Влияние предварительного обжатия бетона арматурой на трещиностойкость опор

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-

65

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.

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

66

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

67

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; R_пр— 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-

68

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.