Розподіл температури у залізобетонних балкових конструкціях мостів Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 615.23

Й. Й. ЛУЧКО, В. В. КОВАЛЬЧУК (ДПТ)

РОЗПОД1Л ТЕМПЕРАТУРИ У ЗАЛ1ЗОБЕТОННИХ БАЛКОВИХ КОНСТРУКЦ1ЯХ МОСТ1В

У данiй роботi складено модель для аналiзу теоретичного розподiлу температуры за проникненням в за-лiзобетонних балкових мостових конструкцiях та приведет експериментальш результаты розподiлу температуры по 1х поверхнi за допомогою тепловiзора 1е81о-875-1.

Ключовi слова: модель, розподш температури, залiзобетонна конструкцiя, балка, тепловiзор

Вступ

При проектуванш моспв i шляхопроводiв одним з постшно дiючих навантажень е ктма-тичш температyрнi впливи.

Згiдно вимог ДБН В.2.3-14 [1], нормативнi температyрнi ктматичш впливи необхiдно вра-ховувати при розрахунках за граничними станами друго1 групи для мостiв ycix систем. Ви-значення розрахункових температур при цьому базуеться на нормативнш температyрi довкiлля (температура повiтря в теплий i холодний пер> оди року). Температуру елемеш!в iз складним поперечним перерiзом рекомендовано визнача-ти за значенням середньозважено1 температури окремих елеменпв (стiнок, полиць та im). При цьому середню у перерiзi нормативну температуру елементiв чи ix частин рекомендуеться приймати рiвною:

- для бетонних i залiзобетонниx елемен-тiв у холодний перюд року, а для металевих конструкцш у будь-яку пору року - нормативнш температyрi довкiлля;

- для бетонних i затзобетонних елемен-тiв у теплий перiод року - нормативнш темпе-ратyрi довкшля за винятком величини, що чи-сельно рiвна 0,2а, але не бiльше 10 °С, де а - товщина елемента чи його частини в сантиметрах, включаючи дорожнш одяг про!з-но! частини автодорожшх мостiв.

У найпоширенiшиx зарyбiжниx норматив-них документах AASHTO [2] (American Association of State Highway and Transportation Officials) обумовлюються граничш значення розра-хункових температур для металевих, бетонних та дерев'яних елеменпв мостiв для умов пом> рного та холодного ктмату (табл. 1).

При проектyваннi моспв за цими нормами приймаеться розподш температур за перерiзом елементiв прогонових будов з урахуванням по-зитивних та негативних градiентiв, якi також задаються нормами. Норми враховують нел> нiйний характер розподiлy температури по гли-бинi констрyкцiï.

Таблиця 1

1нтервали змш температури за нормами AASHTO

Climate Steel Aluminum (°С) Concrete (°С) Wood (°С)

Moderate -15 to 50 -12 to 27 -12 to 24

Cold -35 to 50 -18 to 27 -18 to 24

При розрахунку прогонових будов моспв вiд нерiвномiрного нагрiвання сонцем, за росшськи-ми нормами [3], необидно враховувати дев'ять розрахункових випадюв впливу температури на констрyкцiï моспв. Наведемо деякi з них:

I - добовий хщ температури пов^ря в спо-лyченнi з дiею сонячноï радiацiï на вертикальну поверхню;

II - рiзке зниження температури пов^ря;

III - добовий хщ температури повiтря у спо-лученш з дiею сонячноï радiацiï на горизонта-льну поверхню;

IV - рiзке шдвищення температури повiтря;

VIII - рiчне (мiжсезонне) коливання температури повпря з врахуванням дiï сонячно1' радiацiï.

V бiлорyськиx нормативних документах EN_1991-1-5-2009 [4] розглянyтi температyрнi перепади для рiзниx типiв констрyкцiй при ïx оxолодженнi та нагрiваннi.

На рис. 1 наведет дат по кшькосп дефектних залiзобетонниx та металевих прогонових будов моспв Укрзалiзницi станом на 01.01.2012 р.

Як видно (див. рис. 1), близько 6 % залiзо-бетонних та 12 % металевих прогонових будов залiзничниx моспв не вщповщають вимогам зазначених нормативних докумеш!в.

Розбiжностi в украшських та закордонних нормативних документах, щодо розподшу температури у мостових конструкщях, вiдсyтнiсть експериментальних та теоретичних даних роз-подiлy температури у залiзобетонниx прогонових будовах автодорожнix i залiзничниx мостiв Украши та значна кшьюсть дефектних прогоно-

© Лучко Й. Й., Ковальчук В. В., 2012

вих будов moctíb ставить перед дослщниками задачу визначення розподiлу температури у мо-стових конструкцiях.

Рис. 2. Модель поперечного розподшу температури

Перепад температури розраховусться за рiв-нянням (1)

Рис. 1. Кiлькiсть дефектних прогонових будов залiзничних мостiв

Мета до^дження: визначити теоретично та експериментально розподш температури у зал1зобетонних прогонових будовах моспв.

Модель розрахунку поперечного розподшу температури

Для того, щоб описати поступове зниження температури у поперечному напрямку зал1зобе-тонно! балки, в цьому дослщженш була запро-понована модель другого порядку, яка наведена на рис. 2.

а)

T (х) = Ts

(1)

де T (х) - температура на вщсташ х по довжи-m балки; Ts - температура поверхш балки; х - вщстань до точки знаходження температури; L - довжина поверхш.

З 28 лютого по 3 березня 2012 р. проводились експериментальш дослщження розподiлу температури по залiзобетонних мостових конс-трукцiях. Вимiрювання температури поверхнi здiйснювалось тепловiзором testo 875-1 (рис. 3, а, б) зпдно методики, яка наведена в шструкци [5], щодо використання тепловiзора.

б)

Рис. 3. Експериментальш вим1рювання розподшу температури у мостових конструкщях

за допомогою теплов1зора testo 875-1:

а) - загальний вигляд теплов1зора testo 875-1; b) - процес вим1рювання температури

Об'ектами дослiдження розподшу температури поверхнею залiзобетонних балок були за-лiзничнi мости перегону Пщзамче - Львiв Львiвськоi залiзницi 1476 км пк6 та 1477 км пк1. Пiсля вимiрювання весь експерименталь-

ний матерiал аналiзувався у лабораторних умо-вах з використанням персонального комп'ютера (рис. 4). Результати аналiзу наведет на рис. 5, 6 i 7 (мют на 1476 км пк6) та рис. 11, 12 i 13 (мют на 1477 км пк1).

Т V « * К Е H Г F Û H Л

2,01,2/02/39 09:4.5 AM

'„ % % « и т ь

Риа 4. Пpoцec оброблення eкcпepимeнтaльних вимipювaнь тeмпepaтypи y лабораторних yмoвaх

Риа 5. Тeмпepaтypний гpaдieнт вepхньoï' полички зaлiзoбeтoннoï' балки зaлiзничнoгo мocтa

перегон Пiдзaмчe - Львiв 1476 км пкб

Рис. 6. Температурний градieнт стiнки залiзобетонноl балки залiзничного моста перегону Шдзамче - Львiв 1476 км пк6

Рис. 7. Температурний градieнт нижньо! полички залiзобетонноl балки залiзничного моста

перегону Шдзамче - Львiв 1476 км пк6

1з температурного профшю (див. рис. 5, 6 { +3 °С, були зафшсоваш у верхнш поличщ зал1-

7) зал1зобетонних балок моста (показаний стрь зобетонно! балки (див. рис. 5) вщ -0,6 °С до

лками ¡з штрихпунктирних лшш) видно, що -1,6 °С. У стшщ балки (див. рис. 6) температу-

температура розподшяеться не однаково по пе- ра змшювалась у межах вщ -0,5 °С до +0,2 °С.

рер1зу балки, так найнижч1 температурш град> Найвища температура була у нижнш поличщ енти, при температур1 зовшшнього середовища балки (див. рис. 7) вщ -0,1 °С до +0,5 °С

Пстограми розподшу температури (див. рис. 5, 6 i 7) залiзобетонними балками моста (показаш стрiлками iз суцшьною лiнieю) показують, що максимальну кшьюсть разiв температура поверх-нi у верхнш поличцi (див. рис. 5) зус^чаетъся у межах вiд -1,1 °С до -0,7 °С близько 43,5 %, у спнщ (див. рис. 6) - вщ -0,3 °С до +0,2 °С -

0,00 -0.20 -0,40 -0,60 -0,80 -1,00 -1,20 -1,40 -1,60 -1.80

80,5 % та у нижнш поличц (див. рис. 7) - вщ +0,1 °С до +0,4 °С - 52 %.

Результати обчислення поперечних темпера-турних градieнтiв, за експериментальними вимь рюваннями температури поверхш, наведенi на рис. 8, 9 i 10.

1 "' и '

""-«Г

- -

■ Температураповерхт-1,6 С -----Темпер агура поверхш-1,0 С

Температураповерхш-0,8С--Температураповерхш-0,6 С

Рис. 8. Результати дослщження змши температури у верхнш поличц зал1зобетонно! балки зал1зничного моста перегону Шдзамче - Льв1в 1476 км пк6

2.00

0.00

-2.00

-4.00

. - —*

......... ........ * *"г

емпер атураповерхт -0,5 С Темпер атура поверхт О С

■ Температур а поверхш -0,2 С ■Температураповерхш+0,2 С

Рис. 9. Результати дослщження змши температури по середиш стшки зал1зобетонно! балки зал1зничного моста перегону Шдзамче - Льв1в 1476 км пк6

-м-?-?

хз

Рис. 10. Результати дослвдження змши температури у нижнш поличш зал1зобетонно! балки зал1зничного моста перегону Шдзамче - Льв1в 1476 км пк6

Pозглянемо pозподiл темпеpaтypи по зaлiзо- Пщзамче - Львiв 1477 км пк1 Львiвcькоï зашз-бетонниx пpогоновиx бyдовax моcтa пеpегонy ницi.

Pиc. 11. Tемпеpaтypний гpaдieнт y веpxнiй поличщ зал1зобетонно1 балки зал1зничного моcтa

пеpегонy Шдзамче-Льв1в 1477 км пк1

P^. 12. Tемпеpaтypний гpaдieнт cтiнки зал1зобетонно1 балки зал1зничного моcтa пеpегонy Шдзамче - Льв1в 1477 км пк1

Рис. 13. Температурний градieнт нижньо! полички залiзобетонноl балки залiзничного моста

перегону Пщзамче - Львiв 1477 км пк1

1з температурного профшю (див. рис. 11, 12 1 13), зашзобетонних балок моста (показаний стршками ¡з штрихпунктирних лшш) видно, що перепад температури, при температур1 навко-лишнього середовища +2 °С, у верхнш поличщ зал1зобетонно1 балки (див. рис. 11) змшювався -

I,2 °С до -2 °С, у стшщ (див. рис. 12) - вщ -0,8 °С до -1,2 °С та у нижнш полщ (див. рис. 13) -вщ -0,5 °С до -0,8 °С.

Пстограми розподшу температури (див. рис.

II, 12 { 13) зал1зобетонними балками моста (показаш стршками ¡з суцшьною лш1ею) пока-

зують, що максимальну к1льк1сть раз1в температура поверхш у верхнш поличщ (див. рис. 11) зустр1часться у межах вщ -1,7 °С до -1,4 °С близько 38,9 %, у стшщ (див. рис. 12) - вщ -0,9 °С до -0,6 °С - 55,6 % та у нижнш поличщ (див. рис. 13) - вщ -0,6 °С до -0,3 °С - 52,1 %.

Результати розподшу температури у поперечному напрямку вщ отриманих температур поверхш зал1зобетонних балок моста перегону Пщзамче - Льв1в 1477 км пк1 наведеш на рис. 14, 15 1 16.

0,00

-0.50

-1.00

-1.50

-2,00

-2,50

1 8

N ч ■ч Ччч

N Ч V V"-\

■ Температураповерхш-1,2 С -----Температураповерхш-1,5 С

- Темпер атураповерхш-1,7 С--Температураповерхш -2,0 С

Рис. 14. Результати дослщження змши температури у верхнш поличщ залiзобетонноl балки залiзничного моста перегону Пщзамче - Львiв 1477 км пк1

0.00

-5.00

-W.M

'ф&кх..... ..... <:>>■.....

Ч-; \ >

Темпер атура поверхш -1.1С Темпер атура поверхш -1.6 С

'Температура поверхш-1.3 С ■Температура поверхш-1.8 С

Рис. 15. Результати дослвдження змши температури по середин стшки зал1зобетонно! балки зал1зничного моста перегону Шдзамче - Льв1в 1477 км пк1

0.00 -1,00 -2.00 -3.00

"^«S^*..... ...... ^"k ^ ~ ^

4 - N •• . 4 ;

ч . s4 ч > Ч ч

V

-4;0Q -ремперат^ра поверхш -0.5 С -----Темпер атура поверхш-0,6 С

---Температура поверхш -0,7 С---Темпер атура поверхш-0,8 С

Рис. 16. Результати дослвдження змши температури у нижнш поличщ зал1зобетонно! балки зал1зничного моста перегону Шдзамче - Льв1в 1477 км пк1

З отриманих результат (див. рис. 8, 9 i 10 та див. рис. 14, 15 i 16) розподш температури по глибиш конструкцп не е лшшний, а носить складний характер наближаючись до парабол1ч-ного розпод1лу. Тому актуальною е предмет до-слщження розпод1лу температури у зал1зобетон-них мостових конструкщях. Особливо щнними е результати довготривалих дослщжень розпод1лу температури, оскшьки за ними можна прогнозу-вати поведшку зал1зобетонних балок при змш-них температурах в динамщ температур.

По данш тем1 плануеться провести вим1ри температур поверхш зал1зобетонних балок у р1зн1 пори року та встановити критери най-бшьш значущих температур, яю можуть спри-чини у них значш напруження.

Висновок

Визначення напружено-деформованого стану прогонових будов мостових конструкцш вщ заданого розпод1лу температури дасть можли-вють приймати ршення, щодо вибору матер1а-л1в балок для конкретних ктматичних умов. Це призведе до продовження термшв служби мостових конструкцп, а вщтак i зменшить витрати кошт1в на !х утримання та ремонт.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. ДБН В.2.3-14:2006. Споруди транспорту. Мости та труби. Правила проектування. [Текст]. -Введ. 2007-02-01. - К.: Мш. буд., архт та житл.-комун. госп-ва, 2006. - 359 с.

2. AASHTO Guide specifications [Текст]: Thermal effects in concrete bridge superstructures.

Washington, DC: American Association of State Highway and Transportation Officials. -AASHTO, 1989.

3. Рекомендации по расчету температурных и усадочных воздействий на пролетные строения мостов [Текст]. - Одобрены Главтранспроек-том. - М.: 1988.

4. 4EN_1991-1-5-2009 Еврокод 1 воздействия на конструкции [Текст], Ч. 1-5. Общие воздейст-

Й. Й. ЛУЧКО, В. В. КОВАЛЬЧУК (ДИИТ)

вия. Температурные воздействия. - Министерство архитек-туры и строительства Республики Беларусь - Минск, 2009.

5. Тепловизор testo 875 [Текст]: Руководство по эксплуатации. - 2011. - 37 с.

Надшшла до редколеги 10.05.2012.

Прийнята до друку 28.05.2012.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ У ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ МОСТОВ

В данной работе составлена модель для анализа теоретического распределения температуры по проникновению в железобетонных балочных мостовых конструкциях и приведены экспериментальные результаты распределения температуры по их поверхности с помощью тепловизора testo-875-1.

Ключевые слова: модель, распределение температуры, железобетонная конструкция, балка, тепловизор

I. I. LUTCHKO, V. V. KOVALCHUK (Lvov branch of Dniepropetrovsk National University of Railway Transport)

DISTRIBUTION TEMPERATURE IN REINFORCED CONCRETE BEAM BRIDGE STRUCTURES

In this paper, drafted a model for theoretical analysis of temperature distribution by the penetration of reinforced concrete beam bridge structures and the results are presented experimental temperature distribution on the surface using thermal imager testo-875-1.

Keywords: model, temperature distribution, reinforced concrete structures, beam, thermal imager