. Разновидности контурных блоков (вид сверху) Рис. 11. Разновидности контурных блоков: а – прямой, б – переходной, в – концевой.

В зимний период времени помещение (рис. 9) обогревается.

Температура в помещении: зимой не ниже плюс 10оС, летом не выше плюс 20оС. Бетонирование блоков осуществляют лицевой поверхностью вниз для обеспечения гладкости поверхности. Бетонирование осуществляется партиями. Отпускная прочность бетона блоков на монтаж облицовки: зимой – 100%, летом – 70%.

После укладки бетона верхняя открытая поверхность бетона укрывается влагозащитной пленкой и устанавливается термоколпак как общее укрытие.

Выдерживание бетона блоков в формах, включает предварительную выдержку, управляемый подъем температуры и управляемое охлаждение, осуществляемое в течение 2,5 … 3-х суток.

Предварительная выдержка продолжается 10 12 часов. В это время начинается естественный саморазогрев бетона. К концу предварительной выдержки его температура за счет экзотермии цемента повышается на 20 оС.

Управляемый подъем температуры бетона забетонированных блоков осуществляется за счет повышения температуры среды теплогенераторами до 50°C под термоколпаком.

температура в блоке продержится 3-4 часа. Ускорение процесса охлаждение бетона блоков осуществляют принудительно за счет понижения температуры в летнее время со скоростью 5-6°C/час либо 4 ступенями, периодически отключая теплогенераторы. Так же используют вентиляторы с забором воздуха снаружи колпака. При отрицательной температуре наружного воздуха охлаждение блоков осуществляют за счет использования внешнего холодного воздуха непрерывно со скоростью 1-2 °C/час либо 4-5 ступенями в течение 48 часов (при наружной температуре до минус 30°C). В холодный период года после набора бетоном требуемой прочности для предупреждения появления температурных трещин последовательное отключение тепловых генераторов допускают при условии обеспечения скорости снижения температуры воздуха под колпаком равной скорости снижения температуры остывающего бетона. Перед распалубкой снимают термоколпак.

Для добора прочности блоки переставляют в камеру-отстойник. Там блоки складируют в два яруса по высоте в целях экономичного использования площади цеха. В этой камере блоки укрывают утепленными мягкими колпаками. Предпочтительна более высокая температура, при которой сроки «дозревания» могут быть сокращены. Однако это может удлинить последующее охлаждение перед выдачей готовых блоков зимой на открытую площадку хранения.

Распалубку производят через 2,5 3 суток. Перед распалубкой снимают мягкий колпак при разности температур под колпаком (укрытием) и в цехе не более 20°C. Раскрытие форм производят при разности температур блока (внутри и на поверхности) не более 15 20 °C и прочности бетона не менее 50 % R28. Распалубку начинают с более массивных блоков.