Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

Температурные напряжения и деформации

Виды температурных воздействий, вызывающих температурные напряжения и деформации. Экзотермический разогрев. При гидратации цемента выделяется количество тепла 380... 550 кДж/кг, что может привести к подъему температуры бетонного блока 25...50. Тепловыделение особенно интенсивно в первые 5...10 сут; при остывании в блоке возможна значительная неравномерность температур.


Температура воды водохранилища зависит от его глубины, скорости ветра, облачности, влажности воздуха. В глубоких (>100 м) водохранилищах при поверхностных водосбросах изменения температуры происходят в «деятельном» слое 40 м (см. рис. 3.15, а); при работающих донных водосбросах, вследствие перемешивания слоев воды температура выравнивается. При 40 м амплитуда сезонных колебаний примерно одинакова по высоте, а температура может быть по высоте постоянной.

Сезонные колебания температуры проникают вглубь сооружения до 10... 12 м, месячные — до 3 м, суточные— до 0,5; при этом с глубиной уменьшаются амплитуды t0, а максимумы (минимумы) температур запаздывают по сравнению с температурами наружной среды (сдвиг по фазе).

Температура основания. Параметры температурно-активной зоны и тепловые потоки, идущие от сооружения к основанию и в обратном направлении, оказывают влияние на колебания температуры плотин; важен также учет темепературного режима фильтрационной воды в основании плотин (в эксплуатационный и строительный период) и у тыловой грани подпорных стен. Температура фильтрующейся через песчаные насыпи воды изменяется на 8...11°, в основании плотин на плотных глинах — примерно на 6°, в скальных основаниях — на 3...5° [123].

Мероприятия по регулированию температурного режима бетона. Трубное охлаждение, подогрев полостей массивно-контрфорсных и облегченных гравитационных плотин также могут приводить к появлению температурных напряжений.

Солнечная радиация. Она может вызвать увеличение амплитуды колебаний температуры поверхности на 4...5°, а также приводить к неравномерному нагреву.

Для определения температурных напряжений предварительно рассчитывают температурные поля.

Основы температурных расчетов. Распределение температуры в теле плотины при нестационарном процессе (когда температура изменяется во времени) можно найти из решения дифференциального уравнения теплопроводности; при наличии внутреннего источника тепла (экзотермии) :



Для решения уравнения теплопроводности используют аналитические и численные методы (конечных разностей, конечных элементов и др. с применением ЭВМ).

Причины возникновения температурных деформаций и напряжений. При нагревании и охлаждении конструкций гидротехнических сооружений в них возникают температурные деформации. При равномерном нагреве (охлаждении) свободно лежащего тела в нем появляются свободные деформации, а напряжения не возникают (рис. 3.16, а). Температурные напряжения происходят при внешнем жестком или упругом защемлении (рис. 3.16, б, в), (чем жестче защемление, тем выше температурные напряжения: при охлаждении— растягивающие, при нагревании— сжимающие); при внутреннем (температурном) защемлении, которое возникает при неравномерном распределении температур в сечении (рис. 3.16,г) и приводит к неравномерной деформации волокон; при одновременном внешнем защемлении и неравномерном распределении температуры. Для оценки термонапряженного состояния используют математический аппарат теории термоупругости или термопластичности [9].

Температурные напряжения строительного периода. Они имеют свою специфику в зоне контакта бетонного массива с основанием и на удалении от него.

В зоне контакта (рис. 3.17,а) основную роль играет защемление, зависящее от жесткости основания. При разогреве от экзотермии блок стремится удлиниться, но вследствие защемления в нем возникают сжимающие напряжения (см. рис. 3.16,6), так как при этом бетон в центре блока имеет более высокую температуру, чем по краям, сжимающие напряжения в центре блока возрастают. Модуль упругости бетона в период разогрева невелик, поэтому невелики и сжимающие напряжения. Последующее охлаждение бетона происходит при значительно возросшем модуле упругости; при охлаждении блок стремится уменьшить свои размеры, но защемление по контакту этому препятствует; в блоке возникают большие (так как велик модуль упругости в этот момент) растягивающие напряжения (см. рис. 3.16, б, в) и может появиться вертикальная трещина.


На удалении от контакта (более 0,5) блок можно рассматривать как свободную стенку, где температурные напряжения зависят в основном от неравномерности распределения температур.

Термонапряженное состояние блока зависит от скорости укладки следующего блока по высоте. При остывании блока в нем возникают растягивающие напряжения (см. рис. 3.17, а). Температурные напряжения строительного периода приводят к появлению трещин с раскрытием до 2...9 мм и высотой до 12...20 м (рис. 3.17, б, в); трещины значительного раскрытия могут снизить несущую способность плотины (см. рис. 3.9, в).


Температурные напряжения, возникающие в период эксплуатации. Эти напряжения зависят в основном от колебаний температуры наружной среды. Сезонные колебания температуры приводят к: раскрытию строительных швов и трещинам на низовой грани (при понижении температуры), что изменяет рабочее сечение сооружения (рис. 3.18, а); перемещениям сооружения в сторону верхнего и нижнего бьефов; с учетом гидростатического давления это приводит к появлению растягивающих напряжений в основании (зона А); раскрытию швов и трещин на верховой грани, что увеличивает фильтрацию через сооружение; нагреву лицевой грани, при этом возможен «навал» подпорных стенок на грунт и значительное увеличение пассивного давления (рис. 3.18,6); появлению трещин при охлаждении диафрагм трубчатых регуляторов (рис. 3.18, в).

Напряжения в свободной плите можно определить приближенно при известном распределении температуры (см. рис. 3.15, б):


Мероприятия по борьбе с температурными напряжениями. Их подразделяют на:

технологические — применение низ- котермичных цементов, уменьшение расхода цемента, охлаждение инертных, воды затворения, добавка молотого льда, применение камнебетона и шатров, полив водой и трубное охлаждение в виде змеевиков в бетоне (трубы диаметром 25 мм через 1,5...3 м), по которым в течение 2...6 мес циркулирует вода с температурой 2...20°С; разность температур между центром блока и его поверхностью не должна превышать при этом 20...25°С, а между новым бетоном и скалой—16...20°С; следует замыкать (омоноличивать) статически неопределимые и массивные конструкции при температурах бетона, близких к минимальным эксплуатационным;

конструктивные — рациональная разрезка строительными и конструктивными швами, применение теплоизоляции и теплогидролизации, армирование в местах возможного появления трещин (арматура вместо единичных глубоких трещин приводит к появлению большего количества мелких трещин; армирование часто нецелесообразно).


Проверку трещиностойкости проводят по формуле:


Гидротехнические сооружения/Н.П. Розанов, Я.В. Бочкарев, В.С. Лапшенков и др.; Под ред. Н.П. Розанова. — М.: Агропромиздат, 1985. — 432 с.

Литература

Голышев А.Б., Бачинский В.Я., Полищук В.П., Железобетонные конструкции

Зайцев Ю.В., Строительные конструкции заводского изготовления

Е.Ф. Лысенко, Армоцементные конструкции

С.В. Поляков, Каменная кладка из пильных известняков

В. Ермолов, Пневматические строительные конструкции

Журавлев А.А., Вержбовский Г.Б., Еременко Н.Н., Пространственные деревянные конструкции

А.В. Калугин, Деревянные конструкции

Е.К. Карапузов, Г. Лутц, X. Герольд, Сухие строительные смеси

А.А. Пащенко, Теория цемента

Волков В.А., Сантехника: как все устроено и как все починить

А. Грассник, Бездефектное строительство многоэтажных зданий

Д.С. Щавелев, Гидроэнергетические установки

Д.С. Щавелев, Экономика гидротехнического и водохозяйственного строительства

Гидротехнические сооружения. Ч. I. Глухие плотины

Гидротехнические сооружения. Ч. II. Водосливные плотины

Производство гидротехнических работ

Н.П. Розанов, Гидротехнические сооружения

А. П. Юфин, Гидромеханизация

Термоэлектрические преобразователи энергии

Использование возобновляемой энергии

Бетон и железобетон, избранные статьи

Современное состояние и перспективы развития энергетики