CC BY
29
наивыгоднейшей» щели практически линейная (рис. 5, б). В реальных технических устройствах
Л<<1, поэтому п =Л + 0(л2) . Получается: чем
меньше высота канала, тем более интенсивная передача теплоты необходима для достижения наибольшей массовой скорости. При этом, как правило, 0<п<1.
Следовательно, достаточное условие существования СКТ в вертикальной щели имеет вид: п<п, где пе — значение показателя политропы, отвечающее состоянию равновесия вертикального столба газа. Значение показателя политро-
пы п в равномерном и баротропном СКТ практически пропорционально длине канала. Иначе: чем короче канал, тем больше должна быть величина теплового потока, создающего вертикальную тягу, и наоборот.
Усиление достаточного (слабого) условия существования СКТ до необходимого и достаточного связано с изучением «тонкой» структуры потока [3]. В этом случае вместо грубого голономного условия баротропности необходимо решать дифференциальное уравнение теплопередачи, т. е. точно реализовывать схему, намеченную в пункте 7.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Страхович, К.И. К вопросу об одноразмерном установившемся движении газа в трубах [Текст] / К.И. Страхович // ПММ. 1933.— Т. 1. №1.— С. 47-50. (Цит. по: К.И. Страхович. Гидро-газодинамика.— М.: Наука, 1980. С. 102-105.)
2. Соковишин, Ю.А. Свободно-конвективный теплообмен [Текст]: Справочник. Ю.А. Соковишин,
О.Г. Мартыненко.— Минск: Наука и техника, 1982.— 400 с.
3. Чумаков, Ю.С. Экспериментальное исследование свободноконвективных течений около вертикальной поверхности [Текст] / Ю.С. Чумаков // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского политехнического университета.— 2004. № 2 (36).— С. 103-116.
УДК 621.21.9
В.А. Мишаков, Л.Н. Синяков, В.А. Соколов, Д.А. Страхов
ИНЖЕНЕРНО-ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ ОБСЛЕДОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ СЕВЕРО-ЗАПАДНОЙ ТЭЦ
На протяжении нескольких лет специалисты инженерно-строительного факультета СПбГПУ совместно с сотрудниками ООО «НПСФ Спец-СтройСервис» проводили работы по диагностике технического состояния зданий и сооружений промплощадки Северо-Западной ТЭЦ (СЗ ТЭЦ) в г. Санкт-Петербурге. Высокая значимость этих объектов всегда накладывала на организацию и проведение обследований повышенные требования. Это было особенно актуально тогда, когда в процессе длительной эксплуатации в конструктивных элементах зданий и сооружений стали проявляться различные повреждения. Для таких объектов при выполнении обследований следовало разработать мероприятия по проведению всех работ без остановки технологического
цикла, т. е. в условиях их непрекращающейся эксплуатации. Кроме того, весь комплекс работ должен был выполняться в рамках нормативных требований, соответствующих уровню детального инструментального обследования [1, 2].
На некоторых объектах одним из решающих этапов, позволивших с уверенностью установить первопричины образовавшихся повреждений, оказалась серия поверочных расчетов для принятия научно обоснованных решений по приведению этих объектов в нормальное эксплуатационное состояние. В ряде случаев потребовалось провести многовариантный численный эксперимент, согласованный с измерениями на натуре, причем без нарушения режима функционирования здания.
Одним из таких объектов стало отдельно стоящее здание, входящее в состав комплекса сооружений спецводоочистки (СВО) СЗ ТЭЦ. Поводом для проведения его обследования стали повреждения в виде визуально фиксируемых и прогрессирующих трещин, проявившихся преимущественно в верхней части наружных, ограждающих здание, кирпичных стен.
Здание характерно тем, что в нем расположены четыре очистных резервуара в виде вертикально установленных стальных цилиндрических емкостей с водопроводящими системами
их заполнения и опорожнения. Общий вид здания представлен на рис.1. Здание имеет квадратную планировочную компоновку со скругленными углами. План здания (схема) с указанием генеральных плановых размеров и сетки координационных осей дан на рис. 2. Как видно, общие размеры в плане составляют величину ~ 22,3x22,3 м, расстояние между осями резервуаров — 12,0 м, диаметр резервуара — 9,0 м. Ограждающие стены здания — кирпичные, имеющие толщину 380 мм. По высоте здание скомпоновано таким образом, что резервуары практиче-
Рис. 1. Общий вид здания
Контур фундаментной плиты
Рис. 2. План здания (схема)
ски на всю высоту возвышаются над его стенами и кровлей. Отметка верха резервуаров примерно 17,5 м, отметка верха кровли здания — 9,2 м. Ре -зервуары своими опорными ребрами установлены на кольцевые монолитные железобетонные балки прямоугольного поперечного сечения (600x750 мм) с консольными выступами в верхней части длиной 170 мм. Каждая кольцевая балка опирается на шесть сборных железобетонных колонн также прямоугольного поперечного сечения (400x500 мм), которые в свою очередь опираются на монолитные подколонники фундаментной плиты. Отметка верха каждой балки принята равной отметке верха плиты покрытия здания (9,15 м).
Несущее покрытие здания выполнено в виде плоской монолитной фигурной плиты толщиной 80 мм, опирающейся на стены и балочную клетку из стальных двутавровых профилей.
Фундаментом здания служит расположенная под ним сплошная монолитная железобетонная плита толщиной 600 мм. Размеры фундаментной плиты в плане — 24,0x24,0 м, глубина заложения ее подошвы от уровня дневной поверхности — 1,95 м (рис. 3).
На плите выполнены подколонники из монолитного железобетона для колонн опорных конструкций резервуаров. На эту же фундаментную плиту опираются и наружные кирпичные стены. Исключение составляют лишь участки стен вдоль осей 1—8 и А — Ж, где, как было установлено в ходе изучения проектной документации, кирпичная кладка стен опирается на фундаментные балки, концы которых уложены на
Фундаментные балки
Рис. 3. Конструкция фундамента здания с фундаментными железобетонными балками по оси 8 между осями В и Е
подбетонки, выполненные на фундаментной плите. По результатам обследования из пройденного шурфа установлено, что элементы конструкции фундамента здания повреждений не имеют. Техническое состояние по выявленным диагностическим признакам — второе, т. е. работоспособное [1, 2]. Установившийся уровень грунтовых вод в шурфе находился на глубине 1,25 м от уровня дневной поверхности, т. е. выше отметки подошвы фундаментной плиты.
Грунтовые условия под подошвой фундаментной плиты были определены на основании анализа результатов изысканий, выполненных институтом «Атомэнергопроект». Установлены следующие инженерно-геологические элементы (слои), залегающие сверху вниз от уровня подошвы фундаментной плиты:
суглинок ленточный слоистый с редкими прослоями песка пылеватого, полутвердый (слой 6 мощностью 1,4 м);
суглинок ленточный слоистый с редкими прослоями песка, мягкопластичный (слой 7 мощностью 0,7 м);
супесь с включениями гравия и гальки до 20 %, твердая (слой 12 мощностью 0,5 м);
супесь с включениями гравия и гальки до 15 % с линзами песка пылеватого, пластичная (слой 13 мощностью 2,7 м);
супесь с включениями гравия и гальки до 20 %, твердая (слой 12 мощностью 7,8 м до глу -бины 15 м — глубины забоя изыскательской скважины).
По результатам изысканий были также определены необходимые для выполнения поверочных расчетов нормативные и расчетные значения физико-механических характеристик указанных грунтов.
В ходе комплексного инженерно-диагностического обследования конструкций надземной части здания было установлено следующее:
1. Как отмечено выше, несущими элементами для опирания резервуаров служат кольцевые балки прямоугольного поперечного сечения, имеющие консольные выступы. Установлено, что эти выступы на криволинейных участках кирпичной стены практически вплотную примыкают к внутренней поверхности кладки. Очевидно, что любые незначительные деформации или перемещения кольцевой балки вполне могут
привести к деформациям и даже повреждениям кирпичной кладки стен в местах контакта.
2. Условия опирания единой замкнутой кирпичной стены оказались различными. Криволинейные участки опираются на фундаментную плиту непосредственно, а прямолинейные — на фундаментные балки. Такое различие в условиях опирания вполне могло привести к неравномерным деформациям элементов опорного контура, что также могло стать причиной образования трещин в самой стене.
3. Трещины, образовавшиеся преимущественно в верхней части кладки стены, имеют систематический характер, не являются сквозными, но проходят и по шву, и по кирпичу. Видно (рис. 4), что они имеют практически вертикальную ориентацию и ширину раскрытия, увеличивающуюся снизу вверх.
4. Для оценки прочностных характеристик кирпичной кладки были проведены исследования этих показателей неразрушающими методами. Прочность кирпича определялась импульсным ультразвуковым методом в соответствии с ГОСТ 17624—87 и склерометрическим методом, а прочность раствора — только склерометрическим методом. Исследования прочности кладки выполнялись в зонах образования наиболее значительных трещин. Предел прочности кирпичной кладки на сжатие для каждой зоны определялся по значениям предела прочности кирпича и раствора в соответствии с нормированной формулой профессора Л.Н. Онищика. По результатам расчетов округленное значение расчетного сопротивления кладки, определенное по среднему значению предела прочности, составило 13,0 кгс/см2.
5. В ходе эксплуатации на наиболее характерные трещины были установлены маяки, в которых, по свидетельству обслуживающего персонала СВО, постоянно появляются трещины. Это особенно заметно во время технологических операций, связанных с наполнением или опорожнением резервуаров.
В связи с вышеизложенным в ходе обследования по согласованию с эксплуатационными службами здания СВО было принято решение организовать и провести натурный эксперимент, по программе которого наполнение и опорожнение резервуаров водой проходило в определенном, заранее заданном порядке. При
Рис. 4. Схема расположения повреждений в стене фасада по оси 1
прохождении этой процедуры наблюдение за поведением трещин осуществлялось с использованием установленных на трещины индикаторов часового типа, а измерение общих деформаций здания проводилось с использованием геодезических приборов. По результатам проведенных натурных исследований было установлено, что поведение указанных наиболее значительных трещин зависит от режимов заполнения обоих резервуаров. Так, по данным измерения перемещений с помощью индикаторов часового типа установлено увеличение ширины раскрытия трещин в стене вблизи пересечения осей 1 — В (на 0,81 мм) и 8 — В (на 0,65 мм), а в маяках, установленных на эти трещины, образовались волосяные трещины практически сразу после заполнения водой обоих резервуаров (№№ 1 и 2). Наибольшие вертикальные перемещения при последовательном заполнении этих двух резервуаров (до 5 мм) зафиксированы по результатам нивелирования отметок стенных марок, установленных вблизи резервуара № 1 (рис. 5).
По результатам натурных геодезических измерений осадок основания и фундаментной плиты при разновариантном заполнении водой резервуаров до максимального уровня (двух или одного из четырех) распределение осадок фундамента оказалось существенно неравномерным.
Для подтверждения этого вывода была выполнена серия поверочных расчетов. Во-первых, в соответствии со СНиП 2.02.01—83* [4] было вычислено расчетное сопротивление грунта осно-
Рис. 5. Изменение отметок геодезических марок при заколнении резервуаров
вания фундаментной плиты, получившееся равным R = 44,1 тс/м2. Далее было определено среднее давление под подошвой плиты при полностью заполненных водой резервуарах — p = 6,5 тс/м2. Таким образом, условие [4], по которомуp не должно превышать R, как видим, выполнено. Полученное соотношение p < R позволило далее использовать в расчетах деформаций основания расчетную модель в виде линейно деформируемого полупространства. При использовании в расчетах вычислительного комплекса SCAD применение этой модели стало основой построения расчетной схемы грунтового массива с помощью объемных конечных элементов. При проведении расчетов деформационные характеристики слоев грунта назначались в соответствии с натурными данными инженерно-геологических изысканий. Результаты расчета осадок показали удовлетворительное качественное и количественное согласование с результатами геодезических измерений, проведенных в ходе натурного эксперимента.
Выполненный объем полевых работ и результаты обработки полученных данных в камеральных условиях вместе с результатами серии проведенных поверочных расчетов по-
зволили установить, что образование и развитие трещин в наружных стенах здания обусловлено комплексом причин, основные из которых — следующие:
при неодинаковом заполнении водой четырех резервуаров распределение осадок фундаментной плиты существенно неравномерно, что, несмотря на значительную толщину плиты, приводит к ее изгибу и неравномерным деформациям кирпичных стен здания;
железобетонные кольцевые балки при не-центрированном опирании стенок резервуаров с водой могут испытывать кручение и сопровождаться касанием консольными участками кирпичных стен, а соответственно, передачей боковых усилий на эти стены;
значительная разность температур на внутренней и наружной поверхностях стен здания в холодный период года в замкнутых объемах приводит к появлению растягивающих напряжений на наружной поверхности стен и к тре-щинообразованию кирпичной кладки;
не исключено, что неравномерным деформациям единой замкнутой кирпичной стены способствуют также различные условия ее опи-рания на фундаментную плиту. Как видно из рис. 2, 3, изменение условий опирания имеет место на пересечении осей В — 1, Е — 1 и В — 8, Е — 8, т. е. на тех участках, вблизи которых и образовались наиболее значительные трещины.
В итоге по результатам обследования были сформулированы предложения по изменению очередности наполнения и опорожнения резервуаров, т. е. по корректировке существующей на предприятии технологической схемы функционирования элементов системы спецводоочистки.
Отмечено также, что зафиксированные трещины на момент обследования не представляют опасности для несущей способности стены, однако с течением времени их развитие может привести к разделению кирпичной кладки стены на отдельные фрагменты и потере их устойчивости.
Результаты выполненной работы стали основанием для проведения комплекса научно обоснованных мероприятий по усилению кладки стен здания, а также для организации наблюдений за их деформациями во время проведения работ по усилению и после их завершения. Для этого были разработаны соответствующие про-
Строительство -►
ектные решения, которые удалось реализовать в достаточно короткие сроки. Кроме того, было отмечено, что в случае продолжения деформаций следует выполнить работы по укреплению грун-
тового основания. Однако результаты проведенных в течение длительного времени наблюдений показали, что после усиления кладки стен развитие трещин практически прекратилось.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ Р 53778-2010. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния [Текст ].— М: Стройиздат, 2010.— 90 с.
2. СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений. Свод правил по проектированию и строительству. [Текст] / М: Госстрой России. ГУЛ ЦПП.— М, 2003.— 28 с.
3. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01—83) [Текст] / НИ-ИОСП им. Герсеванова // М.: Стройиздат, 1986.
4. СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий и соору-
жений [Текст] / Госстрой России.—М., 2001.
5. ТСН 50-302-2004. Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге [Текст].— СПб., 2004.
6. СНиП П-22-81. Каменные и армокаменные конструкции [Текст ] // М: Стройиздат, 1983.
7. Пособие по проектированию каменных и ар-мокаменных конструкций (к СНиП П-22—81) [Текст ] // М.: Стройиздат, 1989.
8. СП 52-101-2003. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения [Текст] / Госстрой России.— М., 2004.
