Напряженное состояние конструктивных элементов многослойного сталежелезобетонного водовода в строительный период Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 627.84.001.24

НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МНОГОСЛОЙНОГО СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО ВОДОВОДА В СТРОИТЕЛЬНЫЙ ПЕРИОД

Лидия Николаевна Гахова

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, старший научный сотрудник лаборатории диагностики механического состояния массива горных пород, тел (383)217-03-37, e-mail: gahoval@mail.ru

По результатам численного моделирования выполнена оценка эффективности формирования напряженного состояния конструктивных элементов водовода, вызванного технологическими факторами, в том числе температурным воздействием, что позволяет влиять на выбор конструктивных параметров водовода и технологического режима бетонирования.

Ключевые слова: сталежелезобетонный водовод, численное моделирование, квазистатическая термоупругость, напряженное состояние.

STRESSES IN STRUCTURAL ELEMENTS OF MULTILAYER STEEL-AND-CONCRETE WATER PASSAGEWAY DURING CONSTRUCTION

Lidia N. Gakhova

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Senior Researcher, Laboratory for Diagnostics of Mechanical Condition of Rocks, tel. (383)217 0337, e-mail: gahoval@mail.ru

Using numerical modeling results, the author estimates stresses in structural elements of water passageway under induced external effect, including temperature, which is applicable in selecting design parameters of water passageways and operating of concreting.

Key words: Steel-and-concrete water passageway, numerical modeling, quasistatic thermoe-lasticity, stress state.

Натурные исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) конструктивных элементов крупномасштабных железобетонных сооружений свидетельствуют о том, что в строительный период в железобетонных конструкциях возникают напряжения, вызванные технологическими факторами, в том числе температурным воздействием. Формирующиеся при этом остаточные напряжения могут оказывать существенное влияние на напряженное состояние конструктивных элементов в эксплуатационный период.

Крупномасштабными железобетонными сооружениями являются гидротехнические сооружения, к наиболее ответственным зонам которых относятся проложенные в большинстве случаев на низовой грани бетонных плотин турбинные водоводы, железобетонные оболочки которых подвержены в строительный и эксплуатационный периоды интенсивному трещинообразованию.

Одним из наиболее эффективных путей повышения трещиностойкости, прочности и долговечности массивных железобетонных конструкций, к каким

относятся турбинные водоводы, является предварительное напряжение конструкций. В массивных гидротехнических конструкциях обжатие бетона достигается путем целенаправленного регулирования температуры и влажности бетона [1, 2]. При возведении высоконапорных плотин для предотвращения тре-щинообразования в железобетонных облицовках турбинных водоводов проводятся конструктивные и технологические мероприятия по воздействию на термонапряженное состояние бетона, включающие применение цементов с умеренным тепловыделением, регулирование температуры бетонной смеси, применение опалубки с теплозащитными свойствами, определенный порядок рас-палубливания боковых граней блоков в холодный период и теплозащиту горизонтальных граней блоков в зимнее время года.

Ниже приведены результаты оценки остаточных напряжений в оболочке и арматуре водоводов, подверженных естественным (температура воздуха) и технологическими (экзотермический разогрев бетона) температурным воздействиям. Исследовалось термонапряженное состояние сталежелезобетонного водовода при его бетонировании в летний и зимний периоды с применением опалубки, имеющей различные теплозащитные свойства. Расчеты выполнены методом граничных интегральных уравнений (МГИУ) для кусочно-однородных областей [2 - 5].

Исследовалось НДС конструктивных элементов сталежелезобетонного водовода Саяно-Шушенской ГЭС, представляющее собой многослойное кольцо,

состоящее из стальной оболочки и железобетонной обделки с двумя слоями кольцевой арматуры (рис. 1). Толщина арматурного кольца принята равной диаметру арматуры. Предполагалось, что металл оболочки, бетон и арматурные кольца - линейно деформируемые материалы. В табл. 1 приведены исходные данные для расчета напряженного состояния ста-лежелезобетонного турбинного водовода. Результаты расчетов представлялись в точках А1 - А6.

Предполагалось, что температура внутри водовода и наружного воздуха одинакова и принимается в соответствии с рис. 2: летний период - с 15 мая (среднесуточная температура > 5оС); зимний -с 15 ноября (среднесуточная температура < -5оС). Температура бетонной смеси 20оС. В расчетах варьировались коэффициенты теплопередачи опалубки (Р1= 0.87; Р2 = 3.51 Вт/(м2-град.С) и тем-

Рис. 1 . Расчетная схема: 1 - металлическая оболочка; 2, 4,6 -бетон; 3,5 - арматурное кольцо

20

месяц

12

Рис. 2. Сезонное колебание температура воздуха

пературы экзотермического разогрева бетона 35оС; t1= 50оС) [1,2]. На рис. 3а - распределение температуры в радиальном направлении и динамика температурного поля в зимнее и летнее время без разогрева и после экзотермического разогрева бетона (до 35оС), приводящего к увеличению температуры внутреннего слоя бетона в летний период бетонирования на 12-14оС и наружного на 9-11оС; в зимний период на 16-17°С и 8-10°С соответственно.

В данном варианте расчетов коэффициент теплопередачи опалубки

Л

р1 = 0.87 Вт/(м -град.). Бетонирование в опалубке с более высоким коэффициен-

Л

том теплопередачи (р2 = 3.51 Вт/(м -град.)) приводит к более интенсивному остыванию наружного слоя бетоны даже в летний период (рис. 3б).

Таблица 1

Физико-механические свойства конструктивных элементов сталежелезобетонных водоводов

Физические параметры массива Стальная оболочка Бетон Материал арматурных колец

Модуль упругости, Е, МПа 2.1-105 2.9-104 2.1-105

Плотность, р , кг/м3 7794 2400 7784

Коэффициенты:

Пуассона V 0,28 1.2-10-5 0.17 0.95-10-5 0.25 1.1-10-5

линейного теплового расширения а, 1/град

теплопроводности ^ Вт/(м-град^) температуропроводности ж , м /сек 35 7.32-10-6 1 0.54-10-6 30 0.84-10-6

теплоотдачи а1, Вт/( м2-град) 3.51 0.87 2.1

При остывании конструкции напряженное состояние характеризуется появлением значительных сжимающих напряжений в металлической оболочке (до -32,3 МПа при бетонировании в летний период и до -26,3 МПа при бетонировании в зимний, табл. 2). Во внутреннем арматурном кольце сжимающие напряжения достигают -10,2 МПа и -6,1 МПа соответственно; во внешнем арматурном кольце появляются растягивающие напряжения (6,5 МПа и 8,1 МПа).

Бетонирование в менее теплой опалубке снижает сжимающие напряжения в металлической оболочке на -11% в летний и на -13% в зимний периоды. В то же время, растягивающие напряжения во внешнем арматурном кольце возрастают на -40% в летний и более чем на -45% в зимний периоды (табл. 2).

При экзотермическом разогреве бетона до 500С наибольшие остаточные сжимающие напряжения в металлической оболочке формируются при использовании теплой опалубки и в летнее время достигают -46,3 МПа. Растягивающие напряжения во внешнем арматурном кольце в полтора раза меньше, чем в аналогичных условиях при экзотермическом разогреве до 35оС (табл. 3). Наибольшие растягивающие напряжения во внешнем арматурном кольце формируются при бетонировании в зимнее время в «холодной» опалубке (табл. 2).

Приведенные результаты свидетельствуют о более эффективном технологическом формировании напряженного состояния конструктивных элементов водовода в летний период (технологическом обжатии). Замедленное остывание конструкции летом по сравнению с зимним периодом способствует увеличению формируемого обжатия металлической оболочки и снижению растягивающих напряжений во внешнем арматурном кольце. Следствием технологического обжатия является снижение суммарных растягивающих напряжения металлической оболочки и внутреннего арматурного кольца при нагружении водовода гидростатическим давлением.

Рис. 3. Распределение температуры по сечению водовода и динамика температурного поля по сечению водовода: а - без разогрева бетона и после экзотермического разогрева бетона; б - в летний период года после экзотермического разогрева бетона для двух вариантов коэффициента теплопередачи опалубки

Таблица 2

Тангенциальные напряжения (ое, МПа) конструктивных элементов сталежелезобетонного водовода после остывания конструкции. Экзотермический разогрев бетона до 35оС

ое, МПа

Номер Бетонирование в летний период Бетонирование

кольца Конструктивный в зимний период

элемент Р1=0.87 Р2=3.51 р1=0.87 Р2=3.51

Вт/(м -град.) Вт/(м -град.) Вт/(м -град.) Вт/(м -град)

1 Металлическая обо- -32.3 -28.7 -26.3 -22.9

лочка

3 Внутреннее арм. -10.2* -6.4* -6.1* -3.9*

5 кольцо

Внешнее арм. 6.5* 9.1* 8.1* 11.7*

кольцо

* Н апряжения приведены непосредственно в арматуре

Таблица 3

Тангенциальные напряжения (ае, МПа) конструктивных элементов сталежелезобетонного водовода после остывания конструкции. Экзотермический разогрев бетона до 50оС

ое, МПа

Но- Конструктивный Бетонирование в летний пе- Бетонирование в зимний пери-

мер элемент риод од

коль- Р1=0.87 Р1=3.51 Р1=0.87 Р1=3.51

ца Вт/(м -град.) Вт/(м -град.) Вт/(м -град.) Вт/(м -град.)

1 Металлическая -46.3 -42.4 -29.1 -25.2

оболочка

3 Внутреннее арм. -18.2* -13.5* -12.1* -7.4*

5 кольцо

Внешнее арм. 4.2* 5.4* 5.7* 7.8*

кольцо

* Напряжения приведены непосредственно в арматуре

Данного подхода может быть использован для анализа температурных напряжений в окрестности подземных сооружений как в период строительства, так и в период их эксплуатации. Оценка эффективности предварительного обжатия дает возможность влиять на выбор конструктивных параметров водовода (уменьшение толщины металлической оболочки и арматурных стержней) и технологический режим бетонирования (температура экзотермического разогрева).

БИБЛИОГРАФИЧСКИЙ СПИСОК

1. Гаркун Л. М., Епифанов А.П., Идельсон В.Б., и др. Методы воздействия на напряженное состояние бетонных массивов гидротехнических сооружений. - М.: Энергоатомиз-дат. - 1987.

2. Гахова Л.Н., Кузнецова Ю.А. Напряженное состояние турбинных водоводов в строительный период. // Известия ВУЗов. Строительство. - Новосибирск. - 2012. - №9, С. 49 - 54.

3. Гахова Л.Н. Температурные напряжения в кусочно-однородном массиве. / Труды IX международной научной конференции «ГЕО-Сибирь-2013», т. 2. - Новосибирск: СГГА. -2013.

4. Гахова Л.Н., Кузнецова Ю.А. Расчет напряжений в сталежелезобетонных турбинных водоводах методом граничных интегральных уравнений. // Известия ВУЗов. Строительство. - 2010. - № 8, С. 32 - 38.

5. Гахова Л.Н. Термонапряженное состояние многослойного сталежелезобетонного водовода в составе конструкции гидротехнического сооружения. // Труды X международной научной конференции «ГЕО-Сибирь-2014», - Новосибирск: СГГА, 2014. - №4, С48 - 52.

© Л. Н. Гахова, 2015