Васильев П.И., Кононов Ю.И. - Железобетонные конструкции гидротехнических сооружений

Железобетонные конструкции гидротехнических сооружений. Васильев П. И., Кононов Ю. И., |Чирков Я. Н. |—Киев; Донецк: Вища школа. Головное изд-во, 1982.—320 с.
В учебном пособии рассматриваются физико-механические свойства бетона и арматуры, методы проектирования железобетонных конструкций гидротехнических сооружений.
Для студентов строительных вузов и факультетов, обучающихся по специальности «Гидротехнические сооружения».
Нормативные материалы приведены по состоянию на 1 января 1981 г. Табл. 24. Ил. 186. Библиогр.: 55 назв. Рецензенты: кафедра гидротехнических сооружений Одесского инженерно-строительного института; канд. техн. наук, доц. Московского инженерно-строительного института В. О. Алмазов.
Редакция Головного издательства при Донецком государственном университете. Зав. редакцией М. X. Тахтаров. 30211—077 ,224.81 3302000000 М21Ц04)—82 С) Издательское объединение «Вища школа», 1981.
ОТ АВТОРОВ
В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981 — 1985 годы и на период до 1990 года, принятых XXVI съездом КПСС, предусматривается дальнейшее ускоренное развитие гидроэнергетики, мелиорации земель и воднотранспортных систем. Чтобы успешно выполнить программу гидротехнического строительства в одиннадцатой пятилетке, обеспечить высокое качество, экономичность и долговечность объектов, необходимо наряду с решениями других задач совершенствовать гидротехнические конструкции, возводимые из железобетона.
Предлагаемое учебное пособие является попыткой изложения особенностей проектирования, расчета и конструирования железобетонных конструкций гидротехнических сооружений применительно к действующим строительным нормам и правилам. В основу его положены лекции, читаемые на протяжении ряда лет преподавателями Ленинградского политехнического института им. М. И. Калинина.
Следует отметить, что общая компоновка гидротехнических комплексов, выбор типа сооружения, назначение их генеральных размеров в настоящей книге не рассматриваются, поскольку все эти вопросы изучаются в специальных курсах. Содержание пособия можно условно разделить на две части. В первой (главы 1—8) рассматриваются основные физико-механические свойства материалов, виды нагрузок, способы расчета прочности, трещиностойкости и жесткости железобетонных элементов с учетом специфики гидротехнических сооружений. Значительное внимание уделено конструированию арматуры массивных конструкций и влиянию на них температурных воздействий.
Во второй части (главы 9—16) описываются различные конструктивные решения и основные положения расчета конкретных видов сооружений, а также приведены некоторые сведения по их статическому расчету и конструированию. Более подробно эти вопросы рассмотрены для железобетонных камер шлюзов, на примере которых проиллюстрирован ряд особенностей проектирования массивных гидротехнических сооружений. Поскольку в строительных нормах и правилах применяется техническая система единиц, авторы сохранили ее в данном учебном пособии.
Авторы выражают благодарность коллективу кафедры гидротехнических сооружений Одесского инженерно-строительного института, возглавляемой канд. техн. наук, проф. С. В. Соколовским, канд. техн. наук, доц. Московского инженерно-строительного института В. О. Алмазову за рецензирование книги, а также доцентам ЛПИ им. М. И. Калинина С. А. Кузьмину и С. Я. Смолко за ряд ценных замечаний, которые были учтены при работе над рукописью.
С особой признательностью авторы отмечают большую помощь, оказанную доц. А. Б. Мошковым при оформлении главы 9. Отзывы, замечания и пожелания просим направлять в издательское объединение «Вища школа» по адресу: 252054, г. Киев-54, ул. Гоголевская, 7.
ВВЕДЕНИЕ
Железобетонные конструкции состоят из бетона и стальных стержней арматуры. Бетон хорошо сопротивляется сжатию и значительно хуже растяжению. Кроме того, он является хрупким материалом. Наибольшее относительное удлинение бетона при разрыве составляет 0,6—2 • Ю-4. Именно хрупкость не позволяет во многих случаях использовать прочность бетона при растяжении, даже когда напряжения, вызываемые внешними силами, невелики.
Это объясняется тем, что из-за колебаний температуры, неравномерного высыхания, случайных динамических воздействий трещины в бетоне могут возникать еще в период строительства. Сталь — прочный, упругопластический материал. Относительное удлинение ее при разрыве в сотни раз превышает предельное удлинение бетона. Вместе с тем сталь значительно дороже бетона. Данное обстоятельство, а также технические свойства бетона и стали были учтены при создании железобетонных конструкций, в которых растягивающие усилия воспринимаются в основном арматурой, а сжимающие напряжения — бетоном.
Железобетон с частым регулярным расположением стальных стержней в двух или трех направлениях можно рассматривать как композитный армированный материал, обладающий анизотропией, т. е. зависимостью механических свойств от направления действия усилий, которая обусловлена армированием и нелинейностью деформирования, связанной с трещинообразованием, пластическими свойствами бетона и стали. В гидротехническом строительстве чаще применяют сосредоточенное размещение арматуры в растянутой зоне, поэтому предметом дальнейшего изучения будут конструкции главным образом такого вида.
Для эффективной работы железобетона под нагрузкой необходимо обеспечить защиту металла от коррозии и хорошее сцепление арматуры с бетоном. Особое значение имеет заделка концов стержней в бетоне, т. е. анкеровка. Стержни, расположенные параллельно наружной грани элемента и воспринимающие продольные усилия, называются продольной рабочей арматурой. В гидротехнических сооружениях она, как правило, находится у растянутой грани элемента (плиты, балки, массивы). Стержни, направленные перпендикулярно продольной рабочей арматуре, называют поперечной арматурой. Кроме того, в железобетонных конструкциях устанавливается монтажная и конструктивная (продольная, поперечная) арматура, которая обычно не рассчитывается.
Железобетонные конструкции получили широкое распространение в гидротехнике благодаря таким ценным качествам, как способность воспринимать различные виды статических и динамических нагрузок, долговечность, а также возможность придавать им в необходимых случаях сложную геометрическую форму. Из железобетона возводят плотины, здания гидростанций, камеры шлюзов и сухих доков, набережные, причальные и специальные морские сооружения, дюкеры, акведуки и др.
Железобетонные конструкции гидротехнических сооружений отличаются от железобетонных конструкций промышленных и гражданских зданий некоторыми специфическими особенностями. К ним относятся работа в условиях водной среды, массивность, относительно малое содержание арматуры, большее влияние температурных и других специальных видов воздействий. Эти особенности учитываются при проектировании, расчете и строительстве гидротехнических сооружений и отражены в нормах проектирования (СНиП II—56—77, СНиП II—50—74), а также в специальных технических условиях.
Из-за возможного образования температурных и усадочных трещин чисто бетонные сооружения и элементы применяются в гидротехнике лишь в тех случаях, когда выход из работы растянутой зоны бетона не вызывает нарушения прочности или устойчивости конструкции. К ним, в частности, относятся возводимые на скальном основании бетонные гравитационные, контрфорсные и арочные плотины, в которых под действием силовых нагрузок возникают в основном сжимающие напряжения. Проектирование и прочностные расчеты бетонных плотин изучаются в специальных курсах и в настоящей книге не рассматриваются.
По способу возведения железобетонные конструкции делятся на монолитные, сборно-монолитные и сборные. Монолитными (их бетонируют непосредственно на строительной площадке) возводят обычно массивные гидросооружения: плотины, камеры шлюзов, подводные части зданий ГЭС. Сборно-монолитные конструкции состоят из готовых элементов, которые объединяют на месте с помощью бетона. Таким способом выполняют степы, быки, перекрытия. Набережные, причалы, многие сооружения мелиоративных сетей монтируют из сборного железобетона — элементов, изготовленных на заводе или строительном полигоне.
Использование последнего способа при строительстве массивных гидротехнических сооружений ограничивается производственными трудностями. В данном случае, несмотря на большую массу каждого сборного элемента конструкции, получается значительное количество швов. Сварка арматуры и последующее замоноличивание швов цементным раствором представляют собой трудоемкую и довольно сложную операцию, существенно повышающую стоимость строительства. Кроме того, термовлажностная обработка крупных блоков, их транспортировка и монтаж требуют применения специального оборудования. Все перечисленные вопросы решаются значительно легче при возведении конструкций сборно-монолитным способом.
Производство железобетонной конструкции состоит из следующих этапов: 1) изготовления арматуры; 2) выполнения форм или опалубки; 3) сборки опалубки и арматуры; 4) приготовления, транспортировки и укладки бетонной смеси; 5) ухода за бетоном, распалубки. Если конструкции делают сборными, к этим этапам добавляется еще перевозка и монтаж элементов.
Для монолитного железобетона удельный вес по стоимости отдельных этапов примерно таков: 1) выполнение и сборка опалубки— 18—20%; 2) изготовление арматуры — 22—23%; 3) приготовление бетонной смеси — 32—35%; 4) транспортировка, укладка бетона и уход за ним — 6—8%; 5) накладные расходы — 17—18%. В указанные значения входит и цена материалов, которая составляет до 50% общих затрат. Из приведенных цифр видно: стоимость сооружений можно снизить, уменьшив материалоемкость, т. е. расход бетона и арматуры. Следует, однако, иметь в виду, что масса конструкции во многих случаях обеспечивает устойчивость положения (против сдвига н всплытия), а сокращение объема бетона приводит к увеличению не только удельного расхода арматуры, но и абсолютного ее количества. Учитывая дефицитность стали, а также усложнение технологии строительства при уменьшении сечений элементов и расстояния между стержнями, в гидротехнических сооружениях применяют в основном массивные конструкции с содержанием арматуры 40—70 кг/м
Существенным недостатком железобетона является образование трещин в растянутой зоне, вследствие чего увеличивается фильтрация воды через бетон, ускоряется коррозия арматуры и бетона. Одним из наиболее эффективных средств борьбы с этим недостатком служит предварительное напряжение арматуры, т. е. искусственное создание в ней растягивающих усилий с одновременным обжатием бетона в тех местах, которые испытывают от внешней нагрузки растяжение. Однако такое средство усложняет и удорожает изготовление железобетона. Поэтому предварительное напряжение следует применять в тех случаях, когда оно значительно сокращает расход арматуры и бетона или улучшает эксплуатационные свойства сооружения, например повышает его долговечность.
В гидротехнике предварительно-напряженный железобетон используют при выполнении сборных причалов и набережных, в мелиоративном строительстве.
Тип железобетонных конструкций выбирают путем технико-экономического сравнения запроектированных вариантов сооружений, которое выполняется с учетом эксплуатационных требований (удобство маневрирования оборудованием и его обслуживания, работа транспортных средств, долговечность и т. п.), технологичности возведения, экономических показателей. К последним относятся: приведенные затраты, трудоемкость, расход дефицитных материалов (стали).
Кроме того, следует учитывать влияние типа конструкций на экономические показатели и сроки возведения всего гидроузла, в состав которого они входят. Отметим также, что технико-экономическое сравнение делается при условии, что все варианты удовлетворяют эксплуатационным требованиям, имеют примерно равную надежность и необходимую долговечность.
Уменьшить материалоемкость и стоимость сооружений можно путем оптимизации выбранного типа конструкции, при котором назначаются размеры сечений элементов, обеспечивающие наиболее выгодное инженерное решение. Задача оптимизации формулируется как отыскание экстремума целевой функции при наличии ограничений (конструктивные и технологические условия). Методика технико-экономических оценок строительных конструкций изложена в нормативных документах и специальной литературе [1, 5, 18].
Железобетонные конструкции в нашей стране начали применять еще при возведении таких гидротехнических сооружений, как Волховская ГЭС, Днепрогэс, каналы им. Москвы и Волго-Донской им. В. И. Ленина. При строительстве Свирской ГЭС впервые были возведены железобетонная плотина и камеры шлюза на глинистом сжимаемом основании, а также использованы сборные конструкции под тяжелую крановую нагрузку. На стройках Волжской им. Ленина и других гидроэлектростанций были разработаны и внедрены индустриальные методы армирования с помощью арматурно-опалубочных блоков. В конструкциях камер шлюза Волгоградской ГЭС осуществлен оригинальный способ предварительного напряжения арматуры перекрытий водоподводящих галерей. Для сооружения напорных водоводов большого диаметра в последнее время стали применять весьма эффективные сталежелезобетонные конструкции.
Большую роль в развитии отечественного гидротехнического железобетона кроме строек сыграли проектные организации Гидропроект им. С. Я- Жука, СоюзморНИИпроект, Гипроречтранс, Гипроводхоз, научно-исследовательские институты ВНИИГ, НИИЖБ, ГрузНИИЭГС и такие учебные заведения, как Московский и Одесский инженерно-строительные, Ленинградский политехнический, Московский гидромелиоративный институты и другие.
1. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОНА
1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Бетон в гидротехнических сооружениях воспринимает усилия от внешних нагрузок, а также подвергается воздействию различных неблагоприятных факторов, вызывающих постепенное разрушение структуры материала (деструктивные процессы). К таким факторам относятся: фильтрация воды через бетон (способствующая выщелачиванию), его замораживание и оттаивание, попеременное увлажнение и высыхание, истирание взвешенными и влекомыми водой частицами, химическая агрессия (разрушение вследствие химических реакций между цементным камнем или заполнителями и содержащимися в воде веществами), кавитационные явления.
Кавитация — это нарушение сплошности текущей жидкости, т. е. образование пузырей при давлении ниже критического. В случае перехода в область повышенного давления и внезапного смыкания стенок пузырей возможно повреждение поверхности обтекаемого жидкостью тела. Следовательно, необходимая долговечность сооружений зависит не только от прочности бетона, но и от его сопротивляемости указанным неблагоприятным факторам. Поэтому бетон подбирают по водонепроницаемости, морозостойкости, а в некоторых случаях и по таким показателям, как кавитационная стойкость, истираемость. При наличии агрессивной среды предъявляются специальные требования к цементам и заполнителям. Чтобы уменьшить термическое трещинообразование массивных сооружений, бетон подбирают с пониженным тепловыделением, а также стремятся повысить его предельную растяжимость.
1. 2. ВОДОНЕПРОНИЦАЕМОСТЬ И МОРОЗОСТОЙКОСТЬ БЕТОНА
Условной проектной маркой бетона по водонепроницаемости считается наибольшее давление воды (кгс/см2), при котором не наблюдается ее просачивания через стандартные образцы, испытанные для речных гидротехнических сооружений в возрасте 180 дней, а для морских и сборных речных транспортных конструкций — 28 дней.
Коэффициент фильтрации бетона составляет от 1 •10-13 до 1 . 10-9 см/с. Марка бетона (В2, В4, В6, В8, В10 и В12) назначается в зависимости от максимального градиента напора, который представляет собой отношение напора к толщине элемента или расстоянию от напорной грани до дренажа [9]. Указания по выбору марки даются в специальных нормах проектирования гидротехнических сооружений (табл. 1).
Морозостойкость бетона оценивается путем испытания стандартного образца в водонасыщенном состоянии (в возрасте 28 дней) на попеременное замораживание и оттаивание. Марка определяется числом циклов этого процесса, при котором прочность снижается не более чем на 15% по сравнению с прочностью образца, не подвергавшегося замораживанию.
Установлены следующие марки по морозостойкости: Мрз25, Мрз50, Мрз75, МрзЮО, Мрз150, Мрз200, МрзЗОО, Мрз400, Мрз500.
Выбирают их в зависимости от зимней температуры воздуха, степени водонасыщения бетона, возможной частоты замораживания и оттаивания (табл. 2). Наиболее неблагоприятные условия для бетона наблюдаются в зоне часто меняющегося горизонта воды при низкой температуре воздуха.
Бетоны высокой марки по водонепроницаемости или морозостойкости обладают и повышенной прочностью. Эту особенность необходимо учитывать при проектировании гидросооружений, с тем, чтобы максимально использовать ожидаемые прочностные свойства бетона.
Различные части одного сооружения могут находиться в неодинаковых условиях эксплуатации. В связи с этим для отдельных его частей допускается принимать разные марки бетона, однако число их, как правило, не должно быть более четырех.
1. 3. ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА БЕТОНА
Бетоны по плотности делятся на тяжелые (более 2200 кг/м3), облегченные (1800—2200 кг/м3) и легкие (1800 кг/м3 и менее). В железобетонных конструкциях гидротехнических сооружений используют обычно тяжелые бетоны, поэтому остановимся подробнее на их свойствах.
Поскольку бетон в основном воспринимает сжимающие усилия, его главной механической характеристикой является прочность на сжатие. Соответствующая марка определяется прочностью R (кгс/см2) стандартного бетонного куба размером 15х 15х 15 см, хранившегося при температуре 20° С и относительной влажности около 100%. Возраст испытания для гидротехнического бетона принимается таким же, как и при проверке на водонепроницаемость, В необходимых случаях назначаются и другие контрольные сроки. В железобетонных конструкциях используют бетоны следующих марок: М100, М150, М200, М250, М300, М350, М400, М500 и М600 [48]. Причем для монолитных конструкций применяют главным образом марки М150—М300, сборных — М200—М400, а для легких сборных и многих предварительно-напряженных — высокопрочные бетоны марок М500 и М600.
Чем выше марка бетона, тем больше его стоимость, но рост стоимости все же значительно отстает от роста прочности. Поэтому во многих случаях целесообразно повышать марку бетона. Однако применение очень высоких марок (М600, М700, М800) может быть оправдано лишь в элементах немассивных сооружений, испытывающих в основном сжатие. Использование высокопрочных бетонов для большинства изгибаемых элементов нерационально, так как их прочность изменяется незначительно при повышении марки бетона.
Несмотря на то, что прочность бетонного куба широко применяется как механическая характеристика, она непосредственно не входит в расчетные зависимости. Дело в том, что бетонный куб при испытании на сжатие находится в сложном и неоднородном напряженном состоянии. Силы трения, развивающиеся между и плитами пресса и опорным» гранями куба, препятствуют свободному деформированию в поперечном направлении.
...