Разработка методики расчета напряженного состояния в горизонтальных сечениях гидротехнических подпорных стен уголкового типа

Полный текст

Введение 1 Подпорные стены являются неотъемлемыми составляющими гидроузлов. Они предназначены для удерживания от обрушения и сползания находящихся за ними массивов грунта. Наиболее распространены подпорные стены уголкового типа [1-6]. Подпорные стены имеют горизонтальную фундаментную плиту с лицевой и более протяженной тыловой консолями; вертикальную консольную часть. К конструктивным особенностям подпорных стен следует отнести значительные размеры (такие как высота вертикальной консоли стены, вылеты лицевой и тыловой консолей фундаментной плиты, размеры в корневом сечении и толщина фундаментной плиты, достигающие нескольких метров); бетон невысокой марки (М100-М250); арматуру большого диаметра (до 60 мм) классов А-II, А-III; невысокое содержание арматуры (как правило, менее одного процента); обязательное наличие горизонтальных межблочных швов, разделяющих горизонтальные блоки бетонирования при поэтапном возведении и др. Со стороны тыловой грани, как правило, имеющей наклон, подпорные стены засыпаются грунтом, создающим основные нагрузки на конструкцию. Ввиду вышесказанного вертикальные консольные части подпорных стен работают в условиях внецентренного сжатия. Вертикальная нагрузка создается собственным весом железобетона конструкции, весом грунта засыпки и грунтовых вод. Горизонтальная нагрузка создается боковым давлением грунта засыпки и грунтовых вод в засыпке. Следует отметить, что большинство подпорных стен проектировалось и строилось до 2000-х годов (в основном в 1960-1970-х годах). В указанный период времени не учитывались некоторые характерные особенности работы подпорных стен, которые обусловлены их конструктивными особенностями (в первую очередь наличием горизонтальных межблочных швов). Нормативные документы, которые действовали в период проектирования и строительства большинства подпорных стен [17-19], не учитывали всех особенностей их работы, вследствие чего при эксплуатации многих подпорных стен возникли отклонения от проектных предпосылок. 1. Обсуждение Указанные выше отклонения от проектного поведения выражались в основном в смещениях верха консолей, ширине раскрытия горизонтальных межблочных швов, высоких сжимающих и растягивающих напряжениях в вертикальной арматуре у лицевой и тыловой граней, которые превышали проектные значения. В отдельных случаях происходило разрушение подпорных стен [7-10], в том числе левых стен первого яруса водоприемника строящейся Загорской ГАЭС [7-9]. Как уже было отмечено, основной причиной непроектного поведения подпорных стен явился неполный учет наличия межблочных горизонтальных строительных швов, характера трещинообразования, а также недостаточное поперечное горизонтальное армирование [11; 12; 20; 21]. Особый характер трещинообразования, выражающийся в образовании наклонных трещин, выходящих из раскрывшихся горизонтальных межблочных швов, представлен на рис. 1. Рис. 1. Фактическая схема трещинообразования в зоне горизонтального межблочного шва: 1 - горизонтальный межблочный шов; 2 - раскрытие шва; 3 - наклонная трещина; 4 - рабочая арматура; 5 - деформация арматуры в раскрытом шве [Figure 1. The actual scheme of cracking in the zone of horizontal interlock seam: 1 - horizontal interlock seam; 2 - opening of the seam; 3 - inclined crack; 4 - working reinforcement; 5 - deformation of the reinforcement in the open seam] Следует отметить, что большинство проведенных ранее работ посвящено исследованиям нагрузок от давления грунта на подпорные стены, а также устойчивости подпорных стен [3], в то время как один из важнейших вопросов заключается в определении прочности конструкций стен как при проектировании [6], так и при определении фактического состояния конструкций после длительной эксплуатации. Требуется совершенствование методик расчета прочности (включая назначение армирования) и положений нормативных документов при более полном учете особенностей массивных железобетонных конструкций ГТС (в первую очередь межблочных строительных швов). 2. Материалы и методы исследований С целью определения фактического состояния конструкций подпорных стен проводились визуальные и инструментальные обследования подпорных стен, в том числе определение фактических напряжений в стержневой арматуре методом разгрузки арматуры [16]. Визуальные обследования проводились с применением микроскопа отсчетного МПБ-3, лазерного дальномера, рулеток, штангенциркуля и пр. В рамках инструментальных обследований проводилось определение прочности бетона подпорных стен неразрушающими метода- Рубин О.Д., Лисичкин С.Е., Пащенко Ф.А. Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2019. Т. 15. № 5. С. 339-344 ми: ультразвуковым методом (с применением ультразвукового прибора Пульсар-2.2) и методом упругого отскока (с применением молотка Шмидта). Определение фактических напряжений в арматурных стержнях подпорных стен проводилось методом разгрузки арматуры. Аналитические исследования напряженного состояния железобетонных конструкций подпорных стен проводились с применением методов строительной механики, сопротивления материалов, теории железобетона. 3. Результаты обследований подпорных стен и разработка методики их расчета В ходе обследований лицевой поверхности ряда подпорных стен гидротехнических сооружений были выявлены горизонтальные трещины, которые являлись следами выхода на лицевую поверхность наклонных трещин, выклинивающихся из горизонтальных межблочных швов. В ходе инструментальных обследований методом разгрузки арматуры в вертикальной арматуре у лицевой грани ряда подпорных стен были выявлены значительные сжимающие напряжения, превышающие проектные значения. Для определения напряженного состояния в элементах железобетонной конструкции подпорной стены (в бетоне и арматуре) была разработана методика расчета напряженного состояния подпорных стен. При этом рассматривалось горизонтальное сечение в вертикальной консоли стены. Определялись внешние усилия, действующие в расчетном сечении: N - вертикальная сжимающая сила и M - изгибающий момент. В сечении действуют внутренние усилия: усилие в бетоне сжатой зоны - Nb; в сжатой арматуре - N's; в растянутой арматуре - Ns. Условие равновесия при действии сил: ′ . (1) Условие равновесия при действии изгибающих моментов (относительно равнодействующей вертикальных сжимающих напряжений в бетоне сжатой зоны): 0,5ℎ 0,33 ℎ 0,33 ′ 0,33 ′ (2) Схема действия нагрузок в горизонтальном сечении представлена на рис. 2. Принималась треугольная эпюра продольных сжимающих напряжений в бетоне, как для массивных бетонных конструкций, работающих в стадии эксплуатации, не достигающей предельного состояния, что соответствует положениям СНиП 52-01-2003. При разработке указанной методики была применена гипотеза плоских сечений, на основе которой установлены зависимости между относительными деформациями в бетоне сжатой зоны εb, в растянутой (εs) и сжатой (ε's) арматуре. Напряжения в бетоне сжатой зоны σb, в растянутой σs и сжатой σ's арматуре определялись путем умножения величин относительных деформаций (εb, εs, ε's) на соответствующие значения модуля деформаций бетона и арматуры (Eb и Es). σ ε ∙ ; σ ε ∙ ; σ′ ε′ ∙ . (3) Эпюры деформаций и напряжений в арматуре и бетоне расчетного горизонтального сечения представлены на рис. 3. Распределение вертикальных сжимающих напряжений σb в бетоне сжатой зоны конструкции подпорной стены принималось по линейному (треугольному) закону (рис. 2). Рис. 2. Схема действия нагрузок в горизонтальном сечении [Figure 2. Diagram of the action of loads in a horizontal section] Рис. 3. Эпюры деформаций (а) и напряжений (б) в нормальном горизонтальном сечении [Figure 3. Diagrams of deformations (a) and stresses (б) in a normal horizontal section] Предполагаются дальнейшие исследования в направлении совершенствования методов расчета железобетонных подпорных стен уголкового типа, в том числе с учетом сопротивления горизонтальных межблочных швов [13-15], влияния наклона тыловой грани [16], нагельного сопротивления арматурных стержней сдвигу. После проведения соответствующих преобразований и решения системы двух уравнений имеем: Напряжения в растянутой арматуре σst находим по формуле σ , где 0,5 ′ ′ ℎ . (6) Напряжения в растянутой арматуре σ без учета сжатой арматуры находим по формуле σ , (7) где - высота сжатой зоны бетона. Заключение Выполнен анализ конструктивных особенностей подпорных стен гидротехнических сооружений (которые определяют характер их работы), в том числе вызывающих отклонения от проектных предпосылок при эксплуатации. Установлено, что нормативные документы, действовавшие в период проектирования большинства подпорных стен гидротехнических сооружений, не в полной мере учитывали характерные особенности таких сооружений (в первую очередь наличие межблочных контактных швов), что приводило к отклонениям от проектных предпосылок. В результате проведенных исследований была разработана методика, позволяющая определять компоненты напряженного состояния (напряжения в бетоне сжатой зоны, а также напряжения в растянутой и сжатой арматуре) в горизонтальных сечениях вертикальной консольной части подпорных стен.

Об авторах

Олег Дмитриевич Рубин

АО «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений»

Автор, ответственный за переписку.
Email: cskte@mail.ru

доктор технических наук, директор филиала АО «Институт Гидропроект» - «НИИЭС».

Российская Федерация, 125362, Москва, Строительный пр-д, 7А

Сергей Евгеньевич Лисичкин

ООО «Инженерный центр сооружений, конструкций и технологий в энергетике»

Email: cskte@mail.ru

доктор технических наук, заместитель генерального директора

Российская Федерация, 125364, Москва, ул. Свободы, д. 35, стр. 36

Федор Александрович Пащенко

АО «Проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт воздушного транспорта “ЛенАэроПроект”»

Email: cskte@mail.ru

генеральный директор

Российская Федерация, 198095, Санкт-Петербург, наб. Обводного канала, д. 122, лит. Б

Список литературы