Способ снижения остаточных напряжений в арматуре железобетонных конструкций

 

Изобретение относится к способам снижения остаточных напряжений в рабочей арматуре железобетонных конструкций, а именно, к области технологии исправления дефектов зданий и сооружений, поврежденных огневым воздействием аварии и пожара. Предлагаемый способ позволяет устранить термическое самонапряжение стальной арматуры железобетонных конструкций, снизить экономические затраты на восстановление эксплуатационных характеристик поврежденных конструкций, повысить несущую способность и безопасность состояния сжатых железобетонных элементов, поврежденных огнем. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технологии исправления дефектов и повреждений строительных конструкций железобетонного сооружения, сжатые элементы которого типа колонн, стоек, сжатых поясов и раскосов ферм были подвержены интенсивному огневому воздействию вследствие пожара или аварии, сопровождающимися неконтролируемым горением.

В нагруженных сжатых железобетонных элементах конструкций после воздействия на них высокой температуры (свыше 400^oС) и последующего остывания в рабочей арматуре образуются, как правило, значительные (50 150 МПа) продольно-осевые остаточные напряжения растяжения. При этом бетон ядра сечения нагруженного элемента получает дополнительно напряжение сжатия [1] Имеются примеры выраженного отрицательного действия остаточных термических напряжений на работу сжатых элементов железобетонных сооружений после пожара. Сжимающие остаточные напряжения понижают местную устойчивость тонкостенных элементов стропильных ферм. При суммировании рабочих и остаточных напряжений потеря устойчивости остывающих сжатых элементов возникает при нагрузке меньше расчетных, а в некоторых случаях даже от остаточных термических напряжений.

Известны способы уменьшения остаточных напряжений в строительных конструкциях путем холодной проковки, стабилизирующего отпуска и термической правки металла [2] Однако холодная проковка рабочей арматуры сжатых железобетонных элементов (колонн, ферм покрытия и т.п.) трудно осуществима в поврежденных конструкциях эксплуатируемого или восстанавливаемого сооружения.

Известен способ снижения остаточных напряжений в металлических элементах путем стабилизирующего отпуска закаленной стали [2] Применение стабилизирующего отпуска сталей для снижения остаточных напряжений в них целесообразно, когда предъявляются повышенные требования к прочности металлической конструкции и точности ее размеров при последующей эксплуатации. Однако отпуск сталей требует дополнительного оборудования (печей отжига) и не рекомендуется вследствие удорожания стоимости производства или восстановления поврежденных конструкций. Термический отпуск сталей рабочей арматуры элементов железобетонных сооружений данным способом технически затруднен.

Известен способ (прототип) термической правки сварных металлических конструкций. В этом случае местными нагревами зон конструкций создают пластические деформации их укорачивания. При этом углеродистые стали нагревают газовым пламенем до 600 800^oС. Нагрев ведут пятнами или полосами [2] Однако рассмотренный способ термической правки, частично снижая остаточные напряжения в сварочных швах металлических конструкций, не позволяет снизить продольно-осевые напряжения в рабочей арматуре железобетонных элементов. Это обусловлено тем, что при термической правке местный нагрев отдельных зон плоских элементов стальных конструкций вызывает усадку металла в зоне нагрева и создает напряжение сжатия в соседних зонах. При остывании остаточные напряжения снижаются вдоль сварочного шва, т.е. поперек элемента металлической конструкции, а не вдоль его.

Цель изобретения устранение отрицательного термического самонапряжения стальной арматуры на безаварийную работу конструкций железобетонного сооружения, снижение материальных затрат на восстановление эксплуатационных характеристик поврежденных конструкций, а также повышение несущей способности и безопасности состояния сжатых железобетонных элементов, поврежденных огнем.

Поставленная цель достигается тем, что в способе снижения остаточных напряжений в арматуре железобетонной конструкции, включающем разгружение восстанавливаемой конструкции полностью или частично, определение в ней зоны термического поражения, освобождение рабочих арматурных стержней от деструктивного бетона, дополнительный нагрев и последующее охлаждение стали - сначала определяют оптимальный размер зоны нагрева, определяют места отжига арматурных стержней, затем зону нагрева арматурного стержня подвергают кратковременному (10 20 мин) воздействию газового пламени (температура отжига металла 650 100^oС), выравнивания (15 20 мин) на этом участке стержня температуру по его поперечному сечению, затем охлаждают его на воздухе.

При необходимости оценки качества снятия продольно-осевых остаточных напряжений перед нагревом зоны отжига на холодном (не нагревающемся) участке арматурного стержня, устанавливают приборы для измерения деформаций при нагреве стержня и его последующем охлаждении. Путем сопоставления замеренных деформаций оценивают степень изменения остаточных напряжений в арматуре.

Принципиальное отличие предлагаемой операции местного отжига стержней рабочей арматуры от термической правки стальных конструкций заключается в том, что снятие напряжений при местном нагреве металлических конструкций изменяет напряжение на небольших участках сварочного шва, в предлагаемом способе на всем участке самонапряжения арматурного стержня.

Кроме того, в известном способе термической правки стальной конструкции точки полосы нагрева перемещаются по длине конструкции, в предлагаемом способе зона нагрева концентрирована на одном месте и не перемещается по напряженному арматурному стержню.

Существенное отличие состоит в том, что в предлагаемом способе допустимая длина зоны местного концентрированного нагрева арматурного стержня определяется расчетом по формуле: l₂=l₁·σ_o/(E_s·α_sm·t_из); (1) где l₁ длина участка арматуры в зоне термического поражения железобетонного элемента, мм, σ_o продольно-осевые остаточные напряжения в арматурном стержне, МПа, E_s модуль упругости арматуры, МПа, α_sm коэффициент температурного расширения арматурной стали, 1/^oС.

t_из температура отжига арматуры в зоне нагрева стержня, ^oС.

Принятие расчетной длины зоны местного нагрева стержня обеспечивает наибольшую релаксацию остаточных напряжений в арматуре. Одновременный нагрев всех напряженных рабочих стержней, установленных в поперечном сечении элемента, позволяет более полно снизить величину остаточных напряжений.

Отличие от известного способа термического отпуска металла состоит в том, что отжиг горячекатанной арматуры производят при температуре, величину которой определяют по формуле: t_из= 760-300·J_oσ (2)
J_oσ=σ_o2/R_sn (3)
где σ_o2 остающиеся остаточные напряжения после отжига арматуры, МПа,
R_sn нормативное сопротивление арматуры растяжению, МПа,
J_oσ относительная величина интенсивности остающихся остаточных напряжений после отжига арматуры, принятая техническими условиями.

Так, при относительной величине остающихся остаточных напряжений, равной 0,2, температура контролируемого отжига горячекатанной арматуры класса A - III:
t_из 760 300·0,2 700^oС.

Разгрузка сжатого железобетонного элемента перед нагревом арматуры приводит к увеличению растягивающих напряжений в рабочей арматуре, а после отжига ее к относительно большему снятию остаточных напряжений.

На фиг.1 показано состояние сжатого железобетонного элемента с участком термического поражения; 1 термонапряженная рабочая арматура, 2 ядро сечения элемента с неповрежденным бетоном, 3 деструктивный слой бетона, H₁ рабочая нагрузка, H₂ нагрузка на элемент от термического самонапряжения арматуры.

На фиг.2 приведено состояние железобетонного элемента после снятия внешней нагрузки и подготовки рабочей арматуры к местному отжигу, участок рабочей арматуры освобожден от деструктивного бетона: l₁ длина участка арматурного стержня, освобожденного от бетона, l₂ линейный размер зоны отжига 4 стержня 1, l₃ участок установки тензодатчиков 5, a₁ - удлинение элемента после его разгрузки.

На фиг.3 показано состояние железобетонного элемента после местного отжига, снижение остаточных напряжений в продольной арматуре 1 и восстановление защитного слоя бетона 6, поперечная арматура хомуты 7 на продольных разрезах элемента не показаны, a₂ удлинение элемента после снятия остаточных растягивающих напряжений в рабочей арматуре.

Использование предлагаемого способа для снижения отрицательных остаточных напряжений сжатых железобетонных конструкций восстанавливаемых сооружений, обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: уменьшается степень риска обрушения сжатых элементов от дополнительных усилий самонапряженной арматуры; восстанавливается несущая способность отремонтированных конструкций сооружения; сокращаются экономические затраты на восстановление поврежденных строительных конструкций; снижается опасность состояния поврежденных железобетонных элементов, т.к. остаточные напряжения являются носителями упругой деформации, а начавшееся по каким-либо причинам разрушение сооружения в дальнейшем поддерживается энергией остаточных напряжений.

Формула изобретения

1. Способ снижения остаточных напряжений в арматуре железобетонных конструкций, включающий разгружение восстанавливаемой конструкции полностью или частично, определение в ней зоны термического поражения, освобождение рабочих арматурных стержней от деструктивного бетона, дополнительный нагрев и последующее охлаждение арматурной стали, отличающийся тем, что определяют оптимальный размер зоны нагрева, определяют места отжига арматурных стержней, а нагрев зон отжига напряженных стержней производят кратковременно и одновременно до температуры пластической деформации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру t_из отжига горячекатаной арматурной стали определяют из выражения t_из (760 - 300)J_об, где J_об относительная величина интенсивности остающихся остаточных напряжений после отжига арматуры, принятая техническими условиями.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что допускаемый наибольший размер длины l₂ зоны местного концентрированного нагрева арматурного стержня определяют по выражению
l₂=l₁·σ_o/(E_s·α_sm·t_из),
где l₁ длина участка арматуры в зоне термического поражения железобетонного элемента, мм;
σ_o продольно-осевые остаточные напряжения в арматурном стержне, МПа;
E_s модуль упругости арматуры, МПа;
α_sm коэффициент температурного расширения арматурной стали, 1/^oC; t_из температура отжига арматуры в зоне нагрева стержня, ^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3