автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Разработка, обоснование и внедрение способа усиления железобетонных строительных конструкций гидротехнических сооружений брусковыми преднапряженными элементами

<7 /

Российское акционерное общество энергетики и электрификации «ЕЭС России» ОАО «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений»

На правах рукописи

ИЛЬИН Юрий Алексеевич

УДК 62.1.311 + 624.012.36 620.168.3

РАЗРАБОТКА, ОБОСНОВАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ СПОСОБА УСИЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ БРУСКОВЫМИ ПРЕД НА ПРЯЖЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

05.23.07 "Гидротехническое и мелиоративное строительство"

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, с.н.с. Михайлов О.В.

МОСКВА - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение .......................................................................................................................................5

ГЛАВА1 СБОРНО-МОНОЛИТНЫЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ

КОНСТРУКЦИИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ, АРМИРОВАННЫЕ СБОРНЫМИ ПРЕДНАПРЯЖЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ 10

1.1. Особенности применения предварительно напряженных конструкций для гидротехнического строительства........................... 10

1.2. Обзор и анализ литературных материалов по сборно-монолитным конструкциям гидротехнических сооружений, армированным предварительно напряженными элементами............................. 12

1.3. Способы усиления железобетонных конструкций гидротехнических сооружений преднапряженной арматурой........................ 25

1.4. Стыковые соединения преднапряженных элементов в сборно-монолитных железобетонных конструкциях............................ 33

1.5. Выводы по главе 1............................................................. 42

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА СПОСОБА УСИЛЕНИЯ И ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ, УСИЛЕННЫХ ПРЕДНАПРЯЖЕННЫМИ БРУСКОВЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ.............................................................................. 43

2.1. Разработка способа усиления железобетонных конструкций гидросооружений сборными предналряжёнными элементами. Цель и задачи исследований.......................................................... 43

2.2. Конструкция предварительно напряженных брусковых элементов и технология их изготовления............................................................................................47

2.3. Обоснование способа усиления конструкций гидросооружений предналряжёнными брусковыми элементами...............................57

2.3.1. Конструкция железобетонных моделей, имитирующих работу усиленного натурного сооружения с трещиной.. 57

2.3.2. Схема расположения приборов и методика проведения экспериментальных исследований........................... 60

2.3.3. Результаты экспериментальных исследований моделей на действие кратковременной нагрузки............. 67

2.3.4. Особенности восприятия внешней нагрузки материалами железобетонной конструкции, усиленной арматурой и преднапряженными элементами..................... 71

-J-

2.4. Выводы по главе 2..........................................................................................................................92

ГЛАВА 3 НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ СТЕН КАМЕРЫ ШЛЮЗА, УСИЛЕННЫХ ПРЕДНАПРЯЖЕННЫМИ БРУСКОВЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ.....................................................................................................................90

3.1. Конструкция камеры шлюза № 1 «Канала им. Москвы». Состояние стенок секций камеры и проводимые на шлюзе мероприятия по их усилению................................ ....................................................95

3.2. Разработка конструкции составных арматурных элементов с пред-напряженными брусками, их изготовление и технология установки

в стенки шлюза...........................................................................................................100

3.3. Расчетное обоснование конструкции стенки шлюза, усиленной состав ыми армоэлементами, с учетом характера трещинообразования конструкции..................................................................................107

3.4. Экспериментальное обоснование конструкций стен шлюза, уси-

■ ленных составными армоэлементами..........................................................................112

3.4.1. Схема расположения контрольно-измерительных приборов в секциях, усиленных составными армоэлементами.......................... ........................................................................112

3.4.2. Результаты натурных исследований стен камеры шлюза, усиленных составными армоэлементами............... 115

3.4.3. Сопоставление данных о состоянии стен камеры шлюза, усиленных различными способами......................133

3.5. Технико-экономические показатели результатов внедрения способа усиления на сооружениях "Канала имени Москвы"........................134

3.6. Выводы по главе 3........................................................................................................................135

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ, АРМИРОВАННЫХ ПРЕДНАПРЯЖЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ НА СБОРНО-МОНОЛИТНЫХ ФРАГМЕНТАХ СО СТЫКОВЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ ПРИ ДЕЙСТВИИ КРАТКОВРЕМЕННЫХ И МНОГОКРАТНО-ПОВТОРЯЮЩИХСЯ НАГРУЗОК................................................137

4.1. Цель и задачи проводимых исследований............................................................137

4.2. Разработка конструкции сборно-монолитных фрагментов стыковых соединений преднапряженных элементов..................................................140

4.3. Экспериментальное обоснование стыкового соединения сборных преднапряженных элементов..............................................................................................148

4.3.1. Схема расположения приборов и методика экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния фрагментов.............. .................. 148

4.3.2. Результаты экспериментальных исследований фрагментов стыкового соединения на кратковременное и многократно -повторяющееся воздействие нагрузок ... 153

4.3.3. Жесткость и трещиностойкость стыкового соединения преднапряжённых элементов в сборно-монолитной конструкции...................... ................................ 160

4.4. Технико-экономические показатели результатов внедрения пред-напряженных армопанелей в проекте сооружений Средне-Енисейской ГЭС............................................................... 175

4.5. Выводы по главе 4........................................................... 177

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................. 179

ЛИТЕРАТУРА................................................................. 182

-о-

ВВЕДЕНИЕ

Решение вопросов, связанных со строительством, эксплуатацией, ремонтом и реконструкцией энергетических ( в том числе гидротехнических) сооружений в нашей стране и за рубежом, имеет огромное народнохозяйственное значение.

В настоящее время при некотором снижении масштабов строительства энергетических объектов на первое место выдвигаются задачи по повышению надежности и безопасности действующих сооружений, в том числе, связанные с усилением, ремонтом и реконструкцией основных сооружений, утративших частично или полностью по различным причинам свои эксплуатационные свойства.

В то же время не теряют своей актуальности вопросы индустриализации строительных работ, снижения материалоемкости, экономии средств и сокращения сроков этих работ.

Одним из путей решения поставленных задач является применение более эффективных высокопрочных материалов, совершенствование и разработка новых оригинальных способов производства строительных работ, совершенствование и разработка новых видов конструкций, отличающихся высокой надежностью и безопасностью.

В строительстве промышленных, гражданских, сельскохозяйственных и других объектов уже давно нашли широкое применение предварительно-напряженные, в том числе сборно-монолитные железобетонные конструкции, которые имеют целый ряд существенных преимуществ перед конструкциями, изготовленными- с применением обычной ненапрягаемой арматуры.

В гидротехническом (энергетическом) строительстве применение преднапря-женных конструкций было ограничено, в основном, по причинам, связанным с особенностями проектирования и возведения массивных гидросооружений.

В настоящее время сложились более благоприятные условия для применения предварительно-напряженного железобетона при строительстве, ремонте и усилении гидросооружений.

Как отмечалось выше, значительный объем действующих сооружений нуждается в усилении, ремонте и реконструкции, в том числе в установке дополнительной арматуры для повышения прочности и трещиностойкости. Целесообразно применение в таких случаях предварительно-напряженных элементов заводского изготовления.

Для решения вопросов соединения сборно-монолитных конструкций ( в том числе армоопалубочных ребристых панелей), а также и объединения для совместной работы преднапряженных элементов, установленных в монолитном бетоне, необходима надежная конструкция стыкового соединения, удовлетворяющая требованиям по равнопрочности и трещиностойкости.

Исходя из вышеизложенного, целями диссертационной работы являются разработка, расчетно-теоретическое и экспериментальное обоснование и внедрение способа усиления конструкций гидросооружений преднапряженными брусковыми элементами, а также разработка и обоснование стыкового соединения преднапряженных элементов.

Для достижения целей диссертационной работы были выполнены экспериментальные (лабораторные и натурные) и расчетно-теоретические исследования, направленные на решение следующих задач:

- экспериментальное и расчетно-теоретическое обоснование разработанного способа усиления гидросооружений преднапряженными элементами;

- исследование характера распределения усилий между составляющими усиленную конструкцию элементами при их совместной работе по восприятию внешних нагрузок и воздействий;

- расчетные исследования напряженно-деформированного состояния стен камер шлюзов, усиленных преднапряженными элементами;

- натурные исследования состояния стен камер шлюзов канала им.Москвы после их усиления преднапряженными элементами;

- экспериментальное и расчетное обоснование разработанной конструкции стыкового соединения преднапряженных элементов;

- уточнение расчетных зависимостей для определения длины участка заанкери-вания преднапряженных элементов в монолитном бетоне;

- совершенствование методики расчета стыковых соединений преднапряженных элементов;

- разработка и обоснование способа усиления стен камер шлюзов брусковыми преднапряженными элементами;

- экспериментальные исследования работы стыковых соединений преднапряженных элементов в сборно-монолитных конструкциях при действии многократно повторяющихся нагрузок.

Научную новизну работы составляют:

- разработанный способ усиления гидросооружений преднапряженными брусковыми элементами;

- результаты экспериментальных исследований железобетонных конструкций, усиленных преднапряженными брусковыми элементами;

- результаты натурных наблюдений за напряженно-деформированным состоянием стен камер шлюзов канала им.Москвы;

- разработанная конструкция стыковых соединений преднапряженных элементов;

- полученные уточненные зависимости для расчета длины участка заделки преднапряженных элементов в зоне их стыкового соединения;

- результаты экспериментальных исследований стыкового соединения преднапряженных элементов при действии многократно повторяющейся нагрузки;

- методика расчета стыковых соединений преднапряженных элементов.

Практическая ценность работы заключается в применении разработанного способа усиления основных несущих конструкций гидросооружений для восстановления утраченных эксплуатационных свойств в целях повышения безопасности и надежности, а также в практическом применении разработанной конструкции стыкового соединения преднапряженных элементов при возведении или реконструкции энергетических сооружений.

Результаты выполненных исследований были использованы при усилении и ремонте стен камер шлюза № 1 канала им.Москвы, при проектировании преднапряженных конструкций наплавных блок-модулей здания ГЭС, применительно к сооружениям Зейского каскада электростанций.

Внедрение результатов работы позволило получить фактический экономический эффект в размере 404733 рубля (в ценах 1989 г.) за счет экономии строительных материалов (арматуры и бетона) и применении более эффективных высокопрочных материалов при ремонте и усилении стен камер шлюза № 1 канала им.Москвы.

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в расчетно-теоретических и экспериментальных исследованиях предложенного способа усиления гидротехнических сооружений, в изготовлении и оснащении приборами преднапряженных элементов и установке их в секции шлюза № 1 канала им.Москвы, в оснащении приборами стенок экспериментальных секций камеры шлюза и многолетних наблюдениях за их напряженно-деформированным состоянием.

а-

Автором разработана конструкция армопанели и стыкового соединения предна-пряженных элементов для сборно-монолитных конструкций гидротехнических сооружений, проведены его испытания на действие кратковременной и многократно-повторяющейся нагрузки и уточнена зависимость между длиной заанкерирования элементов в омоноличивающей бетоне и влияющими на нее факторами.

Апробация работы. Способ усиления гидротехнических сооружений защищен авторским свидетельством № 1535916.

Результаты работы докладывались на ХУШ Всесоюзной молодежной научно-технической конференции института "Гидропроект" в 1991 году, на научно-технических советах отдела исследований железобетонных конструкций и на технических совещаниях в Управлении канала им.Москвы, на секции научно-технического совета АО "НИИЭС" в 1999 году. Основные выводы работы изложены в 5 публикациях.

На защиту выносятся:

- обоснование необходимости совершенствования способов усиления конструкций гидросооружений и конструкций стыковых соединений преднапряженных элементов;

- разработанный способ усиления конструкций гидросооружений преднапря-женными брусковыми элементами;

- результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций, усиленных преднапряженными брусковыми элементами;

- результаты натурных исследований напряженно-деформированного состояния конструкций стен камер шлюза № 1 канала им.Москвы, усиленных преднапряженными брусковыми элементами;

- разработанная конструкция стыкового соединения сборных преднапряженных элементов;

- уточненные зависимости для определения длины участка заделки преднапряженных брусковых элементов в зоне стыкового соединения;

- методика расчета стыковых соединений преднапряженных элементов;

- результаты исследований работы стыкового соединения преднапряженных элементов в сборно-монолитных конструкциях при действии многократно повторяющейся нагрузки;

- результаты внедрения работы и технико-экономическая эффективность. Работа выполнена в отделе исследований сооружений и конструкций ОАО "Научно-исследовательский институт энергетических сооружений" РАО "ЕЭС России" под руководством к.т.н.,с.н.с. Михайлова Олега Викторовича.

ГЛАВА 1. СБОРНО-МОНОЛИТНЫЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ, АРМИРОВАННЫЕ СБОРНЫМИ ПР ЕДН А ПРЯЖЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ.

1.1 Особенности применения предварительно напряженных конструкций для гидротехнического строительства.

В современном строительстве нашли широкое распространение предварительно напряженные конструкции, которые позволяют эффективно использовать высокие марки бетона и стали и, вследствие этого, получить существенную экономию в материалах и стоимости; значительно уменьшить собственный вес сооружения и сократить его размеры; увеличить жесткость сооружения и повысить его надежность; повысить долговечность конструкций и сооружения в целом.

Однако, несмотря на все эти преимущества, преднапряженные конструкции до сего времени не заняли должного места в гидротехническом строительстве. Это в значительной мере объясняется высокой ответственностью гидротехнических сооружений, условия эксплуатации которых существенно отличаются от других инженерных сооружений тем, что водная среда их расположения является одновременно и основной нагрузкой на них. Вода создает: горизонтальные, вертикальные(взвепшвающие) и фильтрационные длительные нагрузки, а также динамические и вибрационные воздействия, возникающие при движении воды с большими скоростями. Одновременно вода, лед, попеременное оттаивание и замерзание воды, фильтрация воды, активно влияют на бетон и арматуру, подвергая их коррозии и разрушению.

К этим особенностям гидротехнических сооружений добавляются общие недостатки используемых методов создания предварительного напряжения, которые тормозят их применение в гидростроительстве, а именно:

- предварительное напряжение создается в малоприспособленных условиях на месте строительства сооружения;

- в процессе натяжения арматуры и создания преднапряжения в сооружении выполняются сложные операции (устройство полостей, каналов, скважин ; закладка в них арматурных пучков и закрепление концевых участков ; установка домкратов; поочередное натяжение арматурных пучков и их анкеровка; нагнетание раствора в полости и т.д.);'

- зона конструкции к которой прикладывается сосредоточенная сила предварительного напряжения, должна быть усилена, чтобы избежать местного разрушения и скола бетона;

- бетон омоноли