CC BY
79
Нежданов
Кирилл
Константинович
доктор технических наук, профессор Пензенского государственного университета архитектуры и строительства, Почетный работник высшего профессионального образования РФ,
Почетный строитель РФ, Заслуженный изобретатель РФ
Жуков
Александр
Николаевич
аспирант кафедры «Строительные конструкции» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства
е-mail: [email protected]
Булавенко
Вячеслав
Олегович
аспирант кафедры «Строительные конструкции» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства
e-mail:
УДК 624.072.21
НЕЖДАНОВ К. К.
ЖУКОВ А. Н.
БУЛАВЕНКО В. О.
Результаты экспериментального исследования по восстановлению работоспособности железобетонных консолей колонн теплоэлектроцентрали
В статье рассматриваются новые экспериментальные данные по восстановлению работоспособности железобетонных консолей колонн теплоэлектроцентралей с помощью балансирных устройств и объемно предварительно напряженных сталетрубобетонных обойм, актуальность проблемы, процесс подготовки и проведения эксперимента. Анализируются новые данные о напряженно-деформированном состоянии элементов балансирного устройства и объемно предварительно напряженных сталетрубобетонных обойм, полученные с помощью электротензометрии.
Ключевые слова: экспериментальное исследование, восстановление работоспособности, железобетонные консоли колонн, теплоэлектроцентраль, балансирное устройство, сталетрубобетон.
NEZHDANOV K. K.
ZHUKOV A. N.
BULAVENKO V. O.
RESULTS OF EXPERIMENTAL RESEARCHES BY RESTORATION SERVICEABILITY OF CONSOLES CONCRETE COLUMNS OF HEAT ELECTROPOWER STATION
In the article described the new experimental data on the recovery serviceability of consoles concrete columns of heat electropower station using the balancer device and volumetric of pre-stressed steelguncrete casing. Importance of the problem, the process of preparing and carrying out the experiment are described. New data about the stress-strain state of the balancer device and volumetric of pre-stressed steel guncrete casing obtained with strain gauges are analyzed.
Keywords: experimental research, restoration serviceability, consoles concrete columns, heat electropower station, balancer device, steel guncrete.
Железобетонные консоли колонн являются одними из наиболее напряженных элементов каркаса сооружения, поэтому повреждаются коррозией арматуры и бетона чаще, чем другие участки колонн. Так, например, на одной из теплоэлектроцентралей г. Пензы,
построенной в 1943 г., возникли серьезные повреждения железобетонных консолей (Иллюстрация 1), предназначенных для опирания стальных подкрановых балок, для кранов грузоподъемностью 0=50/10 т.
При обследовании турбинного цеха было обнаружено, что защитный слой на многих
© Нежданов К. К., Жуков А. Н., Булавенко В. О., 2012
69
Иллюстрация 1. Разрушение защитного слоя бетона в результате коррозии арматуры и бетона консолей
консолях полностью обрушился. Особенно пострадали участки консолей в зоне непосредственного контакта с ними стальных опор подкрановых балок. Рабочая арматура оголилась, и было установлено, что ее поверхность покрыта продуктами коррозии толщиной 0,3...0,4 мм, при этом необходимо отметить появление «язвенных» очагов коррозии. Нарушено сцепление арматуры с бетоном, несущая способность консоли существенно упала.
На теплоэлектроцентрали в турбинном цехе необходимо было демонтировать старую турбину массой 100 т и заменить ее новой. Но несущая способность консолей колонн не обеспечивала восприятие опорных реакций от сцепки из двух мостовых кранов грузоподъемностью по 0=50 т, транспортирующих турбину массой 100 т. Задача осложнялась тем, что доступ к аварийным консолям был закрыт рабочей площадкой на отметке 7 000 м для обслуживания турбин, поэтому стреловые монтажные краны не могли быть использованы.
Для восстановления работоспособности аварийных консолей колонн разработаны и внедрены способы, которые предполагают установку балансирных устройств и предварительно напряженной сталетрубобетонной обоймы. Их эффективность проверена физическим экспериментом на моделях консолей.
Цель эксперимента: изучение напряженно-деформированного состояния моделей аварийной консоли
колонны до и после усиления с применением балансирных устройств и сталетрубобетонной обоймы.
Для реализации поставленной цели сформулированы следующие задачи:
1 разработать и изготовить две модели консолей колонн, которые имитируют эксплуатируемые консоли на одной из ТЭЦ г. Пензы, предназначенных для опирания смежных подкрановых балок под мостовые краны грузоподъемностью 50/10 т, опорная реакция от крана равна 82,6 т;
2 разработать схему проведения эксперимента моделей консолей колонн;
3 провести испытания двух моделей консоли колонны по специально разработанной схеме с доведением их до разрушения;
4 исследовать напряженно-деформированное состояние консоли колонны при помощи тензорезис-торов, наклеенных на арматуру консоли;
5 разработать и изготовить два образца балансирных устройств, состоящих из центратора, управляющих рычагов и задней опорной балки для консоли колонны, и испытать их до разрушения;
6 исследовать напряженно-деформированное состояние конструкции восстановления работоспособности с применением
балансирного устройства при помощи тензорезисторов;
7 сравнить напряженно-деформированное состояние консоли колонны до и после восстановления работоспособности с помощью балансирного устройства;
8 разработать и изготовить масштабную конструкцию восстановления работоспособности консолей колонн с применением сталетрубобетонной обоймы с эффектом объемного обжатия, состоящей из переднего и заднего торцевого швеллера, боковых накладок и соединительных уголков;
9 провести прочностные испытания модели восстановления работоспособности для консоли колонны с применением трубобетонной обоймы с эффектом объёмного обжатия;
10 исследовать напряженно-деформированное состояние конструкции восстановления работоспособности с применением сталетрубобетонной обоймы с эффектом объемного обжатия при помощи проволочных тен-зорезисторов на фольговой основе;
11 сравнить напряженно-деформированное состояние консоли колонны до и после восстановления работоспособности с помощью предварительно напряженной стальной обоймы.
Иллюстрация 2. Общий вид испытания моделей консолей на силовом полу:
1 — П-образная рама, жестко защемленная в силовом полу; 2 — опорная сварная балка; 3 — модели консолей колонны; 4 — стальная затяжка, связывающая модели консолей; 5 — упорная деревянная прокладка, предохраняющая бетон от смятия;
6 — домкрат ДГ-50; 7 — распорка; 8 — опорный домкрат
Эксперимент проходил в три стадии:
1) изготовление и испытание образцов консолей колонн;
2) изготовление и испытание балансирного устройства, обеспечивающего полную разгрузку аварийных консолей;
3) изготовление и испытание предварительно напряженной сталетрубобетонной обоймы.
Этап 1. Изготовление и испытание модели консоли колонны
В качестве исходного образца для испытания была принята уменьшенная модель консоли колонны, аналогичная эксплуатирующейся на одной из ТЭЦ г. Пензы. Класс бетона принят идентичным классу бетона аварийной консоли марки 100 (В 7,5). Опорная пластина под подкрановой балкой отсутствовала, так как ее нет в реальной конструкции. В реальной конструкции смежные подкрановые балки опирались на консоль всей площадью нижнего пояса. Для проведения эксперимента изготовлено два образца. Перед испытанием обойм модели были доведены до разрушения при помощи гидравлического домкрата. Изготовленные модели консолей испытывались до разрушении на силовом полу в лаборатории кафедры «Строительные конструкции» Пензенского ГУАС. Схема испытания представлена на Иллюстрации 2.
Предельно допустимая нагрузка вычислена по методике, предложенной доктором технических наук Т. И. Барановой [1]. Расчеты показали, что разрушение консоли произойдет при силе 1250,7 гН (12,51 т). Но реальное разрушение первой модели произошло при 2060,1 гН (21 т) вследствие смятия бетона под опорной площадкой домкрата с последующим обрушением защитного слоя бетона по всей высоте консоли. Обрушение второй модели произошло при 1471,5 гН (15 т) внезапно, без значительного раскрытия трещин.
Этап 2. Изготовление и испытания балансирного устройства
Для восстановления работоспособности консолей колонн разработан и испытан способ [2], основанный на использовании пары балансирных устройств для разгрузки консоли. Он обеспечивает перенос точки приложения опорных реакций от края консоли максимально близко к центру тяжести нижней части колонны. Для повышения технологичности монтажа и его ускорения
все соединения приняты болтовыми. Они позволяют быстро установить конструкцию в проектное положение и обеспечивают повторное использование таких устройств.
Балансирное устройство состоит из центратора 1, пары управляющих рычагов 2, опорной балки 3, подвешенной к центратору 1, соединительных тяжей 4 и опорных пластин 6. Соединение управляющих рычагов 2 с центратором 1 выполнено на болтах 4 через опорные пластины 6. Управляющие рычаги 2 соединены с опорной балкой 3 на болтах 5 (Иллюстрация 3).
Принцип полной разгрузки аварийной консоли от воздействий сцепки из двух мостовых кранов Ашх и Мпах связан с тем, что воздействия опорных реакций от смежных подкрановых балок передаются на пару коротких плеч рычагов управления. Рычаги управления 2 стре-
мятся повернуться вокруг опорного центратора 1, который установлен вблизи центра тяжести нижней части колонны вплотную к верхней ее части. При этом повороту рычагов управления против часовой стрелки препятствуют длинные части Ь. Опорные реакции длинных частей Ь действуют снизу вверх и передаются на железобетонную балку перекрытия, которая находится с противоположной стороны от консоли колонны. Опорный центратор 1 передает основную силу, при этом уменьшается эксцентриситет приложения силы со 130 до 40 мм, т. е. более чем в 3 раза по сравнению с работой консоли колонны до усиления. При таком способе усиления опорная реакция от центратора возрастает по сравнению с неусиленной консолью на 15-20% и равна сумме Бша1 и опорной реакции задней опорной балки.
Иллюстрация 3. Контрольная сборка балансирного центратора: 1 — центратор; 2 — пара управляющих рычагов; 3 — опорная балка составного сечения; 4, 5 — соединительные тяжи; 6 — опорные пластины
Иллюстрация 4. Общий вид конструкции при испытании: а — вид со стороны консоли; б — вид с тыльной стороны
Иллюстрация 5. Изгиб нижний полки центратора Иллюстрация 6. Смятия бетона под центратором в зоне контакта
с бетоном
Иллюстрация 7. Общий вид усиленного центратора после его демонтажа
в центраторе. При этом растягивающие напряжения в рабочей арматуре консоли достигли значения 53,26 МПа, что в четыре раза меньше, чем в случае без усиления. Растягивающие усилия в управляющих рычагах обоймы достигли значения в 124,66 МПа. Напряжения сжатия в вертикальных стойках опорной балки находились в пределах от 70,21 до 152,76 МПа. В горизонтальной части опорной балки растягивающие напряжения достигли значения в 118,66 МПа.
В ходе подготовки эксперимента проведены все необходимые тарировочные испытания, а именно тен-зостанции ММТС-64.01 и гидравлических домкратов ДГ-50 грузоподъемностью 50 т. Тарировка выполнялась для согласования чувствительности тензорезисторов и тензостанции. Таким образом, получены поправочные коэффициенты для показаний домкрата — 1,005 и тензостанции — 1,06, которые учтены в ходе обработки результатов испытания.
При испытании балансирного устройства этапы нагружения определены равными 98,1 гН (1 т). После каждого этапа нагружения давалась выдержка, равная
3 минутам. На Иллюстрации 4 показан общий вид балансирного устройства при испытании.
За разрушение принята нагрузка, равная 2354,4 гН (24 т), так как при этой нагрузке произошел поворот модели усиления по вертикали, равный 3 см. Во время демонтажа конструкции обнаружено существенное смятие центратора в зоне контакта с бетоном. Имели место как общий изгиб балки, так и локальное смятие нижней полки центратора с закруглением концов (Иллюстрация 5).
Возникло второе предельное состояние — невозможность нормальной эксплуатации ввиду чрезмерных прогибов конструкции. При этом каких-либо серьезных разрушений в остальной конструкции обнаружено не было. Консоль колонны также получила существенные повреждения: частичное обрушение защитного слоя бетона с боков колонны, бетон консоли, под центратором. Отсюда следует вывод, что в зоне контакта с бетоном следует сделать более мощный центратор. Характерные разрушения конструкции и колонны показаны на Иллюстрации 6.
По такой же схеме испытывалась вторая модель консоли колонны. В конструкции центратора были внесены некоторые изменения. Для большей жесткости центратор в середине его длины превращен в коробчатый стержень путем приварки дополнительных пластин с боков толщиной 8 мм (Иллюстрация 7).
Во время проведения эксперимента измерялись напряжения, регистрируемые тензорезисторами. Наиболее высокие напряжения, равные 202,2 МПа, возникли
Этап 3. Изготовление и испытание предварительно напряженной сталетрубобетонной обоймы
Для восстановления работоспособности разработан и испытан способ [3], который заключается в использовании предварительно напряженной сталетрубобетонной обоймы. Обойма состоит из торцевых швеллеров, боковых накладок из листовой стали и соединительных уголков, которые объемлют консоль колонны со всех сторон. Соединение элементов обоймы в единое целое производилось при помощи ручной сварки.
Иллюстрация 8. Общий вид трубобетонной конструкции
Для приготовления мелкозернистого расширяющегося бетона применялась расширяющая добавка РД-Н производства CONSOLIT BARS [4]. Общий вид конструкции представлен на Иллюстрациях 8-9.
Испытания конструкции производились с помощью домкрата ДГ-100. Опирание домкрата на трубобетонную консоль выполнено через сферический шарнир на бетон. При нагружении вся обойма стремится повернуться против часовой стрелки, при этом под наклонной ее гранью и в верхней части с тыльной стороны консоли в бетоне, который заполняет полость, возникает сжатие. Возникает пара сил, препятствующая повороту обоймы и действующая против часовой стрелки. Эти силы оказывают дополнительное поддерживающее влияние во всей
Иллюстрация 9. Общий вид конструкции перед испытанием: а — модель 1; б — модель 2
Иллюстрация 10. Общий вид опоясывающей трещины в верхней части колонны: а — общий вид опоясывающей трещины; б — вид опоясывающей трещины при разрушении
Иллюстрация 11. Схема наклейки тензорезисторов (в скобках номера датчиков со второй обоймы)
обойме. Величиной этих сил пренебрегаем.
Первые признаки деформирования конструкции первого образца обнаружены при давлении 2307,3 гН (23,52 т), наблюдалось смятие бетона на опоре в зоне контакта усиленной модели с силовым полом, что свидетельствует о повороте всей обоймы вместе с консолью в плоскости действия момента. При достижении нагрузки 2595,7 гН (26,46 т) образовались трещины в надкрановой части колонны, расположенные выше консоли на 15-20 см, и трещины на консоли колонны, вдоль грани нового и старого бетона, по большему размеру колонны, ширина раскрытия которых не превышала 0,1 мм.
Во втором образце наблюдались идентичные повреждения, при этом смятие бетона на опоре произошло при силе 2739,9 гН (27,93 т), а образование трещин в верхней зоне — при 3172,5 гН (32,34 т). При нагрузке 3605,2 гН (36,75 т) обнаружено более сильное смятие защитного слоя на опоре и увеличение количества трещин в верхней части, ширина раскрытия которых осталась неизменной и составила 0,1 мм. Подобные повреждения обнаружены и на первом образце при давлении 3172,5 гН (32,34 т).
При повышении давления и на первом и на втором образце в диапазоне от 3749,3 гН (38,22 т) до 4182 гН (42,63 т) наблюдалось развитие перечисленных деформаций, образовалась опоясывающая наклонная трещина по всему сечению верхней части колонны (Иллюстрация 10). Эксперимент был остановлен при значении нагрузки 4628,7 гН (47,04 т), так как ширина раскрытия трещины в верхней части достигла величины 6-9 мм, на опоре полностью смялся бетон во внешнем углу колонны на ширину до 4,5 см. Каких-либо деформаций и повреждений трубобетонной консоли не обнаружено.
Для исследования напряженно-деформированного состояния на конструкцию наклеены тензоре-зисторы, выполненные из констан-тановой проволоки на фольговой основе с базой 10 мм. На первый образец в наиболее напряженных зонах конструкции наклеено 28 датчиков. Конструкции испытывались поочередно. После проведения первого эксперимента количество датчиков для второго было уменьшено до 18-ти. Схема наклейки тензодатчиков при проведении первого и второго испытания показана на Иллюстрации 11. В скобках
показаны номера датчиков второго образца.
Самые напряженные места конструкции — это верхние соединительные уголки по грани верхней части колонны (датчики № 2 (1) и №18 (9)), напряжения растяжения составили 33,79 (68,41) МПа и 45,81 (85,18) МПа соответственно, при этом напряжения в этих датчиках в 2,5-7 раз меньше расчетного сопротивления стали. Напряжения растяжения в боковых накладках в зоне соединения с торцевым швеллером (датчики № 9 (8) и № 25 (16)) с противоположной стороны консоли равны 30,63 (28,18) МПа и 1,06 (27,83) МПа, что в 6,5-7 раз меньше расчетного сопротивления стали.
Заключение
1 Разработаны, изготовлены и испытаны две модели консолей колонн, которые имитируют эксплуатируемые консоли на одной из ТЭЦ г. Пензы.
2 Проведены испытания двух моделей консоли колонны до и после их усиления балансирными устройствами и сталетрубобетонной обоймой с изучением НДС при помощи тензорезисторов.
3 Анализ полученных данных показал, что при восстановлении работоспособности консоли колонны при помощи сборной стальной обоймы с управляющими рычагами несущая способность исследуемой конструкции возросла с 2060,1 гН (21 т) до 2354,4 гН (24 т) в первом случае и с 1471,5 гН (15 т) до 3041,1 гН (31 т) во втором случае; коэффициент усиления составил 1,15 и 2,07 соответственно. Напряжение в арматуре существенно уменьшилось по сравнению с неусиленной моделью, что дает дополнительный запас прочности. После усиления балансирными устройствами конструкция имеет повышенный ресурс как по прочности, так и по длительности эксплуатации. Существенным плюсом балансирного устройства в реальных условиях является возможность многократного повторного использования, что уменьшает материалоемкость.
4 Анализ полученных данных показал, что при восстановлении работоспособности консоли колонны при помощи предварительно напряженной трубобетонной обоймы несущая способность исследуемой конструкции возросла с 2060,1 гН (21 т) до 4614,62 гН (47,04 т) в первом случае
и с 1471,5 гН (15 т) до 4614,62 гН (47,04 т) во втором случае, коэффициент усиления составил 2,24 и 3,136 соответственно. Проводя сравнение с расчетной разрушающей силой, получим коэффициент, равный 3,91, что пойдет в запас прочности при расчете. При этом в ходе анализа данных, полученных при проведении эксперимента, установлено, что напряжения во всех опрашиваемых датчиках были несущественны (в 2,5-18 раз меньше расчетного сопротивления стали) для металлических конструкций. Учитывая характер разрушения и имеющиеся напряжения, можно сказать, что консоль при таком способе усиления превращается в надежный элемент каркаса с достаточным запасом прочности.
Список использованной литературы
1 Баранова Т. И., Залесов А. С. Каркасно-стержневые модели и инженерные методы расчета железобетонных конструкций. М., 2003.
2 Нежданов К. К., Нежданов А. К., Жуков А. Н. Способ полного восстановления работоспособности аварийной железобетонной консоли колонны, воспринимающей опорные реакции смежных подкрановых балок.
3 Нежданов К. К., Нежданов А. К., Жуков А. Н. Способ полной разгрузки железобетонной консоли колонны от воздействия подкрановых балок. Заявка на изобретение № 2011111974 от 29.03.11.
4 Расширяющая добавка [Электронный ресурс]. URL: http:// www.consolit.ru/rd.html (дата обращения: 17.11.2011).
