Термонапряженное состояние монолитных конструкций железобетонных мостов, сооружаемых в условиях Вьетнама

Актуальность работы. В дорожно-мостовом строительстве Вьетнама до конца 80-х годов железобетонные пролетные строения преимущественно монтировали из сборных балок полигонного изготовления.

Интенсивный подъем экономики страны в последующие годы, резкое увеличение объема перевозок и мощности транспортных потоков обусловили необходимость модернизации и расширения дорожной сети, инициировали новый подход к строительству мостовых сооружений на базе мирового опыта применения современных технологий производства, использования неразрезных систем и конструкций из монолитного железобетона.

В течение последнего десятилетия построен ряд крупных монолитных железобетонных мостов, в том числе вантовых, пересекающих русла больших рек в нижнем течении. В мостостроении Вьетнама наметилась тенденция применения технологий цикличной продольной надвижки и навесного бетонирования.

В ходе производства вьетнамские строители столкнулись со значительными трудностями в связи с недостатком как нормативной базы, так и технологического оборудования. Механическое использование зарубежных стандартов, не учитывающих особенности местных условий страны, не позволяет решить возникающие проблемы, имеющие специфические характер.

Одним из актуальных вопросов при возведении монолитных железобетонных мостов во Вьетнаме является обеспечение трещиностойкости конструкций. Обследованием конструкций построенных мостов на стадии строительства был зафиксирован ряд поверхностных трещин в плитах свайных ростверков опор, поверхностных и сквозных трещин в элементах пролетных строений. Ширина раскрытия трещин в некоторых случаях достигает 1,0 — 1,5 мм, что серьезно влияет на долговечность конструкций. Среди потенциальных причин появления трещин в железобетонных конструкциях на стадии строительства отмечены температурные напряжения, возникающие в процессе твердения бетона. Анализ характера обнаруженных трещин обусловил необходимость исследования термонапряженного состояния монолитных конструкций железобетонных мостов, сооружаемых в климатических условиях Вьетнама, и разработки мероприятий, способных уменьшить риск появления температурных трещин. В стране пока не проводили научные работы, посвященные данному вопросу.

Цель диссертационной работы. Исследовать и установить характер температурного и термонапряженного состояний монолитных конструкций железобетонных мостов (массивных фундаментов опор, элементов пролетных строений), сооружаемых в условиях Вьетнамапроверить конструкции на температурную трещиностойкостьразработать рекомендации по усовершенствованию производственной технологии.

Научная новизна работы содержится в следующем:

• разработаны алгоритм и программа для определения температурных полей и термонапряжений в монолитных железобетонных конструкциях с учетом ползучести бетона, влияния температуры твердения бетона на процесс нарастания модуля деформации и прочности бетона, а также с учетом специфических климатических условий разных регионов Вьетнама;

• выполнено исследование и установлен характер термонапряженного состояния монолитных конструкций железобетонных мостов, сооружаемых в разных регионах Вьетнама в разные сезоны годадана оценка по температурной трещиностойкости конструкций;

• разработаны рекомендации по подбору состава бетона, виду опалубки, регламенту проведения производственных работ (стадии бетонирования, момента распалубки) для разных видов конструкции монолитных железобетонных мостов.

Достоверность результатов работы подтверждена результатами экспериментальных исследований температурных полей, проведенных в пролетном строении моста Хиен Лыонг. На основе методики определения термонапряжений в монолитных железобетонных конструкциях, разработанной автором, выявлена причина образования трещин в пролетном строении моста Фа Лай.

Практическая ценность работы заключена в установлении характера термонапряженного состояния монолитных конструкций железобетонных мостов, сооружаемых в условиях Вьетнама и разработке рекомендаций по усовершенствованию технологии строительства.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

• теоретическое обоснование и методика определения температурных полей и термонапряжений в монолитных конструкциях мостов из железобетона;

• результаты исследования температурного и термонапряженного состояний монолитных конструкций железобетонных мостов, сооружаемых в условиях Вьетнама, при свободной и ограниченной температурных деформациях их торцов;

• рекомендации по усовершенствованию технологии строительства с целью повышения температурной трещиностойкости монолитных конструкций железобетонных мостов, сооружаемых в условиях Вьетнама.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы опубликованы в 3 статьях, доложены и одобрены на ежегодных научно-технических конференциях (2002 — 2005 гг.) Московского автомобильно-дорожного института (ГТУ).

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 147 страницах машинописного текста и включает введение, четыре главы, общие выводы, 69 рисунков, 13 таблиц и список литературы из 98 источников.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Анализ состояния строительства автодорожных мостов из монолитного железобетона и особенности климата во Вьетнаме обусловил необходимость исследования термонапряженного состояния монолитных конструкций железобетонных мостов и разработки практических рекомендаций по усовершенствованию производственной технологии для обеспечения их температурной трещиностойкости.

2. Высокая температура и сильный ветер в летний период во Вьетнаме являются неблагоприятным условием для бетонных работ и возведения массивных монолитных железобетонных конструкций. По характеру климатических условий территория страны разделена на 8 регионов.

3. Основным источником возникновения термонапряжений в бетонных и железобетонных конструкциях на стадии строительства является тепловыделение при гидратации цемента. Максимально возможное количество тепла, выделенного цементом при гидратации зависит от вида и марки цемента, наибольшее замечается у портландцемента.

4. Температура твердения бетона существенно влияет на скорость тепловыделения цемента, скорость нарастания модуля деформации и прочности бетона. Чем выше температура твердения, тем более интенсивно происходят эти процессы. Причем процесс тепловыделения и роста модуля деформации ускоряется быстрее, чем процесс набора прочности. При повышении температуры твердения бетона опасность термонапряжений усилена.

5. Температура окружающей среды непрерывно перемена в течение суток. Ход суточного колебания температуры довольно хорошо описывается косинусоидой:

2 nt.

Т{,) = Тсрсут, — Accos ^ с.

6. Температурное состояние монолитных железобетонных конструкций определяется путем решения дифференциального уравнения теплопроводности.

Фурье при заданных начальных и граничных условиях. Применение численного метода конечных разностей позволило автору получить достаточно точные результаты.

7. Термонапряжения в монолитных железобетонных конструкциях определяются на основе теории термоупругости. Применение автором метода начальных приращений позволило учитывать ползучесть и непрерывное нарастание модуля деформации твердеющего бетона во времени.

8. При возведении массивных железобетонных конструкций (плит свайных ростверков опор) в летние месяцы во Вьетнаме существует опасность перегрева бетона ядра массивов (температура твердения больше 80−90 °С). Установленные автором предельные содержания цемента в составе бетона позволяют прогнозировать ситуацию, когда необходимо принять специальные меры снижения температуры массивов.

9. Установлено, что процесс остывания конструкций массивных опор мостов продолжается больше месяца, а конструкций пролетных строений только 4−5 суток.

10. В климатических условиях Вьетнама, вне зависимости от сезона строительства, отмечены достаточно большие температурные градиенты в массивных ростверках опор мостов. Если используется обычный портландцемент, разность температур внутри и на поверхности плиты ростверка толщиной 2−3 м (бетон класса В20-В35) составляет больше 25−30 °С и является потенциальной причиной образования поверхностных трещин в первые 1−3 сутки.

11. При возведении массивных плит ростверков опор в условиях Вьетнама с бетоном класса > В35 без применения специальных мер для снижения градиента температуры в конструкциях температурные трещины не образуются лишь в благоприятных случаях: невысокой температуре окружающей среды (15−20 °С), и низкой скорости ветра (меньше 1,5 — 2,0 м/с).

12. Суточные колебания температуры окружающей среды влияют на термонапряженное состояние монолитных конструкций, вызывают напряжения от 0,5 до 1,0 МПа. В массивных конструкциях заметное влияние суточных колебаний температуры окружающей среды отмечается только в поверхностных зонах.

13. Целесообразно при возведении массивных конструкций мостов применять специальные меры для уменьшения риска появления температурных трещин:

— использование шлакопортландцемента или портландцемента с умеренным тепловыделением, что позволяет уменьшить тепловыделение на 10- 30%;

— предварительное охлаждение бетонной смеси в летние месяцы до температур 15−20 °Сприменение опалубки высокой теплоизолирующей способности и теплозащитных материалов на открытых поверхностях;

— охлаждение массивов водой, пропускаемой по системе труб, уложенных в бетоне;

— бетонирование массивов в несколько этапов с ограниченной толщиной каждого блока до 1,5−2,0 м.

Вне зависимости от принятой меры бетонирование в летние месяцы рекомендуется проводить в ночное время.

14. Бетонирование массивных конструкций в несколько этапов способно снижает температуры в центральных зонах и уменьшает температурный градиент в массиве. Однако наличие контакта с затвердевшим бетоном существенно увеличивает растяжение на свободной поверхности ново уложенного бетонного блока. Необходимо выделить особое внимание укрытию свободных поверхностей ново-уложенного бетонного блока теплозащитными материалами.

15. Срок распалубки и снятия теплозащитных материалов на открытых поверхностях массивов необходимо определить с учетом термонапряженного состояния конструкций. Распалубка в ранний срок приведет к появлению термического удара, вызывающего резкое увеличение термонапряжений, и в результате чего образуются поверхностные трещины. В общем, распалубку массивных конструкций рекомендуется проводить не раньше 7 суток с момента окончания укладки бетона.

16. Термонапряжения в монолитных железобетонных конструкциях зависят от многих факторов: вида и количества цемента в составе бетона, массивности конструкции, температуры бетонной смеси, температуры и скорости ветра окружающей среды, теплоизоляции опалубки и срока распалубки и т. п. Перед возведением массивных конструкций рекомендуется провести расчет и анализ их термонапряженного состояния с учетом конкретных условий строительства.

17. Зимой при возведении монолитных конструкций пролетных строений мостов, которые характерны малой массивностью, в регионах среднего и северного Вьетнама, рекомендуется применять экзотермический способ для ускорения процесса набора прочности и темпа строительства. В качестве теплозащитных материалов могут быть применены деревянные щиты, пенопласт, минераловатные маты.

18. Термонапряжения, возникающие при твердении бетона в конструкциях пролетных строений мостов, не имеющих внешние ограничения температурных деформаций, достаточно малы (0,5 МПа — 1,0 МПа), значительно меньше предельного растяжения бетона и не опасны для конструкций.

19. Опалубки конструкций пролетных строений можно снять в ранние сроки, зависящие от требуемой прочности бетона. После распалубки необходимо продолжить тепло-влажностный уход за бетоном.

20. Не отмечена опасность появления температурных трещин в конструкциях пролетных строений, частично ограниченных в температурных деформациях на торцах. Однако в случаях полного ограничения температурных деформаций возникающие термонапряжения достаточно большие, и оказываются причиной образования трещины.

21. При возведении монолитных конструкций пролетных строений коробчатого сечения, имеющих диафрагмы, рекомендуется бетонировать диафрагмы после окончания возведения основных конструкций пролетных строений. А сами конструкции пролетных строений целесообразно бетонируются на полное сечение за один этап.

22. В общем, проведенным исследованием установлены общие характеры термонапряженного состояния и температурной трещиностойкости монолитных конструкций железобетонных мостов на стадии строительства, сооружаемых в разные сезоны в разных регионах Вьетнама. Внедрение разработанных рекомендаций способно повысит их температурную трещиностойкость. А разработанная автором программа может служить и расчетам термонапряженного состояния для конкретных случаев.