автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Деградационные процессы в железобетоне мостовых конструкций. Методы оценки и прогнозирования

Введение.

1 Особенности работы и разрушения железобетона мостовых конструкций.

1.1 Виды деградации и разрушения железобетона при эксплуатации мостовых конструкций.

1.2 Агрессивные среды и механизмы деградации железобетона в мостовых конструкциях.

1.3 Требования нормативных документов к обеспечению долговечности железобетонных конструкций.

1.4 Методы прогнозирования долговечности железобетона элементов конструкций. Модели деградации.

1.5 Цели и задачи исследования.

2 Материалы и методы исследования.

2.1 Характеристики бетона.

2.2 Методы исследований.

2.3 Методы статистического анализа экспериментальных данных.

2.4 Выводы.

3 Моделирование деградации и долговечности железобетона мостовых конструкций

3.1 Моделирование взаимодействия бетона и арматуры с агрессивными средами.

3.2 Исследование зависимости параметров деградации от В/Ц, доли цемента в бетонном камне, климатических условий.

3.3 Вероятностная модель деградации железобетона мостовых конструкций.

3.4 Алгоритм оценки долговечности железобетона мостовых конструкций.

3.5 Выводы.

4 Исследование влияния основных факторов на долговечность железобетона мостовых конструкций.

4.1 Формирование исходных данных.

4.2 Влияние водоцементного отношения.

4.3 Влияние климатической зоны эксплуатации.

4.4 Влияние толщины защитного слоя.

4.5 Влияние индекса надежности в начале эксплуатации.

4.6 Влияние отклонений геометрических размеров сечения от проектных.

4.7 Выводы.

5 Методика определения ресурса железобетона пролетных строений мостов.

5.1 Общие сведения.

5.2 Расчет долговечности железобетона пролетных строений.

5.3 Определение стратегии дальнейшей эксплуатации.

5.4 Примеры.

Актуальность проблемы. Распространенность железобетонных конструкций в самых разных отраслях народного хозяйства обусловливает актуальность задач в этой области. Тысячи железобетонных мостов на территории стран СНГ, большая часть из которых построена в 60-70 годы, в настоящий момент нуждаются в оценке состояния конструкций с целью определения дальнейшей стратегии их эксплуатации. Актуальность вопросов долговечности связана еще и со значительным ростом дорожно-транспортного строительства вызванного увеличением массы и интенсивности оборота автотранспортных средств.

Накопленный опыт в области оценки состояния эксплуатируемых сооружений, исследования свойств материалов и агрессивных сред, современные методы разработки математических моделей позволяют в настоящее время рассчитать срок службы сооружения. При этом наиболее перспективным является применение вероятностных подходов, позволяющих учесть случайную природу большинства исходных параметров и процессов.

Экономический эффект применения методики, позволяющей оценить состояние сооружения с позиций долговечности материалов в условиях воздействия нагрузок и окружающей среды выразится в снижении затрат в сфере эксплуатации мостовых сооружений и позволит осуществлять более рациональную политику в дорожном строительстве.

Цель работы. Разработка методики оценки долговечности железобетона мостовых конструкций на основе вероятностных моделей, учитывающих деградацию бетона, арматуры, статистическую изменчивость прочностных и геометрических.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выявление общих закономерностей особенностей работы и разрушения железобетона мостовых конструкций на основе анализа результатов натурных обследований и литературных источников.

2. Анализ свойств железобетона, методов исследования и статистической обработки с целью определения способов моделирования Деградационных процессов.

3. Моделирование процессов взаимодействия бетона и арматуры с агрессивными средами. Составление вероятностной модели деградации железобетона мостовых конструкций.

4. Исследование влияния основных факторов процесса деградации на долговечность железобетона.

5. Составление методики определения ресурса железобетона пролетных строений мостов.

Научная новизна.

• на основании проведенного анализа состояния эксплуатируемых железобетонных мостов в различных условиях эксплуатации выявлены общие для этих сооружений процессы деградации и виды повреждений;

• разработаны вероятностные модели деградации бетона и арматуры, учитывающие физическую структуру и химический состав материалов и их изменение во времени от воздействия окружающей среды;

• обоснован механизм использования вероятностного подхода при моделировании деградационных процессов и воздействии нагрузок;

• предложена математическая модель, позволяющая оценить снижение долговечности железобетонных конструкций под воздействием окружающей среды и нагрузок.

Практическая ценность. Получена количественная оценка влияния свойств используемых материалов и агрессивной среды на срок службы железобетона при эксплуатации под постоянной и временной нагрузками.

Разработана методика оценки состояния железобетона пролетных строений мостов, позволяющая определять стратегию эксплуатации и ремонта данных конструкций.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научных конференциях в МАДИ (2000г.) и изложены в 4 публикациях.

В первой главе приведен анализ состояния эксплуатируемых мостов, требований нормативных документов к надежности и долговечности сооружений, методы прогнозирования долговечности, сформулированы конкретные цели и задачи работы.

Во второй главе рассмотрены свойства материалов, методы исследования свойств и их изменения во времени, изложены основные методы статистической обработки данных по деградационным процессам.

В третьей главе приведены расчетные модели деградации бетона и стали, проведена проверка и тестирование моделей, приведен вероятностный расчет элементов железобетонных конструкций, определен механизм включения в расчет параметров де градационных процессов.

В четвертой главе исследовано влияние основных параметров материалов и конструкций на долговечность по индексу надежности.

В пятой главе приведена методика оценки долговечности железобетонного пролетного строения по индексу надежности.

6 Общие выводы

1. Рассмотрены дефекты и повреждения железобетона мостовых конструкций, природа и стадии их появления, степень влияния на надежность конструкции. По литературным и опытным данным, по результатам натурных обследований показано, что в течение достаточно короткого срока свойства балок претерпевают значительные изменения.

2. В зависимости от конкретного случая, под влиянием временных нагрузок и воздействием внешней среды, происходит более или менее существенное снижение долговечности. При этом основной и наиболее распространенной причиной этого является воздействие углекислого газа воздуха и хлоридов в составе антиобледенителей, влекущее за собой коррозию арматуры.

3. Проведен анализ отечественных и зарубежных нормативных документов, устанавливающих уровень надежности и нормирующих долговечность материалов элементов мостовых сооружений. Рассмотрены вероятностные подходы в проектировании и расчетах сооружений. Сделан вывод об отсутствии единых нормативов, позволяющих рассчитать уровень надежности элемента конструкции и ее долговечность.

4. Обоснована актуальность проблемы расчета долговечности железобетонных мостовых балок с непреднапрягаемой арматурой. Основным способом решения данной задачи предложено считать развитие метода расчета конструкций по предельным состояниям с полувероятностного до вероятностного уровня, с учетом развития во времени деградационных процессов в железобетоне. В качестве параметра, характеризующего состояние сооружения, принят индекс надежности.

5. Предложена модель расчета глубины карбонизации на основе уравнения Зельдовича. Такой подход позволяет учитывать характеристики агрессивной среды, параметры поровой структуры бетона (включая кольматацию пор), химические аспекты процесса. В качестве основы для модели проникновения хлоридов выбрано следствие из первого закона Фика. Составленные модели соответствующим образом проверены и протестированы, результаты сопоставлены с экспериментальными данными и данными натурных обследований.

6. Предложена модель по расчету индекса надежности по изгибаемому моменту в середине пролета железобетонной балки. В основу положен метод линеаризации данных. На основе данной модели составлена программа на языке Visual Basic 6, позволяющая учитывать температурно-влажностные характеристики климатической зоны и их декадные колебания. Результаты расчетов протестированы, проверены. Сделан вывод о соответствии опытным и натурным данным.

7. Показано, что в условиях воздействия только углекислого газа воздуха и совместно с хлоридами антиобледенителей, срок службы балок может иметь разницу до 50%. Уменьшение толщины защитного слоя в два раза сокращает срок службы балок на 20-30 лет в зависимости от условий эксплуатации. Влияние водоцементного отношения, определяющего пористую структуру, также велико: при увеличении В/Ц с 0,3 до 0,6 срок службы сокращается на 50-60%. В

175 условиях более теплого климата карбонизация карбонизация развивается интенсивнее, разница в сроке службы при эксплуатации в 1 и 4 климатической зоне составила 40 лет. Применение хлоридов сокращает срок службы балок, при этом в условиях холодного климата, срок службы меньше. Разница при эксплуатации в 1 и 3 зонах достигает 10 лет.

8. На основе результатов, полученных с помощью программы, составлена методика оценки долговечности балок из непреднапряженного железобетона пролетом до 18м на основе существующих типовых проектов. Методика позволяет определить время начала коррозии нижней рабочей арматуры ребра, время появления коррозионных трещин, необходимость и способы проведения ремонтных работ исходя из заданного уровня надежности и расчетного срока эксплуатации. Исходными данными являются проектные геометрические и прочностные характеристики, определяющие начальный уровень надежности; толщина защитного слоя, климатическая зона расположения объекта, наличие/отсутствие хлор-ионов в бетоне (вследствие воздействия антиобледенителей). Расчет ведется в табличной форме, рекомендуется графическое отображение результатов. Текст методики включает примеры.

1. Алекин O.A. Гидрохимия. Москва, 1970г.

2. Алексеев С.Н., Иванов Ф.М., Модры С., Шиссль П. Долговечность железобетона в агрессивных средах. Москва, Стройиздат 1990г.

3. Алексеев С.Н., Ратинов В.Б. Ингибиторы коррозии стали в железобетонных конструкциях. Стройиздат, 1985г.

4. Андреев О.О. Оценка несущей способности железобетонных сечений с учетом вероятностной природы прочности бетона и стали // Строительная механика и расчет сооружений. 1984 №6.

5. Анисимов A.B. Моделирование процессов карбонизации иIпроникновения хлоридов в рамках расчета вероятности безотказной работы железобетонных элементов. Сборник трудов ЦНИИС, вып. №208, Москва, 2002г

6. Анисимов А.В Расчет вероятности безотказной работы изгибаемых железобетонных элементов с учетом деградации железобетона. Сборник трудов МАДИ «Актуальные проблемы мостостроения и тоннелестроения». Москва, 2001

7. Артамонов B.C. Защита железобетона от коррозии. Москва, 1967г.

8. Аугусти Б., Баратта А., Кашиати Ф. Вероятностные модели в строительном проектировании. Москва, Стройиздат, 1988г.

9. Ю.Балдин В.А., Гольденблат И.И., Коченов В.И. Расчет строительных конструкций по предельным состояниям. Москва, 1951г.

10. Болотин В.В. Методы теории вероятности и теории надежности в расчетах сооружений. Москва, 1982г.

11. Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. Справочник. 1966г.

12. Валиев Ш.Н. Вероятностный подход к оценке грузоподъемности железобетонных балочных пролетных строений эксплуатируемых автомобильно-дорожных мостов. Дисс. . канд. техн. наук: 05.23.15.-М., 1996.

13. Васильев А.И. Системный подход к натурным исследованиям эксплуатируемых мостов. Сборник трудов ЦНИИС, вып. №208, Москва, 2002г

14. Васильев А.И. Вероятностная оценка остаточного ресурса физического срока службы железобетонных мостов. Сборник трудов ЦНИИС, вып. №208, Москва, 2002г

15. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. Москва 1999г.

16. Викторов Р.Б. Расчет надежности железобетонного сечения на изгиб методом статистической линеаризации / Надежность конструкций мостов и тоннелей (сб. трудов МАДИ). 1986г.

17. Викторов Р.Б. Вероятностный расчет наклонных железобетонных сечений методом статистической линеаризации / Совершенствование конструкций мостор и тоннелей на автодорогах (сб. трудов МАДИ). 1987г.

18. Власов Г.М., Геронимус В.Б., Поваляев Е.В. Расчет железобетонных мостов. Москва, 1970г.

19. Гидрохимическая карта СССР. Москва, 1967г.

20. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистка, изд. Мир, 1977г.

21. ГОСТ 27751-88 Надежность строительных конструкций

22. ГОСТ 27.202-83 Надежность в технике

23. ГОСТ 26633-91 Бетоны тяжелые и мелкозернистые

24. Гузеев Е.А., Леонович С.Н. Разрушение бетона и его долговечность. Минск, 1997г.

25. Гусев Б.В., Степанов В.Ф. Модель расчета коррозионной стойкости бетона при воздействии углекислоты воздуха. //Бетон и железобетон, №1 1999г.

26. Гусев Б.В., Файвусович A.C., Степанова В.Ф., Розенталь Н.К. Математические модели процессов коррозии бетона. Москва, 1996г.

27. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. Москва 1977г.

28. Долговечность мостов и транспортных тоннелей. Сборник трудов МАДИ, 1988г.

29. Дюкло Ж. Диффузия в жидкостях. Москва, 1939г.

30. Евграфов Г.К., Лялин Н.Б. Расчеты мостов по предельным состояниям. Трансжелдориздат, 1962 г.

31. Енютин Ю.А., Федосеев В.Н., Высоцкий С.А. Оценка коррозионного состояния арматуры в железобетонных мостах / Транспортное строительство, 1997г. №12.

32. Заводская технология сборного железобетона. Сборник трудов НИИЖБ, выпуск 19, Стройиздат 1972г.

33. Иванов Ф.М. Защита от коррозии строительных конструкций и повышение долговечности. Москва, 1969г.

34. Инструкция по определению грузоподъемности железобетонных балочных пролетных строений автодорожных мостов. ВСН 3278. -М.:Транспорт, 1979.

35. Иосилевский Л.И. Практические методы управления надежностью железобетонных мостов. Москва, НИЦ «Инженер», 1999г.

36. Исследование физико-химических процессов и закономерностей массопереноса при коррозии цемента в кислых средах // Коррозионная стойкость бетона и железобетона в агрессивных средах (сгр.82) // Труды НИИЖБ, Москва, 1984

37. Калашников H.A., Тумас Е.В. Таблицы и графики для расчета плит проезжей части мостов на автомобильную нагрузку. Москва, Автотрансиздат, 1956г.

38. Кириленко A.M. Обоснование и разработка методики расчета эксплуатационной надежности подземных строительных конструкций коллекторных тоннелей „ для инженерных коммуникаций / диссертация на соискание степени кандидата технических наук, Москва, 1994г.

39. Климат и бетон. Ташкент, 1988г.43 .Климат Москвы за последние 30 лет. Изд. МГУ, 1989г.

40. Климатология. Гидрометеоиздат, Ленинград, 1989г.

41. Кожевников В.А. Натурные иследования плит проезжей части мостов. // Транспортное строительство,1966г. №1.

42. Коровин Н.В. Общая химия. Москва, 1998г.

43. Коррозионная стойкость бетона и железобетона в агрессивных средах. НИИЖБ, Москва, 1984г.

44. Краковский М.Б. Определение надежности конструкций методами статистического моделирования // Строительная механика и расчет сооружений. №2,1982г.

45. Кудзис А.П.Оценка надежности железобетонных конструкций. Вильнюс, 1985г.

46. Кириллов A.B. Расчетно-экспериментальный метод оценки долговечности элементов конструкций. / автореферат на соискание степени кандидата технических наук. Самара, 1993г.

47. Лившиц Я.Д., Онищенко М.М., Шкуратовский A.A. Примеры расчета железобетонных мостов. Киев 1986г.

48. Лужин О.В. Вероятностные методы расчета сооружений. Москва, 1983

49. Любимов А.К. Оценка показателей надежности и оптимизация конструкций с учетом стохастического характера параметров и нагрузки. / автореферат на соискание степени доктора технических наук. Нижний Новгород, 1995г.

50. МГСН 5.02-99 Проектирование городских мостовых сооружений

51. Метеорология и гидрометеорология. Труды ГТО, №9 1960г. (приложения)

52. Методы исследования стойкости строительных материалов и конструкций. Минск, 1969г.

53. Митропольский А.К. Техника статистических вычислений. Москва, 1971г.

54. Моделирование коррозии железобетона и прогнозирование долговечности. //Итоги науки и техники//3азцита от коррозии. ВИНИТИ, т. 12, 1986г.

55. Москвин Б.М., Иванов Ф.М., Алексеев С.Н., Гузеев Е.А. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. Москва 1980г. 1

56. Нгуен Куанг Тхыонг. Методы и модели надежности, эффективности и безопасности сложных технических систем в конфликтных ситуациях. / автореферат диссертации на соискание степени доктора технических наук. Тверь, 1999г.

57. Парасонис И.И. Надежность каркасов одноэтажных производственных зданий с учетом точности геометрических параметров монтажа. Вильнюс, 1995г.

58. Петрусос Е. Visual Basic 6: Руководство разработчика (в двух томах). Киев, 2000г.

59. Петрусос Е., Хау К. Visual Basic 6 и VBA для профессионалов. Сп.Б, 2000г.

60. Полак А.Ф. Основы коррозии железобетона и математическое моделирование с применением ЭВМ. УНИ, Уфа, 1986г.

61. Поливанов Н.И. Проектирование и расчет железобетонных и металлических автодорожных мостов. Мойсва, изд. Транспорт, 1969 г.

62. Потапкин A.A. Методические указания по расчету мостовых конструкций на надежность. МАДИ, 1987.

63. Потапкин A.A. Рекомендации по основным показателям для определения соответствия конструктивных решений мостовых сооружений моровому уровню: Отчет о НИР/МАДИ. М., 1989.

64. Потапкин A.A. Некоторые вопросы теории эксплуатации мостов. В сб. Проблемы эксплуатации мостов / ЦБНТИ "Росдоринформ" -часть 1.-М., 1990.

65. Потапкин A.A. Некоторые фундаментальные проблемы мостостроения // Наука и техника в дорожной отрасли. Изд. "Дороги", 2001.-№1.

66. Райзер В.Д. Методы теории надежности в задачах нормирования расчетных параметров строительных конструкций. Москва, Стройиздат. 1986.71 .Райзер В.Д. Теория надежности в строительном проектировании. Москва, 1998г.

67. Расчет железобетонных конструкций с учетом кинетики коррозии бетона третьего вида // Коррозионная стойкость бетона, арматуры и железобетона в агрессивных средах. НИИЖБ, Москва, 1988г.

68. Ратинов В.Б., Иванов Ф.М. Химия в строительстве. Москва, 1977г.

69. Рейтлингер С.А., Чеховский Ю.В. Механизмы переноса газов и жидкостей через бетон и методы исследования структуры пор бетона. Москва, 1961г.

70. Рекомендации по оценке и обеспечению надежности транспортных сооружений. ОАО ЦНИИС, 1989.

71. Ржаницын А.Р. Экономический принцип расчета на безопасность // Строительная механика и расчет сооружений. 1973г., №3.

72. Ржаницын А.Р. Теория расчета строительных конструкций на надежность. Москва, Стройиздат, 1978.

73. Рубецкая Т.В., Бубнова Л.С. Метод расчета глубины разрушения бетона в условиях коррозии. // Бетон и железобетон, №10 1971г.

74. Руководство по определению скорости коррозии цементного камня, раствора и бетона в жидких агрессивных средах. Москва, 1975г.

75. Сетков В.Ю., Шибанов И.С. Долговечность строительных конструкций. Норильск, 1998г.

76. СНиП 2.05.03-84* «Мосты и трубы»

77. СНиП 3.06.04-91 «Мосты и трубы»

78. СНиП 2.01.01 .-82 «Строительная климатология и геофизика»

79. СНиП 2.03.11-85 «Защита строительных конструкций от коррозии»

80. СНиП 3.04.03-85 «Защита строительных конструкций и сооружений от коррозии»

81. СНиП 23.01.99 «Строительная климатология»

82. СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции»

83. Спиридонов Э.С., Максимов А.В. Метод интегральных уравнений при определении надежности объектов строительства / Транспортное строительство, 1997г. №11.

84. Справочник химика. Москва, 1966г., т.Ш.

85. СТ СЭВ 1406-78 Конструкции бетонные^ и железобетонные. Основные положения в строительстве.

86. СТ СЭВ 2440-80 Защита от коррозии в строительстве. Конструкции бетонные и железобетонные. Классификация агрессивных сред.

87. СТ СЭВ 4419-83 Защита от коррозии в строительстве. Конструкции строительные. Термины и определения.

88. СТ СЭВ 4420-83 Защита от коррозии в строительстве. Общие положения.

89. СТ СЭВ 4421-83 Защита от коррозии в строительстве. Защитные свойства бетона по отношению к литературе.

90. СТ СЭВ 5058-85 Защита о коррозии в строительстве. Добавки для повышения стойкости бетона.

91. СТ СЭВ 384-87 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету.

92. Строительные нормы и правила. Часть П. Нормы проектирования, гл. 28. Защита строительных конструкций от коррозии. Москва, 1974.

93. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. Москва, 1999г.

94. Сухов Ю.Д. Рекомендуемые методы показателя надежности / Научно-технический отчет. Труды ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко, Москва, 1993г.

95. Тейлор X. Химия цемента, (пер. с англ), Москва "Мир", 1996г.

96. Усиление строительных конструкций слоистыми пластиками, армированными углеродным волокном. // Construction Repair 1997г. №1 (в переводе с английского, библиотека мэрии г.Москвы).

97. Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. Москва, 1967г.

98. Хан Г., Шапиро С. Статистические модели в инженерных задачах. Москва, 1969г.

99. Чирков В.П. Вероятностные методы расчета мостовых железобетонных конструкций. 1980г.

100. Чирков В.П. Методы расчета сроков службы железобетонных конструкций. Москва, 1996г.

101. Чирков В.П. Прогнозирование сроков службы железобетонных конструкций. Москва, 1997г.

102. Шестериков В.И., Иосилевский Л.И., Андропова Е.А. Проект методики прогнозирования срока службы железобетонных строений. ГП РосдорНИИ, 1997.

103. Шестериков В.И. Оценка долговечности мостов сразличными конструкциями пролетных строений. Труды РосдорНИИ.- М., 1991г, Вып.6.

104. Шестоперов. С.В. Долговечность бетона транспортных сооружений, изд. Транспорт, 1966г.

105. Шлете Г. Надежность несущих строительных конструкций. Стройиздат, 1994г.

106. Юнг В.Н. Основы технологии вяжущих веществ. Москва, 1951г.

107. Concrete Construction 1997 №1,3

108. Construction Repair 1997 № 1,2,6

109. Durability Design of Concrete Structures. //Report of RILEM Technical Committee 130-CSL, 1996