Національний університет “Львівська політехніка”

Міністерство освіти і науки України

Полюга Роман Ігорович

УДК 624.271:620.191.46

ТРІЩИНОСТІЙКІСТЬ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ БАЛКОВИХ КОНСТРУКЦІЙ АВТОДОРОЖНІХ МОСТІВ В УМОВАХ МАЛОЦИКЛОВИХ НАВАНТАЖЕНЬ

05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди

автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів-2006

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі “Будівельні конструкції та мости” Національного університету “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, доцент

КОВАЛЬ Петро Миколайович,

Національний університет “Львівська політехніка”, доцент кафедри “Будівельні конструкції та мости”. | Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Лантух-Лященко Альберт Іванович,

Національний транспортний університет, професор кафедри “Мости та тунелі”.

кандидат технічних наук, доцент

Закора Олександр Леонтійович,

Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту ім. ак. В.Лазаряна, завідувач кафедри мостів | Провідна установа: | Національний університет водного господарства та природокористування, кафедра інженерних конструкцій, Міністерство освіти і науки України, м. Рівне. | Захист відбудеться “ 20 ” жовтня 2006 р. о 11 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д35.052.17.у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів, вул. С.Бандери, 12, ауд. 226 головного корпусу.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою: м. Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий “ 18 ” вересня 2006 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д35.052.17. П.Ф. Холод

Підписано до друку 13.09.2006.

Формат 6090 1/16. Папір офсетний.

Друк на різографі. Умов.друк.арк. 1,5. Обл.-видав.арк. 0,89.

Тираж 100 прим. Зам. 60616.

Поліграфічний центр

Видавництва Національного університету “Львівська політехніка”

вул. Ф.Колесси, 2, 79000, Львів

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. За останні роки в Україні видана низка державних директивних документів, направлених на забезпечення надійної експлуатації та продовження ресурсу транспортних споруд. Вихід з ладу прогонових будов мостів після 50-60% нормованого терміну служби призводить до величезних збитків в економіці держави. Довговічність залізобетонної прогонової будови суттєво визначається шириною розкриття тріщин балок прогонової будови. Тому дослідження, які мають за мету визначення реальної тріщиностійкості балок мостів та їх діагностики є нагальними і відповідають потребам дорожньої галузі.

При обстеженнях залізобетонних автодорожніх мостів часто зустрічаються нормальні тріщини з шириною розкриття до 0,2-0,3 мм, деколи – з шириною більше 0,5 мм, які при проїзді транспорту розкриваються ще більше. Проте розрахункова ширина розкриття тріщин значно менша. Окрім цього, при періодичному обстеженні мостів може спостерігатись утворення нових тріщин та розвиток існуючих.

Існуючий в будівельній практиці поділ навантажень за тривалістю дії на постійні та тимчасові не відображає характер та значення цих навантажень. У реальних умовах всі тимчасові навантаження періодично повторюються, тобто мають змінний характер дії. Тому доцільно всі зовнішні навантаження розділити на постійні та змінні. Серед останніх виділяються малоциклові, періодичність повторення яких може сягати декількох десятків, сотень, а деколи й тисяч циклів.

Діючий в Україні ДБН В.2.3-14:2006 “Мости і труби. Правила проектування”, також поділяє всі навантаження на постійні, тимчасові та інші (разом 17 видів навантажень та впливів). Проте найбільш вагому частину у зборі навантажень при розрахунку мостових конструкцій становлять власна вага конструкцій та вертикальне тимчасове навантаження. Тому виникає потреба проаналізувати режими експлуатації автодорожніх мостів на наявність малоциклових навантажень, та їх вплив на роботу залізобетонних прогонових будов.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до плану держбюджетної теми №109-05 (№ держреєстрації 0105U001324) “Розробити рекомендації з діагностики залізобетонних балкових конструкцій, що працюють в умовах малоциклових навантажень із використанням методу акустичної емісії” Державного дорожнього науково-дослідного інституту ім. М.П.Шульгіна на замовлення Державної служби автомобільних доріг України (Укравтодор).

Метою роботи є розробка пропозицій з розрахунку тріщиностійкості згинаних залізобетонних балкових конструкцій автодорожніх мостів із звичайною арматурою на дію малоциклових навантажень, що виникають при їх експлуатації, і рекомендацій з діагностики залізобетонних конструкцій мостів, які при експлуатації зазнають впливу повторних малоциклових навантажень, із використанням методу акустичної емісії (АЕ).

Задачі досліджень:

· виявити і встановити рівні малоциклових навантажень, що виникають при експлуатації автодорожніх мостів;

· дослідити процеси тріщиноутворення в залізобетонних конструкціях при напруженнях сталого рівня з наступним довантаженням вищого рівня при малоциклічному прикладанні навантаження;

· розробити пропозиції з розрахунку тріщиностійкості залізобетонних конструкцій автодорожніх мостів при дії малоциклових навантажень;

· виявити закономірності процесу випромінювання АЕ бетонними та залізобетонними зразками при малоциклових навантаженнях, його зв’язку з процесами тріщиноутворення;

· розробити рекомендації з діагностики залізобетонних балкових конструкцій, що працюють в умовах малоциклових навантажень, із використанням методу АЕ.

Об’єкт досліджень – залізобетонні балкові конструкції автодорожніх мостів.

Предмет досліджень – тріщиностійкість залізобетонних балкових конструкцій мостів при повторних малоциклових навантаженнях, діагностика таких конструкцій.

Методи досліджень. Методи досліджень передбачали випробування згідно діючих норм бетонних і залізобетонних елементів із застосуванням спеціально розроблених пристроїв, а також натурні випробування прогонових будов мостів. Використано методи тензометричного дослідження, ультразвуковий імпульсний, акустичної емісії, метод розрахунку залізобетонних конструкцій за граничними станами.

Наукова новизна отриманих результатів:

· вперше визначено вплив малоциклових навантажень на роботу конструкцій автодорожніх мостів;

· вперше запропоновано підхід до врахування дії малоциклових навантажень при розрахунку тріщиностійкості залізобетонних конструкцій автодорожніх мостів;

· встановлено зміни параметрів випромінювання АЕ бетонними і залізобетонними конструкціями при малоциклових навантаженнях;

· розроблено методику оцінки небезпеки розвитку дефектів залізобетонних конструкцій мостів при дії малоциклових навантажень із використанням методу АЕ.

Практичне значення отриманих результатів роботи полягає в розробці пропозицій з врахування дії малоциклових навантажень при розрахунку тріщиностійкості залізобетонних балкових конструкцій мостів, та рекомендацій з їх діагностики із використанням методу АЕ.

Результати роботи використано у галузевому нормативному документі “Рекомендації з діагностики залізобетонних балкових конструкцій, що працюють в умовах малоциклових навантажень із використанням методу АЕ”. Запропонована методика діагностики була впроваджена при випробуванні моста через р. Тетерів біля с. Дениши Житомирської обл., та моста через р. Березіна на автодорозі Мінськ - Москва у республіці Білорусь.

Особистий внесок здобувача:

· виявлення наявності малоциклових навантажень в конструкціях автодорожніх мостів при їх експлуатації;

· комплексні експериментальні дослідження залізобетонних балкових конструкцій при дії малоциклових навантажень із використанням як традиційних методів дослідження, так і методу АЕ;

· розробка пропозицій з врахування дії малоциклових навантажень при розрахунку тріщиностійкості залізобетонних балкових конструкцій мостів;

· дослідне застосування розроблених рекомендацій оцінки стану конструкції із використанням методу АЕ на реальних об’єктах.

Дисертація містить лише ті наукові результати, які були отримані особисто дисертантом. Постановка задач і обговорення результатів досліджень виконані спільно з науковим керівником, к.т.н., доцентом Ковалем П.М.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на 66 науково-практичній конференції в КНУБА (м. Київ, квітень 2005р.), на науково-технічній раді ДерждорНДІ (м. Київ, березень 2006р.), міжнародній науково-технічній конференції ДерждорНДІ “Сучасні проблеми автодорожнього комплексу” (м. Київ, квітень 2006р.), розширеному засіданні кафедри інженерних конструкцій НУВГП (м. Рівне, квітень, 2006р.), міжгалузевому науково-практичному семінарі НТУ “Сучасні проблеми проектування та експлуатації споруд на шляхах сполучення” (Київ, червень, 2006).

Публікації. Основні наукові результати за темою дисертації опубліковані у 7 друкованих працях, з них в спеціальних фахових виданнях, що включені в перелік ВАК України - 7.

Структура і обсяг роботи. Робота складається з вступу, п’яти розділів, висновку, списку використаних джерел та одного додатку, і має 142 сторінки основного тексту, 84 рисунки, 22 таблиці, 3 сторінки додатків, список використаної літератури з 146 найменувань на 15 сторінках. Загальний обсяг роботи 160 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить обґрунтування актуальності теми, сформульовано мету і задачі досліджень, вказано наукову новизну і практичне значення.

Перший розділ розглядає сучасний стан проблеми дослідження. Вивченням роботи бетонних та залізобетонних елементів під дією небагатократно повторних навантажень займались Залєсов О.С., Корчинський І.Л., Кузовчикова Є.О., Надірадзе В.Д., Оатул А.А., Осідзе В.І., Руденко В.В., Ставров Г.Н., Таршиш В.А., Федосєєв А.А., Цикскреллі Г.Д., Щербаков Є.М., Яковлєв С.К. В Україні значний внесок у вивчення малоциклових навантажень внесли Бабич Є.М., Бабич В.Є., Барашиков А.Я, Валовой О.І., Караван В.В., Кваша В.Г., Крусь Ю.О., Кухнюк О.М., Масюк Г.Х., Панчук Ю.М., Погореляк А.П., Шевченко Б.М. та ін.

Аналіз літературних джерел показує значний вплив малоциклових навантажень на тріщиностійкість та деформативність залізобетонних конструкцій, їх напружено – деформований стан (НДС). Цей вплив суттєво залежить від максимальних та мінімальних рівнів навантажень в циклі, іх відношенню (коефіцієнту асиметрії), пружно-пластичних властивостей матеріалу конструкції. Він проявляється у збільшенні ширини розкриття тріщин у порівнянні з одноразовим завантаженням, збільшенні прогинів конструкції, наростанні пластичних деформацій бетону. Розрізняють повторні малоциклові навантаження низького та середнього рівня () та високого рівня (). У першому випадку процеси розвитку тріщиноутворення та деформування стабілізуються до перших 10-15-ти циклів, при цьому ширина розкриття тріщин у залізобетонних згинаних елементах збільшується у 1,2...2,0 рази, руйнування конструкцій не відбувається. У другому випадку проходять небезпечні процеси в бетоні стиснутої зони, коли напруження перевищують верхній рівень мікротріщиноутворенння бетону (при ). Тоді навантаження проходить в режимі малоциклової втомленості, стабілізації деформаційних процесів по циклах не відбувається, конструкція руйнується.

Поширеним шляхом при врахуванні впливу малоциклових навантажень на ширину розкриття тріщин є виконання експериментальних досліджень та отримання після цього коефіцієнта, що враховує збільшення їх ширини після п числа циклів.

Ще одним висновком, отриманим при аналізі літературних джерел, є те, що всі дослідження проводились на конструкціях для промислового та цивільного будівництва. Залізобетонні конструкції, що використовуються в транспортному будівництві, не досліджувались, і проблема врахування дії малоциклових навантажень на конструкції мостів не розглядалась.

Дослідження будівельних бетонних та залізобетонних конструкцій методом АЕ вказують на високу чутливість методу і глибокий кореляційний зв’язок між процесами утворення та розвитку тріщин і параметрами сигналів АЕ.

Окремо виділяється методика оцінки небезпеки процесів руйнування за параметрами АЕ Філоненко С.Ф., що базується на підходах термокінетичної природи руйнування твердих тіл. Причому на результати аналізу даних АЕ за його методикою значно менше впливають технічні параметри апаратури та значення рівня дискримінації.

Проведений літературний пошук використання методу АЕ в дослідженні натурних будівельних залізобетонних конструкцій свідчить, що метод може успішно застосувуватись, при цьому він добре узгоджується з традиційними методами досліджень.

У другому розділі виконано дослідження режимів експлуатації мостів на автодорогах України.

Встановлено випадки малоциклових навантажень:

· пропуск по мостам великовагових навантажень (ВВН). Для найбільш поширених типових проектів рівень навантаження при пропуску ВВН становить (табл. 1), де Мекспл – експлуатаційний момент в найбільш завантаженій балці , Мгран – її несуча здатність;

· натурні випробування конструкцій мостів, що проводяться при визначенні їх технічного стану, при цьому рівень навантаження становить , де Мвипр –момент від випробувального навантаження в найбільш завантаженій балці, Мтимч – момент від розрахункового тимчасового навантаження;

· пропуск вантажних транспортних засобів, в тому числі й тих, що не відповідають по вазі ВВН, через автодорожні мости з обмеженою вантажопідйомністю. Для таких споруд характеристики циклів визначаються індивідуально в залежності від їх технічного стану;

· інші випадки навантаження мостів до рівнів, зазначених вище.

Для найбільш широко розповсюджених типових збірних залізобетонних прогонових будов був виконаний перерахунок на пропуск реальних великовагових навантажень (ВВН) з метою визначення параметрів циклів повторних навантажень. Рівні навантажень, що виникають при ймовірному пропуску великовагового транспортного засобу в найбільш завантажених балках прогонових будов типових проектів, представлені у табл. 1. Статистичні дані щодо пропуску ВВН за 2004 рік по автодорогах України (рис. 1) були надані Державною службою автомобільних доріг України (Укравтодор). При розрахунку несучої здатності прогонових будов у зборі навантажень були враховані додаткові шари асфальтобетону товщиною 7 см. Динамічний коефіцієнт при пропуску ВВН приймався рівним 1,10. До розрахунку приймались ВВН з масою вище 60 т, так як вони становлять особливо підвищену увагу при проїзді через мостові споруди.

а |

б | Рис. 1. Діаграма розподілу по масі кількості ВВН серед іноземних (а) та українських (б) фірм-перевізників

Таблиця 1

Параметри циклів малоциклових навантажень на прогонові будови мостів

Тип прогонової будови

(згідно типових проетів) | Нижній рівень навантаження Верхній рівень навантаженняВип. 56 | 0,57 | 0,77-1,04 | ВТП-16 | 0,30 | 0,45-0,65 | Серія 3.503-12 вип.16 | 0,56 | 0,68-0,80 | ВТП-15 | 0,41 | 0,56-0,74 | Отримано, що найвищі рівні навантаження сприймають прогонові будови з каркасною арматурою вип. 56, кілька разів зафіксовано незначне перевантаження (до 4%). Значні зусилля можна пояснити великими моментами від постійного та рухомого вертикального навантаження внаслідок великої віддалі між балками по ширині прогонової будови. В найлегших умовах працюють балки ВТП-16 через значну кількість балок в поперечному перерізі прогону. Два інших типи прогонових будов займають проміжне положення, і в них присутні запаси несучої здатності. Верхній рівень завантаження для них становить . Такі рівні і приймаємо за середні, що виникають при пропуску ВВН.

Визначено, що кількість циклів за 2004 рік для певного конкретного моста становить не більше двадцяти. Тому малоциклові навантаження діють на прогонові будови автодорожніх мостів.

Третій розділ містить опис методики дослідження бетонних та залізобетонних зразків із використанням традиційних методів дослідження та методу АЕ. Приведено аналіз результатів, отриманих традиційними засобами досліджень будівельних конструкцій, та запропоновано підхід до врахування дії малоциклових навантажень при розрахунку тріщиностійкості залізобетонних конструкцій автодорожніх мостів.

Згідно із задачами дослідження була розроблена програма комплексних випробувань бетонних та залізобетонних конструкцій, виготовлених із п’яти серій важкого бетону, які відрізнялись між собою складом та міцністю. Програма містить проведення експериментальних досліджень бетонних, арматурних, та залізобетонних зразків: бетонних кубів розмірами 100100100мм та 150150150 мм, призм 100100400 мм, та залізобетонних балок розмірами 2100200100мм, армованих одиночним каркасом із звичайної арматури діаметром 12мм класу А-ІІІ (рис. 2, а). Міцністні та деформативні характеристики бетонів та арматури визначали згідно діючих методик нормативних документів.

а |

б

Рис. 2. Випробування залізобетонних балок: а - конструкція залізобетонної балки; б - загальний вигляд силового стенду.

Під час випробування бетонних кубів на стиск визначали кубикову міцність зразків та проводили реєстрацію сигналів АЕ. При малоциклових навантаженнях зразки (марка КМ та КВ) випробовували у м’якому режимі (при постійному заданному напруженні) статичними малоцикловими навантаженнями при наступних рівнях напружень: і , і відповідно і . Базою випробувань було прийнято N=40 циклів навантажень-розвантажень.

При випробуванні бетонних призм розміром 100100400мм на осьовий стиск (марка ПР) досліджували НДС, визначали модуль пружності та коефіцієнт поперечних деформацій бетонів. Деформації призм визначали на усіх чотирьох гранях за показами мікроіндикаторів годинникового типу. Проводили вимірювання часу проходження ультразвуку через масив бетону призми з використанням приладу УК-14П. Під час дослідження реєстрували сигнали АЕ, що виникали, за допомогою програмно-технічного комплексу “АКЕМ”. При малоциклових навантаженнях призми (марка ПР) випробовували при режимах, аналогічних кубам.

Залізобетонні балки випробовувались у віці 1000-1100 діб за схемою чистого згину. Випробування здійснювали на силовому стенді двома зосередженими силами, розташованими в третях прольоту (рис. 2, б). За навантажувальний пристрій правив 5-ти тонний гідравлічний домкрат у комплекті з насосною станцією. Базою випробувань було прийнято N=10 циклів. На балках-близнюках при одноразовому завантаженні були визначені значення руйнівного навантаження Рcr. Базовим рівнем навантаження, до якого доводилися зразки, прийнято 0,6Рcr. Для того, щоб симулювати довантаження конструкції до вищого рівня, після перших шести циклів з максимальним рівнем навантаження 0,6Рcr, на сьомому і восьмому циклі рівень навантаження був доведений до 0,75Рcr. Дев’ятий цикл був проведений з максимальним рівнем навантаження 0,6Рcr, десятий – знову до 0,75Рcr. Після бази випробувань балки були доведені до руйнування одноразовим прикладенням зусилля з фіксацією руйнівного навантаження. Рівні навантажень були призначені згідно параметрів циклів роботи автодорожніх мостів, визначених в розділі 2, які в середньому становлять .

При випробуванні проводили визначення прогинів балки під навантаженням індикаторами годинникового типу. Фіброві деформації бетону балки заміряли, використовуючи тензорезистори з базою 50 мм у комплекті з вимірювальним приладом ЦТК-1, та механічний компаратор. Вимірювання часу проходження ультразвуку через масив балки виконували шляхом поверхневого прозвучування ультразвуковим компаратором з комплекту УК-14П. При випробуванні балок досліджували сигнали АЕ, що виникали в конструкції за допомогою програмно-технічного комплексу “АКЕМ”. Запис АЕ проводили у два етапи: під час навантаження та витримки на кожній ступені. Ширину розкриття тріщин визначали за допомогою мікроскопа МПБ-2 із ціною поділки 0,05мм. Усі вимірювання проводились на кожному циклі при завантаженні і розвантаженні з кроком 0,2Р, де Р – максимальне значення зусилля в циклі.

Для аналізу випромінювання сигналів АЕ прийнято параметри: енергія Е сигналу АЕ mV2s, амплітуда сигналу mV, накопичення сигналів АЕ Nc, накопичення енергії Е сигналів АЕ mV2s, параметр Кр (ступінь зміни густини енергії сигналу).

Переважна кількість бетонних кубів та призм, випробуваних при рівнях навантаження , витримали базу випробувань. При цьому відбувається ущільнення структури бетону, стабілізація деформаційних процесів, цей процес добре відслідковується на призмах. Для рівня навантаження спостерігається інтенсивніше наростання поздовжніх відносних та залишкових деформацій, зразки зруйнувались в межах бази випробувань внаслідок малоциклової втомленості бетону.

Аналіз тріщиностійкості проводився наступним чином. Після кожної ступені навантаження кожного циклу замірялась ширина розкриття нормальних тріщин на рівні арматури з відзначенням тріщини з максимальним розкриттям. Після цього визначалось процентне відношення збільшення ширини розкриття максимальної тріщини відносно величини, отриманої на першому циклі навантаження даного рівня. Результати досліджень показують, що при навантаженні конструкцій до рівня 0,6Рcr максимальна ширина розкриття тріщини збільшилась в середньому на 18%, тому коефіцієнт прийнято . Після довантажень до рівня 0,75Рcr це значення зросло до 63% відносно першого циклу, а відносно сьомого (першого циклу з довантаженням до 0,75Рcr) - на 12%. Тому коефіцієнтом, що враховує передісторію навантажень конструкції, визначено . Це було зроблено шляхом підбору значення та зіставленням експериментальних та розрахункових даних (рис. 3).

Таблиця 2

Значення коефіцієнта

Рівень навантаження 0,6Рcr | Рівень навантаження 0,75Рcr

1,18 | 1,40

Коефіцієнт дозволяє враховувати малоциклове прикладання навантаження на противагу одноразовому навантаженню з задовільною ступінню кореляції (рис. 3). При порівнянні теоретичних та експериментальних значень ширини розкриття тріщини середнє відношення для всіх балок на сьомому циклі до перевантаження склало при середньоквадратичному відхиленні та коефіцієнті мінливості , на десятому циклі після перевантаження - при середньоквадратичному відхиленні при коефіцієнті мінливості . При ймовірності 0,95 довірчий інтервал складає в першому випадку та в другому.

а |

б | Рис. 3. Максимальна ширина розкриття тріщин балок серії Б 4 по циклах

(а – обрахунок згідно СНиП [16]; б - обрахунок з врахуванням )

На основі виконаних досліджень пропонується ширину розкриття нормальних тріщин в залізобетонних елементах, що проектуються за категорією тріщиностійкості 3в визначати за формулою:

, | (1) | де - коефіцієнт, який враховує характер навантаження: при одноразовому короткочасному навантаженні приймається ; при повторних короткочасних малоциклових навантаженнях, рівень яких становить 60% від руйнівного, ; якщо рівень становить 75% від руйнівного, то ;

- розтягуюче напруження, що для ненапруженої арматури рівне s в найбільш розтягнутих стержнях, визначаються по формулах опору матеріалів;

Е – модуль пружності арматури;

- коефіцієнт розкриття тріщин, який визначається в залежності від радіусу армування Rr;

- граничне значення розрахункової ширини розкриття тріщин.

В розділі також проаналізовано прогини, відносні фіброві деформації бетону і напруження на першому та повторних циклах навантаження дослідних балок.

Четвертий розділ містить аналіз процесу випромінювання сигналів АЕ при дослідженні бетонних та залізобетонних конструкцій при дії малоциклових навантажень, та розроблені на його основі рекомендації з діагностики мостів.

В результаті досліджень отримано, що АЕ підтверджує процеси, які проходять в бетоні зразків при малоциклових навантаженнях. Відомо, що при рівні навантаження бетону відповідають три фази – ущільнення, стабілізація, потім розущільнення, внаслідок чого наступає малоциклова втомленість бетону. При рівні навантаження бетону відповідають дві фази – ущільнення, потім стабілізація, внаслідок чого спостерігається малоциклова пристосованість бетону. Метод АЕ вирізняє всі ці процеси (рис. 4):

а |

б | Рис. 4. Суміщена діаграма кількості сигналів з максимальною амплітудою U та енергією E на витримці кожного циклу: а – при малоцикловій пристосованості для призми ПР5; б – при малоцикловій втомленості для призми ПР3.

· ущільнення (ділянка 1-2) – після значної інтенсивності та енергії випромінювання АЕ на першому циклі спостерігається її зменшення (до 4-6 циклу);

· стабілізація (ділянка 2-3) – коливання енергетичних характеристик навколо певного рівня;

· розущільнення (ділянка 3-4) – наростання інтенсивності та енергії випромінювання АЕ аж до руйнування зразка.

При оцінці небезпеки процесів тріщиноутворення, взявши за основу методику Філоненка С.Ф., проаналізуємо накопичення кількості сигналів АЕ та їх енергії та в залежності не від рівня навантаження при одноразовому його прикладанні, а від кількості циклів навантажень. Для порівняння та узагальнення результатів, незалежних від розмірності аналізованих параметрів, використовують їх формалізацію із нормуванням шкал до одиничної за функціями:

; | (2)

. | (3)

де ; ; ; Ni-, Еi- - значення накопичення кількості сигналів та енергії АЕ у циклі під час витримки під навантаженням у обраному часовому перерізі; ni – номер циклу; nimax – максимальна кількість циклів. Nimax , Еimax – максимальні значення накопичення кількості сигналів та енергії АЕ у циклі під час витримки під навантаженням у обраному часовому перерізі. Проведення аналізу із апроксимацією експериментальних даних у відповідності до попередньо описаного виконуємо за формулами:

; | (4)

. | (5)

де , , , – константи; ; ni – номер і-го циклу; nimax – максимальна кількість циклів.

Висновок про небезпеку процесів, що відбуваються в структурі матеріалів при навантаженні об’єкту здійснюється за абсолютним значенням показників степені та . Значення 3, >3 свідчить про небезпечний розвиток дефектів, і дає можливість прогнозувати малоциклову втомленість бетону .

Отримано, що чим ближче знаходиться призма до малоциклової втомленості, тим кращі кореляційні властивості кривої (рис. 5). При малоцикловому пристосуванні запропонована крива має низькі кореляційні властивості.

Рис. 5. Аналіз кінетики накопичення енергії сигналів АЕ при випробуванні призми ПР3 на 5 - 17-му циклі (руйнування на 17-му циклі внаслідок малоциклової втомленості).

Отримано, що стабілізація накопичення сигналів АЕ та накопичення їх енергії співпадає з стабілізацією процесів тріщиноутворення та деформаційних процесів в балках. Найбільша кількість сигналів АЕ та накопичення їх енергії у всіх випробовуваних балках спостерігається при утворенні макротріщин на першому циклі (рис. 6). При подальших циклах відбувається зменшення та стабілізація АЕ випромінювання, яка порушується довантаженням на сьомому циклі. Збільшення рівня навантаження при цьому викликає різке підвищення накопичення сигналів АЕ і відповідає інтенсивному розвитку тріщин. При наступних повторних навантаженнях знов відмічається стабілізація АЕ випромінювання.

а |

б | Рис. 6. Накопичення сигналів АЕ (а) та їх енергії (б) на ступенях навантажень по циклах для балок серії Б 4

Отримано, що значення Кр>6 присутні не тільки на першому циклі при утворення макротріщин (як це було вказано в роботах попередників), але і при повторних циклах. Оскільки нових тріщин на них не утворювалось, значення Кр>6 при малоциклових навантаженнях свідчать про розвиток існуючих тріщин.

При проведенні оцінки небезпеки розвитку дефектів згідно (5) для балок параметр приймає значення <3. Це свідчить, що під час малоциклових навантажень даного рівня не було небезпеки руйнування балок.

На основі цих досліджень були розроблені рекомендації щодо діагностики автодорожніх мостів в умовах малоциклових навантажень. Запропоновано такі випадки застосування діагностики:

· проведення повторних статичних випробувань мостів (рис. 7,а), застосовується для визначення небезпеки розвитку дефектів використовуючи малоциклове навантаження мостів. При цьому рівень навантаження не повинен перевищувати 60% від несучої здатності конструкції. Таке обмеження обумовлено висновком з роботи – при довантаженні залізобетонної конструкції з рівня 0,6Рcr до рівня 0,75Рcr різко збільшується ширина розкриття тріщин (на 47% у порівнянні з величиною перед довантаженням). Вимоги в діючих нормах до рівнів навантажень при статичних випробуваннях мостів є вищими від рівня 0,6Рcr, тому це свідомо створює умови для розвитку тріщиноутворення в залізобетонних конструкціях. АЕ метод дає можливість аналізувати процеси тріщиноутворення при рівні навантаження 60% від несучої здатності і дозволяє обмежити рівні випробувального навантаження, тим самим уникнувши збільшення ширини розкриття тріщин.

· проведення АЕ моніторингу для визначення можливого пошкодження конструкцій моста під час пропуску ВВН (рис. 7,б), застосовується у випадку, коли неможливо уникнути пропуску понаднормативного вантажу через міст, і тому необхідно визначити рівень нанесених конструкції дефектів типу тріщини.

а |

б | Рис. 7. Схема проведення діагностики: під час повторних статичних випробувань (а), при пропуску ВВН (б).

При прийнятті рішення за результатами діагностики при проходженні ВВН використовується критеріальна оцінка виявлення сигналів АЕ від тріщин – „Кр”, що характеризує степінь зміни густини енергії в зареєстрованому сигналі АЕ. Для її визначення використовують формулу:

Kpj=lg(Есj/j2)+В+С, | (6) | де Eсj - енергія від j-го зареєстрованого сигналу АЕ; j - тривалість зареєстрованого сигналу АЕ; В – поправочний коефіцієнт по чутливості АЕ апаратури; С – поправочний коефіцієнт з порогу амплітудної дискримінації.

Збільшення параметра Кр після проходження ВВН свідчить про погіршення стану діагностованої конструкції. Незмінність параметра Кр вказує на стабільну роботу конструкції, відсутність нових пошкоджень при проходження ВВН.

При прийнятті рішення за результатами повторних статичних випробувань рекомендується використовувати відомості про небезпеку процесів, які відбуваються у структурі матеріалів при навантаженні згідно формули (5), та критеріальну оцінку виявлення сигналів АЕ від тріщин – „Кр”. Визначення небезпеки процесів здійснюється за абсолютним значенням показника степені , абсолютне значення >3 свідчить про небезпечний розвиток дефектів.

П’ятий розділ містить результати експериментального застосування рекомендацій з діагностики залізобетонних прогонових будов з використанням малоциклових навантажень при натурних випробуваннях автодорожніх мостів.

Розроблені рекомендації з діагностики залізобетонних конструкцій з використанням методу АЕ були використані при випробуванні моста через р. Тетерів біля с. Дениши Житомирської обл. та моста через р. Березіна на автодорозі Мінськ - Москва у Республіці Білорусь. Розрахунок тріщиностійкості згідно запропонованої формули (1) був виконаний для моста через р. Тетерів. При цьому порахована ширина розкриття тріщин точніше відповідає ширині розкриття реальних тріщин балок у порівнянні з величиною, порахованою згідно ДБН В.2.3-14:2006.

При навантаженні натурних залізобетонних конструкцій мостів згідно запропонованих схем малоциклових навантажень результати випробувань з використанням методу АЕ добре узгоджуються з даними візуального огляду та традиційних методів досліджень. Проведені натурні випробування залізобетонних автодорожніх мостів підтвердили можливість використання методу АЕ для технічної діагностики їх стану.

ВИСНОВКИ

1. Результати виконаних досліджень свідчать про наявність малоциклових навантажень при експлуатації автодорожніх мостів, що не враховують діючі норми з розрахунку та проектування мостів.

2. Згідно досліджень, ці рівні становлять і в основному залежать від конструкцій прогонових будов мостів та їх технічного стану.

3. Стабілізація процесів тріщиноутворення залізобетонних балок наступає після 5-7 циклів повторних навантажень. Перевантаження до вищого рівня викликає подальший ріст тріщин, але після цього знову спостерігається стабілізація.

4. При прикладенні малоциклових навантажень після семи циклів навантаження-розвантаження до рівня 0,6Рcr максимальна ширина розкриття нормальної тріщини в середньому збільшилась на 18% порівняно з першим циклом. Після трьох довантажень до рівня 0,75Рcr це значення зросло до 63%.

5. Запропоновано враховувати дію малоциклових навантажень на залізобетонні конструкції мостів введенням у формулу ДБН для визначення ширини розкриття тріщин коефіцієнта , що враховує вплив повторних навантажень, рівень яких становить 60% від руйнівного, ; при рівні навантажень 75% від руйнівного .

6. Значення параметра Кр6 фіксується не тільки при утворенні тріщин на першому циклі, як це було показано в роботах інших дослідників, а також при повторних циклах, коли нових тріщин не утворюється. Значення параметра Кр6 при повторних циклах свідчать про розвиток наявних тріщин. За накопиченням максимальних значень Кр можна прогнозувати прирости ширини розкриття тріщин балок по циклах.

7. АЕ підтверджує висновки щодо стабілізації деформаційних процесів при повторних навантаженнях однакового рівня , і при дії повторних навантажень рівня після довантаження до вищого рівня. Аналіз кінетики АЕ випромінювання при випробуванні залізобетонних балок при дії повторних навантажень рівня показує, що при показнику степеня небезпечного розвитку дефектів в конструкції немає.

8. При збільшенні рівня малоциклових навантажень вище 0,6Рcr відбувається різке збільшення ширини розкриття тріщин - на 47% у порівнянні з сьомим циклом при рівні 0,6Рcr (перед довантаженням). Тому доцільно випробувальне навантаження на мости обмежувати рівнем 0,6Рcr при використанні методу АЕ для оцінки технічного стану залізобетонних конструкцій.

9. Розроблено рекомендації з діагностики залізобетонних балкових конструкцій, що працюють в умовах малоциклових навантажень із використанням методу АЕ.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Особистий внесок здобувача полягає у експериментальному дослідженні бетонних та залізобетонних конструкцій із використанням методу АЕ та аналізі одержаних результатів.

АНОТАЦІЯ

Полюга Р.І. Тріщиностійкість залізобетонних балкових конструкцій автодорожніх мостів в умовах малоциклових навантажень – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – “Будівельні конструкції, будівлі та споруди”. – Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України, Львів, 2006.

В дисертації доведено наявність малоциклових навантажень при експлуатації автодорожніх мостів, визначено параметри циклів. Приведено результати експериментальних досліджень тріщиностійкості залізобетонних балок зі звичайною арматурою. Вперше запропоновано підхід до врахування дії малоциклових навантажень при розрахунку тріщиностійкості залізобетонних конструкцій автодорожніх мостів.

Встановлено зміни параметрів АЕ випромінювання залізобетонними конструкціями при малоциклових навантаженнях, на основі чого розроблено методику оцінки небезпеки розвитку дефектів залізобетонних конструкцій мостів при дії малоциклових навантажень із використанням методу АЕ.

Ключові слова: тріщиностійкість, автодорожні мости, залізобетонні конструкції, малоциклові навантаження, ширина розкриття тріщин, акустична емісія, технічна діагностика.

АННОТАЦИЯ

Полюга Р.И. Трещиностойкость железобетонных балковых конструкций автодорожных мостов в условиях малоцикловых нагрузок – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – “Строительные конструкции, здания и сооружения”. – Национальный университет “Львовская политехника” Министерства образования и науки Украины, Львов, 2006.

Во вступлении обоснована актуальность темы, поставлены цели и задачи исследований, изложены научная новизна и практическое значение.

Первый раздел рассматривает актуальное положение проблемы исследования. Анализ литературных источников показывает значительное влияние малоцикловых нагружений на трещиностойкость железобетонных конструкций. Это влияние проявляется в увеличении ширины раскрытия трещин по сравнению c однократным нагружением. Распространенным методом учета влияния малоцикловых нагрузок на ширину раскрытия трещин является исполнение экспериментальных исследований и получение после этого коеффициента.

Еще один вывод – проблема учета влияния действия малоцикловых нагружений на конструкции мостов не рассматривалась.

Проведенный литературный поиск использования метода акустической эмиссии (АЭ) в исследовании натурных строительных конструкций свидетельствует о глубокой корреляционной связи между процессами возникновения и развития трещин и параметрами сигналов АЭ, а метод может успешно применяться, хорошо согласовываясь с традиционными методами исследования.

Во втором разделе исследованы режимы эксплуатации мостов на автодорогах Украины.

Установлены случаи малоцикловых нагружений:

· пропуск по мостам сверхнормативных нагрузок (СНН);

· натурные исследования конструкций мостов;

· пропуск грузовых транспортных средств по автодорожных мостах с ограниченой грузоподъемностью;

· другие случаи нагружения мостов к уровням, которые обозначены выше.

Для наиболее распространенных типовых сборных железобетонных пролетных строений был исполнен расчет на пропуск реальных СНН для определения параметров циклов повторных нагружений. Статистические данные по пропуску СНН за 2004 год были представлены Государственной службой автомобильных дорог Украины. Установлены верхние и нижние уровни нагружения. Также установлено, что количество циклов за 2004 год для конкретного моста составляет не более двадцати.

В третьем разделе содержится описание методики исследования бетонных и железобетонных образцов с использованием традиционных методов и метода АЭ.

Уровни нагружений для балок были назначены согласно параметов циклов работы автодорожных мостов, определенных в разделе 2. В среднем они составляют . Базой испытания принято N=10 циклов.

На основе результатов исследований предлагается в нормативную формулу для определения ширины раскрытия нормальных трещин ввести коэффициент при уровне нагружения 0,6Рcr и при уровне 0,75Рcr.

Также в разделе построены графики прогибов, епюры относительных фибровых деформаций бетона и напряжений на первом и повторных циклах.

В четвертом разделе проведен анализ процеса излучения сигналов АЭ при испытании бетонных и железобетонных конструкций.

В результате исследования бетонных образцов предложено подход для анализа кинетики АЕ излучения по циклах. Это позволяет прогнозировать малоцикловую усталость бетона. При этом по сигналам АЭ выделяется три фазы деформирования бетона – уплотнение, стабилизация, разуплотнение.

В результате исследований железобетонных балок были разработаны рекомендации по диагностике автодорожных мостов в условиях малоцикловых нагружений. Обнаружено, что во время малоцикловых нагружений даного уровня не было опасности разрушения балок.

Получено, что стабилизация накопления сигналов АЭ, а также их энергии совпадает со стабилизацией процесов развития трещин в балках.

Пятый раздел содержит результаты натурных испытаний железобетонных конструкций автодорожных мостов. Результаты диагностики с использованием метода АЭ хорошо согласуются c данными визуального обследования и традиционных методов исследований.

Ключевые слова: трещиностойкость, автодорожные мосты, железобетонные конструкции, малоцикловые нагружения, ширина раскрытия трещин, акустическая эмиссия, техническая диагностика.

ABSTRACT

Polyuha R.I. Crack resistance of reinforced concrete girders of roadway bridge superstructures under lowcycling loads. – Manuscript.

Thesis for taking the degree of candidate of technical science in speciality 05.23.01 – Building structures, building and constructions. Lviv Polytechnic National University of the Ministries of Education and Science of Ukraine, Lviv, 2006.

In the thesis the availability of lowcycling loads during the roadway bridges maintenance is provided. Parameters of repeated load cycles are determined. The results of crack resistance experimental research of reinforced concrete girders without prestressing are described. For the first time the method of taking lowcycling loads into account in crack resistance calculation of reinforced concrete girders of roadway bridge superstructures is proposed.

The parameters of acoustic emission of reinforced concrete girders under lowcycling loads are determined. On this basis the evaluation method of defect development in reinforced concrete girders of roadway bridge superstructures under lowcycling loads using AE techinque is worked out.

Key words: crack resistance, roadway bridges, reinforced concrete constructions, lowcycling loads, crack opening width, acoustic emission, technical diagnosis.