Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тема:

Прочность и деформативность железобетонных несущих конструкций при агрессивных воздействиях окружающей среды

(Экспериментальная база. Оценка сопротивления на основе математических моделей. Экспериментальное обоснование. Мониторинг эксплуатации)

Гарибов Рафаил Баширович

Пенза - 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет»

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Овчинников Игорь Георгиевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Болдырев Геннадий Григорьевич

доктор технических наук, профессор Римшин Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор Мирсаяпов Илизар Талгатович

Ведущая организация - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета архитектуры и строительства.

Ученый секретарь диссертационного совета В.А. Худяков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Многие инженерные сооружения различного назначения, выполненные из бетона, железобетона подвергаются совместному воздействию эксплуатационных нагрузок, температуры, различных агрессивных сред и физических (радиационных) полей. Причем в ряде случаев преобладающим видом воздействия является какой-то один вид агрессивной среды либо физического поля. Довольно широко распространенным видом агрессивных сред является хлоридсодержащая среда, источником появления которой служат средства-антиобледенители, применяемые при борьбе с гололедом на транспортных сооружениях; морская вода либо солевой туман, имеющие контакт с конструкцией. Также распространенным видом сред, с которыми контактируют железобетонные конструкции, являются сульфаты, встречающиеся в промышленном производстве (в коксохимическом производстве побочным продуктом является сульфат аммония; в промышленности основной химии производство серной кислоты занимает ведущее место и виды производств, в которых используется серная кислота и ее соли, весьма многочисленны; промышленность минеральных удобрений, целлюлозная, металлическая и многие другие отрасли широко используют растворы серной кислоты и ее солей), сульфаты также встречаются в природной среде (грунтовых водах, морской воде и др.), причем нередко они действуют совместно с хлоридами.

Многие конструкции в последнее время оказались в зоне воздействия радиационных факторов. К примеру, конструкции в зоне действия последствий аварии на Чернобыльской АЭС, различные несущие конструкции ядерных реакторов, конструкции могильников и хранилищ, служащих для складирования отработанного топлива и захоронения других радиоактивных отходов.

Многочисленные результаты экспериментальных исследований и натурных наблюдений свидетельствуют о том, что воздействие агрессивных и радиационных факторов приводит к существенным изменениям механических свойств материалов конструкции, а в некоторых случаях к изменению характера работы самой конструкции. Например, по мере воздействия радиации изменяются свойства и матрицы и арматуры, происходит распухание материалов. Во многих случаях изменение свойств материала во времени носит необратимый характер и зависит от условий деформирования и взаимодействия со средой. В результате воздействия агрессивных и радиационных факторов напряжённо-деформированное состояние конструкции изменяется, а срок жизни уменьшается.

Теория расчета железобетонных элементов конструкций, работающих в инертной (неагрессивной) среде в настоящее время достаточно развита и обоснована, но продолжает развиваться и далее в направлении учета запроектных воздействий, расчетной оценки долговечности и живучести конструкций, теория же расчета конструкций, подверженных воздействию агрессивных и радиационных сред, несмотря на длительный период взаимодействия конструкций с этими факторами, только начинает разрабатываться и потому существующие различные методики расчета конструкций, работающих в агрессивных и радиационных средах, имеют частный характер, основываются на выведенных авторами формулах с коэффициентами, определяемыми на основании опытных данных.

Следует отметить, что значительные исследования по разработке моделей деформирования различных конструкций при совместном действии нагрузок, агрессивных и радиационных сред проводились и проводятся в различных научных центрах страны: в Москве под руководством Бондаренко В.М., Гусева Б.В., Соломатова В.И., Гузеева Е.А., Степановой В.Ф., Римшина В.И., Пухонто Л.М., в Санкт-Петербурге под руководством Санжаровского Р.Б., в Саратове под руководством Овчинникова И.Г., Петрова В.В., в Волгограде под руководством Игнатьева В.А., в Пензе под руководством Королева Е.В и других городах.

Задача разработки корректных моделей прочности и деформативности несущих бетонных, железобетонных, конструкций в условиях совместного воздействия внешних нагрузок, агрессивных и радиационных эксплуатационных сред имеет весьма значительный научный и практический интерес, но в то же время весьма сложна, трудоемка и еще далека до окончательного решения.

Целью диссертационной работы является:

- анализ изменений, вызываемых воздействием агрессивных (хлоридсодержащих и сульфатсодержащих) и радиационных сред на железобетонные элементы конструкций;

- развитие общего подхода к построению моделей сопротивления железобетонных элементов конструкций воздействию агрессивных условий эксплуатации при одновременном действии нагрузки;

- разработка методик идентификации моделей сопротивления железобетона воздействию агрессивных и радиационных сред по экспериментальным данным;

- построение моделей деформирования нагруженных различным образом железобетонных стержневых и пластиночных конструктивных элементов в различных агрессивных средах и радиационных полях;

- разработка методик расчета сжимаемых и изгибаемых железобетонных стержневых конструктивных элементов, а также изгибаемых пластиночных элементов с учетом воздействия агрессивных сред и радиационных полей, проведение численных экспериментов и исследование влияния хлоридсодержащих и сульфатсодержащих сред, а также радиационных полей на изменение несущей способности и долговечности указанных элементов конструкций;

- разработка основных принципов организации мониторинга эксплуатации железобетонных несущих конструкций при агрессивных и радиационных воздействиях окружающей среды.

Научная новизна работы:

- в результате систематизации и анализа большого количества экспериментальных исследований проанализировано влияние хлоридсодержащих и сульфатсодержащих сред, а также радиационных полей на прочностные и деформативные характеристики компонентов железобетона и показан характер неоднородной по объему деградации механических свойств для разных видов агрессивных сред и радиационных полей;

- развит общий подход к построению моделей сопротивления железобетонных элементов конструкций воздействию агрессивных и радиационных условий эксплуатации, основанный на использовании деформационной теории железобетона и методе структурных параметров; разработана методика идентификации моделей сопротивления железобетона воздействию агрессивных и радиационных сред по экспериментальным данным;

- на основе анализа экспериментальных данных построены модели сопротивления железобетонных элементов конструкций воздействию хлоридсодержащих и сульфатсодержащих сред при одновременном действии нагрузки; для этих моделей определены значения коэффициентов по имеющимся экспериментальным данным;

- построены модели сопротивления фибробетонных и железобетонных элементов конструкций воздействию радиационных полей, проведена их идентификация;

- построены модели деформирования нагруженных различным образом железобетонных стержневых и пластиночных конструктивных элементов в хлоридсодержащих и сульфатсодержащих агрессивных средах, а также радиационных полях;

- разработаны методики расчета сжимаемых и изгибаемых железобетонных стержневых конструктивных элементов, а также изгибаемых пластиночных элементов с учетом воздействия агрессивных и радиационных сред, с использованием которых проведено исследование влияния хлоридсодержащих и сульфатсодержащих сред, а также радиационных факторов на изменение несущей способности и долговечности стержневых и пластиночных элементов конструкций.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 45 публикациях, в том числе 4 монографиях, 3 учебных пособиях, 7 работах в журналах по Перечню ВАК РФ.

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.

Внедрение результатов. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с проблемой 01В08 «Развитие теории деформирования и разрушения конструкций, взаимодействующих с агрессивными средами», а также проблемой 09В02 «Совершенствование методов диагностики, расчета, проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений» программы 09В: «Решение проблем архитектуры, строительства и транспортных сооружений и коммуникаций Саратовского Поволжья».

Разработанные модели сопротивления железобетонных конструкций, методики и алгоритмы расчета используются аспирантами строительных вузов в научной работе, при чтении лекций студентам строительных вузов и факультетов, а также при написании учебных пособий.

Теоретические исследования и численное моделирование выполнялось автором самостоятельно и совместно с аспирантами и соискателями кафедры «Мосты и транспортные сооружения» Саратовского государственного технического университета Р.Р. Инамовым, А.И. Овчинниковой, А.В. Маторой, И.И. Овчинниковым, Л.С. Согоцьяном, А.В. Феоктистовым, А.В. Межняковой, А.Н. Марининым которым автор выражает искреннюю благодарность.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского государственного технического университета (1999-2005 гг.); на Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии" (Тула, 2001 г., 2002 г., 2003 г., 2004 г., 2005 г., 2006г., 2007г.); на международной конференции Architecture, civil engineering and ecology (Spain, Barcelona, 2002 г.); на двенадцатой межвузовской и торой Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2002 г, 2004 г.); на Второй международной конференции «Advances in structural engineering and mechanics» (Корея, Пусан, 2002 г.), Международной конференции «Долговечность строительных конструкций: Теория и практика защиты от коррозии (Волгоград, 2002), международной конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (Пенза, 2003 г., 2004 г, 2005 г.), Международной научно-практической конференции «Защита от коррозии в строительстве и городском хозяйстве» (Москва, 2005 г), XXI международной конференции по теории оболочек и пластин (Саратов, 2005 г.), международных научных конференциях «Актуальные вопросы строительства» (Саранск, 2003 г, 2004 г, 2005 г., 2006 г., 2007 г.).

В целом диссертационная работа докладывалась на расширенном заседании кафедры “Мосты и транспортные сооружения” Саратовского государственного технического университета (г. Саратов, 2008 г.).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, основных результатов и выводов, списка литературы (335 наименований), и содержит 123 рисунка, 58 таблиц. Основное содержание диссертации изложено на 289 страницах машинописного текста.

На защиту выносятся:

- общий подход к построению моделей сопротивления железобетонных элементов конструкций воздействию агрессивных и радиационных условий эксплуатации, основанный на использовании деформационной теории железобетона и методе структурных параметров; методика идентификации моделей сопротивления железобетона воздействию агрессивных и радиационных сред по экспериментальным данным;

- модель сопротивления железобетонных элементов конструкций воздействию хлоридсодержащих сред;

- модель сопротивления железобетонных элементов конструкций воздействию сульфатсодержащих сред;

- модель сопротивления железобетонных элементов конструкций воздействию радиационных полей;

- модели деформирования нагруженных различным образом железобетонных стержневых и пластиночных конструктивных элементов в различных агрессивных и радиационных средах;

- методики расчета сжимаемых и изгибаемых железобетонных стержневых конструктивных элементов, а также изгибаемых пластиночных элементов с учетом воздействия агрессивных и радиационных сред, а также результаты исследования влияния этих сред на изменение несущей способности и долговечности стержневых и пластиночных элементов конструкций.

Автор приносит свою искреннюю благодарность Заслуженному деятелю науки РФ, доктору технических наук, профессору Овчинникову Игорю Георгиевичу за постоянное внимание, консультации и советы, которые оказали неоценимую помощь при выполнении работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, дается краткое описание отдельных ее глав, характеристика научной новизны, достоверности и обосновывается ее практическая ценность.

В первой главе диссертации рассмотрены характерные агрессивные эксплуатационные среды, радиационные факторы, их характеристики и особенности их влияния на кратковременные и длительные механические характеристики бетона и арматуры. Рассмотрены условия работы и примеры повреждений и разрушений конструкций под воздействием хлоридсодержащих и сульфатсодержащих сред. Затем рассматриваются особенности проникания хлоридов в железобетонные конструкции, влияние хлоридов на кратковременные и длительные свойства бетона, на механические свойства на коррозионный износ арматуры, на сцепление арматуры с бетоном.

Приводится анализ экспериментальных данных по кинетике проникания сульфатсодержащих сред в бетонные и железобетонные конструктивные элементы; по химическому взаимодействию проникшей сульфатсодержащей среды с бетоном; по влиянию сульфатсодержащей среды на механические свойства бетона; по кинетике коррозионного износа стальной арматуры в сульфатсодержащей среде. На рис. 1 приведены результаты испытаний бетонных образцов после воздействия на них в лабораторных условиях 5%-го раствора сульфата натрия в течение 3, 150, 310, 577 и 940 суток (А.И. Попеско).

Анализ экспериментальных данных выявил особенность взаимодействия сульфатсодержащей среды с железобетоном, которая заключается в том, что среда оказывает влияние на бетон и арматуру посредством различных факторов. Коррозионное поражение арматуры зависит непосредственно от уровня концентрации сульфат-ионов SO₄^2-, проникших в тело бетона в районе расположения арматуры. Основное же воздействие на механические свойства бетона сульфатсодержащая среда оказывает в процессе ее химического взаимодействия с цементным камнем, в результате которого образуется твердый осадок, по объему превышающий объем исходных веществ.

Далее в работе проводится анализ экспериментальных данных по влиянию радиационных сред на поведение материалов и конструкций, рассмотрено влияние радиационного облучения на кратковременные и длительные механические характеристики бетонов, металлов. Анализ этих экспериментальных данных показывает, что по мере увеличения дозы облучения изменяются модуль упругости материала, диаграмма деформирования, характер кривых ползучести и длительной прочности. На рис. 2 схематично показано изменение диаграммы деформирования бетона под влиянием радиационного облучения. Характер изменения секущего модуля =/ по мере увеличения дозы Ф показан на рис. 3. Кинетика изменения радиационной деформации (распухания) показана на рис. 4. На этих рисунках Ф_1пор и Ф_2пор - пороговые дозы облучения, по достижении которых начинается изменение механических характеристик и появляется распухание.

Рис. 1. Результаты испытаний бетонных образцов после воздействия на них в лабораторных условиях 5%-го раствора сульфата натрия в течение 3, 150, 310, 577 и 940 суток

Рис. 2. Схема изменения диаграммы деформирования бетона под влиянием радиационного облучения

Рис. 3. Характер изменения секущего модуля по мере увеличения дозы Ф

Рис.4. Кинетика изменения радиационной деформации (распухания) (схема)

Вторая глава диссертации посвящена обзору и критическому анализу существующих подходов к оценке сопротивления железобетонных элементов конструкций воздействию агрессивных и радиационных эксплуатационных сред и нагрузок. Рассмотрены способы учета влияния агрессивных сред на поведение железобетонных конструкций, а также существующие подходы к описанию поведения элементов конструкций с учётом совместного воздействия радиационных сред. Приведен обзор работ по моделированию и расчету элементов железобетонных конструкций с учетом воздействия различных агрессивных эксплуатационных сред. Проблемам экспериментального исследования и теоретического анализа поведения железобетонных конструкций в условиях воздействия различных агрессивных сред посвящены работы С.Н. Алексеева, В.М. Бондаренко, В.И. Римшина, Е.А. Гузеева, А.С. Залесова, Ф.М. Иванова, Н.И. Карпенко, В.М. Москвина, А.Ф. Полака, А.И. Попеско, В.Б. Ратинова, Н.В. Савицкого, В.Б. Гусева, В.Ф. Степановой, В.А. Игнатьева, N.S. Berke, P.D. Cady, K.C. Clear, J. Jambor, C.M. Hanson, S. Modry, S. Morinaga и многих других авторов. В отдельную группу выделены работы В.В. Петрова, И.Г. Овчинникова, В.К. Иноземцева с учениками и сотрудниками, проводящих исследования, связанные с построением математических моделей, описывающих деформирование и разрушение конструкций в агрессивных рабочих средах.

Вопросу учёта радиационных воздействий посвящено значительное количество публикаций. Одними из первых являются работы Г. Динса, Ю.И. Ремнёва. Модели деформирования конструкций в условиях радиационного облучения рассматривались А.А. Ильюшиным, П.М. Огибаловым. Влияние радиационных полей на поведение строительных материалов и конструкций исследовано В.Б. Дубровским, З. Аблевичем, А.В. Дубровским, В.И. Андреевым. Анализ напряжённо-деформированного состояния оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) ядерных реакторов с учётом радиационных эффектов в горячей зоне реактора проводился И.С. Куликовым, Ю.И. Лихачёвым, В.В. Поповым, А.А. Прошкиным, В.Я. Пупко, Б.Е. Тверковкиным, А.А. Тутновым.

Построение моделей и анализ поведения материалов в условиях радиационного облучения с учётом эффектов ползучести и длительной прочности проведены В.Н. Киселевским, Г.С. Писаренко и другими. Вопросы влияния радиационного облучения на поведение материалов рассмотрены также в работах А.Д. Амаева, Д.Л. Бродера, Б.Б. Второва, Н.Г. Гусева, В.А. Климанова, А.Н. Комаровского, С.Т. Конобеевского, В.Н. Логунова, В.П. Машковича, А.М. Паршина, А.П. Прошина, А.П. Суворова, А.Н. Тихонова, Я.И. Штромбаха, И. Кларка, Б. Прайса, М. Роквелла и других исследователей

Проведенный анализ показал, что одним из многообещающих подходов, позволяющих строить корректные модели сопротивления железобетонных конструкций, воздействующих агрессивных эксплуатационных сред и радиационных полей, является подход, основанный на сочетании деформационной теории железобетона и метода структурных параметров, который и принят в дальнейшей работе.

Третья глава посвящена развитию и применению теории структурных параметров к построению моделей сопротивления железобетонных элементов конструкций воздействию агрессивных сред и радиационных полей.

Согласно теории структурных параметров в дополнение к известным основным параметрам, характеризующим напряженно-деформированное состояние элементов конструкций (напряжение у, деформация е ) вводятся дополнительные: С - параметр, характеризующий распределение агрессивной среды по объему конструктивного элемента (закон его распределения задается из уравнения массопереноса), - параметр химического взаимодействия, характеризующий степень завершенности химических превращений в материале конструкции, взаимодействующим с агрессивной средой (закон его распределения задается из решения кинетического уравнения химического взаимодействия), параметра коррозионной поврежденности д, представляющего собой глубину коррозионного износа в точке поверхности конструкции. Закон изменения д задается в виде функционального или дифференциального уравнения коррозионного износа.

Далее в диссертационной работе рассматриваются вопросы, связанные с моделированием поведения железобетона, подвергающегося воздействию сульфатосодержащей среды. В соответствии с теорией структурных параметров, кроме параметров механического состояния, при построении моделей вводятся дополнительные параметры: для модели коррозионного износа арматуры - глубина коррозионного поражения , для бетона вводятся два параметра: один, учитывающий характер распределения концентрации агрессивной среды по сечению С, и другой параметр , учитывающий уровень химического взаимодействия проникшей среды с бетоном. Таким образом, модель железобетона, взаимодействующего с сульфатосодержащей средой, представляется в виде совокупности моделей: модели проникания агрессивной среды в бетон; модели химического взаимодействия проникшей среды с бетоном; модели деформирования материала (бетона и арматуры); модели коррозионного износа арматуры; модели взаимодействия продуктов коррозии арматуры с окружающим бетоном и образования коррозионной трещины вследствие коррозионного распухания арматуры. Влияние радиационного фактора учитывается с помощью параметра Ф - дозы облучения, характер распределения которой по объему конструкции находится из уравнения ²Ф-(Ф/L) = 0.

Применительно к случаю воздействия хлоридсодержащей среды используется параметр - распределение концентрации хлоридсодержащей среды по объему конструктивного элемента. Во многих случаях характер распределения агрессивной среды по железобетонному сечению конструктивного элемента может быть описан с использованием концепции «размытого фронта»

(1)

где x - координата точки, t - время, С₀ - концентрация агрессивной среды на поверхности конструктивного элемента, , - коэффициенты, L(t) - закон продвижения границы размытого фронта вглубь конструктивного элемента (глубина проникания агрессивной среды):

, (2)

где m, n - эмпирические коэффициенты, j = 1 - для растянутой зоны сечения, j = 2 - для сжатой.

Модель деформирования бетона с учетом нелинейности, неодинаковой работы на растяжение и сжатие, а также воздействия хлоридсодержащей среды, принимается в виде:

для бетона, не содержащего хлоридов:

(3)

для бетона с хлоридами:

(4)

Значения коэффициентов A_p, A_c, B_p, B_c, A_p(С), A_c(С), B_p(С), B_c(С) по экспериментальным данным.

Модель деформирования арматуры принимается в виде:

(5)

где A_s, m_s - коэффициенты. Модель коррозионного поражения арматуры принята в виде трех возможных схем коррозионного износа (рис. 5), протекающего по одному из законов:

Рис. 5. Виды коррозионного износа арматуры: а) равномерный, б) локальный по хорде, в) локальный серповидный

(6)

где - глубина коррозии, t - время, t_inc - инкубационный период, то есть время достижения концентрацией хлоридов в зоне расположения арматуры критического уровня, ₀, Т, k - коэффициенты. Для всех построенных моделей произведена идентификация и верификация.

В случае действия сульфатсодержащей среды модель проникания среды имеет вид (1) ,а вся совокупность процессов химического взаимодействия сульфатов с бетоном, приводящих к изменению механических свойств, интегрально описывается уравнением химического взаимодействия, относительно параметра . Этот параметр идентифицируется со скоростью выделения новообразований или с количеством (концентрацией) связанных цементным камнем сульфат-ионов, и соответствующим образом нормируется в пределах 0    1. Параметр характеризует уровень химических превращений при взаимодействии сульфатов с бетоном и является функцией концентрации проникших в бетон сульфат-ионов =(C(x,y,z,t)). В качестве модели химического взаимодействия принимается зависимость вида:

,(6)

где g - коэффициент пропорциональности, С - концентрация агрессивной среды по SO₄^2- в точке сечения, определяемая из (1) или из решения уравнения диффузии.

Модель деформирования нелинейного материала (бетона), подвергающегося воздействию сульфатсодержащей среды, принимается в виде: для материала, не содержащего сульфатов:

(7)

для материала с сульфатами:

(8)

Значения коэффициентов A_p, A_c, B_p, B_c, A_p(), A_c(), B_p(), B_c() определяются по экспериментальным данным. В работе для описания зависимостей A(), B() использована линейная интерполяция. В качестве модели деформирования арматуры также принималась зависимость:

(9)

где A_s, B_s - коэффициенты модели, определяемые из условия наилучшей аппроксимации экспериментальной кривой деформирования.

Модель коррозионного поражения арматуры принималась в виде равномерного по периметру износа:

,(10)

где - толщина прокорродировавшего металла, t - время, t_inc - время достижения концентрацией сульфат-ионов в зоне расположения арматуры критического значения (инкубационный период), , - коэффициенты модели.

В главе 4 рассматривается сопротивление балочных и пластиночных железобетонных элементов действию нагрузки в хлоридсодержащей среде. Сначала рассматриваются основные соотношения, описывающие деформационное сопротивление армированного стержневого сжимаемого (трубчатого поперечного сечения) и изгибаемого (прямоугольного поперечного сечения) элементов с учетом воздействия хлоридсодержащей среды, проникающей в конструктивный элемент через боковые грани и со всех сторон. Процесс деформирования элементов анализируется постадийно, в пределах каждой стадии элементы работают по-разному. Для всех железобетонных элементов получены разрешающие уравнения, позволяющие проанализировать их поведение на каждой стадии.

Для сжимаемого трубчатого железобетонного элемента, подвергающегося воздействию хлоридов и снаружи и изнутри, разрешающее уравнение имеет вид:

(11)

где _i - выражения, различные для каждой стадии и имеющие следующий вид:

(12)

Для балки при всестороннем действии хлоридов на сечение разрешающее уравнение с учетом нелинейной разномодульной работы железобетона имеет вид:

(13)

где - кривизна изогнутой оси балки; z₀ - координата нейтральной оси; J_Mi, J_Ni - выражения для условных жесткостей, различающиеся для каждой стадии.

Расчет нагруженных элементов производится в три этапа: этап силового нагружения, этап погружения элемента в агрессивную среду и этап деформирования во времени с учетом изменения механических свойств бетона под влиянием среды и коррозионного износа арматуры. Дискретизация непрерывной задачи расчета элемента производится путем аппроксимации области решения уравнений (11) или (13) сеткой равноотстоящих узлов, в которых определяются значения концентрации хлоридов, механические характеристики материала, параметры напряженно-деформированного состояния. На первом этапе расчет сводится к решению нелинейных уравнений вида (11) или (13), причем для их решения используется метод переменных коэффициентов. По найденному значению деформаций определяются напряжения в бетоне и арматуре. На втором этапе происходит установление граничных условий для модели воздействия хлоридсодержащей среды с использованием приема смягчения градиента механических свойств. На этапе деформирования во времени задача решается шагами по времени, величина которых задается из условия, чтобы изменение всех наиболее чувствительных параметров задачи не превышало некоторых пороговых значений. На каждом шаге по времени решаются уравнения (11) или (13) со значениями коэффициентов, соответствующими положению концентрационного фронта. Если хотя бы в одной из точек бетонного сечения напряжения достигают предельного значения, или напряжения в арматуре достигают предела текучести, считается, происходит разрушение элемента. На рис. 6 приведены некоторые результаты расчета

Рис. 6. Действующие и предельные напряжения в стенке трубчатой железобетонной опоры моста:1 - t = 0; 2 - t = 2520; 3 - t = 7433; 4 - t = 10156 суток. Проникание хлоридов изнутри и снаружи.

Физические соотношения для бетона в плоском напряженном состоянии приняты в виде:

; ; . (14)

где коэффициент поперечной деформации, ;

- компоненты тензора напряжений,

- то же, деформаций.

Функция имеет вид:

, ,

где функции, аппроксимирующие обобщенную кривую деформирования бетона при растяжении () и при сжатии (); интенсивность напряжений; интенсивность деформаций. Влияние воздействия хлоридсодержащей среды учитывается при задании выражений для коэффициентов .

Разрешающее дифференциальное уравнение железобетонной пластины на упругом основании получено в виде:

-

. (15)

с соответствующими граничными условиями, где - прогиб пластины, - переменные коэффициенты (интегральные жесткостные характеристики, учитывающие и влияние хлоридсодержащей среды на бетон и коррозию арматуры и нелинейность и неодинаковую работу армированного материала на растяжение и сжатие).

Дискретизация уравнения (15) проводилась методом сеток. Объем пластины покрывался трехмерной сеткой, для того, чтобы применить симметричные разностные операторы для граничных точек платины, добавлялось по одному ряду внешних по отношению к пластине узлов по ее плану.

Программный комплекс для расчета пластины реализован на языке среды технических расчетов MathWorks Mathlab v.5.2.

С использованием разработанного программного комплекса численно исследовано поведение железобетонной пластины при различных схемах опирания по контуру и разных случаях воздействии хлоридсодержащей среды (сверху, снизу, с обеих сторон).

Результаты расчета пластины, шарнирно опертой по контуру для случая воздействия агрессивной среды одновременно на верхнюю и нижнюю поверхность представлены на рисунках 7-14.

На рисунке 7 проведено сопоставление эпюр прогибов по направлению x в моменты времени t = 0, t = 2000, и 9820 суток (время при котором пластинка выходит из строя).

Рисунок 8 показывает кинетику нарастания прогиба в центре пластины с течением времени под влиянием агрессивной среды. На рисунках 9 и 11 изображены объемные эпюры интенсивности деформаций на верхней поверхности пластинки в моменты времени t = 0 и t = 9820 суток. Как видно на этой поверхности качественного изменения эпюр не происходит.

На рисунках 10 и 12 показаны объемные эпюры интенсивности деформаций в точках на нижней поверхности пластинки в те же моменты времени. В рассматриваемом случае наибольшие деформации наблюдаются на нижней поверхности пластинки в угловых точках.

На рисунке 13 показана кинетика нарастания во времени интенсивности деформаций в центральной и угловой точках на нижней поверхности пластины при воздействии среды с обеих сторон.

Можно наблюдать как разная интенсивность нарастания деформаций в центральной и угловых точках, приводит к тому, что с течением времени деформации в угловых точках начинают превосходить деформации в центральной точке. В конечном итоге предельное состояние пластинки достигается в угловых точках.

На рисунке 14 представлена кинетика изменения деформаций в центральной и угловой точках на верхней поверхности пластинки. Как видно, здесь постоянно сохраняется превышение деформаций в угловых точках над деформациями в центральной точке.



Рис. 7. Сопоставление прогибов по центру вдоль Оx при воздействии среды с обеих сторон в разные моменты времени

Рис. 8. Кинетика нарастания прогиба в центре пластины при воздействии среды с обеих сторон с течением времени

Рис. 9. Интенсивности деформаций на верхней поверхности пластинки в момент времени t = 0 суток



Рис. 10. Интенсивности деформаций на нижней поверхности пластинки в момент времени t = 0 суток

Рис. 11. Интенсивности деформаций на верхней поверхности пластинки при воздействии среды с обеих сторон в момент времени t=9820 суток

Рис. 12. Интенсивности деформаций на нижней поверхности пластинки при воздействии среды с обеих сторон в момент времени t = 9820 суток



Рис. 13. Изменение деформаций на нижней поверхности пластинки при воздействии среды с обеих сторон с течением времени

Рис. 14. Изменение деформаций на верхней поверхности пластинки при воздействии среды с обеих сторон с течением времени

Пятая глава посвящена исследованию сопротивления железобетонных элементов конструкций воздействию сульфатсодержащих сред. В ней получены разрешающие уравнения для сжимаемых и изгибаемых конструктивных элементов из железобетона, подвергающихся воздействию агрессивной сульфатсодержащей среды. Разработана методика расчета указанных конструкций и приводятся результаты численных экспериментов. Для изгибаемого конструктивного элемента система разрешающих уравнений имеет вид:

 (16)

где - кривизна изогнутой оси балки,

y₀ - координата нейтральной оси,

у_sp, у_sc - координата центра тяжести арматуры (растянутой и сжатой),

h_sp, h_sc - расстояние между центром тяжести арматуры и координатой нейтральной оси,

b, h - геометрические размеры поперечного сечения элемента.

Расчет нагруженных элементов, подвергающихся воздействию сульфатсодержащих сред, производится в два этапа: этап силового нагружения и этап деформирования конструктивного элемента во времени с учетом изменения механических свойств материала под влиянием среды. Дискретизация непрерывной задачи расчета элемента производится путем аппроксимации области решения системы уравнений (16) сеткой, в узлах которой определяются значения концентрации среды, параметр химического взаимодействия, механические характеристики материала, параметры напряженно-деформированного состояния. Таким образом, решение нелинейной задачи деформирования конструктивного железобетонного элемента при воздействии сульфатсодержащей среды сводится к решению двух групп уравнений: к первой относятся уравнение проникания среды и дифференциальное уравнение для параметра химического взаимодействия. Ко второй группе относятся уравнения деформирования, коэффициенты которых зависят от . Из решения этих уравнений определяются напряжения и деформации в заданные моменты времени и сравниваются с допустимыми значениями. Расчет заканчивается, если напряжения или деформации в бетоне или арматуре превысят допустимый уровень. Некоторые результаты расчета сжатого железобетонного элемента в условиях всестороннего воздействия сульфатсодержащей среды приведены на рис. 15-19. Данные на рисунках показаны для четверти сечения элемента.

Рис. 15. Распределение проникающей сульфатсодержащей среды по сечению элемента

Рис. 16. Распределение параметра химического взаимодействия по сечению элемента

сопротивление железобетонный агрессивный радиационный



Рис. 17. Поле напряжений по сечению элемента

Рис. 18. Кинетика деформаций элемента

Рис. 19. Кинетика напряжений в арматуре

В шестой главе диссертации рассматривается сопротивление фибробетонных и железобетонных элементов конструкций воздействию радиационного поля.

В работе были построены физические соотношения, описывающие деформирование дисперсно-армированного материала в условиях плоского напряжённого состояния с учётом влияния облучения и неодинаковой работы на растяжение и сжатие:

(17)

В этих формулах использовались зависимости:

, (18)

где , (19)

(20)

Разрешающее уравнение фибробетонной пластины с учётом радиационного облучения имеет вид:

(21)

где р - нагрузка, D_1, D_2, D₆ - жёсткости, - фиктивная радиационная нагрузка («добавка»)

; ;

- усилия на контуре пластины,

; ,

, ,

, , ,

,

,

,,

,

,

,

, при k = 0,1,2;

, при k = 0,1,2;

, при k = 0,1,2.

В работе также получены физические соотношения для ортотропно армированного материала в условиях плоского напряжённого состояния. Физические соотношения для армированного материала в этом случае складываются из физических соотношений для матрицы (бетона), работающей в условиях плоского напряженного состояния и физических соотношений для арматуры, которая работает в условиях одноосного напряженного состояния для каждого направления армирования.

Физические соотношения для матрицы (бетона):

(22)

где - компоненты тензора напряжений в матрице,

-компоненты тензора деформаций,

- коэффициент поперечной деформации, j = 1,2, причём j = 1 при ₀ 0, и j=2 при ₀ <0.

Физические соотношения для арматуры:

а) для направления : (23)

б) для направления : (24)

где - секущий модуль для бетона,

- секущий модуль для арматуры.

В работе получены разрешающие уравнения железобетонной оболочки при осесимметричном деформировании в условиях радиационного облучения:

(25)

(26)

где: ,

в которых обозначено:

,

, при k = 0,1,2;

Р_n - радиальная нагрузка,

Р - нагрузка, действующая вдоль образующей.

Дискретизация уравнения изгиба пластины (21) производилась методом сеток. Объем пластинки покрывался трехмерной прямоугольной сеткой. Программный комплекс реализован на базе пакета математических и инженерных задач Matlab 5.2. На основании разработанного алгоритма была написана программа, с использованием которой произведён расчёт напряжённо-деформированного состояния дисперсно-армированной (фибробетонной) пластины с учётом радиационного облучения. Некоторые результаты расчета прямоугольной пластины при совместном действии нагрузки и радиационного облучения на верхнюю сторону пластины, приведены на рис. 20-23. На рис. 20 показаны изменения максимального прогиба, причём, в период до 3 лет прогиб убывает, что связано с действием радиационного распухания, а затем монотонно возрастает из-за доминирующего влияния деградации секущего модуля.

На рис. 21 показана кинетика деградации секущего модуля по толщине для центра пластинки для равноотстоящих моментов времени (t = 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12 лет).

На рис.22 показано изменение со временем положения нейтральной поверхности z₀ в те же моменты времени. На рис. 23 показана зависимость дозы облучения Ф от координаты z для разных моментов времени t = 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30 лет.

Рис. 20. Изменение максимального прогиба фибробетонной пластины во времени

Рис. 21 Кинетика деградации секущего модуля во времени по толщине для центра пластины (t = 0,2,4,6,8,10,12 лет)

Рис. 22. Изменение во времени положения нейтральной поверхности z₀ для середины пластины

Рис. 23. Зависимость дозы Ф от координаты z для разных моментов времени t = 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30

Седьмая глава посвящена исследованию сопротивления сталежелезобетонных конструкций воздействию хлоридсодержащей среды.

Модель сталежелезобетонного элемента, взаимодействующего с агрессивной хлоридсодержащей средой, представляется в виде модели воздействия агрессивной среды, модели деформирования материала (бетона, арматурной стали, стальной части сечения) модели разрушения защитного покрытия на металле и соотношений, отражающих влияние агрессивной среды на характеристики компонентов сталежелезобетонной конструкции.

В работе рассматриваются характерные типы сталежелезобетонных конструктивных элементов, используемые в транспортном строительстве (см. рис. 24).

Рис. 24

Модель коррозионного износа стальной части сечения представляется в виде:

(27)

где - толщина прокорродировавшего металла;

t - время;

V - скорость коррозии при = 0,

- напряжение в металле,

k - коэффициент;

t_inc - время достижения концентрацией хлоридов в зоне расположения арматуры критического уровня C_кр.

Характер распределения агрессивной среды по железобетонной части сечения в соответствии с концепцией «размытого фронта» принимается в виде (1). Модель деформирования арматуры и стальной части сечения имеет вид (5), а модель деформирования бетона с учетом нелинейности, неодинаковой работы на растяжение и сжатие, а также воздействия хлоридсодержащей среды, принимается в виде (3) и (4). Учитывается, что металлическая часть сечения может быть защищена покрытием и ее износ начинается после потери покрытием защитных свойств. Снижение защитных свойств описывается моделью:

(28)

Здесь ш - параметр, характеризующий сплошность покрытия и изменяющийся от 1 в начальный момент времени до 0 в момент потери защитных свойств; - коэффициент, учитывающий влияние вида и толщины защитного покрытия и характер агрессивной среды; k, m - коэффициенты, учитывающие влияние уровня напряженного состояния на кинетику снижения защитных свойств покрытия. Для всех построенных моделей произведена идентификация и верификация.

Далее в главе исследованы различные случаи взаимодействия нагруженных сталежелезобетонных элементов с хлоридной средой: коррозионный износ внешнего стального трубчатого элемента с защитным покрытием с одновременным воздействием жидкой хлоридсодержащей среды на внутреннюю поверхность железобетонной трубы; коррозионный износ стальных труб с защитным покрытием (внешней и внутренней) в зонах контакта со средой. Рассмотрены случаи воздействия агрессивной хлоридсодержащей среды на сталежелезобетонное сечение: воздействие жидкой агрессивной среды на верхнюю грань железобетонной плиты; воздействие раствора хлоридов на верхнюю грань железобетонной плиты и солевого тумана на стальную часть сечения с защитным покрытием и нижнюю поверхность железобетонной плиты (Рис. 25).

Растяжение Сжатие

Изгиб

Рис. 25

Коррозионный износ арматуры начинается в момент времени t_incr, определяемый временем нейтрализации защитного слоя бетона и уровнем концентрации агрессивной среды на поверхности арматуры. Коррозионный износ стальной части сечения начинается в момент времени t _incs , который определяется сроком службы защитного покрытия на металле. Кинетика коррозионного износа арматуры и стальной части сечения различна и зависит от ряда факторов: агрессивной среды, напряженного состояния, марки стали и других (рис. 26).

Рис. 26. Кинетика коррозионного износа арматуры и стального сечения

Процесс деформирования сталежелезобетонных конструктивных элементов исследуется постадийно, так как в пределах каждой стадии их сечения работают по-разному. Для всех случаев получены разрешающие уравнения, позволяющие определять напряженно-деформированное состояние элемента конструкции в любой момент времени.

Для трубобетонного элемента, подвергающегося воздействию хлоридов изнутри и снаружи, разрешающее уравнение имеет вид:

(29)

где _i - определенного вида соотношение, различающееся для каждой i-той стадии и материала (бетона и стали); например для бетона:

(30)

Для изгибаемого сталежелезобетонного элемента, подвергающегося воздействию хлоридсодержащей среды, система разрешающих нелинейных уравнений имеет вид:

(31)

Здесь - кривизна изогнутой оси балки;

z₀ - координата нейтральной оси.

Расчет нагруженного элемента, подвергающегося воздействию хлоридсодержащей среды, как и в случае железобетонных элементов. производится в три этапа: этап силового нагружения, этап погружения элемента в агрессивную среду и этап деформирования конструктивного элемента во времени с учетом изменения механических свойств материала под влиянием среды.

Рис. 27 Рис. 28

Рис. 29 Рис. 30

По описанной методике были рассчитаны стержневой и балочный элементы из сталежелезобетона при различных вариантах действующей нагрузки и схемах воздействия хлоридной среды (Рис. 25). Расчет производился с помощью программных комплексов, написанных в системе MatLab. Рассматривалась задача расчета трубчатого железобетонного элемента, который после некоторого периода эксплуатации усиливался стальной обоймой. При расчете железобетонного элемента анализировались напряжения и кинетика коррозионного износа арматуры. При достижении напряжениями в какой-либо точке сечения некоторого критического уровня или при заданной степени коррозионного износа арматуры конструкция усиливается внешней стальной обоймой с защитным покрытием и расчет производится далее до тех пор, пока не наступит предельное состояние элемента. Время наступления предельного состояния принимается за долговечность элемента.

Некоторые результаты расчетов приведены на рис. 27-30 для одной из стадий работы сжимаемого трубчатого сталежелезобетонного элемента, усиленного внешней стальной обоймой с защитным покрытием и работающего в жидкой хлоридной среде. На рис. 27, 28 приводятся изменения напряжений в арматуре и стальной обойме. На рис. 29 показано изменение напряжений в бетоне, на рис. 30 - кинетика проникания хлоридной среды в бетон.

В восьмой главе рассмотрены пути решения проблемы организации прочностного мониторинга железобетонных конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных и радиационных сред. Прочностной мониторинг конструкций должен обеспечить непрерывный или периодический контроль и управление напряженно-деформированным состоянием существующих конструкций. Прочностной мониторинг должен лежать в основе принципа эксплуатации по техническому состоянию. Этот принцип предполагает контроль нагруженности основных и наиболее напряженных участков конструкций в течение предыдущего периода эксплуатации, получение информации об изменении технического состояния для прогнозирования ресурса или достижения предельного состояния. Следовательно, проблема прочностного мониторинга включает решение таких задач, как оценка текущего состояния (поиск дефектов, анализ нагрузок и условий взаимодействия конструкции с окружающей средой) и прогнозирование изменения этого состояния с течением времени под влиянием действующих причин.

Для правильной организации прочностного мониторинга необходима разработка проблемно-ориентированных программных комплексов, содержащих модули обработки экспериментальных данных, численного решения краевых задач механики железобетонных конструкций, оценки предельных состояний и прогнозирования долговечности конструкций с учетом реального их состояния и условий работы.

В главе рассматривается комплекс вопросов, связанных с разработкой основ прочностного мониторинга железобетонных конструкций, подвергающихся совместному воздействию нагрузок и агрессивных или радиационных внешних сред, а также решением ряда задач, нужных для организации или возникающих при реализации прочностного мониторинга железобетонных конструкций.

Под прочностным мониторингом железобетонных конструкций понимается контроль и управление напряженным состоянием конструкций с целью обеспечения надёжной их эксплуатации в течение заданного срока службы. На этапе эксплуатации железобетонных конструкций активный прочностной мониторинг должен включать решение следующих основных задач:

1) оценка напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов и всей конструкции, а также кинетики его изменения с учётом имеющихся дефектов и повреждений различного характера;

2) анализ и оценка степени соответствия несущей способности железобетонных конструкций внешним воздействиям в рассматриваемый момент времени и на прогнозируемый период; прогнозирование долговечности железобетонной конструкции при заданных внешних воздействиях и происходящих процессах деградации;

3) разработка альтернативных стратегий по изменению состояния железобетонной конструкции до проектного или требуемого уровня (ремонт, усиление, реконструкция, замена);

4) выбор и реализация наиболее рациональной стратегии изменения состояния конструкции. В работе рассмотрены вопросы применения информационных технологий (банков данных, экспертных систем) для решения задач прочностного мониторинга железобетонных конструкций.

Отмечено, что очень своевременно проведение комплекса научных исследований, посвященных созданию системы сбора, хранения и обработки информации о состоянии железобетонных конструкций, созданию различных банков данных.

Предварительный перечень банков данных, содержащих информацию, необходимую для организации прочностного мониторинга, может включать:

банк механических свойств используемых материалов;

банк механических и коррозионных свойств встречающихся грунтов; банк геометрических параметров конструктивных элементов;

банк моделей деформирования используемых материалов;

банк моделей коррозионного разрушения используемых материалов;

банк данных об изменении механических свойств материалов конструкций и защитных покрытий;

банк данных об изменении механических и коррозионных свойств грунтов в зоне расположения конструкций;

банк сведений о дефектах железобетонных конструкций; банк данных о режиме работы железобетонной конструкции;

банк данных об авариях на данной конструкции и сходных случаях аварий на других конструкциях с анализом возможных причин;

банк моделей деформирования различных железобетонных элементов конструкций с характерными дефектами различного вида;

банк данных с результатами контроля состояния железобетонных конструкций с использованием методов неразрушающего контроля;

банк программ расчета железобетонных конструкций;

банк данных с результатами выполненных расчетных оценок эксплуатационного состояния железобетонных конструкций, с результатами оценки остаточного ресурса с полным указанием исходных данных, при которых производились расчеты;

банк данных о ремонтах, усилениях, заменах, проведенных на конструкциях и приведших к изменению их несущей способности и долговечности.