1903

лагаются в следующем порядке: тионовые, сульфатредуцирующие, денитрифицирующие и аммонифицирующие [132].

Содержащиеся в оборотных водах нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий тионовые и сульфатовосстанавливающие бактерии ускоряют скорость коррозии стали в 1,5–3,5 раза [578]. До 70 % аварий на канализационных коллекторах связано с биогенной сернокислотной коррозией их сводовой части. Причиной является воздействие на сводовую часть коллектора двух видов агрессивных сред: газообразной в виде атмосферы производственного пространства и жидкой, формируемой микроорганизмами в конденсатной влаге на поверхности свода.

Наиболее подвержены биологическим реакциям конструкции инженерных сооружений, работающих в составе канализационных и очистных систем, из-за бактериологических образований сернистых кислот из сульфатов и протеинов. Коррозионное разрушение сопровождается выщелачиванием из бетона кальция и магния в виде сульфатов [68].

Процесс коррозии бетона в сероводородной среде связан с жизнедеятельностью тионовых бактерий [512]. Обязательными условиями существования тионовых бактерий является среда, содержащая сероводород или другие восстановленные соединения серы и влага [323, 563]. Бактерии окисляют сероводород, сульфиды металлов и элементарную серу до серной кислоты, которая разрушает цементный камень. Цементный камень не разрушается при полном погружении в сероводородную минерализованную воду, но одновременно наблюдается быстрое разрушение цементного камня в газовоздушной среде, содержащей сероводород [628]. Тионовые бактерии развиваются и на сухой поверхности бетона при концентрации сероводорода в воздухе равной 0,03 мг/м3 [493].

Активизация жизнедеятельности тионовых бактерий приводит к понижению рН среды с 7 до 0,5–1 [31]. Коррозионное разрушение бетона, связанное со снижением значения рН, характеризуется выщелачиванием из него щёлочноземельных элементов, что приводит к изменению химического состава в бетоне, ухудшению его структурной однородности [665].

Процесс развития коррозии бетона канализационных труб протекает в два этапа: на первым этапе анаэробные сульфатредуцирующие бактерии преобразуют сульфаты сточной воды в сероводород, а на втором этапе аэробные тионовые бактерии окисляют сероводород до серной кислоты, разрушающей бетон [752, 753].

Защитой от тионовых бактерий являются

•добавка в бетон известняка, способствующего нейтрализации выделяющейся микробами серной кислоты и поддерживающего более высокое значение рН [628];

•добавка в бетон никеля и вольфрама, имеющих высокие бактерицидные свойства по отношению к этим бактериям. Стоимость бетонных

21

конструкций с бактерицидными добавками на 15 % больше, чем из обычного бетона. Но благодаря повышенной долговечности они являются рентабельными. В настоящее время бактерицидные бетоны с добавками никеля и вольфрама используются для строительства канализационных коллекторов [507].

Грибы как и бактерии, оказывают негативное химическое воздействие на железобетонные конструкции. Они делятся на две группы: миксомицеты и настоящие грибы. Миксомицеты являются микроскопическими организмами. Наибольшие повреждения конструкций из бетона вызывают микроскопические грибы [565]. Грибы в процессе своей жизнедеятельности выделяют различные минеральные и органические кислоты: уксусную, молочную, муравьиную, лимонную, масляную, яблочную, которые взаимодействуют с основными щелочными соединениями цементного камня и разрушают его. Размножаясь на поверхности бетона, колонии грибов выделяют углекислый газ, способствуя его карбонизации [512].

Промежуточное биологическое положение между бактериями и грибами занимают микроорганизмы – актиномецеты. Из-за своего структурного строения и химического состава они напоминают бактерии, а по способности размножения – грибы [331].

1.2.2.Силовые воздействия

1.2.2.1.Общие сведения

Промышленные, энергетические, транспортные здания и сооружения подвергаются воздействию как статических, так и различного рода циклических нагрузок, определяющих прочность и долговечность строительных конструкций. Основными внешними и внутренними силовыми воздействиями на железобетонные конструкции являются переменные нагрузки, вызываемые технологическим процессом, температурными колебаниями, действием ветра, циклическими замораживанием и оттаиванием. Их общей особенностью является периодичность действия. Цикличность периодов колебаний составляет от нескольких минут до года [484].

Железобетонные конструкции испытывают циклические нагружения в гидротехнических сооружениях, в производственных зданиях и сооружениях горнорудной промышленности, в атомных и тепловых электростанциях, в портовых гидротехнических сооружениях, в пролётных строениях транспортных эстакад, пролётных строениях железнодорожных и автодорожных мостов и в многоэтажных складских помещениях.

Источниками циклических силовых воздействий на конструктивные элементызданийисооруженийвгидротехническихэлектрическихстанцияхявляются:

усилия от работающих гидроагрегатов, передающиеся через опорные части;

22

пульсация давления воды в проточных частях и на напорных гранях, контактирующих с водой;

пульсации грунта основания, возникающие вследствие колебания элементов в соседних сооружениях и при сбросе воды.

При эксплуатации гидротехнических сооружений наблюдаются как стационарные, так и нестационарные динамические воздействия.

Стационарные многократно повторяющиеся циклические нагрузки возникают из-за:

механической неуравновешенности ротора, асимметрии проточного тракта турбин, а также неуравновешенности магнитных полей, приводящих к появлению гармонической горизонтальной составляющей нагрузки

счастотой, равной числу оборотов агрегата (рис. 1.2) [218, 219, 499];

вибраций активного железа генератора, связанных с частотой перемен знака электрического напряжения сети, с амплитудой этих нагрузок

0,1 РобН [387];пульсаций скорости водного потока на рабочее колесо турбины.

Рис. 1.2. Зависимость нормативной амплитуды оборотной составляющей горизонтальной динамической нагрузки от номинальной мощности турбоагрегата

Нестационарные динамические нагрузки возникают при [500]:

пуске и остановке гидроагрегатов;

изменении вырабатываемой электрической энергии с учётом отдачи её потребителю;

открытии и закрытии затворов и при воздействии на них поверхностных вод.

Динамические нагрузки в производственных зданиях и сооружениях горнорудной промышленности, возникающие при работе соответствующих машин и оборудования, разделяются на две группы [219]:

с конструктивно неуравновешенными движущимися частями;

с номинально уравновешенными, а фактически неуравновешенными движущимися частями.

23

К первой группе относятся щековые и конусные дробилки, инерционные, эксцентриковые и качающиеся грохоты, а ко второй группе – молотковые дробилки, самобалансные и резонансные грохоты, вентиляторы, центробежные насосы [218, 219, 387].

На строительные конструкции подъемных машин в подземных разработках месторождений полезных ископаемых действуют значительные многократно повторяющиеся циклические нагрузки, возникающие при [219]:

работе технологического оборудования грохотов, вентиляторов, электромоторов, расположенного на перекрытиях;

работе подъемной установки в рабочем режиме;

работе подъемной установки в экстренных аварийных режимах. Динамические возбуждения, передающиеся через опорные и анкерные

системы на строительные конструкции атомных и тепловых электростанций, вызываются вращением неуравновешенных масс технологического оборудованияигазодинамическимиявлениямивсистемахтрубопроводовот[284]:

газодинамического воздействия турбулентных пульсирующих потоков пара в проточных частях паровых турбин;

гидродинамических воздействий турбулентных потоков охлаждающей воды в конденсаторах турбины;

неуравновешенности электромагнитных полей в генераторе;

вращения магнитного поля в генераторе.

Динамические нагрузки на строительные конструкции портовых гидротехнических сооружений возникают от действия: морских волн, ветра, льда, передвижения эксплуатационных грузов и технологического оборудования с помощью кранов и вагонов.

При работе ленточных конвейеров многократно повторяющиеся динамические нагрузки, представленные узкополосным случайным процессом [426], передаются через стойки-опоры станины конвейеров на поддерживающие пролетные строительные конструкции и вызывают их колебания в вертикальной плоскости [219].

В процессе эксплуатации пролетные строения железнодорожных мостов испытывают воздействие многократно повторяющихся динамических нагрузок от движущейся полезной нагрузки, порывов ветра и ударов плывущих льдин [219]. Наиболее значимой и регулярной составляющей нагрузкой, вызывающей колебания пролетных строений железнодорожных мостов, является подвижная нагрузка. Все остальные силовые воздействия являются случайными и учитываются в особых условиях.

К наиболее основным факторам, вызывающим динамические воздействия подвижной нагрузки на пролетные строения железнодорожных мостов, относятся [219]:

скорость движения нагрузки;

удары колес в стыках рельс;

24

колебания надрессорного строения подвижного состава;

горизонтальные силы, возникающие от непрямолинейности движения вагонов и локомотивов;

пульсация статических прогибов пролетных строений при движении поездов с однотипными вагонами.

Необходимость расчета автодорожных мостов на многократно повторяющиеся динамические нагрузки вызывается наблюдаемой тенденцией увеличения интенсивности движения, веса подвижной нагрузки и одновременное снижение собственной массы пролётных несущих строительных конструкций [387]. Динамический расчет мостовых конструкций имеет вероятностную природу.

Диаграмма прогибов и напряжений в рассматриваемых участках моста имеют две составляющие: квазистатическую, медленно изменяющуюся в течение всего времени прохода автомобиля, и осциллирующую динамическую [387]:

где ст, fcm – соответственно квазистатическое напряжение и прогиб в момент нахождения нагрузки в произвольном сечении; maxg – амплитуда при наибольшем динамическом напряжении; f1 t, , f t, – соответ-

ственно закон изменения напряжений и прогибов во времени. Многократно повторяющиеся циклические нагрузки, описываемые в

виде произвольных периодических функций от времени t, характеризуются

где Fmax – амплитудное значение нагрузок, действующих [387]:

на строительные конструкции в гидротехнических сооружениях;

на строительные конструкции в производственных зданиях горнорудной промышленности;

на подкрановые балки и на колонны одноэтажных производственных зданий при движении мостовых кранов;

на колонны, стенки и днища резервуаров, бункеров, силосов, плавательных бассейнов, которые по технологическому процессу производства или потребованиямэксплуатациипериодическизагружаютсяиразгружаются;

25

на балки и плиты перекрытия многоэтажных производственных зданий от работы оборудования, создающего вибрацию (компрессоры, неуравновешенные вентиляторы, центробежные насосы и центрифуги), от движения напольноготранспорта(электрокар) ипопеременнойзагрузкииразгрузки;

на конструкции фундаментов, установленных под технологическое оборудование прокатных станов и гидравлических молотов.

Режимы циклических нагружений с постоянными параметрами во времени называются стационарными, а с изменяющимися – нестационарными. Разнообразие режимов работы конструктивных элементов описываются различными периодическими функциями [216].

Структура процесса циклического нагружения и функция распреде-

p определяют-

Для стационарных процессов циклического нагружения количественный этап описания внешних воздействий начинается с выбора математической модели процесса изменения нагрузок. В простейших случаях закон изменения нагрузок во времени описывается простой гармонической функцией, т.е. f t sin 2 t или f t cos 2 t .

Для стационарных процессов циклического нагружения закон изменения нагрузок в подавляющем количестве случаев устанавливается только экспериментальным путём [387]

Во многих случаях изменение нагрузок во времени не имеет установившегося характера [216]. Закон изменения нагрузки f t для неста-

ционарных процессов циклического нагружения не описывается простой гармонической функцией и поэтому для его определения используются численные методы [387].

26

В реальных условиях эксплуатации сооружений время действия кратковременных нагрузок в периоде циклов ступенчато-повторных нагрузок составляет значительно меньше, чем длительных. Для стоек ЛЭП и стеновых конструкций режим воздействия максимальной ветровой нагрузки соответствует n = 1:30 [221, 347]. С помощью анализа режимов действия эксплуатационных нагрузок получены следующие схемы действия нагрузок: снеговая нагрузка – 2…10 мес, ветровая нагрузка – 1 ч…7 сут, нагрузка на перекрытие зданий – 12 ч…12 ч, крановая нагрузка – 1 ч…12 сут [217]. Количественное отношение продолжительности действия полной нагрузки к длительной в зависимости от вида нагрузки составляет от 1/2 до

1/300.

1.2.2.2. Многократно-повторные нагрузки

Результаты теоретических и экспериментальных исследований работы железобетонных элементов, а также свойств арматуры и бетона при многократно повторяющихся нагрузках приведены в работах [1, 28, 29, 43, 56–63, 74, 75, 77, 78, 90, 124, 138, 198–200, 225, 245, 246, 251, 254–261, 267, 271–273, 280–287, 289, 290, 317, 327, 329, 330, 339, 340, 353, 354, 369–371, 390, 413–415, 475, 491, 518, 530, 546–550, 579, 583, 587, 602, 639, 667, 678, 701, 743, 745, 777]. Они вошли в нормы проектирования СНиП 52-01–2003 [555], СНиП 2.06.08–87 [562] и СНиП 2.05.03-84* [560].

В то же время анализ исследований железобетонных изгибаемых элементов на выносливость показывает, что [1, 28, 56, 90, 128, 199, 225, 245, 258, 268, 281, 317, 414, 426, 530, 579, 626, 629, 656, 657]:

основное внимание при расчетах уделяется гармоническим нагрузкам, как наиболее удобным для схематизации всех встречающихся случаев циклических воздействий, вызываемых работой машин и оборудования;

допускается, что режимы деформирования арматуры в составе железобетонного элемента и не обетонированного стержня одинаковы;

для оценки усталостной прочности бетона сжатой зоны изгибаемых элементов используются закономерности изменения выносливости центральносжатых призм;

изменение напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов в результате многократно повторяющегося нагружения косвенно учитываются уменьшением модуля деформаций бетона, зависящим только от его прочности;

амплитуда гармонической нагрузки устанавливается по максимальной нагрузке, которая встречается только небольшое количество раз за определенный срок службы здания или сооружения;

при испытании и расчете на выносливость не учитываются случаи нестационарности режимов многократно повторяющегося циклического

27

нагружения, ни многоступенчатость, ни технологические перерывы, в процессе которых происходит закрытие и «самозалечивание» микроповреждений (микротрещин) усталости.

Такой подход к расчёту на выносливость не учитывает реальный характер неупругой работы железобетонных элементов в зависимости от изменения режима нагружения при эксплуатационных циклических нагрузках. Уточнение эмпирических и полуэмпирических зависимостей с помощью экспериментальных коэффициентов, отражающих те или иные особенности железобетонных конструкций не повышает точности расчетных зависимостей методики существующих норм. Исследование напряженнодеформированного состояния и усталостной прочности конструктивных элементов на всех стадиях работы, как при воздействии циклических нагрузок стационарного, так и нестационарного режима с учётом оценки остаточного ресурса конструктивных элементов зданий и сооружений может эффективно проводиться только с помощью разработанных математических эмпирических моделей [387].

Развитие трещины в конструкционных материалах по длине связано с затратой дополнительной энергии во времени на пластическое деформирование и разрыхление материала в концевой пластической зоне предразрушения [387]. Напряжения и деформации в вершине трещины контролируются коэффициентом интенсивности напряжений.

Развитие трещин в различных материалах при циклическом нагружении описываются эмпирическими формулами [128, 622], наиболее известной из которых является зависимость Париса-Эрдогана [344]:

K1 K1max K1min – изменение коэффициента интенсивности напряжений

в пределах одного цикла; K1max , K1min – соответственно наибольшее и

наименьшее значения коэффициента интенсивности напряжений в цикле; n,c – константы материала.

В то же время отмечается [128, 622], что величины n и c не являются константами материала, а зависят от уровня циклической нагрузки и коэф-

фициента асимметрии цикла напряжений R min .

max

Черепановым Г.П. [622] получена зависимость скорости развития трещин при циклическом нагружении:

28

Величина определяется как приращение длины трещины в пределах одного цикла. Для многоциклового нагружения величина Kc принимается равной критическомузначениюкоэффициентаинтенсивностинапряжений K1c .

Образование и развитие микротрещин объясняется неоднородной структурой бетона. В сжатом бетонном элементе усилия напряжения концентрируются на более прочных материалах, обладающих более высоким модулем упругости, что способствует возникновению усилий в плоскости контакта крупного заполнителя и цементного камня [59].

Одновременно, в местах расположения пор и микротрещин наблюдается концентрация сжимающих и растягивающих напряжений. В результате, в бетонном образце, подвергнутом осевому сжатию, возникают как продольные сжимающие, так и поперечные растягивающие напряжения. Из-за обладания бетоном сопротивления растяжению на порядок ниже, чем сопротивлению сжатию, вторичные растягивающие напряжения, приводят к образованию локальных микротрещин, параллельных направлению действия внешней нагрузки [59].

В бетонном массиве взаимодействие микро- и макротрещин приводит как к уменьшению, так и к увеличению деформативности и прочности материала, в зависимости от взаимного расположения микротрещин и их ориентации [237]. В общем случае развитие микротрещин зависит от многих факторов: количества и типа заполнителя, вида зерен, условия твердения, водоцементного отношения, размеров образцов, возраста и режима нагружения [387]. Увеличение количества циклов нагружения вызывает последовательное слияние и укрупнение смежных субмикро и микротрещин, продолжающееся до тех пор, пока микротрещина не превратиться в макротрещину [224]. Макротрещины пролегают как по границам цементного камня и крупного заполнителя, так и в цементном камене. Дальнейшее увеличение количества циклов нагружения приводит к накапливанию в бетоне значительного числа макротрещин, взаимодействующих между собой и микротрещинами. При достижении в соответствующей пластической зоне предразрушения трещин предельного значения R , значения

Rb t, происходит мгновенное слияние этих макротрещин с образованием

магистральной трещины, приводящей к разрушению бетонного массива [224]. Развитие макротрещин при циклическом нагружении определяется с помощью использования коэффициента интенсивности напряжений K1 ,

позволяющим однозначно определить локальное напряжённое состояние зоны предразрушения в вершине трещины [387]. Он определяет влияние изменения количественной силовой механической характеристики на качественное изменение физических процессов, происходящих в материале в момент предразрушения и разрушения.

29

При циклическом нагружении по сравнению с постоянным, напряжен- но-деформированное состояние отличается тем, что в процессе разгрузки в концевой зоне макротрещины возникают остаточные сжимающие напряжения.

Одним из наиболее эффективных методов по снижению трудоёмкости расчёта взаимодействия стохастически расположенных микро- и макротрещин является метод сингулярных интегральных уравнений, сводящегося к построению комплексного потенциала методом суперпозиции [448].

Результаты экспериментальных исследований показывают ускоренное развитие деформаций циклической ползучести (виброползучести) бетона по сравнению с деформациями простой ползучести при статическом нагружении [61, 75, 327, 658]. Аналитические зависимости между мерой виброползучести t, и простой ползучести выражаются в виде:

где kgb – коэффициент виброползучести.

В этих аналитических зависимостях принято условие аффинного подобия кривых виброползучести и простой ползучести.

Деформации виброползучести представляются в виде суммы линейной и нелинейной составляющих

ная часть деформаций виброползучести.

Линейная часть деформаций виброползучести бетона состоит из накапливающихся деформаций быстронатекающей ползучести в каждом цикле нагружения от происходящих пластических деформаций, из-за вязкости гелевой структурной составляющей цементного камня, капиллярного явления, протекающего в твердеющем бетоне и пластического течения кристаллического сростка цементного камня. С увеличением количества циклов нагружения они уменьшаются от цикла к циклу, асимптотически приближаясь к определенному пределу, вследствие отжатия пластических деформаций. Линейная часть деформаций виброползучести уплотняет бетон, затухая во времени.

Линейная деформация обратной ползучести (последействия) после разгрузки при простом циклическом нагружении и разгружении бетонных элементов колеблется в пределах 5÷50 % в зависимости от состава бетона, возраста и уровня загружения [7, 75].

Линейные деформации виброползучести и деформаций последействия происходят из-за неоднородного строения бетона в целом и неоднородной структуры цементного камня [7, 52, 75, 481, 502].

30