Проведенный анализ температурных и усадочных напряжений, возникающих в бетоне опор вследствие изменения температуры и влажности окружающей среды, показывает, что в целом эти напряжения имеют небольшую величину и не могут явиться причиной значительных микроструктурных повреждений и образования микротрещин. Для такого заключения обычно используется критерий сравнения величины напряжений с величиной прочности бетона на растяжение. Такой критерий вполне применим при оценке опасности возникающих усадочных напряжений. Экспериментально подтверждено, что эти напряжения име-
Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор
ют величину в пределах нескольких килограммов на квадратный сантиметр и значительно меньше прочности бетона на растяжение, равной 2,2 МПа для бетона М500.
А—г |
В отношении температурных напряжений критерий сравнения их величины с прочностью бетона на растяжение имеет несколько условный характер в связи с неопределенностью принимаемого в расчетах модуля упругости и невозможностью экспериментальной проверки возникающих температурных напряжений. Для оценки опасности этих напряжений наиболее приемлем критерий сравнения возникающих в бетоне перепадов температур с допустимым предельным значением этих перепадов. Как перепады температур по толщине стенки, так и допустимое их значение легко поддаются экспериментальному определению. Такое определение при действии рассмотренных факторов подтвердило близкое совпадение теоретических значений и экспериментальных величин перепадов температур по толщине стенки опор. Для определения допустимых перепадов использовались модели в виде бетонных центрифугированных цилиндров диаметром 400мм, толщиной стенки 60мм и длиной 800мм, изготовленных из бетона марки 500. Перепад температур по толщине стенки создавался путем нагрева цилиндров до температуры 70 -80 0С и последующего их охлаждения с наружной поверхности водопроводной водой с температурой 15±5 0С. Контроль температуры бетона осуществлялся в трех точках, расположенных по толщине стенок (снаружи, посредине и с внутренней стороны цилиндров). За достигнутый перепад температур принималась величина, соответствующая моменту, когда по толщине стенки устанавливалось линейное распределение температур (рис. 3.10). В процессе экспериментов по толщине стенки создавался перепад температур, равный 55 — 65 °С. В результате проведенных экспериментов выяснилось, что при отмеченном перепаде температур, а он физически в эксплуатационных условиях невозможен, в образцах при первом нагреве и охлаждении бетона трещины не образовывались. Появление трещин отмечалось после 18 - 20 циклов нагрева и охлаждения. При этом необходимо отметить, что с
Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор
образованием продольных трещин в образцах также появлялись и поперечные трещины.
На основании проведенных экспериментов было установлено, что перепады температур по толщине стенки опор, появляющиеся от различных воздействий, даже при сочетании этих воздействий оказываются значительно меньше создаваемых в образцах перепадов температур. На основании этого был сделан вывод о том, что действующие эксплуатационные температурные факторы не могут явиться причиной образования в опорах продольных трещин. Это, собственно, подтверждается и опытом эксплуатации центрифугированных опор. В подавляющем большинстве эксплуатируемых опор (97%) продольные трещины отсутствуют. Проведенные эксперименты и полученные значения перепадов температур дали основание для принятия нормативного перепада температур бетона опор и воздуха при вывозе опор на склад из цеха. В нормативных документах он равен 38 °С.
Особую проблему представляет возможность сочетания возникающих температурных и усадочных напряжений с напряженным состоянием, создаваемым предварительно напряженной арматурой. В настоящее время существует представление, что, во-первых, напряжения обжатия бетона этой арматурой могут явиться самостоятельной причиной образования в бетоне опор продольных трещин при превышении этими напряжениями уровня первой параметрической точки для данного бетона. Воздействующие при этом температурные и усадочные напряжения содействуют раскрытию и развитию образовавшихся продольных трещин [17].
Во-вторых, считается, что напряжения обжатия бетона снижают величину его поперечной растяжимости и вследствие этого при наложении на бетон температурных и усадочных напряжений может быть исчерпана остаточная величина растяжимости бетона при значениях температурных и усадочных напряжений, которые значительно ниже прочности бетона на растяжение. При этом неравномерное распределение напряжений обжатия бетона по сечению опор влечет за собой случайное расположение возникающих продольных трещин по периметру опор. Такой подход, в целом логически приемлемый, вместе с тем не имеет достаточной экспериментальной проверки. В то же время имеется ряд исследований [18], показывающих зависимость трещиностойкости железобетонных конструкций от очередности приложения силовых факторов и температурно-влажностных напряжений. В частности, показано, что при наложении температурно-влажностных напряжений на конструкцию, подвергнутую предварительному силовому напряжению, ее трещиностойкость не снижается. Подобные эксперименты были проведены также во ВНИИЖТе. В качестве образцов использовались центрифугированные бетонные цилиндры диаметром 400 мм и длиной
Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор
800 мм, изготовленные из бетона марки 500. Внутрь цилиндров помещалось нагревающее устройство, позволявшее создавать температурный перепад по толщине стенки. Предварительное напряжение бетона имитировалось с помощью гидравлического пресса, позволявшего создавать напряжения сжатия в бетоне на уровне ( —напряжение в бетоне; Rпр— призменная прочность бетона).
В результате экспериментов было установлено, что даже при перепадах температур по толщине стенки в пределах 55 — 60 °С и при отмеченном обжатии бетона в цилиндрах не образовывались продольные трещины. В то же время было получено, что при установлении по толщине стенки перепада температур около 60±10 °С и одновременном снятии предварительного обжатия бетона в цилиндрах мгновенно образовывались продольные трещины. Таким образом, при небольшом уровне обжатия бетона, не превосходящем первую параметрическую точку на диаграмме сжатия, предварительное напряжение бетона может повысить его продольную трещиностойкость.
Такой подход и оценка температурно-влажностных воздействий и напряжений, вызываемых ими, а также трещиностойкости предварительно напряженных опор полностью подтверждаются результатами эксплуатационных наблюдений за предварительно напряженными опорами и результатами ультразвукового контроля прочности бетона. В опорах, изготовленных без отступлений от технологических требований, в эксплуатации продольные трещины, как правило, не образуются, а прочность бетона опор, даже длительно находящихся
в эксплуатации, практически находится на уровне, принятом при проектировании. Однако имеется вероятность того, что действующие напряжения, вызванные изменениями температуры и влажности, могут привести к образованию продольных трещин. Это наблюдается в тех случаях, когда опоры изготавливаются с большими отступлениями от требований по термической обработке и в них при твердении бетона возникают температурные поля (рис. 3.11). После остывания опор и приобретения бетоном температуры окружающей среды эти температурные поля вызывают появление значительных собственных растяги-
Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор
вающих напряжений на поверхности, и дополнительное воздействие температурно-влажностных факторов окружающей среды приводит к появлению продольных трещин. Наличие такой причины образования продольных трещин в опорах подтверждается эксплуатационными наблюдениями за появившимися после установки опор продольными трещинами. Образование этих трещин приводит к разрядке внутренних температурных напряжений в бетоне, и в дальнейшем ширина раскрытия этих трещин не увеличивается, она остается постоянной при колебаниях температуры и влажности окружающей среды. Справедливость утверждения о рассмотренном вероятном механизме образования продольных трещин подтверждает также факт наличия небольшого (в пределах 2—3% общего количества опор на сети) числа опор с трещинами.