автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Влияние полиэтиленового покрытия и неупругих свойств бетона на трещинообразование и перераспределение усилий в напорных железобетонных трубах

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Конструктивные решения напорных железобетонных труб. . . II

1.2. Условия статической работы

1.3. Обзор экспериментальных исследований •

1.4. Существующий метод расчета напорных железобетонных труб с водонепроницаемым экраном

1.4.1. Основные расчетные положения

1.4.2. Расчет по прочности

1.4.3. Расчет ширины раскрытия трещин •

1.4.4. Депланация поверхности бетона в трещине при растяжении

1.5. Задачи исследования

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВНУТРЕННИХ УСИЛИЙ В НАПОРНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ТРУБАХ С ПОЛИЭТИЛЕНОВЫМ ПОКРЫТИЕМ С УЧЕТОМ НЕУПРУГОЙ РАБОТЫ БЕТОНА И НАЛИЧИЕМ ТРЕЩИН

2.1. Конструктивные особенности

2.2. Основные расчетные предпосылки.

2.3. Влияние полиэтиленового покрытия трубы на внутренние усилия в кольце и характер трещинообразования при действии внутреннего гидростатического давления

2.3.1. Влияние полиэтиленового покрытия трубы на работу кольца в упругой и упруго-пластической стадии.

2.3.2. Влияние продольной арматуры на характер трещинообразования.

2.4. Определение продольных усилий» изгибающих моментов и радиальных перемещений в сечении трубы.

2.4.1. Определение жесткости продольного сечения стенки трубы.

2*4.2. Определение изгибающих моментов и радиальных перемещений стенки трубы с учетом образования трещин при действии двух равных вертикальных сосредоточенных сил. Выбор расчетной охемы.

2.4.3. Определение изгибающих моментов и нормальных усилий в кольце при действии распределенной вертикальной нагрузки

2.4.4. Определение изгибающих моментов и нормальных усилий при действии распределенной горизонтальной нагрузки

2.4.5. Определение изгибающих моментов и нормальных усилий от опорной реакции трубопровода на грунтовом основании.

2.4.6. Определение изгибающих моментов и нормальных усилий при действии веса жидкости и внешнего гидростатического давления.

Выводы по главе 2.

3. ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ НА ШИРИНУ РАСКРЫТИЯ

ТРЕЩИН В ТРУБАХ С ПОЛИЭТИЛЕНОВЫМ ПОКРЫТИЕМ

3.1. Определение ширины раскрытия трещин при действии внутреннего гидростатического давления.

3.2. Влияние внешней нагрузки на ширину раскрытия трещин

3.3. Влияние конструктивных факторов на ширину раскрытия трещин.

Выводы по главе 3.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ТРУБ С ПОЛИЭТИЛЕНОВЫМ ПОКРЫТИЕМ

4.1. Программа и методика испытания труб.

4.1.1. Подготовка и проведение испытаний труб внутренним гидростатическим давлением

4.1.2. Подготовка и проведение испытаний при. действии вертикальной сосредоточенной нагрузки.*.

4.1.3. Подготовка и проведение испытаний на действие комбинированных нагрузок

4.2. Результаты испытания труб внутренним гидро, . статическим давлением.

4.3. Исследование труб при действии вертикальной сосредоточенной нагрузки

4.4. Влияние.различных комбинаций нагрузок на деформативность трубы и ширину раскрытия трещин.

Выводы по главе 4.

5. ОБЛАСТЬ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ НАПОРНЫХ

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ТРУБ С ПОЛИЭТИЛЕНОВЫМ ПОКРЫТИЕМ, ОПЫТ ВНЕДРЕНИЯ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА

5.1. Технология производства труб.

5.2. Область и условия применения.

5.3. Опыт внедрения и технико-экономические преимущества

5.3.1. Опыт внедрения.

5.3.2. Определение экономического эффекта применения железобетонных труб с полиэтиленовым покрытием диаметром 600 мм

Выводы по главе 5.

Актуальность темы. Программой капитального строительства в нашей стране предусмотрен огромный размах промышленного, жилищного и сельскохозяйственного строительства. Это ведет к значительному росту потребности в трубах для укладки водопроводных и канализационных сетей различного назначения, особенно для транспортировки агрессивных продуктов и стоков промышленного и сельскохозяйственного характера.

Высокоэффективным заменителем труб из традиционных материалов (стальные, железобетонные) для транспортировки агрессивных сред являются напорные железобетонные трубы с внутренним полиэтиленовым покрытием, разработанные в Донецком Промстройншшроекте.

Применение полиэтиленового покрытия увеличивает орок службы трубопроводов, снижает трение на 25-35 % по сравнению с железобетонными, гидравлические характеристики со временем не изменяются т.к. трубы не зарастают под воздействием биологических и коррозионных отложений, не происходит разрушение поверхностного слоя бетона. Благодаря гидравлическим характеристикам полиэтилена можно применять трубы меньшего диаметра по сравнению с металлическими и железобетонными с сохранением одинаковой пропускной способности.

В 1972 году ЦК КПСС и Совет Министров СССР приняли постановление № 898 от 29.12.1972 г. об освоении производства железобетонных труб с полиэтиленовым покрытием на Енакиевском заводе напорных железобетонных труб, для чего был построен экспериментальный цех. В 1980 году принято постановление Советом Министров СССР № 850 от 30.09.1980 г. о продаже лицензии на трубы и технологию их изготовления.

В 1973-74 г.г. на Енакиевском заводе была изготовлена и испытана опытная партия труб с полиэтиленовым покрытием.Гидравли- • четкие испытания труб показали;1 что ширина трещин в значительной степени отличается о® расчетных значений.

Таким образом, разработанный ранее в институте метод расчета оказался неприемлемым;

Для разработки метода расчета труб данного типа в Донецком Промстройниипроекте в 1977-1982 г.г* были проведены исследования железобетонных труб с полиэтиленовым покрытием диаметром 600 мм с учетом схемы нагружения конструкции, влияния на внутренние усилия процесса трещинообразования, изменения жесткости конструкции и полиэтиленового покрытия» которое разрезает продольными анкерными ребрами внутренний слой бетона трубы.

Таким образом, актуальность темы связана с необходимостью разработки метода расчета напорных железобетонных труб с внутренним полиэтиленовым покрытием, с учетом трещинообразования, неупругих свойстви бетона, изменения жескости и влияния этих факторов на перераспределение усилий в конструкции.

Работа выполнена в соответствии с планом научногисследовательских работ Донецкого Промстройниипроекта 1977-1982 г, г;

Цель диссертационной работы:

-разработка методики определения внутренних усилий в сечениях напорных железобетонных труб с полиэтиленовым покрытием с учетом неупругой работы бетона и наличием трещин при различных схемах нагружения;

- определение переменной жесткости-сечения трубы в различных зонах расположения полиэтиленовых ребер внутреннего покрытия и трещин;

• анализ влияния количества и расположения трещин, образовавшихся при действии внутреннего давления (при опрессбвке труб) на жесткость сечений и перераспределение внутренних усилий;

- предложения по расчету ширины раскрытия трещин на различном расстоянии от поверхности трубы с учетом депланации продольных сечений;

- экспериментальная проверка расчетных предпосылок и разработанных рекомендаций по определению внутренних усилий и ширины раскрытия трещин с учетом нелинейной работы бетона» влияния полиэтиленового покрытия и трещин;

- установление влияния основных факторов (прочность бетона» высота анкерных ребер полиэтиленового покрытия и толщины стенки трубы) для выбора оптимального варианта конструкции при различных условиях работы трубы;

- установление области рационального применения напорных железобетонных труб с полиэтиленовым покрытием и их технико-экономической эффективности.

Автор защищает:

- метод расчета внутренних усилий с учетом неупругой работы бетона и" наличием трещин, определенным последовательностью натру же ния труб; .

- учет влияния анкерных ребер полиэтиленового покрытия и трещин на изменение жесткости в различных зонах продольного сечения трубы;

- результаты анализа влияния количества ж расположения начальных трещин» образовавшихся при опрессовке труб, на жесткость продольных сечений и перераспределение внутренних усилий при различных схемах нагружения;

- предложения по расчету ширины раскрытия трещин на различном расстоянии от поверхности трубы с учетом дешганации продольных сечений и деформации железобетонного кольца при действии внешних и внутренних нагрузок;

- результаты экспериментальной проверки расчетных предпосылок и разработанных рекомендаций по определению внутренних усилий и ширины раскрытия трещин с учётом нелинейной работы бетона, влияния полиэтиленового покрытия и трещин»

- выбор оптимального варианта конструкции с учетом влияния основных факторов (прочность бетона, высота анкерных ребер полиэтиленового покрытия и толщина трубы);

- область рационального применения напорных железобетонных труб с полиэтиленовым покрытием, их технико-экономическую эффективность;

- практические рекомендации по расчету напорных железобетонных труб с полиэтиленовым покрытием.

Научная новизна работы:

- дан анализ расположения трещин в продольном сечении в железобетонных трубах с полиэтиленовым покрытием, образуемых при опрессовке труб, т.е. при действии внутреннего гидростатического давления, определено, что при последующем приложении внешних нагрузок новые трещины не образуются;

- установлен характер изменения жесткости в различных сечениях трубы с учетом влияния анкерных ребер полиэтиленового покрытия, нелинейной работы бетона и трещин; предложен метод определения жесткостей сечений;

- определено перераспределение внутренних усилий в железобетонных трубах с полиэтиленовым покрытием с учетом установленного характера изменения жесткости при различных кратковременных и длительно действующих нагрузках;

- разработана методика расчета ширины раскрытия трещин на различном расстоянии от поверхности трубы с учетом перераспределения внутренних усилий, депланации бетона в трещине при действии внешних нагрузок;

- получены экспериментальные данные о характере трещинооб* разования, деформативности и ширине раскрытия трещин с учетом влияния анкерных ребер полиэтиленового покрытия при различных схемах нагружения, которые подтвердили правильность расчетных предпосылок;

- определены границы рационального использования напорных труб с полиэтиленовым покрытием.

Практическое значение и внедрение результатов работы:'

Учет влияния полиэтиленового покрытия, нелинейной работы бетона, трещинообразования, перераспределения усилий в сечении трубы с учетом изменения жесткости позволяет сделать данную конструкцию более экономичной, повысить ее надежность.

Результаты экспериментально-теоретических исследований использованы при разработке технических решений конструкции напорных железобетонных труб диаметром 4.2 м с внутренним полиэтиленовым покрытием для технического проекта второй очереди орошения и освоения Джизакской степи (Узбекская ССР), при составлении "Рекомендаций по расчету и проектированию железобетгонных труб с внутренним полиэтиленовым покрытием", опубликованных Донецким Промстройниипроектом в 1982 г.

Железобетонные трубы с полиэтиленовым покрытием диаметром 600 мм были использованы на Архангельском целлюлозно-бумажном комбинате, Костантиновском химзаводе, совхозе "Бешевский" и других промышленных и сельскохозяйственных объектах.

Всего изготовлено и уложено более 2000 труб диаметром 600 мм, позволило получить экономический эффекта в среднем 23 тыс. руб. на I км. трубопровода. .

Апробация работы и публикации! Основные положения диссертации опубликованы в пяти статьях и рекомендациях по расчету труб.

Материалы диссертации доложены на УН научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Макеевского инженерно-строительного института (1978г.), ученом совете Донецкого Промстройниипроекта (1978,1981,1983 гг.), научно-технических конференциях Донецкого Промстройниипроекта (1978-1981 гг.).

Объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Она содержит 182 страницы, 26 таблиц, 54 рисунка.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Напорные железобетонные трубы с ненапрягаемой арматурой и внутренним полиэтиленовым покрытием, анкерные ребра которого нарушают сплошность поверхностного слоя бетона, рекомендуется рассчитывать с учетом ступенчато переменной жесткости, отражающей неупругую работу бетона, процесс трещинообразования и ослабления сечения анкерными ребрами.

2. Определение внутренних усилий в трубе с учетом указанных особенностей производится с помощью шагово-итерационного расчета в соответствии с разработанной блок-схемой.

3. Анализ влияния расположения трещин на перераспределение усилий показал, что максимальные значения моментов в горизонтальном сечении имеют место при образовании радиальных трещин с шагом, соответствующим центральному углу 45°.

При расчете труб расположение трещин можно принять в соответствии с размещением продольной арматуры, так как последние являются концентраторами напряжений.

4. Установлен характер трещинообразования в железобетонных напорных трубах с полиэтиленовым покрытием при действии внутреннего давления (первый этап нагружения). Первые трещины образуются в зоне горизонтального диаметра в месте сборки полуформ, а последующие - в других продольных сечениях с шагом, зависящим от уровня нагрузки.

5. Продольные трещины, ребра полиэтиленового покрытия, нелинейная работа бетона снижают жесткость конструкции в зависимости от действующих внешних нагрузок в 2-8 раз по сравнению с упругим расчетом.

Предложен метод расчета жесткости продольного сечения с учетом этих факторов. Сопоставление результатов расчета по предложенной методике с экспериментальными данными показало их достаточно хорошее приближение. Так для радиальных перемещений отклонения в среднем составили 3

6. Характер распределения и величины внутренних усилий в железобетонном кольце с учетом изменения жесткости отличаются от упругого расчета. Значения внутренних усилий в расчетном горизонтальном сечении снижаются на 10-50 %. При расчете внутренних усилий в трубах с учетом трещинообразования и переменной жесткости не применим принцип независимости действия сил.

7. При действии внутреннего гидростатического давления ребра полиэтиленового покрытия, нарушающие сплошность материала, способствуют увеличению ширины раскрытия трещин. При её определении на уровне арматуры, расположенной по оси сечения, в формулу норм следует ввести коэффициент = 1,4.

8. Вследствие депланации бетона в трещине при действии внутреннего давления и деформации железобетонного кольца при действии внешних нагрузок ширина раскрытия трещин на наружной поверхности, контролируемая при заводских и полевых испытаниях, более чем в 2 раза превышает ширину трещин на уровне арматуры.

9. Разработана методика расчета ширины раскрытия трещин с учетом влияния разрезки бетона ребрами полиэтиленового покрытия, депланации берегов трещины и дополнительного раскрытия трещин при деформации железобетонного кольца.

В качестве расчетного следует принимать сечение на уровне горизонтального диаметра, где на наружной поверхности бетона растягивающие усилия от внешних и внутренних нагрузок суммируются.

10. Экспериментальные исследования железобетонных труб с внутренним полиэтиленовым покрытием диаметром 600 мм на действие внешней нагрузки и внутреннего давления при различном их соотношении и последовательности действия позволили установить влияние указанных факторов на ширину раскрытия трещин на уровне арматуры и наружной поверхности трубы; трещинообразование; снижение жесткости и радиальные перемещения.

11. При длительно действующих нагрузках вследствие дальнейшего перераспределения усилий в расчетном горизонтальном сечении последние снижаются, что приводит к уменьшению прироста ширины раскрытия трещин. При их расчетном определении следует использовать измененные значения напряжений.

12. Напорные железобетонные трубы с внутренним покрытием наиболее рационально использовать при транспортировке химически агрессивной жидкости. Технико-экономическая эффективность в среднем составляет 23 тыс.руб. на I км трубопровода диаметром 600 мм по сравнению с виброгидропрессованными.

13. Эксплуатация труб на Архангельском целлюлозно-бумажном комбинате и Константиновском химзаводе с 1977 года по настоящее время показала высокую их надежность, в то время как железобетонные трубы без облицовки выходили из строя в течение года.