Содержание к диссертации
Введение
1 Особенности работы и разрушения железобетона мостовых конструкций 6
1.1 Виды деградации и разрушения железобетона при эксплуатации мостовых конструкций 6
1.2 Агрессивные среды и механизмы деградации железобетона в мостовых конструкциях 20
1.3 Требования нормативных документов к обеспечению долговечности железобетонных конструкций 43
1.4 Методы прогнозирования долговечности железобетона элементов конструкций. Модели деградации 52
1.5 Цели и задачи исследования 70
2 Материалы и методы исследования 72
2.1 Характеристики бетона 72
2.2 Методы исследований 79
2.3 Методы статистического анализа экспериментальных данных 88
2.4 Выводы 95
3 Моделирование деградации и долговечности железобетона мостовых конструкций 96
3.1 Моделирование взаимодействия бетона и арматуры с агрессивными средами... 97
3.2 Исследование зависимости параметров деградации от В/Ц, доли цемента в бетонном камне, климатических условий 108
3.3 Вероятностная модель деградации железобетона мостовых конструкций 115
3.4 Алгоритм оценки долговечности железобетона мостовых конструкций 122
3.5 Выводы... 126
4 Исследование влияния основных факторов на долговечность железобетона мостовых конструкций 127
4.1 Формирование исходных данных 127
4.2 Влияние водоцементного отношения 131
4.3 Влияние климатической зоны эксплуатации 133
4.4 Влияние толщины защитного слоя 137
4.5 Влияние индекса надежности в начале эксплуатации 139
4.6 Влияние отклонений геометрических размеров сечения от проектных 141
4.7 Выводы 144
5 Методика определения ресурса железобетона пролетных строений мостов 145
5.1 Общие сведения 145
5.2 Расчет долговечности железобетона пролетных строений 148
5.3 Определение стратегии дальнейшей эксплуатации 160
5.4 Примеры 1
6 Общие выводы 173
7 Список литературы
- Требования нормативных документов к обеспечению долговечности железобетонных конструкций
- Методы статистического анализа экспериментальных данных
- Вероятностная модель деградации железобетона мостовых конструкций
- Влияние толщины защитного слоя
Требования нормативных документов к обеспечению долговечности железобетонных конструкций
Нарушение водоотвода с тротуаров вследствие непродуманных конструктивных решений или некачественного исполнения, а так же при отсутствии надлежащего ухода.
Последствия. Уменьшение прочности бетона, коррозия арматуры, появление трещин (4, 7, 8, 10, 16). При использовании хлор-содержащих антиобледенительных солей рабочая арматура плиты интенсивно корродирует, вследствие чего снижается несущая способность балки. При несвоевременном ремонте может потребоваться замена части плиты балки, или балки целиком. Ухудшение внешнего вида конструкции в течение короткого промежутка времени.
Влияние на эксплуатационную надежность. В некоторых случаях разрушение фасадной грани плиты балки таково, что поврежденная часть не может воспринимать нагрузку. При расчете индекса надежности нового сооружения необходимо учитывать возможность возникновения этого дефекта путем введения в расчет разброса значений ширины полки балки и увеличение последнего со временем.
Способы предотвращения и устранения. При проектировании конструкций мостовых сооружений данного вида в рамках реконструкции МКАД проблема решалась использованием карнизных блоков, защищающих боковые грани плиты крайних балок. Сами блоки улучшают эстетическое восприятие сооружения, преимущество в конструктивном плане - легкость замены в случае различного вида повреждений. Тем не менее, при наличии повреждений в покрытии, при неудачном конструктивном его решении или некачественном исполнении возможны протечки воды по гидроизоляции под карнизными блоками, что имело место на ряде объектов трассы «Москва-Дон».
При ремонте и реконструкции уже существующих сооружений боковые грани тротуарных плит (или балок) очищаются от поврежденного бетона и заделываются ремонтным раствором. Рабочие и деформационные швы Характер повреждения. Протечки швов, вьпцелачивание бетона плит балок (практически все обследованные сооружения).
Причины. Участок мостового полотна вокруг деформационных швов в процессе эксплуатации постепенно разрушается, появляются местные выщерблины и сколы асфальтобетонного покрытия, защитного и выравнивающего слоя. Нарушается гидроизоляция, шов «протекает».
Продольный рабочий шов балок устраивается путем омоноличивания взаимозаведенных выпусков рабочей арматуры плит. Ширина шва - 30-40 см. Как правило, протечка и выщелачивание происходит на участке стыка бетона балки и бетона шва омоноличивания (6, 14,16).
Причины. В случае протечки и выщелачивания в бетоне граней деформационного шва - причина в сложности конструкции и устройства этого элемента. Существующие швы не обеспечивают идеальным образом совместную работу на перемещения балки вследствие изменения температуры и воздействий нагрузки. Кроме того, этот элемент конструкции требует особого подхода в эксплуатации, в запущенном состоянии скорость разрушения шва и прилегающих участков покрытия резко увеличивается.
Причиной выщелачивания в рабочих швах является некачественный стык бетона омоноличивания и бетона балки в условиях некачественной или поврежденной гидроизоляции. Последствия. Диапазон последствий повреждений деформационного шва достаточно широк - от появления дискомфорта при езде, до заклинивания механических опорных частей.
Постепенное выщелачивание бетона рабочего шва приводит к коррозии арматурьґ плиты и растрескиванию бетона, снижая со временем способность плиты проезжей части воспринимать расчетное усилие. При значительном разрушении бетона рабочего шва возможно перераспределение усилий между балками, что может значительно уменьшить запасы конструкции.
Влияние на эксплуатационную надежность. Повреждения деформационного шва могут вызвать дополнительные напряжения от температурных деформаций и динамических воздействий нагрузки. В расчете данного параметра этот дефект может найти отражение в виде увеличения среднеквадратического отклонения момента от действующей нагрузки. Протечки в продольных рабочих швах могут быть учтены при расчете как увеличение со временем среднеквадратического отклонения расчетной ширины верхней полки балки ребристого пролетного строения
Способы предотвращения и устранения. Разработка новых конструктивных решений, повышение культуры работ при установке деформационных швов повышают срок их эксплуатации. Регулярное обслуживание швов, их чистка и наблюдение за состоянием существенно повышают долговечность.
Характер повреждения. Коррозия хомутов и продольной рабочей арматуры (5), сколы (3,-5, 7), трещины (5, 11, 14). В торцевых зонах возможны трещины, сколы (1, 2, 4, 7). Коррозия арматуры нижней поверхности плиты (10, 16).
Причины. Соответственно: недостаточная проектная толщина защитного слоя, значение которой может быть дополнительно уменьшено в процессе производства работ, неаккуратность при монтаже. В торцевых зонах трещины чаще всего возникают при неправильном опираний. Коррозия арматуры особенно интенсивно развивается в условиях неизбежной карбонизации бетона, воздействия слабокислой среды воздуха и при проникновении » хлоридов, источником которых являются антиобледенительные соли. При этом раствор соли может попадать на ребра при протечках и в виде воздушно-капиллярной смеси (при расположении сооружения над автомобильной дорогой).
Последствия. Возникновение любого из перечисленных дефектов ведет в конечном итоге к снижению способности балки воспринимать расчетное усилие. В случае коррозии хомутов и продольной рабочей арматуры происходит уменьшение сцепления арматуры с бетоном, отслоение бетона защитного слоя вследствие увеличения продуктов коррозии арматуры.
Влияние на эксплуатационную надежность. Повреждения данного характера учитываются в расчетах по первому предельному состоянию посредством уменьшения расчетного диаметра арматуры при определении несущей способности сечения.
Предотвращение и устранение. Увеличение толщины защитного слоя, более надежное закрепление арматурного каркаса балки во время бетонирования, повышение общей культуры проведения строительных работ. Методов устранения влияния уже развившихся дефектов достаточно много: усиление шпренгельной системой, наклейка металлических полос, в перспективе - применение полос из углепластиковых волокон [ ].
Подводя итог разделу дефектов и повреждений пролетных строений, отметим следующее. Перечисленные дефекты железобетонных пролетных строений свойственны практически всему классу этих сооружений, - это во-первых. Во-вторых, каждый из этих дефектов в той или иной степени влияет на надежность пролетных строений по несущей способности.
Методы статистического анализа экспериментальных данных
Преимущества метода. Метод прост и универсален, не требует итерационного подхода в вычислениях. Допускает включение в алгоритм расчета данных об изменении свойств материала во времени.
Недостатки. Ограниченность применения вследствие невозможности использования при распределении случайных величин, отличных от нормального или логнормального распределения.
Если исходные величины распределены не по нормальному закону, то теоретически можно предложить такое их преобразование, чтобы привести их распределение к нормальному. Однако, точное решение здесь возможно только для законов производных от нормального. В остальных случаях преобразование представляет собой аппроксимацию исходных законов нормальным. Эта аппроксимация должна выполняться на границе области отказа в точке (точка подгонки) с максимальной плотностью распределения всех исходных величин, так как в окрестности этой точки сосредоточены наиболее вероятные ее значения.
Алгоритм расчета основан на постепенном итерационном приближении координат точки подгонки до тех пор, пока не окажется, аргумент функции определения безотказной работы равен индексу надежности. Что означает минимальную погрешность в линеаризации.
Метод был разработан Снарскисом Б.И., практически в то же время он был сформулирован Хасофером и Линдон. За рубежом он получил название «метод первого приближения». Автор [71] привел пример расчета стального сжатого двутавра.
Преимущества. Универсальность и простота алгоритма. Здесь с автором можно не согласиться: при достаточно большом количестве исходных данных и рассмотрении процесса во времени необходимо применение к расчету ПК, в противном случае расчет займет слишком много времени. Недостатки. Функция g, определяющая область отказа, должна быть всюду дифференцируемой и гладкой. При кусочной границе области отказа требуются дополнительные меры, усложняющие расчет.
Метод требует обязательного анализа близости частоты появления отказов к вероятности отказа, которая зависит от общего числа испытаний т. Известные методы такого анализа основываются на теоремах Бернулли, Хинчина, Линдсберга-Леви. Однако основным вопросом остается общее число испытаний, при котором можно пользоваться этими теоремами в свете оценки достоверности полученных результатов.
Преимущества. Простота и универсальность в решении определенного типа задач. Возможность оценки достоверности полученных результатов.
Недостатки. При необходимости проведения большого числа испытаний и сложности детерминированного расчета требуется колоссальный ресурс машинного времени, что делает метод неэффективным.
Более совершенной формой этого метода является метод Монте-Карло, получивший широкое распространение. При каждом испытании по плотности вероятностей величины Q моделируется ее реализация Qi и определяется значение функции распределения величины R при аргументе Q. Затем определяется среднее из этих значений по всем проведенным испытаниям. В случае, если величина Q зависит от нескольких случайных аргументов, то на каждом испытании моделируется значение каждого аргумента. Если и величина R зависит от нескольких аргументов, то ее функция распределения должна быть получена заранее аналитически, либо путем статистической обработки результатов математического или физического моделирования.
В [71] приведен пример использования метода Монте-Карло. Для нахождения доверительного интервала вероятности безотказной работы используется критерий Стъюдента. В [41J рассматривается методика расчета надежности подземных строительных сооружений, надежность железобетонных конструкций коллекторных тоннелей рассчитывается с применением метода Монте-Карло. Следует отметить, что в этой работе расчет надежности ведется с учетом коррозионных процессов в железобетонных плитах перекрытия.
Преимущества. Повышенная эффективность по сравнению с предыдущим методом.
Недостатки. В многомерном случае одна из функций распределения величин R и Q должна быть заранее задана. Кроме того, анализ точности и достоверности результата приходится выполнять с использованием асимптотических распределений получаемой оценки, а не искомой вероятности как в предыдущем методе.
Усовершенствование метода Монте-Карло состоит в формировании стратифицированной выборки на нужных классовых интервалах с заданными объемами классовых выборок. Преимуществом такого подхода является высокая эффективность в использовании машинного ресурса, недостатком -более сложная процедура формирования выборки.
Вероятностная модель деградации железобетона мостовых конструкций
Зависимость глубины карбонизации от времени, полученная по представленной модели, близка к зависимости вида L = a+b- ft, где L — глубина карбонизации; а=1.6, Ь=3.2 - коэффициенты; t - расчетное время. В условиях способствующих более интенсивной карбонизации эта зависимость трансформируется в полиномиальную, 4-6 порядков. Кривая становится более пологой. И наоборот, при медленной карбонизации, особенно в плотном бетоне, зависимость приобретает ярко выраженные черты логарифмической функции по времени.
Полученные результаты соответствуют логике происходящего процесса: при высоких значениях плотности и содержания цемента, в условиях холодного климата достаточно высокая скорость карбонизации снижается к 10-15 годам эксплуатации. Это происходит за счет кольматации пор, значительным расходом углекислоты на реакцию и коротким интервалом положительных температур.
Вышеизложенное свидетельствует о соответствии представленной модели карбонизации, с учетом имеющихся упрощений, реальному протеканию процессов в бетоне. Разницу в значениях полученных по тестовой зависимости и предложенной модели следует отнести на счет большего количества исходных факторов и более высокой точности последней.
Проверка модели расчета глубины проникновения хлоридов заключалась в оценке полученных результатов при разных значениях плотности бетона (рис. 11), и разных климатических условиях (рис. 12). В качестве тестовой зависимости принимается формула L = 3.&V/ (82), где L -глубина проникновения хлоридов, t - расчетное время, 3.8 - коэффициент.
В климатических условиях города Москвы (2-я климатическая зона) и применении бетона полученного при В/Ц 0.45 (рис. 11), зависимость глубины проникновения хлоридов от времени практически совпадает с тестовой. Влияние пористой структуры бетона достаточно велико: при значениях В/Ц 0.3, 0.45, 0.6 глубина проникновения хлоридов составила соответственно 27.26,52.21 и 83.75мм. По тестовой зависимости 49.53 мм. в условиях первой климатической зоны (Якутск) в условиях второй климатической зоны (Актюбинск) в условиях третьей климатической зоны (Москва) по тестовой зависимости
При применении бетона равной плотности и идентичных режимах применения антиобледенительных солей, глубина проникновения хлоридов в разных климатических зонах практически совпадает со значениями, полученными по тестовой зависимости (рис.12). Незначительная разница в результатах расчетов по второй и третьей климатическим зонам объясняется практически одинаковым температурно-влажностным режимом в рамках декад.
Следует отметить, что характер полученных кривых близок к степенной функции, представленной тестовой зависимостью.
По итогам проведенных вычислений следует сделать вывод об адекватности составленной модели реальным процессам, протекающим в бетоне при карбонизации и воздействии хлоридов. Полученные данные близки к приведенным в литературных источниках [2, 27, 39, 41, 50].Расхождение результатов вычислений по имеющейся зависимости и предложенной модели следует отнести на счет большего количества исходных данных для последней.
В результате тестирования моделей расчета глубины карбонизации и глубины проникновения в бетон хлоридов были получены данные, позволяющие сделать вывод об адекватности теоретического обоснования модели и алгоритма расчета данным натурных обследований и сведениям из литературных источников
К недостаткам разработанной модели следует отнести возможность вести расчет только при постоянных концентрациях агрессивных веществ. Учет колебаний концентрации и значений коэффициента диффузии производится посредством вероятностного подхода в оценке времени начала коррозии арматурных стержней.
При расчете индекса надежности использовался метод линеаризации, рассмотренный в разделе 1.4. Математический аппарат этого метода изложен в [16, 21, 57], обоснование и методы применения [11, 38, 61, 66, 70, 71, 77, 104,110,114,115].
Расчет усилий и несущей способности проводится по пп. 3.62 - 3.65 для изгибаемых железобетонных элементов СНиП 2.05.03-84 «Мосты и трубы», с использованием [10,40, 51, 54, 65, 108].
Практически все типовые железобетонные балки из непреднапрягаемого железобетона запроектированы таким образом, что граница сжатой зоны лежит в плите. Величина сжатой зоны составляет, как правило, от 2 до 6 см [35,51].
Схема к расчету таврового сечения на изгибающий момент Условие расположения границы сжатой зоны в плите записывается следующим образом: Выполнение этого условия означает, что сжатая зона проходит в плите и расчет производится как для прямоугольного сечения с шириной b f
Схема к расчету на изгибающий момент прямоугольного сечения Для расчета индекса надежности необходимо получить среднее значение величины несущей способности по моменту. Для этого в расчет вводятся средние величины, а не расчетные или нормативные значения. Средние значения, как правило, записывают с тильдой. Поскольку все исходные параметры и результаты представлены средними величинами, тильду опускаем.
Влияние толщины защитного слоя
Работы по ремонту целесообразно планировать и проводить на момент появления коррозионных трещин. Проведение мероприятий ранее указанного времени не имеет достаточного обоснования, поскольку разброс значений времени начала коррозии арматуры может составлять до 10 лет.
Условие, при котором целесообразно провести расчет на воздействие ремонтных работ выражается неравенством 3tcci pser, причем разница между этими величинами должна составлять около 0.5.
Под ремонтными работами подразумевается комплекс мероприятий, направленных на повышение надежности и долговечности путем предотвращения развития коррозии рабочей арматуры ребра. Результаты расчета применимы для тех случаев ремонта, которые предусматривают полную срубку защитного слоя с нижней поверхности ребра; удаление карбонизированного слоя, арматурные стержни очищаются от ржавчины. Удаленный бетон заменяется ремонтным слоем.
В этом случае поврежденная арматура оказывается в среде, которая практически полностью исключает коррозию. Предполагается, что после ремонта арматура совсем не корродирует, идет стадия проникновения агрессивных веществ в ремонтный слой, начиная с момента проведения ремонтных работ.
Для оценки результатов ремонта необходимо провести следующие действия: Рассчитать интервал времени от момента проведения ремонтных работ до растрескивания ремонтного защитного слоя tcc2 по табл.29-33 . Исходные данные: Климатическая зона - по месту расположения объекта. Диаметр стержней арматуры - принимается по результатам измерений непрокорродировавшего сечения. Толщина защитного слоя принимается равной минимальной толщине ремонтного слоя. Параметр Р - не менее 0.5 - считаем что именно такому значению соответствуют параметры стыка между старым бетоном и новым защитным слоем. Характер агрессивного воздействия - по начальным условиям эксплуатации. Рассчитать индекс надежности по табл. 32-37 на период времени по продолжительности равный отрезку от tcci до tser включительно. Исходные данные взять те же, что и в п.1. За начальный индекс надежности принять значение параметра на момент начала проведения ремонта. При использовании табл. 31-36 отсчет времени вести с 0 лет (заново). Проведение ремонта целесообразно, если до достижения расчетного срока службы tser рассчитанные значения индекса надежности не принимают значения менее J3ser. На рис. 24 изображена ситуация, когда j3(t)=pXtser). Обеспеченность такого события составляет 0.95 - уровень вероятности, которая заложена в расчете. Увеличение срока службы после проведения ремонта
Если ремонтные работы не в состоянии обеспечить выполнение условия по надежности, производится оценка влияния мероприятий по усилению балок.
Усиление балок повышает несущую способность элемента по восприятию нагрузки. Соответственно увеличивается и индекс надежности по изгибающему моменту. Усиление балок предполагает ситуацию, когда защитный слой еще не растрескался (Ktcci), а индекс надежности менее проектного (Э З ).
В зависимости от метода усиления защитный слой остается или практически нетронутым (шпренгельные методы), или удаляется и заменяется новым (усиление швеллерами, углепластиковыми полосами). От этого зависит и порядок оценки влияния усиления на надежность и долговечность. Расчет проводится в предположении, что индекс надежности элементов усиления не изменяется во времени.
При усилении способами, не требующими демонтажа защитного слоя, выполняются следующие действия. 1. Рассчитать начальный индекс надежности у#0 соответствующий совместной работе балки и конструкций усиления. 2. Рассчитать изменение индекса надежности усиленного элемента во времени fin = fit + (j3 o - Д") (122), где Р Е0 начальный индекс надежности балки с элементами усиления по восприятию изгибающего момента; fit — индекс надежности балки без усиления по восприятию изгибающего момента; fitu — индекс надежности балки на момент проведения усиления. При этом характеристики усиления принимаются средние за весь период проектного срока службы конструкций усиления. 3. Проведение усиления целесообразно, если до достижения расчетного срока службы tser рассчитанные значения индекса надежности pt не принимают значения менее pser даже при растрескивании защитного слоя вследствие коррозии арматуры.
