Температурные напряжения и деформации
Виды температурных воздействий, вызывающих температурные напряжения и деформации. Экзотермический разогрев. При гидратации цемента выделяется количество тепла 380... 550 кДж/кг, что может привести к подъему температуры бетонного блока 25...50. Тепловыделение особенно интенсивно в первые 5...10 сут; при остывании в блоке возможна значительная неравномерность температур.
Температура воды водохранилища зависит от его глубины, скорости ветра, облачности, влажности воздуха. В глубоких (>100 м) водохранилищах при поверхностных водосбросах изменения температуры происходят в «деятельном» слое 40 м (см. рис. 3.15, а); при работающих донных водосбросах, вследствие перемешивания слоев воды температура выравнивается. При 40 м амплитуда сезонных колебаний примерно одинакова по высоте, а температура может быть по высоте постоянной.
Сезонные колебания температуры проникают вглубь сооружения до 10... 12 м, месячные — до 3 м, суточные— до 0,5; при этом с глубиной уменьшаются амплитуды t0, а максимумы (минимумы) температур запаздывают по сравнению с температурами наружной среды (сдвиг по фазе).
Температура основания. Параметры температурно-активной зоны и тепловые потоки, идущие от сооружения к основанию и в обратном направлении, оказывают влияние на колебания температуры плотин; важен также учет темепературного режима фильтрационной воды в основании плотин (в эксплуатационный и строительный период) и у тыловой грани подпорных стен. Температура фильтрующейся через песчаные насыпи воды изменяется на 8...11°, в основании плотин на плотных глинах — примерно на 6°, в скальных основаниях — на 3...5° [123].
Мероприятия по регулированию температурного режима бетона. Трубное охлаждение, подогрев полостей массивно-контрфорсных и облегченных гравитационных плотин также могут приводить к появлению температурных напряжений.
Солнечная радиация. Она может вызвать увеличение амплитуды колебаний температуры поверхности на 4...5°, а также приводить к неравномерному нагреву.
Для определения температурных напряжений предварительно рассчитывают температурные поля.
Основы температурных расчетов. Распределение температуры в теле плотины при нестационарном процессе (когда температура изменяется во времени) можно найти из решения дифференциального уравнения теплопроводности; при наличии внутреннего источника тепла (экзотермии) :
Для решения уравнения теплопроводности используют аналитические и численные методы (конечных разностей, конечных элементов и др. с применением ЭВМ).
Причины возникновения температурных деформаций и напряжений. При нагревании и охлаждении конструкций гидротехнических сооружений в них возникают температурные деформации. При равномерном нагреве (охлаждении) свободно лежащего тела в нем появляются свободные деформации, а напряжения не возникают (рис. 3.16, а). Температурные напряжения происходят при внешнем жестком или упругом защемлении (рис. 3.16, б, в), (чем жестче защемление, тем выше температурные напряжения: при охлаждении— растягивающие, при нагревании— сжимающие); при внутреннем (температурном) защемлении, которое возникает при неравномерном распределении температур в сечении (рис. 3.16,г) и приводит к неравномерной деформации волокон; при одновременном внешнем защемлении и неравномерном распределении температуры. Для оценки термонапряженного состояния используют математический аппарат теории термоупругости или термопластичности [9].
Температурные напряжения строительного периода. Они имеют свою специфику в зоне контакта бетонного массива с основанием и на удалении от него.
В зоне контакта (рис. 3.17,а) основную роль играет защемление, зависящее от жесткости основания. При разогреве от экзотермии блок стремится удлиниться, но вследствие защемления в нем возникают сжимающие напряжения (см. рис. 3.16,6), так как при этом бетон в центре блока имеет более высокую температуру, чем по краям, сжимающие напряжения в центре блока возрастают. Модуль упругости бетона в период разогрева невелик, поэтому невелики и сжимающие напряжения. Последующее охлаждение бетона происходит при значительно возросшем модуле упругости; при охлаждении блок стремится уменьшить свои размеры, но защемление по контакту этому препятствует; в блоке возникают большие (так как велик модуль упругости в этот момент) растягивающие напряжения (см. рис. 3.16, б, в) и может появиться вертикальная трещина.
На удалении от контакта (более 0,5) блок можно рассматривать как свободную стенку, где температурные напряжения зависят в основном от неравномерности распределения температур.
Термонапряженное состояние блока зависит от скорости укладки следующего блока по высоте. При остывании блока в нем возникают растягивающие напряжения (см. рис. 3.17, а). Температурные напряжения строительного периода приводят к появлению трещин с раскрытием до 2...9 мм и высотой до 12...20 м (рис. 3.17, б, в); трещины значительного раскрытия могут снизить несущую способность плотины (см. рис. 3.9, в).
Температурные напряжения, возникающие в период эксплуатации. Эти напряжения зависят в основном от колебаний температуры наружной среды. Сезонные колебания температуры приводят к: раскрытию строительных швов и трещинам на низовой грани (при понижении температуры), что изменяет рабочее сечение сооружения (рис. 3.18, а); перемещениям сооружения в сторону верхнего и нижнего бьефов; с учетом гидростатического давления это приводит к появлению растягивающих напряжений в основании (зона А); раскрытию швов и трещин на верховой грани, что увеличивает фильтрацию через сооружение; нагреву лицевой грани, при этом возможен «навал» подпорных стенок на грунт и значительное увеличение пассивного давления (рис. 3.18,6); появлению трещин при охлаждении диафрагм трубчатых регуляторов (рис. 3.18, в).
Напряжения в свободной плите можно определить приближенно при известном распределении температуры (см. рис. 3.15, б):
Мероприятия по борьбе с температурными напряжениями. Их подразделяют на:
технологические — применение низ- котермичных цементов, уменьшение расхода цемента, охлаждение инертных, воды затворения, добавка молотого льда, применение камнебетона и шатров, полив водой и трубное охлаждение в виде змеевиков в бетоне (трубы диаметром 25 мм через 1,5...3 м), по которым в течение 2...6 мес циркулирует вода с температурой 2...20°С; разность температур между центром блока и его поверхностью не должна превышать при этом 20...25°С, а между новым бетоном и скалой—16...20°С; следует замыкать (омоноличивать) статически неопределимые и массивные конструкции при температурах бетона, близких к минимальным эксплуатационным;
конструктивные — рациональная разрезка строительными и конструктивными швами, применение теплоизоляции и теплогидролизации, армирование в местах возможного появления трещин (арматура вместо единичных глубоких трещин приводит к появлению большего количества мелких трещин; армирование часто нецелесообразно).
Проверку трещиностойкости проводят по формуле: