CC BY
8
УДК 627.84.001.24
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-5-310-316
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО ВОДОВОДА В СТРОИТЕЛЬНЫЙ ПЕРИОД
Лидия Николаевна Гахова
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, старший научный сотрудник лаборатории диагностики механического состояния массива горных пород, тел. (383)217-03-37, e-mail: gahoval@mail.ru
В строительный период в водоводах возникают значительные температурные напряжения, являющиеся следствием экзотермического разогрева бетона в формируемых сталежеле-зобетонных конструкциях. С использованием результатов численного моделирования термонапряженного состояния сталежелезобетонного водовода непрямым методом граничных интегральных уравнений для кусочно-однородных областей установлено влияние изменения температурных режимов на напряженно-деформированное состояние водоводов, подверженных естественным и технологическим температурным воздействиям. Исследовано значение коэффициента теплоотдачи опалубки на характер напряженного состояния конструктивных элементов водовода. Дана оценка эффективности формирования напряженного состояния в летний и зимний периоды, а также целенаправленного формирования остаточных напряжений конструктивных элементов сталежелезобетонного водовода на примере турбинного водовода Саяно-Шушенской ГЭС.
Ключевые слова: сталежелезобетонный водовод, численное моделирование, квазистатическая термоупругость, напряженное состояние.
FEATURES OF STRESS STATE FORMATION IN MULTILAYERED COMPOSITE WATER CONDUIT DURING CONSTRUCTION
Lidiya N. Gakhova
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Senior Researcher, Mechanical Rock Mass State Diagnostics Laboratory, phone: (383)217-03-37, e-mail: gahoval@mail.ru
The results of numerical modeling of the thermal stress state of a composite water conduit and the indirect method of boundary integral equations for piecewise uniformmedia has been used to determine the influence of temperature regime changes on the stress-strain state of water conduits. The water conduits are subjected to natural and technological temperature influences. The value of the heat transfer coefficient of the formwork on the nature of the stress state of the constructive elements of the water conduit is studied. The evaluation of the effectiveness of stress formation in summer and winter periods, as well as the purposeful formation of residual stresses of structural elements of a composite water conduit are exemplified by the Sayano-Shushenskaya HPP turbine pipeline.
Key words: composite water conduit, numerical modelling, quasistatic thermoelasticity, stress state.
Исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) конструктивных элементов крупномасштабных железобетонных конструкций в строи-
тельный период свидетельствуют о том, что в них формируются напряжения, вызванные температурным воздействием как естественного (температура наружного воздуха), так и технологического (экзотермический разогрев бетона) характера [1, 2]. Возникающие при этом остаточные напряжения оказывают существенное влияние на характер распределения НДС конструктивных элементов в эксплуатационный период.
К наиболее ответственным конструктивным элементам бетонные плотины гидротехнических сооружений относятся железобетонные водоводы, размещаемые в бетоне плотины или проложенные на ее низовой грани. железобетонные оболочки которых в строительный и эксплуатационный периоды могут быть подвержены интенсивному трещинообразованию.
Для повышения долговечности, трещиностойкости и прочности железобетонных конструкций используется предварительное напряжение конструкций путем обжатия бетона с использованием целенаправленного регулирования температуры и влажности бетона [2, 3]. Для предотвращения трещинообразова-ния в железобетонных облицовках турбинных водоводов при строительстве высоконапорных плотин проводятся и технологические мероприятия по воздействию на термонапряженное состояние бетона, в частности, используется цемент с умеренным тепловыделением, осуществляется регулирование температуры бетонной смеси, применяются опалубки с теплозащитными свойствами, проводится теплозащита горизонтальных граней блоков в зимнее время года. В холодный период года осуществляется определенный порядок распалублива-ния боковых граней блоков.
Исследовалось термонапряженное состояние сталежелезобетонного водовода формируемого с применением опалубки, имеющей различные теплозащитные свойства, при его бетонировании в летний и зимний периоды.
Расчеты выполнены с использованием непрямого метода граничных интегральных уравнений (МГИУ) для кусочно-однородных областей, позволяющего формулировать задачу только для границ блоков исследуемой структуры или области [4, 5]. Задача термоупругости решалась в квазистатической постановке с шагом 15 суток [5].
Оценка остаточных напряжений в конструктивных элементах водовода, выполнялась по результатам анализа температурного поля в металлической оболочке, бетоне и арматурных кольцах водовода, подверженного естественным и технологическим температурным воздействиям, а также НДС конструкции после ее остывания.
Исследования выполнялись на примере сталежелезобетонного водовода Саяно-Шушенской ГЭС, представляющего в поперечном сечении многослойное кольцо, состоящее из стальной оболочки, железобетонной обделки с двумя слоями кольцевой арматуры и трех слоев бетона [5]. Предполагалось, что металл оболочки, бетон и арматурные кольца - линейно деформируемые материалы. В табл. 1 приведены исходные данные для расчета напряженного состояния сталежелезобетонного турбинного водовода. Рис. 1 отражает сезонное колебание температуры воздуха в районе СШ ГЭС.
Рис. 1
В строительный период водовод опорожнен, поэтому температура наружного воздуха и внутри водовода одинакова. Расчеты выполнены для двух вариЛ
антов коэффициента теплоотдачи опалубки (0! = 0,87; р2 = 3,51 Вт/(м -град. С) [3]) и двух вариантов температуры экзотермического разогрева бетона = 35 °С; ^ = 50 °С).
Таблица 1
Физико-механические свойства конструктивных элементов сталежелезобетонных водоводов
Физические параметры массива Стальная оболочка Бетон Материал арматурных колец
Модуль упругости, Е, МПа Плотность, р , кг/м3 Коэффициенты: Пуассона V линейного теплового расширения а, 1/град теплопроводности к, Вт/(м-град) температуропроводности ж , м2/сек теплоотдачи а1, Вт/( м -град) 2,1-105 7 794 0,28 1,2-10-5 35 7,32-10-6 3,51 2,9-104 2 400 0,17 0,95-10-5 1 0,54-10-6 0,87 2,1-105 7 784 0,25 1,1-10-5 30 0,84-10-6 2,1
Рис. 2 отражает динамику температурного поля и распределение температуры в радиальном направлении при коэффициенте теплопередачи опалубки
Л
Р1 = 0,87 Вт/(м -град.) в зимнее и летнее время без разогрева и после экзотермического разогрева бетона до 35 °С. В летний период бетонирования после экзотермического разогрева бетона температура внутреннего слоя бетона увеличивается на 12-14 °С, наружного - на 9-11 °С; в зимний - на 16-17 °С и 8-10 °С соответственно.
На рис. 3. представлено распределение температур по сечению водовода и динамика температурного поля в летний период (май - июль) после экзотермического разогрева бетона до +35 °С для двух вариантов коэффициента тепло-
передачи опалубки. При бетонирование в опалубке с низким коэффициентом теплопередачи (р2 = 0,87 Вт/(м -град.)) в летний период наблюдается менее интенсивное остыванию наружного слоя бетона (рис. 3).
Рис. 2
Металлическая оболочка
5,6,7 - месяцы в году
- Р=0,8 7Вт/( м2 • гр ад.)
----3=3,51Вт/(м2-град.)
Рис. 3
При остывании конструкции в металлической оболочке появляются значительные сжимающие напряжения (а ) - до -32,3 МПа при бетонировании
в летний период и до -24,3 МПа при бетонировании в зимний (табл. 2). Во внутреннем арматурном кольце а достигают -10,2 МПа (летом) и -6,1 МПа
(зимой). Во внешнем арматурном кольце появляются растягивающие напряжения (а ): 6,5 МПа (летом) и 8,1 МПа (зимой).
Бетонирование в менее теплой опалубке снижает а в металлической обо-
^ •> сж
лочке на ~ 11 % в летний и на ~ 13 % в зимний периоды, при этом а во внешнем арматурном кольце возрастают на ~ 40 % в летний и более чем на ~ 45 % в зимний периоды (табл. 2).
Таблица 2
Тангенциальные напряжения (МПа) конструктивных элементов сталежелезобетонного водовода после остывания конструкции. Экзотермический разогрев бетона до +35 0С
Коэффициент теплоотдачи опалубки Тангенциальные напряжения, МПа
Металлическая оболочка Внутреннее арматурное кольцо Внешнее арматурное кольцо
Бетонирование в летний пе-
риод в = 0,87 Вт/(м2-град.) Р2 = 3,51 Вт/(м2-град.) -32,3 -28,7 -10,2* -6,4* 6,5* 9,1*
Бетонирование в зимний пе-
риод в = 0,87 Вт/(м2-град.) Р2 = 3,51 Вт/(м2-град.) -26,3 -22,9 -6,1* -3,9* 8,1* 11,7*
* Напряжения приведены непосредственно в арматуре.
Наибольшие остаточные а в металлической оболочке формируются
вследствие использования теплой опалубки, достигая при экзотермическом разогреве бетона до +50 оС в летнее время -46,3 МПа (табл. 3).
Во внешнем арматурном кольце а в полтора раза меньше, чем в аналогичных условиях при экзотермическом разогреве до +35 оС. Наибольшие а во внешнем арматурном кольце - при бетонировании в зимнее время в «холод-
Л
ной» опалубке с в = 0,87 Вт/(м -град.) (табл. 2).
Таблица 3
Тангенциальные напряжения (а0, МПа) конструктивных элементов
сталежелезобетонного водовода после остывания конструкции. Экзотермический разогрев бетона до +50 0С.
Коэффициент теплоотдачи опалубки Тангенциальные напряжения, МПа
Металлическая оболочка Внутреннее арматурное кольцо Внешнее арматурное кольцо
Бетонирование в летний пе-
риод в = 0,87 Вт/(м2-град.) Р2= 3,51 Вт/(м2-град.) -46,3 -42,4 -18,2* -13,5* 4,2* 5,4*
Бетонирование в зимний пе-
риод в = 0,87 Вт/(м2-град.) Р2= 3,51 Вт/(м2-град.) -29,1 -25,2 -12,1* -7,4* 5,7* 7,8*
* Напряжения приведены непосредственно в арматуре.
Заключение
Наиболее эффективно технологическое обжатие конструктивных элементов водовода в летний период, так как замедленное остывание конструкции летом способствует росту сжимающих напряжений металлической оболочки, при этом во внешнем арматурном кольце снижаются растягивающие напряжения, способствующие трещинообразованию. При нагружении водовода гидростатическим давлением суммарные растягивающие напряжения металлической оболочки и внутреннего арматурного кольца вследствие технологического обжатия снижаются.
Пользуясь результатами оценки предварительного обжатия конструктивных элементов водовода можно влиять на выбор толщины металлической оболочки и арматурных стержней, а также параметров технологического режима бетонирования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Александров Ю. Н. Об измерениях напряжений в арматуре массивных железобетонных конструкций // Гидротехническое строительство.- 2011. - № 2. - С. 19-23.
2. Пермякова Л. С., Рассказчиков В. А., Уляшинский В. А., Епифанов А. П., Кузнецова Ю. А. Напряженно-деформированное состояние элементов напорного тракта турбин Саяно-Шушенской ГЭС // Гидротехническое строительство.- 2008. - № 11. - С. 11-18.
3. Гаркун Л. М., Епифанов А. П., Идельсон В. Б., Сильницкий В. И., Старшинов С. Н., Уляшинский В. А. Методы воздействия на напряженное состояние бетонных массивов гидротехнических сооружений - М.: Энергоатомиздат, - 1987. - 112 с.
4. Гахова Л. Н., Кузнецова Ю. А. Оценка напряженного состояния турбинных водоводов методом граничных интегральных уравнений // Известия вузов. Строительство. - Новосибирск. - 2011. - № 8-9. - С. 32-37.
5. Гахова Л. Н. Решение плоской задачи квазистатической термоупругости для сталежеле-зобетонных турбинных водоводов // Известия вузов. Строительство. - 2010. - № 9. - С 46-52.
REFERENCES
1. Aleksandrov Yu.N. Variation in stresses in reinforcement of concrete structures, Gidrotekhnich. Stroit., 2011, No. 2, pp. 19-23.
2. Permyakova L.S., Rasskazchikov V.A., Ulyashinsky V.A., Epifanov A.P., Kuznetsova Yu.A., Stress state of elements in power tunnels of Sayano-Shushenskaya Hydroelectric Power Station, Gidtotekhnich. Stroit., 2008, No. 11, pp. 11-18.
3. Garkun L.M., Epifanov A.P., Idelson V.B., Silnitsky V.I., Starshinov S.N., Ulyashinsky V.A., Methods to Affect Stress State of Concrete Hydroengineering Structures. Moscow: Energoatomizdat, 1987. (in Russian)
4. Gakhova L.N., Kuznetsova Yu.A. Stress estimation in power conduits by the method of boundary integral equations, Izv. vuzov. Stroit., 2011, Nos. 8-9, pp. 32-37.
5. Gakhova L.N. Plane quasi-static thermal elasticity problem solution for steel and concrete power conduits, Izv. vuzov. Stroit., 2010, No. 9, pp. 46-52.
© R. H. raxoea, 2018
