автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность и устойчивость усиленных под нагрузкой железобетонных стержней с коррозионными повреждениями

<=5Г 6\

^ На правах рукописи

со ^ ¿Г ^

АНЦЫГИН Олег Иванович

ПРОЧНОСТЬ И УСТОЙЧИВОСТЬ УСИЛЕННЫХ ПОД НАГРУЗКОЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СТЕРЖНЕЙ С КОРРОЗИОННЫМИ ПОВРЕЖДЕНИЯМИ

05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Р.С.Санжаровский

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Г.Н.Ставров;

кандидат технических наук, доцент А.А.Веселов

Ведущая организация:

СПбЗНИИПИ

Защита состоится ОАТУеЛ ^А^? 1998 г. в /3 ч -£¿3 мин на

заседании диссертационного совета К 063.31.01 при Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 198005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета

Автореферат разослан " сентября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

В.И.Морозов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При разработке проектов по реконструкции, а также при возобновлении работ на объектах, строительство или реконструкция которых были прекращены несколько лет назад, необходимо тщательно учитывать техническое состояние конструкций, находившихся в эксплуатации. Практика обследований показывает, что одной из основных причин снижения несущей способности железобетонных конструкций является влияние агрессивных воздействий окружающей среды. Наиболее неблагоприятным результатом такого воздействия является химическая коррозия железобетона. В промышленно развитых странах ущерб от коррозии оценивается в 3...5% от валового национального дохода, при этом 13... 19% приходится на долю строительных конструкций. В настоящее время влияние химической коррозии на несущую способность железобетонных конструкций при обследовании оценивается ориентировочно. Поверочный расчет железобетонных конструкций нормирован СНиП 2.03.01-84, в которых отсутствуют главы по расчету железобетонных конструкций с учетом влияния химически агрессивных сред на их несущую способность. Недостаточно развиты также исследования в области усиления железобетонных конструкций, направленные на разработку общих принципов расчета усиления с учетом возраста конструкции, уровня ее напряженного состояния, наличия повреждений и других сведений о ее состоянии. Все это свидетельствует о необходимости совершенствования методов оценки несущей способности усиленных под нагрузкой железобетонных стержней с учетом нелинейного характера деформирования бетона, коррозионных повреждений бетона и арматуры, удобных для применения в инженерных расчета.

Цель работы - разработка и экспериментальное обоснование методики расчета несущей способности усиленных под нагрузкой сжатых и изгибаемых элементов с коррозионными повреждениями.

Автор защищает:

экспериментально обоснованную методику расчета усиленных под нагрузкой железобетонных стержней с коррозионными повреждениями в физически нелинейной постановке;

опытные данные об особенностях деформирования, трещинообразования и разрушения железобетонных колонн и балок с коррозионными повреждениями, а также усиленных под нагрузкой;

результаты сопоставительного анализа опытных и расчетных данных по оценке деформативности, трещиностойкости и разрушения исследуемых конструкций;

результаты численного эксперимента о влиянии нагрузки и агрессивной среды на несущую способность усиленных под нагрузкой конструкций с коррозионными повреждениями;

практическую методику расчета усиленных под нагрузкой железобетонных стержней с коррозионными повреждениями бетона и арматуры.

Научную новизну работы составляют: методика расчета усиленных под нагрузкой железобетонных стержней с коррозионными повреждениями в физически нелинейной постановке;

опытные данные об особенностях деформирования, трещинообразования и разрушения железобетонных колонн и балок с коррозионными повреждениями, а также усиленных под нагрузкой;

результаты численного эксперимента о влиянии коррозионных повреждений на несущую способность стержневых конструкций, а также при усилении их под нагрузкой боковым наращиванием;

практическая методика расчета усиленных под нагрузкой железобетонных стержней с коррозионными повреждениями бетона и арматуры.

Достоверность результатов обеспечивается: экспериментальным обоснованием исходных положений исследований; решением поставленных задач на основе феноменологических зависимостей с использованием общепринятых допущений строительной механики; сравнением результатов расчета с результатами вычислений по действующим нормам.

Практическое значение и внедрение результатов работы. Предложенная методика расчета усиленных под нагрузкой железобетонных стержневых конструкций с коррозионными повреждениями обеспечивает возможность рационального использования конструкций на стадии реконструкции зданий и сооружений, а также при возобновлении работ на объектах незавершенного строительства. Полученные результаты использованы при разработке проектов реконструкции зданий основных цехов АО "Амурскбумпром" (Хабаровский край). Результаты работы внедрены в учебный процесс Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. Работа выполнялась в рамках научно-технической программы ГК РФ по высшему образованию "Архитектура и строительство", а также по единому наряд-заказу работ, выполняемых СПбГАСУ в рамках базового финансирования ГК РФ по высшему образованию (головной Совет "Механика").

Апробация работы. Материалы работы докладывались и получили одобрение на международном симпозиуме: "Механика строительных конструкций из новых материалов и проблемы практического внедрения в производство" (Комсомольск-на-Амуре, 1993); на научно-технической конференции (Комсомольск-на-Амуре, 1996); на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГАСУ (1994-1996); на 52-й международной научно-технической конференции молодых ученых и студентов СПбГАСУ (Санкт-Петербург, 1998).

Основные положения диссертации изложены в 7 научных статьях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и двух приложений.

Изложена на 166 страницах, включая 86 страниц основного машинописного текста, 44 рисунка, 27 таблиц , библиографию из 87 наименований и 21 страницу приложений.

Автор выражает глубокую благодарность своему руководителю заслуженному деятелю науки и техники РФ, доктору технических наук, профессору Р.С.Санжаровскому.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, даются краткое описание отдельных ее глав, характеристика научной новизны, достоверности и обосновывается ее практическая ценность.

В первой главе анализируются существующие методы расчета железобетонных конструкций с коррозионными повреждениями, способы их восстановления и усиления, а также методы расчета железобетонных конструкций при усилении под нагрузкой. На основе анализа выполненных и известных к настоящему времени работ сформулированы задачи исследования.

Повреждения железобетонных конструкций от химической коррозии можно условно разделить на две группы: 1 - повреждения, вызванные коррозией бетона; 2 - повреждения от коррозии арматуры.

Основы теории расчета железобетонных конструкций при комплексном воздействии нагрузки и химически агрессивной окружающей среды, которая, по существу, только начала развиваться, заложены в работах В.М.Бондаренко, И.И.Улицкого, П.И.Васильева, Р.С.Санжаровского, А.И.Попеско, Е.А.Гузеева, А.А.Мутина, Н.В.Савицкого и др. Отмечается, что развитие коррозионных процессов от воздействия химически агрессивных сред оказывает существенное влияние на напряженно-деформированное состояние и несущую способность железобетонных конструкций. Но эти исследования основываются на немногочисленных экспериментальных данных и не все доведены до практического применения.

Основными несущими конструкциями зданий и сооружений являются сжатые и изгибаемые стержневые элементы, поэтому нередко при разработке проектов по реконструкции возникает необходимость их восстановления и повышения несущей способности, т.е. усиления.

Наиболее эффективным способом восстановления и усиления стержневых железобетонных конструкций с коррозионными повреждениями является увеличение их сечения железобетоном. Это позволяет значительно увеличить несущую способность усиливаемых конструкций. Кроме того, эти конструкции усиления являются наиболее устойчивыми к внешнему воздействию агрессивных сред.

В работах Н.М.Онуфриева, С.Т.Захарова, Н.И.Михеева, В.А.Лисенко,

В.В.Гусельникова, И.А.Физделя, сотрудников Харьковского института "Промстройпроект" и др. разработаны методы расчета усиленных конструкций. Но они касаются лишь частных случаев усиления и не рассматривают усиление конструкции под нагрузкой.

Вопросам разработки методов расчета усиленных под нагрузкой железобетонных стержневых конструкций, которые представляют наибольший интерес и трудности при проектировании, уделяется совсем мало внимания. Одно из первых предложений по расчету усиленных под нагрузкой сжатых элементов было сделано в 1974 г. С.Т.Захаровым. В 1985 году оно было распространено в рекомендациях Харьковского Промстройпроекта. Среди работ последних лет в этой области можно назвать исследования С.В.Бондаренко, Р.С.Санжаровского, Д.О.Астафьева, А.И.Попеско, Н.М.Сняткова, А.В.Сконникова. Однако в этих работах не учитываются особенности коррозионных повреждений усиливаемых конструкций.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям. Разработана методика определения несущей способности усиленных под нагрузкой железобетонных сжатых и изгибаемых элементов с коррозионными повреждениями. Приводится алгоритм численной реализации задач на ПЭВМ.

В основу разрабатываемой методики положен подход нелинейной теории железобетона, предложенный профессором Р.С.Санжаровским. Используются также феноменологические зависимости, характеризующие работу железобетона в химически агрессивных средах, разработанные А.И.Попеско.

Рассматривается внецентренно-сжатый или изгибаемый железобетонный стержень с шарнирно-опертыми концами. В целях упрощения решения принят ряд допущений. Считается справедливой гипотеза плоских сечений. Изогнутая ось стержня с шарнирно-опертыми концами аппроксимируется синусоидой. Для определения кривизны используется приближенное выражение. Влияние коррозионной среды на бетон рассматривается как фактор изменяющий его деформативно-прочностные свойства. Между бетоном, поврежденным коррозионной средой, и нормальным бетоном, не затронутым коррозией, существует граница, положение которой определяется по формуле

цо = (кь-ху\ О)

где Кь, ш - коэффициенты агрессивности конкретной среды к определенному классу бетона; т - время действия коррозионной среды.

Зависимость между напряжениями и деформациями бетона при кратковременном сжатии принимается в виде полинома пятой степени. Для бетона, не затронутого коррозией,

= А0 • £ь + В0 + С0 • е^ + О0 • ъ'ь + С„ ■ 4, (2)

для бетона, поврежденного коррозией,

^ Ы-г (3)

где А0, В0, С0, Э0, Р0 - коэффициенты, вычисляемые по формулам В.Н.Байкова; Асг, В , С , Э , Р - коэффициенты, зависящие от времени воздействия коррозионной

сг' сг сг' сг

среды и определяемые выражениями

3-[(1 + Ьп)-Ь| +2-Ь„ -Ь,]

гс,--г-Г—-—1-. . -Ем

о„

1

0 + Ьо)

" - —'(Ь„ + Ь0 + !) ■ ^

О ~ 3 ■ Ь0 + 6 ■ Ь„ - 4 ■ Ь„)

!<>; с„ = (-ь,-2-ов-зь„) с,;

■ Е^ + 3• С„ + 4. Эсг + 5. Р„); А„ = Еы

(4)

где

Ь,=2Л„ -сьв Е ;

I Ьсг ЬНсг Ьсг'

и =

+г р

Ь„-1

Для описания процесса работы бетона при длительном нагружении принимается объединенное уравнение деформаций пластичности и ползучести Р.С.Санжаровского на базе теории старения. В дифференциальной форме это уравнение для нормального бетона имеет вид

¿(1) ЛгИО]-Па(0)]+_Д£(М_}.ф(1),

ЕДа(1),1] [ ЕДо(0),0] Ес[сг(0),0] / где ЕДа(1),1] = ЕЛа(ОМ1-у|-е-",];

Е([а(1),1]=Ек[а(1п)][1-у,-е-["'].

Для бетона, поврежденного коррозией,

ё <и1'т) , [Пдд,т)]-По(0)], Пр(О)]

Е.я[ов(1,х),1] 1 Е8ЯК(0),0] Е=сг[а(0),0]

(5)

(6) (7)

(8)

где Еср[ас,(1,т)Д] = Е,яК(1„)]-[1-у,.е-'"]; (9)

Е,,„ т), I] = Е.я [сгс1 (1„)] ■ [1 - у, - е"'" ]. (10)

Параметры линейной и нелинейной ползучести в формуле (5) определяются выражениями

<р(1) = <рЛ1-е-Ч; (11)

Па(1)] = с-[1+(р.а)2], (12)

а в формуле (8) - выражениями

<Р„« = V;!1 - = К + К К] - Ф.-[1 - е-], (13)

где т|сг - коэффициент, учитывающий влияние агрессивной среды на линейную ползучесть бетона; ади Ь0-опытные параметры, зависящие от вида агрессивной среды; К - концентрация среды.

Нелинейная функция напряжений корродирующего бетона определяется выражением

О*, О,"О

где т| , т

параметры нелинейной ползучести корродирующего бетона, 45-Ю»

= 5 + 0,07^^(1).

(14)

(15)

Связь между напряжениями и деформациями арматурной стали принимается в виде идеализированной диаграммы Прандтля. Считается, что физико-механические характеристики стальной арматуры под влиянием агрессивной среды не изменяются. Коррозия арматуры учитывается уменьшением площади ее рабочего сечения по формуле

--6Дт-т0)

(16)

где 5к(т-т0) = 50 (1 - е_,/г); (17)

с! - диаметр арматурного стержня по проекту; т0 - время до полной нейтрализации защитного слоя бетона агрессивной средой; 50, Т - опытные константы среды, зависящие от вида среды и арматурной стали.

Принимается допущение что железобетонный элемент после усиления работает как монолитное целое.

Исследование напряженно-деформированного состояния элемента осуществляется с использованием уравнений равновесия, которые при расчете на внецентренное сжатие имеют вид

= 4.

при расчете на изгиб

= м„.

(18)

(19)

В диссертации осуществлено построение модели расчета железобетонных элементов с коррозионными повреждениями, усиленных под нагрузкой боковым наращиванием в связи с увеличением эксплуатационных нагрузок. Решение проводится в два этапа. На первом этапе исследуется изменение напряженно-деформированного состояния стержня до усиления под воздействием агрессивной внешней среды и нагрузок. На рис.1 приведены схемы распределения напряже ;.,й и деформаций в сечении стержня с трещинами в растянутой зоне в зависимости от времени действия среды.

На данном этапе расчета главный вектор и главный момент в уравнениях

0

равновесия имеют вид

Р"" = Р„"" = Р1 + 2-РГ + Г; мв" = м™ = м™+2 • м™ + М"".

Члены выражений (20) записываются индивидуально для соответствующей эпюры распределения нормальных напряжений и деформаций в рассматриваемом сечении стержня.

Уравнение движения стержня при внецентренном сжатии имеет вид

РГ =

м™ = ы1,-к-(Е,-£„)+ы„-к+1<(Е,-Еп)]. (21)

Его получают дифференцированием по времени I системы уравнений равновесия (18). Система (21) с учетом уравнений ползучести (5) и (8) записывается в виде

А„ Е,+А,2

а2, Е, + А22 ¿„+А2,-оь,+... + Л2к-стсЛ =

А., • ¿1 + Ат2 •еп+- + АтГай=С,;

Л. £,+А,г- Е„+- + А(1-сг„к =С„к;

(22)

I = З...П + 2; к = п + 3...2п + 5; ш = 3...п + 2; / = т + 1...2п + 5.

Система (22) решается на ЭВМ методом Рунге-Кутга. Предельная несущая способность стержня оценивается на каждом этапе интегрирования системы (22) с одновременной проверкой критерия потери устойчивости:

5Р =0; 5М = Ы-5Г=М-ЦбЕ^ 5Е ) (23)

ВН ' ВН 4 I п' * '

и критериев прочности. За критерии прочности принимается достижение краевой деформации бетона сжатой зоны своих предельных значений или достижение растянутой арматурой предела текучести.

На втором этапе рассматривается усиленный железобетонный стержень. Значения переменных: напряжений, деформаций, прогиба для среднего сечения стержня при нагрузке, которая будет действовать на стержень в момент усиления, известны из интегрирования системы (22). Усиление элемента осуществляется под нагрузкой, равной 0,6 от разрушающей, полученной для неусиленного элемента.

В момент времени I производится усиление стержня двухсторонним наращиванием в плоскости изгиба (рис.2,а). Работы, связанные с усилением стержня, к моменту времени I' с = I + М считаются законченными. В момент времени Г стержень догружается дополнительной силой приложенной с эксцентриситетом ед .После увеличения внешней нагрузки элементы усиления начинают работать совместно с основным сечением стержня. На рис.2 приведены эпюры распределения напряжений и деформаций усиленного стержня с

коррозионными повреждениями от действия полной нагрузки: N = N + N и М =М +М .

п н д п н д

Использование гипотезы о совместности деформаций для усиленных сечений позволяет записать равенство деформаций от дополнительной нагрузки в элементах усиления и в основном сечении:

е? = ЕГ; Е^=Е>;. (24)

Для определения прогиба усиленного стержня справедлива формула

Л = /, + к-[(Е,-<)-(Е„-Е:)]- (25)

(26)

Уравнения равновесия усиленного стержня имеют вид |Р""=Ы„ + ЫЛ;

[М-= •(*„+/,)+ N„4^ + /,).

Главный вектор и главный момент в (26) определяются формулами

р,н = Рщ = Р™ +2-Р""; М"" = М™ = М2" + 2-М™. (27)

Уравнение движения усиленного стержня получают дифференцированием по времени I системы (26)

■М»=к-[ЫН+КЛ](Е,-Е„) +

+ к + *,]• (/•„ + к • [(в, - еО- (е„ - <)]). Система дифференциальных уравнений (28) записывается в форме

(28)

В,, • е, + В,г • Е„ + Ви • аы +... + В|к • о^ +... + В, • ^ = 0; В2, ■ ¿, + В22 • е„ + В2, • аы +... + В2к • аок +... + В2) • = 0; Вт| •£[ + Вт2 •£„ + ... + В^ -стЬ1 =С,;

В1|-ё1 + В11-Ё11 + ... + В,-д?,=С>а;

¡ = 3...п + 2; к = п + 3...2п + 5; j = к +1...к + п +1; т = 3...п + 2; / = т + 1...2п + 5; э = / +1.../ + п -I-1

(29)

В,1Е, + В,,Е„ + ... + В,4а

и решается на ЭВМ методом Рунге-Кутта.

В качестве критерия исчерпания несущей способностей усиленного стержня принимается условие критического состояния (23) или одно из условий прочности.

В диссертации также получены расчетные формулы для усиления под нагрузкой элемента железобетонной обоймой, выполняемого в связи с полным разрушением защитного слоя бетона и интенсивной коррозией арматуры.

В соответствии с разработанным алгоритмом составлен комплекс программ, которые реализованы на ПЭВМ.

шиш™

А> 1т I тт

Ш ^Г к- |11

II

и и и и

А'

л усг I , I тт

'¿г- & Ь„ |1 |

II

ншш

Рис. 1 Распределение напряжений и деформаций в сечении сгержн» с коррозионными повреждениями

О-«. М о»в1 2-2 о", 3"3

СТ'сг!

Рис.2. Распределение напряжений и де-формгииД в сечении стержня, усиленного двухсторонним боковым наращиванием

ш», Ф Э.усэд /с

О^сп>а стус2 / В'!

<ЗЬ2 / Сьз / чОсгТу аусз/ £2 / ЕЗ / ■¡и е*

/ Оы \/<Зсг4 /УС4

7 0*5, ус'Аз, Д у

' /

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований влияния на кратковременную прочность сжатых и изгибаемых железобетонных стержней коррозионных повреждений, развивающихся в течение 4 лет от действия жидких кислых сред, а также при усилении их под нагрузкой. Результаты испытания колонн и балок (нормальных и с коррозионными повреждениями) приведены, соответственно, в табл.1 и табл.2.

В табл.3 приведены результаты испытаний железобетонных стоек, усиленных под нагрузкой Рнач = 20 кН, приложенной с эксцентриситетом е = 7 см, и находившихся под действием коррозионной среды в течение времени т = 720 сут. Усиление осуществлялось готовыми железобетонными элементами при нагрузке, составляющей 60% от разрушающей, для образцов в возрасте 28 сут. Совместная работа колонны и элемента усиления обеспечивалась стальными соединительными элементами, болтовые стяжки которых закручивались динамометрическими ключами. Сопоставление опытных и теоретических разрушающих нагрузок стоек, усиленных одно- и двухсторонним наращиванием, приведено в табл.4.

Таблица 1

Шифр t, сут e, CM 1С кН N28-Nt ОП ОП N23 ' % NCH. кН Ni ' % Ní, кН К.-Щ %

К-1 28 7,0 42 0 53,56 -27,5 41,32 1,6

К-3 28 4,5 95 0 100,70 6,1 96,94 2,0

К-б* 1080 2,5 172 0 158,20 8,0 170,10 1,1

К-С1-12 720 4,5 85 10,5 90,93 -7,0 78,00 8,2

К-С1-13 720 7,0 40 4,6 55,82 -39,6 40,90 23

К-СИб* 1080 2,5 165 4,1 158,10 4,2 160,00 3,3

К-СИ7* 1080 4,5 70 21 100,40 -33,9 67,00 10,7

К-CUS* 1440 2,5 140 18,6 159,30 -13,8 148,00 -5,7

К-СИ9* 1440 4,5 60 36,8 102,30 -70,5 63,00 -5,0

К-С1-20* 1440 7,0 30 28,6 56,80 -89,3 36,00 -20,0

K-S-7 720 4,5 91 4,2 97,78 -7,5 95,50 -5,0

K-S-8 720 7,0 40 4,6 55,57 -38,9 41,00 -V

K-S-9* 1080 2,5 150 14,7 153,80 -2,6 149,00 0,7

K-S-10* 1080 4,5 90 5,3 96,91 -7,6 88,60 1,6

K-S-U* 1080 7,0 37 11,9 47,94 -22,8 38,00 -2,7

Шифр 1, сут Р мм4 кНм Моп"Моп мсн> кНм М', кНм Моп-МТ

М'8„ ' % % м?п ' %

Б-1 28 5,31 2,82 0 3,29 -17,0 2,80 0,6

Б-С1-7 720 5,63 2,45 13,1 3,31 -37,3 2,55 -4,1

Б-СНО* 1440 6,05 2,25 20,2 3,41 -52,1 2,30 -2,3

Б-Б-З 720 2,86 2,71 3,7 3,68 -35,7 2,70 0,5

Б-8-4* 1440 2,86 2,31 18,0 3,39 -46,9 2,30 0,4

Таблица 3

Шифр Ук > роп ГЧ' уоп •1 *р .оси » у*о л 3 кр ус* Гт J к » Рт гт •1 хр .осн > Г7 ./ хр.ус*

мм кН мм мм мм кН мм мм

Кн-1ус1 2,31 49,0 4,07 1,76 2,45 52,0 4,58 2,13

Кн-1ус2 2,49 61,0 5,38 2,89 2,55 64,0 5,55 3,00

Кст-1ус1 1,88 43,0 2,80 0,92 1,80 45,5 3,04 1,24

Кст-1ус2 1,96 56,0 3,25 1,29 1,90 58,5 3,20 1,30

Кто-1ус1 1,11 40,0 2,01 0,90 1,15 44,0 2,15 1,00

К^о-1ус2 1,26 54,0 2,83 1,57 1,36 58,0 3,02 1,66

Таблица 4

роп РТ роп _ рТ кр кр рСНиП роп ___ рСНиП кр кр

Шифр ^кр» рОП ' *кр > рОП >

кН кН % кН %

Кн-1ус1 49,0 52,0 -6,1 623 -27,1

Кн-1ус2 61,0 64,0 -4,9 87,7 -43,8

Кст -1ус1 43,0 45,5 -5,8 62,5 -45,3

КС? -1ус2 56,0 58,5 -4,5 90,8 -62,1

Кяэ-1ус1 40,0 44,0 -10,0 57,4 -43,5

К.уо-1ус2 54,0 58,0 -7,4 87,5 -62,0

В четвертой главе по результатам численного эксперимента предложена практическая методика расчета усиленных под нагрузкой железобетонных конструкций с учетом четырех категорий коррозионных повреждений. Для сжатых элементов методика основана на использовании коэффициентов продольного изгиба <рвн и длительного сопротивления шдл , являющихся функциями приведенного эксцентриситета шгЫ и условной приведенной гибкости }.:/!1:

W '

red

где еи - эксцентриситет приложения силы; /0 - расчетная длина элемента; Wr -приведенный момент сопротивления; rraj - приведенный радиус инерции сечения; А^ - приведенная площадь сечения элемента; Rb - расчетное сопротивление бетона (призменная прочность); Еь - начальный модуль упругости бетона.

Проверка фактической несущей способности сжатого элемента производится по формуле

N<T-k;\ (30)

где N - фактическая нагрузка; Т - несущая способность элемента без коррозионных повреждений (проектная), определяемая в плоскости действия момента по формулам:

при кратковременном нагружении

Т = <р,н • А^, Rb , (31)

при длительно действующей нагрузке

T = m„.<r.Atal-Rb . (32)

В диссертации приведены формулы для определения несущей способности элемента Т из плоскости действия момента и для центрального сжатия.

Для определения в (30) коэффициента снижения несущей способности сжатого элемента при наличии коррозионных повреждений к" предлагается табл.5, в которой значения коэффициента дифференцированы в зависимости от и nTreJ. Оценку рабочего сечения корродирующей арматуры (с учетом коррозионных потерь) без ее вскрытия рекомендуется осуществлять в зависимости от ширины раскрытия коррозионной трещины (трещины в плоскости арматуры) по формуле

Aiir = J[d-0,4Ad]2, (33)

где As cr - рабочая площадь сечения одного корродирующего арматурного стержня; d - начальный (проектный) диаметр стержня; Ad - приращение диаметра корродирующего стержня.

Значения Ad предлагается определять по табл.6 в зависимости от ширины раскрытия коррозионной трещины с учетом соотношения толщин защитного слоя

бетона со стороны боковой и сжатой граней сечения а( /а. В диссертации также приведены значения Ас! для аг/а , равного 1,85 и 3,1.

Усиление сжатых элементов необходимо производить при уровне загруженности

Ыи <0,6-Т-к" или Ы„50,4 Т к;% (34)

где Ыя - сила, приложенная к элементу до усиления; Т - минимальное из вычисленных значений несущей способности элемента без коррозионных повреждений в плоскости или из плоскости действия момента; 0,6 и 0,4 -коэффициенты, соответственно, для 1-Н и Ш-1У категорий.'

Проверка несущей способности усиленного элемента в плоскости действия момента осуществляется по формуле

N £ "УФ,и-Аы,с'Кь, (35)

где + + (36)

Коэффициент фв" определяется в соответствии со значениями .. (е+Л) А^ - _ /0 [r^

"red 'red V ЕЬ

где fa — прогиб элемента от действия нагрузок до усиления; е — эксцентриситет приложения силы после усиления.

Коэффициент условий работы шус при усилении элемента боковым наращиванием рекомендуется определять по табл.7. В диссертации также приведены значения шус при соотношениях Rbyc/Rb , равных 2,5 и 5,0. Для остальных способов усиления допускается принимать тус=0,8.

Проверка фактической несущей способности изгибаемого элемента до проектирования усиления выполняется по формуле

М<Тюг-к», (37)

где М - изгибающий момент от фактических нагрузок; к^ - коэффициент снижения несущей способности изгибаемого элемента при наличии коррозионных повреждений, рекомендуется определять по табл.8; Тизг - несущая способность элемента без коррозионных повреждений (проектная)

Т„ = К - Ь • Хс ■ (h0 - 0,5ХС)+ R; • A',(h0 - а')]- 1т, (38)

где высота сжатой зоны Хс определяется из формулы

R,A>-R;-A; = Rbb-xc. (39)

Кате-го-рия Признаки коррозионного повреждения конструкции ^■геа Значения к ^ при гпиа

0,1 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

I Шелушение, изменение цвета поверхности, снижение прочности бетона защитного слоя до 50% 0,5 0,851 0,842 0,841 0,840 0,849 0,858

1,0 0,851 0,839 0,837 0,834 0,842 0,850

2,0 0,864 0,829 0,837 0,844 0,851 0,858

3,0 0,824 0,815 0,839 0,862 0,879 0,896

4,0 0,765 0,804 0,845 0,885 0,886 0,886

5,0 0,744 0,809 0,851 0,892 0,893 0,893

II Коррозионное разрушение защитного слоя бетона при 100% сохранности рабочего сечения арматуры 0,5 0,875 0,882 0,903 0,923 0,936 0,949

1,0 0,874 0,895 0,915 0,934 0,940 0,946

2,0 0,884 0,901 0,929 0,956 0,959 0,962

3,0 0,873 0,935 0,969 1,000 1,000 1,000

4,0 0,874 0,929 1,000 1,000 1,000 1,000

5,0 0,864 0,966 1,000 1,000 1,000 1,000

III Разрушение защитного слоя бетона, потеря рабочего сечения корродирующей арматуры до 20% 0,5 0,809 0,809 0,826 0,843 0,840 0,837

1,0 0,811 0,895 0,871 0,847 0,842 0,836

2,0 0,812 0,824 0,839 0,854 0,856 0,858

3,0 0,815 0,852 0,867 0,881 0,884 0,887

4,0 0,823 0,855 0,896 0,937 0,923 0,908

5,0 0,812 0,870 0,935 1,000 0,958 0,916

IV Разрушение защитного слоя бетона, потеря рабочего сечення корродирующей арматуры до 50% 0,5 0,721 0,702 0,709 0,716 0,678 0,635

1,0 0,711 0,821 0,763 0,705 0,672 0,638

2,0 0,705 0,706 0,695 0,683 0,663 0,642

3,0 0,724 0,724 0,696 0,668 0,651 0,633

4,0 0,741 0,728 0,698 0,668 0,659 0,650

5,0 0,731 0,726 0,695 0,663 0,676 0,689

V Разрушение защитного слоя бетона, потеря рабочего сечения корродирующей арматуры более 50% Элемент конструкции считается крайне аварийным, подлежит замаю

а Jа Класс бетона Значения üd (мм) при d Т[Шр (мм)

0,05 0,5 1,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

1Д В12,5 0,109 0,194 0,2S9 0,479 0,858 1,237 1,616 1,995

В15 0,115 0,204 0,304 0,504 0,903 1,303 1,702 2,101

В20 0,119 0,211 0,315 0,522 0,935 1,348 1,761 2,175

В25 0,122 0,218 0,324 0,537 0,963 1,388 1,813 2,238

ВЗО 0,127 0,226 0,337 0,558 1,000 1,441 1,883 2,324

В35 0,130 0,231 0,344 0,571 1,023 1,475 1,926 2,378

В40 0,134 0,238 0,355 0,589 1,055 1,520 1,986 2,452

В50 0,135 0,241 0,358 0,594 1,064 1,534 2,004 2,474

Таблица 7

R^/Rb Значения при т^

ОД 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

0,5 0,916 0,915 0,913 0,911 0,912 0,912

1,0 0,909 0,911 0,914 0,917 орю 0,903

1,5 0,893 0,894 0,896 0,898 0,886 0,873

1,0 2,0 0,877 0,877 0,878 0,878 0,879 0,879

2,5 0,894 0,888 0,881 0,874 0,872 0,870

3,0 0,913 0,905 0,896 0,886 0,880 0,874

3,5 . 0,908 0,911 0,915 0,919 0,906 0,892

4,0 0,897 0,906 0,918 0,930 0,927 0,923

Таблица 8

Категория Признаки коррозионного повреждения железобетонного элемента Ктр

I Шелушение, шменение цзета поверхности, снижение прочности бетона защтного слоя до 50% 0,90

П Коррозионное разрушение защитного слоя бетона при 100% сохранности рабочего сечения арматуры 0,85

Ш Разрушение защитного слоя бетона, потеря рабочего сечения корродирующей арматуры до 20% 0,80

IV Разрушение защитного слоя бетона, потеря рабочего сечения корродирующей арматуры до 50% 0,70

В момент усиления изгибаемый элемент должен быть разгружен до величины М,50,6Т„ к; или Ми<0,4 Т„ к;', где М — изгибающий момент от действия нагрузок, приложенных к элементу до усиления.

Проверка несущей способности усиленного изгибаемого элемента осуществляется по формуле

М < 1яь • (Аь + Ль д • (Яьус/Яь)). (и0 -0,5■ Хс„)+ ^..(^.(Ьо-аО-^/Н^А^.^-а-аЛ^.т;, (40)

где т'^ - коэффициент условий работы усиленного изгибаемого элемента; Ь)ср -толщина наращивания в растянутой зоне.

Высота сжатой зоны в (40) определяется из выражения

Ць^.ь.)

Реализация предложенной методики показана в диссертации на примере. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют заключить следующее.

До настоящего времени еще не создан метод расчета конструкций, подвергающихся разрушению в химически агрессивных средах. Это подтверждается отсутствием в СНиП указаний по расчету таких конструкций.

Существующая нормативная методика расчета усиленных под нагрузкой железобетонных конструкций не позволяет учесть начальные напряжения и деформации до усиления и оценить действительную работу конструкции в процессе всего периода эксплуатации с учетом имеющихся дефектов и повреждений, в том числе и коррозионных.

В соответствии с задачами исследований в работе получены следующие основные результаты:

1. Разработана методика расчета параметров напряженно-деформированного состояния и несущей способности усиленных под нагрузкой стержневых железобетонных элементов с коррозионными повреждениями, позволяющая оценить проектные решения усиленных элементов с учетом их физической и геометрической нелинейности на всем диапазоне нагрузок и стадий коррозионных повреждений.

2. Для численной реализации методики разработаны алгоритм и программы расчета на ПЭВМ.

3. Получены новые опытные данные об изменении физико-механических характеристик бетона под воздействием жидких кислых сред (приводящих к коррозии бетона второго вида), а также о влиянии длительного воздействия (в течение 4 лет) жидких кислотных сред на изменение кратковременной прочности изгибаемых и внецентренно-сжатых железобетонных стержней.

4. Проведены экспериментальные исследования усиленных под нагрузкой односторонним (и двухсторонним) боковым наращиванием сжатых железобетонных элементов с повреждениями бетона защитного слоя кислотной коррозией (растворы серной и соляной кислот).

5. Выполнен сравнительный анализ экспериментальных результатов с результатами расчета по предложенной методике. Сравнение показало адекватность разработанной автором методики расчета, позволяющей получить результаты, достаточно близкие к действительным значениям.

6. Проведен численный эксперимент на ПЭВМ, по результатам которого разработана удобная в применении практическая методика оценки несущей способности усиленных под нагрузкой сжатых и изгибаемых стержневых элементов с учетом четырех категорий коррозионных повреждений бетона и стальной арматуры. Методика основана на использовании коэффициентов продольного изгиба и длительного сопротивления. Предложены таблицы для определения коэффициента снижения несущей способности сжатых и изгибаемых элементов при наличии коррозионных повреждений; для оценки остаточного рабочего сечения корродирующей арматуры по ширине раскрытия коррозионной трещины, а также для определения коэффициента условий работы при усилении под нагрузкой сжатых элементов боковым наращиванием.

Основные положения диссертации изложены в следующих статьях:

1. Постановка активного эксперимента для исследования прочностных, деформативных и защитных свойств бетона в агрессивной газовоздушной среде / Комс.-на-Амуре политехи, ин-т. - Комсомольск-на-Амуре, 1994. - 34 с. - Деп. во ВНИИНТПИ. № 11458 (в соавторстве).

2. Результаты экспериментальных исследований прочностных, деформативных и защитных свойств бетона в агрессивной газовоздушной среде / Комс.-на-Амуре гос. техн. ун-т. - Комсомольск-на-Амуре, 1995. - 13 с. - Деп. во ВНИИНТПИ. № 11565 (в соавторстве).

3. Экспериментальные исследования изменения свойств бетона в агрессивной промышленной среде // Вестник Комс.-на-Амуре гос. техн. ун-та: В 5 сб. Сб.4. Прогрессивная технология обработки материалов / Комс.-на-Амуре гос. техн. ун-т. - Комсомольск-на-Амуре, 1995. - С.90-94 (в соавторстве).

4. Экспериментальные исследования сжатых железобетонных элементов при воздействии кислых агрессивных сред // Совершенствование методов расчета и исследование новых типов железобетонных конструкций. - СПб., 1995. - С. 112117 (в соавторстве).

5. Экспериментальные исследования сжатых и изгибаемых железобетонных элементов при воздействии растворов кислот и нагрузки / СПб. госуд. архит.-строит. ун-т. - СПб., 1995. - 23 с. - Деп. во ВНИИНТПИ. 06.08.95. № 11541 (в соавторстве).

6. Экспериментально-теоретические исследования влияния агрессивных сред целлюлозно-бумажных комбинатов на свойства бетона и арматурной стали / Комс,-на-Амуре гос. техн. ун-т. - Комсомольск-на-Амуре, 1997. - 35 с. - Деп. во Всерос. ин-те науч. и техн. информ. 08.12.97. № 3576-В97 (в соавторстве).

7. Прочность и деформирование бетона в агрессивной газовоздушной среде // Технические науки: Материалы науч.-техн. конф. (Комсомольск-на-Амуре, 4-26 апреля 1996 г.): 4.1 / Комс.-на-Амуре гос. техн. ун-т. - Комсомольск-на-Амуре, 1997. - С.25-28 (в соавторстве).

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

АНЦЫГИН Олег Иванович УДК 624.075.2.012.35.046:620.193.4:69.059.3

ПРОЧНОСТЬ И УСТОЙЧИВОСТЬ УСИЛЕННЫХ ПОД НАГРУЗКОЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СТЕРЖНЕЙ С КОРРОЗИОННЫМИ ПОВРЕЖДЕНИЯМИ

Специальность 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Заслуженный деятель науки и техники РФ д.т.н., профессор P.C. Санжаровский

Санкт-Петербург - 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................... 4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ . 8

1.1. Повреждения железобетонных конструкций от внешних агрессивных воздействий окружающей среды ................................... 8

1.2. Методы расчета железобетонных конструкций с коррозионными повреждениями .................................................... 19

1.3. Способы восстановления и усиления стержневых железобетонных конструкций..................................................... 26

1.4. Методы и особенности расчета усиленных под нагрузкой стержневых

железобетонных конструкций...................................... 31

ВЫВОДЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ........................... 41

ГЛАВА 2. РАСЧЕТ УСИЛЕННЫХ ПОД НАГРУЗКОЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СТЕРЖНЕЙ С КОРРОЗИОННЫМИ ПОВРЕЖДЕНИЯМИ ........ 43

2.1. Теоретические предпосылки и общие положения расчета........... 43

2.2. Модель расчета корродирующего стержня при усилении двухсторонним наращиванием............................................... 50

2.3. Модель расчета усиленного под нагрузкой железобетонной обоймой стержня с коррозионными повреждениями........................... 69

2.4. Алгоритм реализации моделей расчета на ПЭВМ.................. 77

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, КОРРОДИРУЮЩИХ В РАСТВОРАХ КИСЛОТ И ПРИ УСИЛЕНИИ ИХ ПОД НАГРУЗКОЙ.......... 80

3.1. Цель и методика экспериментальных исследований................. 80

3.2. Результаты и теоретический анализ опытных данных влияния времени воздействия кислых сред на несущую способность железобетонных стержней....................................................... 90

3.3. Результаты и анализ испытаний усиленных под нагрузкой железобетонных стержней с коррозионными повреждениями................... 110

-к (И

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА УСИЛЕННЫХ ПОД НАГРУЗКОЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С КОРРО-

ЗИОННЫМИ ПОВРЕЖЕДЕНИЯМИ................................................................117

4.1. Алгоритм расчета сжатых стержневых элементов....................................117

4.2. Алгоритм расчета изгибаемых элементов..................................................127

4.3. Пример расчета..............................................................................................129

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................135

ЛИТЕРАТУРА................................................./#. 13р

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ................................................................................................146

ПРИЛОЖЕНИЕ 2................................................................................................161

ВВЕДЕНИЕ

Актуальным и важным вопросом является решение задач, связанных с возобновлением строительства незавершенных объектов после длительного перерыва, а также как новых, так и приостановленных работ по реконструкции существующих зданий и сооружений.

Прекращение финансирования строительства многих объектов привело к остановке на них строительно-монтажных работ. Работы по строительству были остановлены при разной степени готовности зданий или сооружений: от не дорытого котлована до полностью смонтированного здания без работающей системы отопления. В таком состоянии эти объекты находятся в течение нескольких лет. При этом, как правило, не было произведено необходимой консервации конструкций строящихся объектов. В результате конструкции недостроенных зданий и сооружений подвергаются неблагоприятным воздействиям окружающей среды (нагрев, охлаждение, увлажнение, химическая агрессивность, попеременное замораживание-оттаивание и т.п.). Конструкции, не рассчитанные на такие воздействия, получают различные повреждения. В тех же условиях оказались конструкции существующих зданий и сооружений, в которых по каким-либо причинам прекращены работы по реконструкции.

При возобновлении работ на объектах, строительство или реконструкция которых была прекращена несколько лет назад, возникает ряд сложных проблем. К одним из которых относятся вызванные неблагоприятными воздействиями окружающей среды изменения (деградация) свойств материалов и конструкций зданий и сооружений, изменение назначения объекта после перерыва в строительстве и т.д., что нередко требует проведения обследования существующих конструкций, а в ряде случаев и разработки проекта достройки или реконструкции здания или сооружения.

Практика обследований конструкций показала, что в условиях совместного действия нагрузки и агрессивных воздействий окружающей среды на конст-

рукции из бетона и железобетона увеличивается их деформативность, снижается трещиностойкость, жесткость и несущая способность. Окружающие химически агрессивные среды способны быстро проникать в бетон на глубину, превышающую толщину защитного слоя и вызывать коррозию стальной арматуры. Потеря сечения арматуры, образование ржавчины, разрушение защитного слоя, и как следствие, потеря сцепления арматуры с бетоном вызывает резкое снижение несущей способности железобетонных конструкций. Поэтому в результате обследования нередко возникает вопрос о пригодности конструкций к дальнейшей эксплуатации и необходимости увеличения их несущей способности, т.е. усиления. Для принятия оптимального решения необходимо предварительно оценить степень коррозионного износа и выявить резервы несущей способности конструкций.

Современные нормы проектирования железобетонных конструкций стран СНГ, Европы и Америки не содержат положений по расчету конструкций с учетом повреждений железобетона в химически агрессивных средах по критериям обеспечения несущей способности и эксплуатационной пригодности. Тем не менее опыт эксплуатации железобетонных конструкций промпредприятий свидетельствует о том, что одной из основных причин снижения их несущей способности является химическая коррозия. В промышленно развитых странах ущерб от коррозии оценивается в 3...5% от валового национального дохода, 13... 19% из которых приходится на долю строительных конструкций.

В настоящее время недостаточно развиты также и исследования в области усиления железобетонных конструкций, направленные на разработку общих принципов расчета усиления с учетом возраста усиливаемой конструкции, уровня ее напряженного состояния, наличия повреждений и других сведений о состоянии конструкции.

Цель работы - разработка и экспериментальное обоснование методики расчета несущей способности усиленных под нагрузкой сжатых и изгибаемых элементов с коррозионными повреждениями.

Научную новизну работы составляют:

- экспериментально обоснованная методика расчета усиленных под нагрузкой железобетонных стержней с коррозионными повреждениями в физически нелинейной постановке;

- опытные данные об особенностях деформирования, трещинообразова-ния и разрушения корродирующих железобетонных колонн и балок, а также усиленных под нагрузкой;

- результаты численного сопоставительного анализа опытных и расчетных данных по оценке деформативности, трещиностойкости и разрушения исследуемых конструкций;

- результаты численного эксперимента о влиянии ряда основных факторов нагрузки и агрессивной среды на несущую способность усиленных под нагрузкой конструкций с коррозионными повреждениями;

- практическая методика расчета усиленных под нагрузкой железобетонных стержней с коррозионными повреждениями бетона и арматуры.

Достоверность результатов обеспечивается: экспериментальным обоснованием исходных положений исследований; решением поставленных задач на основе феноменологических зависимостей с использованием общепринятых допущений строительной механики; сравнением результатов расчета с результатами вычислений по действующим нормам.

Практическое значение и реализация результатов работы.

Предложенная методика расчета усиленных под нагрузкой железобетонных стержневых конструкций с коррозионными повреждениями обеспечивает возможность рационального использования конструкций на стадии реконструкции зданий и сооружений, а также при возобновлении работ на объектах незавершенного строительства. Полученные результаты использованы при разработке проектов реконструкции зданий основных цехов АО "Амурскбум-пром" (Хабаровский край), а также при выполнении исследований в рамках научно-технической программы ГК РФ по высшему образованию "Архитектура

и строительство". Результаты работы внедрены в учебный процесс Комсомоль-ского-на-Амуре государственного технического университета.

Апробация работы. Материалы работы докладывались и получили одобрение на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГАСУ (1994-1996, 1998 гг.),

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

В первой главе анализируются существующие методы расчета железобетонных конструкций с коррозионными повреждениями, способы их восстановления и усиления, а также методы расчета железобетонных конструкций при усилении под нагрузкой. На основе анализа выполненных и известных к настоящему времени работ сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям. Разработана методика определения несущей способности усиленных под нагрузкой железобетонных сжатых и изгибаемых элементов с коррозионными повреждениями. Приводится алгоритм численной реализации задач на ПЭВМ.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований несущей способности корродирующих железобетонных колонн и балок, а также при усилении их под нагрузкой.

Четвертая глава посвящена разработке практической методике расчета усиленных под нагрузкой сжатых и изгибаемых железобетонных элементов с коррозионными повреждениями.

В заключительной части сформулированы основные результаты и выводы выполненных теоретических и экспериментальных исследований.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете на кафедре "Теоретическая механика" под руководством Заслуженного деятеля науки и техники РФ, доктора технических наук, профессора Р.С.Санжаровского, которому автор выражает свою глубокую признательность.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАИЙ.

1.1. Повреждения железобетонных конструкций от внешних агрессивных воздействий окружающей среды

Современные здания и сооружения состоят из многочисленных конструктивных элементов, эксплуатационная надежность которых от действия нагрузки обеспечивается их прочностью и устойчивостью. При неблагоприятном воздействиях окружающей среды (колебания отрицательных и положительных температур, повышенная влажность, солнечная радиация, ветер, снег, льды, песок, наличие в атмосфере агрессивных компонентов) конструкции дополнительно испытывают физические, химические и физико-химические воздействия, влияние которых на свойства железобетона может привести не только к снижению несущей способности, но и к аварийному состоянию зданий и сооружений.

С каждым годом наблюдается довольно устойчивая тенденция к повышению степени агрессивности воздействия окружающей среды, в результате повышения интенсификации производственных процессов, развития новых технологий, значительного увеличения единичных мощностей, перехода от закрытых вентилируемых отапливаемых зданий к открытым этажеркам, увеличения коэффициента застройки генпланов и др.

Преждевременное разрушение зданий и сооружений стало столь массовым явлением, что обследование их состояния превратилось в одну из форм деятельности специалистов в области строительства не только в нашей стране, но и за рубежом.

Результаты обследований [2, 38, 41, 49, 50, 42, 58] показывают, что степень повреждения конструкций зависит от многих факторов: вида и состава окружающей среды, условий контакта, от влажности и температуры среды, а

также от химических свойств вяжущего бетона, его структурной проницаемости, от конструктивных решений железобетонных элементов и в частности от вида, количества и расположения арматуры, вида и уровня напряженного состояния в бетоне и арматуре и т.д.

Воздействие попеременного замораживания и оттаивания вызывает повреждения структуры бетона, снижающие его прочность. Замораживание и оттаивание конструкции с трещинами, заполненными водой, приводит к разрушению защитного слоя бетона. Давление образовавшегося льда внутри бетона частично компенсируется соседними порами, поэтому разрушение, в первую очередь, происходит на поверхности, в углах и ребрах железобетонной конструкции.

При циклическом замораживании и оттаивании возникают повреждения, приводящие к морозной деструкции бетона и снижению его прочности в процессе эксплуатации. Основная причина разрушения бетона при циклическом замораживании и оттаивании - переход жидкости в твердое агрегатное состояние, что приводит к увеличению объема образующегося льда и возникновению растягивающих напряжений в цементном камне. Способность бетона сопротивляться разрушению при многократном замораживании и оттаивании в насыщенном водой состоянии объясняется присутствием в его структуре резервных пор [59], не заполненных вод, в которые и отжимается часть воды в процессе замораживания под действием давления растущих кристаллов льда. Разрушение бетона в насыщенном водой состоянии при многократном замораживании и оттаивании наступает после того, когда все резервные поры будут заполнены образовавшимся при замерзании льдом.

Деструктивные процессы при замораживании и постепенные разрушения разнообразны. При нагревании и охлаждении компоненты бетона - цементный камень, заполнители и вода в его порах изменяют объем в соответствии с присущими каждому материалу коэффициентами температурной деформации. Различие в этих коэффициентах может служить одной из причин появления на-

пряжений в зонах контакта материалов. Однако основной причиной разрушения бетона является давление льда, образующегося при фазовом переходе воды в лед и с увеличением объема до 9% или гидравлическое давление незамершей воды, отжимаемой льдом. На морозостойкость бетона оказывают влияние степень его водонасыщения, минералогический состав цемента, от которого зависит структура цементного камня и его порового пространства, вид и крупность зерен заполнителя, водоцементное отношение, введение пластифицирующих добавок.

Для железобетонных стержневых конструкций характерно два типичных случая замораживания бетона. К первому случаю относится разрушение бетона на горизонтальных и наклонных поверхностях железобетонных элементов, подверженных увлажнению атмосферными осадками. Накапливающаяся влага может задерживаться на бетонной поверхности и проникать внутрь. Ко второму случаю относятся вертикальные поверхности стенок и поясов при эпизодическом увлажнении атмосферными осадками и замораживании на воздухе.

Агрессивные природные и технологические воздействия вызывают коррозионные повреждения бетона и арматуры.

В зависимости от характера коррозионных процессов в бетоне различают три основных вида его химической коррозии [38]. Коррозия бетона первого вида обусловлена растворимостью отдельных компонентов цементного камня. Вызывается воздействием внешней водной среды с малой временной жесткостью и сопровождается выносом растворимых компонентов цементного камня.

Внешним признаком процесса коррозии первого вида является образование белых потеков и налетов на поверхности бетонных и железобетонных конструкций. Наблюдается при омывании конструкций мягкими водами или фильтрации воды через бетон. Примером могут служить конструкции гидротехнических сооружений, стены шлюзов, бетонные трубы и лотки для отвода поверхностных вод, туннельные обделки, ригеля и стойки вентиляторных градирен и др.

Коррозия бетона второго вида объединяет все процессы взаимодействия бетона с внешней средой, содержащей химические вещества, которые, вступая в обменные реакции с составными частями цементного камня образуют рыхлые продукты коррозии бетона, слой которых со временем увеличивается. Характерна четкая граница между разрушенным и незатронутым коррозией бетоном. К этому виду относят коррозию бетона при его взаимодействии с растворами органических и неорганических кислот, магнезиальные и хлористые соли, фенолы, формальдегиды и др. Со значительной концентрацией кислот можно встретиться в производственных и сточных водах заводов, а также в грунтовых вода�