Введение к работе
Актуальность темы.
Водопропускные трубы (ВІЇТ) являются весьма распространенными транспортными сооружениями на автомобильных дорогах, на 1 км дороги приходиться более 1 водопропускной трубы ВПТ создаются из различных материалов различной формы. Наиболее широко распространенным классом являются железобетонные круглые и прямоугольные водопропускные трубы. До недавних пор проблемам эксплуатации и мониторинга ВПТ уделялось мало внимания Этот привело к тому, что в водопропускных трубах развивались повреждения, которые приводили к аварийным и предаварий-ным ситуациям. В результате чего разрушалась целостность вышележащей земляной насыпи, повреждалось дорожное полотно и прекращалось движение транспорта по автомобильной дороге.
Анализ состояния элементов ВПТ, проведенный по данным натурных обследований, показал наличие повреждений не только силового (трещины, сколы и т.д ), но и коррозионного характера (шелушение бетона, растрескивание и т д ) Причиной появления таких повреждений является агрессивная хлоридсодержащая среда, появляющаяся в связи с различными причинами, возникающими в реальных условиях эксплуатации ВПТ
Среди основных источников агрессивного хлоридного воздействия на железобетонные водопропускные трубы следует отметить хлоридсодер-жащие средства-антиобледенители (на основе каменной соли), применяемые при борьбе с гололедом в зимний период на транспортных сооружениях, морскую воду либо солевой туман (характерный для приморской атмосферы), имеющие контакт с конструкцией, добавки-ускорители твердения {на основе хлоридных солей), ранее использовавшиеся при зимнем бетонировании
Многочисленные данные, полученные вследствие проведенных экспериментов и натурных наблюдений, выполненных многими учеными, свидетельствуют о том, что воздействие хлоридных реагентов приводит к су-
щественным изменениям механических характеристик материалов железобетонных конструкций, в некоторых случаях к изменению характера работы конструкции Ухудшение свойств материалов во времени носит, как правило, необратимый характер и зависит от условий деформирования, характера воздействия хлоридсодержащеи среды, ее концентрации и других факторов. По мере проникания хлоридсодержащеи среды в тело конструкции происходит деградация свойств защитного слоя, после чего начинается коррозия арматуры В результате коррозии уменьшается площадь поперечного сечения арматуры, а образующиеся при этом продукты коррозии приводят к образованию трещин, ориентированных вдоль арматуры и последующему отслаиванию защитного слоя При этом ухудшается сцепление арматуры с окружающим материалом Все эти факторы понижают несущую способность конструкции и повышают ее деформативность
Теория и методика расчета железобетонных ВПТ, работающих в неагрессивной среде, в настоящее время достаточно развита и обоснована, и продолжает развиваться, теория же расчета конструкций, подверженных коррозии, только начинает разрабатываться и потому находится в стадии становления Вопросам силового расчета ВПТ посвящены работы Г К Клейна, Н К Снитко, Н А Цытовича, В В Соколовского, В Г Березан-цева, Янсена, Терцаги, Марстона, Спенглера, Балсона и др
Современная методика расчета железобетонных ВПТ опирается в основном на нормативные документы и не учитывает реальные условия эксплуатации, оказывающие влияние на напряженно-деформированное состояние и долговечность водопропускных труб Так одним из наиболее важных силовых воздействий на водопропускные трубы в процессе эксплуатации и строительства является нагрузка от фунта тела насыпи В целом ряде работ расчет труб на силовые воздействия от грунтовой нагрузки связан с моментом наступления предельного состояния равновесия грунта и конструкции в процессе расчета навязывается ее предельное состояние.
Во время эксплуатации водопропускных труб такие моменты наступают крайне редко. Поэтому такой расчет может быть корректен при исследовании поведения строительной конструкции в аварийных ситуациях, когда к водопропускной трубе прикладываются предельные и запредельные нагрузки В реальных же условиях конструкции ВПТ сопротивляются рабочим (а не предельным) нагрузкам Таким образом, расчет конструкций труб необходимо выполнять с учетом вышесказанного и метод расчет должен быть связан не с предельными состояниями грунта насыпи, а с деформированной схемой конструкции
С химической точки зрения процессы коррозии стали, бетона и железобетона в агрессивных коррозионных средах исследованы достаточно глубоко На нынешний момент существуют несколько фундаментальных теорий, описывающих процессы коррозии железобетона Имеется богатейший банк экспериментальных данных, характеризующий общие условия разрушения бетона, стали и железобетона в различных агрессивных средах Однако следует обратить внимание, в литературе встречаются самые противоречивые, взаимоисключающие позиции по основным вопросам коррозии этих материалов. Разногласия, очевидно, связаны со следующими причинами- во-первых, для изучения процессов коррозии железобетона необходимо достаточно продолжительное время; во-вторых, значительное различие существующих методов исследований и недостаточная полнота их затрудняют взаимоувязку результатов, полученных разными исследователями
Необходимо отметить, что большая работа по разработке моделей деформирования различных элементов конструкций при совместном действии нагрузок и агрессивных сред проводилась и проводится в нескольких научных центрах страны: в Москве под руководством Бондаренко В М, Баженова Ю М, Соломатова В И, Гузеева Е А., В И Римшина, Б В Гусева, В.Ф Степановой, А М Пухонто, в Санкт-Петербурге под ру-
ководством Санжаровского Р Б, П Г Комохова, в Саратове под руководством Овчинникова И Г, Петрова В В , Иноземцева В К, в Волгограде под руководством їігнатьева В А, в Саранске под руководством Селяева В.П, Черкасова В Д и других городах
Объединяя все вышесказанное, можно сделать вывод, что для построения наиболее правильной расчетной модели водопропускной трубы в реальных условиях эксплуатации необходимо учитывать процессы взаимодействия рассчитываемой конструкции, как с силовыми факторами, так с агрессивными рабочими средами Задача разработки корректных моделей сопротивления армированных конструкций водопропускных труб совместному воздействию внешних нагрузок и агрессивных эксплуатационных сред имеет практический интерес, но в то же время весьма сложна, трудоемка и еще далека до окончательного решения
Целью диссертационной работы является:
Разработка расчетных моделей и методов расчета железобетонных водопропускных труб с учетом совместного действия внешней нагрузки и агрессивной эксплуатационной среды Для достижения этой цели сформулированы следующие задачи
Задачи работы.
анализ условий работы водопропускных труб при совместном действии нагрузки и агрессивной среды,
анализ изменений напряженно-деформированного состояния элементов железобетонных водопропускных труб, вызываемых воздействием агрессивных хлоридсодержащих сред,
разработка моделей деформирования железобетонных ВПТ с использованием теории оболочек и складчатых систем,
разработка моделей поведения поврежденных железобетонных элементов водопропускных труб при совместном действии на них внешних нагрузок и эксплуатационных агрессивных сред,
разработка методик определения коэффициентов построенных моделей деформирования и разрушения железобетонных ВПТ при работе их в агрессивных средах по экспериментальным данным,
разработка методик расчета железобетонных конструкций водопропускных труб (прямоугольных и круглых) с учетом воздействия агрессивных сред, проведение численных опытов и исследование влияния агрессивных сред на изменение несущей способности и работоспособности указанных элементов конструкций.
Научная новизна работы:
проведен анализ и систематизация экспериментальных данных по воздействию хлоридсодержащих сред на прочностные и деформатив-ные свойства материалов железобетонных конструкций водопропускных труб и показан характер возникающей из-за хлоридных воздействий неоднородности механических свойств материала,
построены расчетные модели, описывающие напряженно-деформированное состояние круглых и прямоугольных железобетонных водопропускных труб с учетом совместного деструктирующего воздействия хлоридсодержащих сред и внешней нагрузки,
проведена идентификация построенных моделей по экспериментальным данным и получены коэффициенты, позволяющие выполнять компьютерное моделирование и проводить исследование влияния различных факторов на напряженно-деформированное состояние и работоспособность железобетонных водопропускных труб,
разработаны методики расчета железобетонных водопропускных труб с учетом совместного воздействия нагрузок и хлоридсодержащих сред,
с использованием построенных моделей, проведено исследование напряженно-деформированного состояния железобетонных водопропускных труб с учетом воздействия на них хлоридсодержащих сред,
с использованием общей и полубезмоментной теории оболочек получена полная система разрешающих уравнений, описывающих напряженно деформированное состояние круглых железобетонных водопропускных труб при совместном действии на них нагрузки и хлоридсодержа-щей среды Полученная система уравнений может быть использована при расчете любых круглых железобетонных труб
Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные модели и методики расчета могут быть применены при диагностике для прогнозирования напряженно-деформированного состояния и работоспособности железобетонных водопропускных труб, работающих в реальных условиях эксплуатации
Реализация результатов работы: Результаты работы приняты к использованию Саратовским филиалом ОАО «ГИПРОДОРНИИ» для диагностики, прогнозирования работоспособности, оценки остаточного ресурса железобетонных водопропускных труб и планирования мероприятий по обследованию и ремонту Результаты диссертационной работы использованы в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете при выполнении госбюджетной научной работы «Исследование надежности и долговечности транспортных сооружений» В Саратовском государственном техническом университете (СГТУ), результаты работы использовались при подготовке отчета по проблеме 11В 03 «Развитие теории и методов проектирования, строительства, эксплуатации и мониторинга транспортных сооружений и их элементов» программы 11В «Совершенствование методов диагностики, расчета, проектирования, строительства и эксплуатации транспортных и коммуникационных сооружений», а также преподавателями при проведе-
ний лекций и практических занятий со студентами специальности 270201 «Мосты и транспортные тоннели»
На защиту выносятся;
— система моделей деформирования элементов железобетонных водо
пропускных труб, подвергающихся совместному действию нагрузки и
хлоридсодержащих сред;
- результаты идентификации построенных расчетных моделей водо
пропускных труб по экспериментальным данным;
— результаты анализа работы железобетонных водопропускных труб
при действии на них нагрузок и хлоридсодержащих сред,
методики расчета железобетонных водопропускных труб с учетом совместного воздействия внешних нагрузок и хлоридсодержащих сред, а также результаты исследования влияния хлоридсодержащих сред на изменение напряженно-деформированного состояния элементов железобетонных водопропускных труб,
оболочечные теории деформирования круглых железобетонных водопропускных труб, подвергающихся одновременному воздействию нагрузки и агрессивной хлоридсодержащей среды,
— применимость деформационной теории к расчету железобетонных
водопропускных труб с учетом совместного воздействия агрессивной сре
ды и внешней нагрузки
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 8 публикациях, в том числе в издании, рекомендованном ВАК РФ, а также в учебном пособии
Достоверность результатов работы обеспечивается корректным построением расчетных моделей, их идентификацией и верификацией, сравнением результатов численного моделирования с рядом зксперименталь-
ных данных, а также с результатами некоторых исследований, проведенных другими авторами.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского государственного технического университета (2004-2007 гг), на научно-практической конференции «Проблемы железнодорожного транспорта в условиях реформирования отрасли» (г Саратов, 2004 г.), на Международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» (г.Саранск, 2005 г), на Международной научно- технической конференции «Биоповреждения и биокоррозия в строительстве» (г Саранск, 2006 г), на Всероссийской научно-технической конференции «Строительная физика в XXI веке» (г Москва, 2006 г), на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре Образование Наука Практика» (г Самара, 2006); на Всероссийской конференции «Прогрессивные технологии в обучении и производстве» (г Камышин, 2006 г ) В завершенном виде работа докладывалась на расширенном заседании кафедры «Мосты и транспортные сооружения» Саратовского государственного технического университета (СГТУ), а также на расширенном заседании кафедры «Мосты и транспортные сооружения на дорої ах» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (ВолгГАСУ) в сентябре 2007
Объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы (301 наименование), содержит 145 рисунков, 32 таблицы Основное содержание диссертации изложено на 210 страницах текста
