Температурные напряжения в опорах при периодических колебаниях температуры воздуха

Периодические изменения температуры наружного воздуха на осно­вании статистических данных можно представить в виде трех состав­ляющих:

• годовых колебаний среднемесячной температуры;

• внутримесячных отклонений среднесуточной температуры от сред­немесячной;

• внутрисуточных колебаний температуры.

Суточные, месячные и годовые колебания температуры наружно­го воздуха с достаточной для практических расчетов точностью можно считать гармоническими. Любые температуры наружного воздуха могут

54

Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор

быть получены в результате наложения гармонических колебаний разных периодов и амплитуд.

Годовые и месячные колебания температуры воздуха, как показыва­ет опыт, имеют большое значение для массивных сооружений. Тонко­стенные конструкции при этих колебаниях температуры оказываются бесконечно «тонкими», и в них не возникают неравномерные измене­ния температуры по толщине стенки. Для опор контактной сети, явля­ющихся тонкостенными конструкциями, существенное значение могут иметь только внутрисуточные колебания температуры воздуха, часто значительные по амплитуде и сказывающиеся на небольшой глубине, соизмеримой с толщиной стенки.

Колебания температуры наружного воздуха вызывают колебания температуры на поверхности опоры, которые также являются гармони­ческими с тем же периодом, но с меньшей амплитудой и сопровожда­ются распространением колебаний температуры в толще стенки опор. При этом по мере удаления от поверхности, воспринимающей колеба­ния температуры воздуха, амплитуда колебаний температуры бетона уменьшается и происходит затухание колебаний температуры по тол­щине стенки. Между наружной поверхностью опоры и ее внутренней поверхностью возникает перепад температур.

Расчеты температурных полей, выполненные на основании решения уравнения теплопроводности [14] в предположении одномерного рас­пределения температуры вдоль радиуса опор, показывают, что даже при самых неблагоприятных условиях, когда температура поверхности опор равняется температуре окружающего воздуха в любой момент времени, перепад температур между наружной поверхностью опор и их внутрен­ней поверхностью не превышает 0,4 Т₀ (Т₀ амплитуда колебаний тем­пературы воздуха). Учитывая то, что температура на поверхности опор является следствием конвективного теплообмена ее с окружающим воз­духом, можно утверждать, что фактический перепад температур по тол­щине стенки будет еще меньше.

Возникающий по толщине стенки перепад температур влечет за со­бой появление в бетоне температурных напряжений. При этом возника­ют растягивающие напряжения, направленные вдоль поверхности опо­ры (тангенциальные), и сжимающие напряжения (радиальные), направ­ленные вдоль радиуса (рис. 3.1). Величину этих напряжений определяют на основании решения плоской задачи термоупругости, принимая в рас­четах опору в качестве полого бесконечного цилиндра. Однако при этом необходимо учитывать особенность этого решения, связанную с влияни­ем на величину напряжений фактических характеристик бетона как ма­териала опор, и прежде всего коэффициента линейного температурного расширения и модуля упругости бетона. В расчетах коэффициент линей­ного температурного расширения бетона обычно принимается величи-

55

Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор

ной постоянной и равной                          а = 10*10^-6 1/град. При этом следует иметь в ви­ду, что этот коэффициент в значи-тельной степени зави-сит от состава бетона, его влажности, усло-вий твердения, темпе-ратуры и изменяется в широких пределах. Еще более нео­пределенной является ве­личина моду-ля упругости из-за сопутствующих тем­пе-ратурным деформаци­ям неупругих деформаций бетона. Задача ослож-няя­ется еще и тем, что отсут­ствуют экспери-менталь­ные методы определения градиент-ных температурных

напряжении и по этой причине отсутствует возможность проверки правильности принятых в расчетах значений модуля упругости. В связи с этим в большинстве исследований температурных напряжений исполь­зуется так называемый временный модуль упругости, принимаемый при непродолжительном действии напряжений равным Е_В 0,5Е_ст (Е_ст  - стати­ческий модуль упругости бетона). Из сказанного следует, что термоупру­гие решения по определению температурных напряжений в бетоне опор носят скорее качественный характер, указывая на место возможных наи­больших напряжений. Такими методами для тангенциальных растягива­ющих напряжений является наружная поверхность опор. Если принять коэффициент линейного температурного расширения бетона равным

10*10^-61/град, а временный модуль упругости для бетона класса В30 рав­ным 24 000 МПа, то каждый градус амплитуды колебаний температуры вызывает возникновение на поверхности опор тангенциальных напряже­ний, равных = 0,056 МПа. Это значит, что для амплитуды колебаний температуры бетона, равной 6 °С, напряжения на поверхности опор ока­зываются равными всего лишь  = 0,34 МПа. Учитывая, что отмеченная амплитуда колебаний температуры бетона и воздуха характерна для боль­шинства районов России, можно считать, что приведенное значение тем­пературных напряжений в опорах является предельным и в общем случае эти напряжения не могут самостоятельно привести к образованию микро- и макротрещин. Однако действие этих напряжений может усиливать вли­яние напряжений, возникающих под действием других факторов.

56

Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор