CC BY
192
УДК 624.042
Р.Б. Гарибов, И.И. Овчинников
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХЛОРИДСОДЕРЖАЩИХ СРЕД НА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ МОСТОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ
В статье рассматривается задача моделирования поведения железобетонной мостовой конструкции, подвергающейся совместным действиям механизма нагрузки и хлоридсодержащей среды. Анализируется кинетика изменения неод-
породности свойств во времени под действием хлоридов и вызванные этим изменением напряженно-деформированного состояния.
Хлоридная агрессия, внешние воздействия, коррозия арматуры, коэффициент диффузии, уравнение равновесия, модель деградации, модель проникновения
R.B. Garibov, I.I. Ovchinnikov
MODELING OF CHLORIDE ATTACK ON REINFORCED CONCRETE BRIDGE STRUCTURES
The problem of modeling the behavior of reinforced concrete bridge structures under joint action loads and chloride-containing environments is considered. The kinetics of changes of heterogeneity of the mechanical properties over time under the influence of chloride and the resulting changes of the stress - strain state are analyzed
Chloride attack, corrosion of reinforcement, diffusion coefficient, equilibrium equation, degradation model, model of penetration
В последнее время в России началось интенсивное строительство транспортных сооружений не только через реки, но через морские заливы, проливы, а также на прибрежной территории вблизи морей. Например, недавно завершено строительство мостов на дальнем востоке нашей страны - Русского моста на остров Русский через пролив Босфор Восточный (самым длинным в мире вантовым пролетом 1104 метра) и Золотого моста через бухту Золотой Рог. Через Кольский залив в Мурманске построен самый длинный автомобильный мост Полярным кругом. В городе Сочи в преддверии Олимпиады построено много мостов и виадуков. Опоры и пилоны у всех этих мостов выполнены из железобетона.
Все транспортные сооружения, в том числе и указанные выше мосты, в процессе эксплуатации подвергаются комплексу внешних воздействий: нагрузок, температур и агрессивных эксплуатационных сред, совместное влияние которых приводит к интенсивному развитию повреждений и сокращению срока службы сооружений.
Одной из наиболее распространенных агрессивных эксплуатационных сред для многих конструкций инженерных сооружений является агрессивная хлоридсодержащая среда. Во всем мире повреждения железобетона вследствие хлоридной коррозии являются основной причиной снижения долговечности и целостности железобетонных конструкций. На основе анализа состояния железобетонных мостов в [1] сделан вывод, что основной причиной разрушения мостов является коррозия арматуры, инициированная проникновением хлоридов (рис. 1).
Среди основных источников хлоридного загрязнения элементов конструкций следует выделить: хлоридсодержащие средства-антиобледенители, применяемые с целью обеспечения безопасности проезда автотранспорта при гололеде на проезжей части мостов и морскую воду или солевой туман (характерный для приморской атмосферы), имеющие контакт с поверхностью конструкции. Воздействие хлоридсодержащей среды приводит к потере материала несущих конструкций, к значительному изменению его кратковременных и длительных механических характеристик, что, в конечном итоге, приводит к существенному снижению несущей способности, уменьшению надежности и сокращению долговечности конструкций.
воздеистви хлоридов 66%
Рис.1.
Поэтому возникает важная проблема прогнозирования поведения мостовых конструкций в условиях воздействия хлоридсодержащих сред. Вопросу учета воздействия агрессивной внешней среды, при расчете элементов конструкций в настоящее время начинает уделяться весьма большое внимание. Многие ученые, как в нашей стране, так и за рубежом, занимаются исследованиями влияния различных агрессивных сред на механические характеристики материалов, изучается кинетика деформирования и разрушения и материалов и элементов конструкций. Учеными Саратовского государственного технического университета проводится весьма большая работа в этом направлении, опубликовано несколько сотен статей, а также ряд монографий, посвященных различным сторонам этой проблемы [2-10].
Поперечные сечения элементов, применяемых в массовом железобетонном мостостроении и подвергающихся воздействию хлоридсодержащих сред, приведены на рисунке 2 а, б, в.
53
016 Л-П -
274
38
• • • • • • • • 1 Гч
350
■06А-1
Конструкция сваи сечением 35*35 см.
Рис. 2 а. Свая 35x35 см
спираль 0 б А-1
22 Л-П
08Л-1^
012 Л-П ■
45
ПО ПО 120 ПО ПО
240 230 240
012 Л-П
08 А-1 ' 016 Л-П
45
Стойка промежуточной опоры под пролетное строение длиной до 24 м.
800
Монолитная насадка промежуточной опоры под плитное пролетное строение длиной 6 и 9 м на свайных опорах.
Кездиафрагмеиная балка пролетного строения длиной 15 м, армированная каркасной арматурой:
а - отпубо'шыи чертеж: ~> - схсма V/!,'/..' .'..,,>
Рис. 4 в. Сечение предварительно напряженной пустотной плиты
Рассмотрим задачу моделирования поведения железобетонной мостовой конструкции, подвергающейся совместному действию механической нагрузки и хлоридсодержащей среды. При этом
используем подход, согласно которому сложная модель деформирования армированного конструктивного элемента представляется в виде совокупности моделей [9]:
1) модель конструктивного элемента (стержень, балка, плита, оболочка), со стандартными гипотезами о характере деформированного состояния;
2) модель проникания хлоридов (экспериментальные данные свидетельствуют, что проникание происходит по механизму активированной диффузии);
3) модели деформирования бетона и арматуры;
4) модели деградации свойств материалов;
5) модель предельного состояния.
Модель проникания агрессивной среды принимается в виде уравнения активированной диффузии:
д С
-= й1\ (В grad С) - g (С), (1)
й /
с соответствующими краевыми условиями. Здесь С - концентрация хлоридов, В - коэффициент диффузии, X - время, g - функция связывания.
Диаграмма деформирования бетона принимается в виде:
(7= (р(ё)Л(С), (2)
где р (ё) - модель деформирования бетона в исходном состоянии, причем:
„ ч ГАе- Вё, а> 0; р(ё)=\; ё ' (3)
[ Асё- Всё , (< 0,
Здесь а, ё - напряжения и деформации, А и В - коэффициенты для растяжения и сжатия, Т(С) -функция, отражающая изменение диаграммы деформирования по мере поражения бетона хлоридами, причем:
Г1(С) = 1 - а-Сь. (4)
Модель деформирования арматуры:
а = аёь. (5)
Здесь а,Ь, а,в - коэффициенты.
Коррозия арматуры начинается после достижения фронтом критической концентрацией хлоридов поверхности арматуры и описывается диффузионной моделью коррозии [9]:
д у/д Г = &у(В grad у) (6)
где В - коэффициент коррозионной податливости арматуры, у - параметр коррозионной поврежден-ности арматуры. Влияние коррозии на арматуру учитывается как уменьшение ее площади по закону:
А(0 = ¥(х, у, г)йхйу . (7)
1 армат.
Для получения полной системы уравнений, описывающей поведение железобетонной мостовой конструкции с учетом ее деградации в хлоридсодержащей среде, к уравнениям (1) - (7) присоединяются уравнения равновесия.
Следует учитывать, что в процессе взаимодействия железобетонной конструкции с хлоридсодержащей средой ее поведение может кардинально измениться. Если, например, железобетонный элемент (свая) находится в сжатом состоянии, вызванном нагрузкой, то если действие хлоридов симметрично относительно главных осей инерции сечения и не приводит к изменению положения центра тяжести, то уравнение равновесия имеет:
N = | (бет йР + { (армат . (8)
рбет Рармат
Если же хлориды действуют несимметрично, то возникает несимметрично распределенная по сечению наведенная неоднородность бетона, приводящая к изменению положения центра тяжести и центрально-сжатый железобетонный элемент станет внецентренно сжатым, поведение которого будет описываться уже системой из трех уравнений:
N = 1(ет + I ° армат ,
М = | (6ет + | (армат * , (9)
бет армат
М2 = | а 6ет УйР + |(армат УйР .
бет армат
Здесь Л, Му, М* - продольное усилие и изгибающие моменты относительно осей * и у, Рбет и Р'армат - площадь сечения бетона и арматуры.
Для изгибаемых железобетонных конструкций при симметричном действии хлоридов равновесие сечения описывается первыми двумя уравнениями (9). При произвольном действии хлоридов поведение железобетонного элемента описывается полной системой уравнений равновесия (9). Для решения приведенного комплекса уравнений задается гипотеза о характере деформирования сечения, например, гипотеза плоских сечений в виде:
£=Ху г+С у+£о, (10)
где е - полная деформация; Су, С - кривизны изогнутой оси элемента; £о - деформация элемента в начале базовой системы координат. Из решения системы разрешающих уравнений определяются ео,Су, %7, а через них рассчитываются поля напряжений а (у, ¿) и деформаций ё(у, *).
Для иллюстрации рассмотрим моделирование поведения железобетонной сваи (рис. 4а), подвергающейся действию хлоридов. Коэффициент диффузии хлоридов в бетоне В = 1,162-10-12 м2/с, принимается, что арматура непроницаема для хлоридов, а в начальный момент времени хлориды в конструкции отсутствуют. Коэффициенты в (3) следующие: при сжатии: Ас = 4,181 -104 МПа, Вс = 3,484-109 МПа; при растяжении: Ар = 8.1-103 МПа, Вр = 1.08-1010 МПа, коэффициенты в (4) а = 0,11; Ь = 0,447, и в (5) а= 890 МПа; р= 0,127. В модели (6)В = 4,601-10-15 м2/с, критическая концентрация хлоридов на поверхности арматуры Скр. = 0,83 кг/м3 .
Была проведена дискретизация сечения железобетонного элемента, причем, арматура покрывалась более частой сеткой, чем остальные области сечения. При изменении размерности сеток, частота разбиения арматурных стержней не изменялась и равна 21x21. Оценка результатов расчета с шагом по времени Л = 10-2 года проводилась на трех разных сетках, по деформации ё (таблица 1) при деформировании центрально-сжатой стойки под нагрузкой N = 0,8-Ктах, и действии хлоридов со всех сторон.
Таблица 1
Деформация сечения центрально-сжатого конструктивного элемента
№ Время, годы 0 2,5 5
3 е, 10-3 (сетка 75x75) -1,19845 -1,31277 -1,36930
2 е, 10-3 (сетка 39x39) -1,19854 -1,31666 -1,37452
Погрешность, % 0,0075 0,296 0,381
1 е, 10-3 (сетка 27x27) -1,19838 -1,31513 -1,37870
Погрешность, % 0,0058 0,180 0,686
Результаты свидетельствуют о хорошем соответствии расчетов на разных сетках. Кинетика деформирования железобетонной стойки в процессе деградации при действии хлоридов приведена на рис. 3, а влияние времени действия хлоридов на несущую способность стойки показано на рис. 4, где
Время, годы
Рис. 3. Деформирование нагруженной стойки под действием хлоридов
Время, годы Рис. 4. Снижение несущей способности стойки
Как видно, долговечность стойки в рассмотренных условиях оценивается расчетом в 5,5 лет.
Проведенные исследования позволяют отметить, что воздействие хлоридсодержащей среды приводит не только к наведенной неоднородности бетона железобетонного элемента, но и может привести к изменению силовой схемы работы элемента. То есть железобетонные элементы, работавшие в условиях центрального сжатия, могут стать внецентренно сжатыми, а элементы, работающие в условиях прямого поперечного изгиба, могут начать работать в условиях косого изгиба. Следовательно, при расчете железобетонных конструкций в условиях хлоридной агрессии следует анализировать кинетику изменения неоднородности свойств во времени под действием хлоридов и вызванное этим изменение напряженно-деформированного состояния.
ЛИТЕРАТУРА
1. Gaal G.C., Veen C., Djorai M.H. Prediction of deterioration of concrete bridges in the Netherlands // Proceedings of First International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management. Barcelona, 2002
2. Овчинников И.Г., Раткин В.В., Землянский А.А. Моделирование поведения железобетонных элементов конструкций в условиях воздействия хлоридосодержащих сред (монография). СГТУ.Саратов.2000. 232 с.
3. Овчинников И.Г., Раткин В.В., Гарибов Р.Б. Работоспособность сталежелезобетонных элементов конструкций в условиях воздействия хлоридсодержащих сред (монография). Изд-во СГУ. Саратов, 2002.155 с.
4. Овчинников И.Г., Кривцов А.В., Скачков Ю.П. Влияние хлоридсодержащих сред на прочность и долговечность пластин на упругом основании (монография). Изд-во. ПензГАСА. Пенза. 2002. 214 с.
5. Гарибов Р.Б. Сопротивление железобетонных элементов конструкций воздействию агрессивных сред. Изд-во СГУ. Саратов, 2003. 228 с.
6. Овчинников И.И., Наумова Г.А. Накопление повреждений в стержневых и пластинчатых армированных конструкциях, взаимодействующих с агрессивными средами. Волгогр. гос. архит. -строит. ун-т. Волгоград. Изд-во ВолгГАСУ. 2007. 272 с.
7. Маринин А.Н., Гарибов Р.Б., Овчинников И.Г. Моделирование напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов конструкций в условиях хлоридной коррозии и карбонизации. Саратов. Научное издание. Издат. Центр «Рица». 2008. 296 с.
8. Межнякова А.В., Овчинников И.Г., Скачков Ю.П. Вероятностный расчет железобетонных элементов конструкций с учетом воздействия хлоридсодержащих сред. Монография. Пенза. ПГУ. 2011. 188 с.
9. Овчинников И.И., Мигунов В.Н., Овчинников И.Г. Моделирование кинетики деформирования армированных конструкций в специальных эксплуатационных средах - Пенза, ПГУАС, 2014. 280с
10. Мигунов В.Н., Овчинников И.И., Овчинников И.Г. Экспериментально-теоретическое моделирование армированных конструкций в условиях коррозии. Пенза, ПГУАС, 2014. 352с.
Гарибов Рафаил Баширович -
доктор технических наук, профессор кафедры «Теория сооружений и строительных конструкций» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Овчинников Илья Игоревич -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Транспортное строительство» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Статья,
Rafail B. Garibov -
Dr. Sc., Professor
Department of Theory of Structures and Building Structures,
Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Ilya I. Ovchinnikov -
Ph. D., Assosiate Professor
Department of Transport construction,
Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
пила в редакцию 17.09.14, принята к опубликованию 25.12.14
