К анализу температурных напряжений в бетонных покрытиях

Наблюдения за состоянием бетонных покрытий в условиях естественного прогрева, например дорожных или аэродромных, показывает существенное влияние теплофизических процессов на трещиностойкость и долговечность данных конструкций. Существующие методики [1,2] и современные исследования [3−6] по расчету температурных полей бетонных покрытий основываются на необходимости учета толщины покрытия, конструктивных особенностей строения слоев, включая армирование, характера распределения температуры по толщине плит, контакта покрытия с основанием, условий укладки бетона.

В данной работе анализ температурных полей проводился путем моделирования конструкции покрытия на основе связанной задачи термоупругости методом конечного элемента с использованием программного комплекса Ansys. Базовая конструкция выбрана в виде плиты покрытия на двухслойном основании: прокладка полиэтиленовая (ППА), слой основания. Трение моделировалось введением контактных элементов между ППА и бетонным покрытием. Геометрические параметры плиты определялись характером нарезки деформационных швов расширения и сжатия. бетонный термоупругость аnsys температурный Получено, что при выполнении рекомендаций [7] равномерный прогрев или прогрев с уменьшением температуры при удалении от поверхности плит вглубь покрытия даже при превышении температуры обжатия прокладок в швах расширения не может привести к каким-либо существенным растягивающим напряжениям в конструкции покрытия, влияющим на появление трещин. Вместе с тем, учитывая климатические условия некоторых регионов, возможно достаточно быстрое охлаждение дневной поверхности покрытия в результате, например, дождя в условиях, когда температура покрытия превышает температуру обжатия прокладок (более 40 ⁰С). Это приводит к возможности обратного распределения температур по глубине покрытия. В этом случае можно считать, что наибольшие растягивающие напряжения на дневной поверхности плит приближенно можно определить по формуле [8].

У =С бЕДТ, где ДТ — расчетный перепад температур, б — коэффициент линейного расширения бетона, Е — модуль упругости, С — экспериментальная константа (при численном моделировании получено С=1.27) .

Неравномерность распределения температуры по глубине плиты с ее линейным увеличением вглубь среды может являться источником возникновения трещин на поверхности плит покрытия. Фактором, определяющим процесс создания обратного распределения температур является низкая теплопроводность прокладки ППА, значительно уменьшающая отток тепла в слои основания конструкции [9]. Наличие прокладки с уменьшенным коэффициентом трения в области ее контакта со слоями конструкции имеет положительное значение для обеспечения независимой работы каждого из конструктивных слоев (покрытия и основания). В условиях же существенного температурного воздействия наличие прокладки приводит к увеличению подвижности плит и создании условий неоднородного обжатия их краев.

Полученные результаты в целом согласуются с результатами, например работы [10], и иллюстрируются диаграммами, отражающими напряженно-деформированное состояние конструкции.

Обратный перепад температур в 10 ⁰С приводит к росту напряжений растяжения на поверхности плиты до 4 МПа.

При этом возможно обламывание кромок швов за счет неоднородности поведение полных деформаций вблизи них.

При образовании трещин в области ложного шва данная зависимость становится нелинейной.

Линия h=0.03 — шов сжатия без трещины, h=0.1 в условиях образования трещины.

• 1. Методические рекомендации по расчету температурных полей, напряжений и деформаций в цементобетонных покрытиях. СОЮЗДОРНИИ. Москва, 1976.
• 2. Методические указания по расчету температурных и усадочных напряжений в железобетонных цилиндрических опорах мостов. ВНИИТС. Москва, 1979.
• 3. Гольденберг А. Л. Влияние периодического воздействия знакопеременных температур на структуру и эксплуатационные свойства высокопрочных бетонов [Текст] // Вестник МГСУ. — 2011. — № 2. — С .93−104.
• 4. Armaghani J. M., Larsen T. J., Smith L. L. / Temperature response of concrete pavements // Transportation Research Record. 1987. -№ 1121. -P. 23−33.
• 5. Thompson M. R., Dempsey B. J., Hill H., Vogel J. / Characterizing temperature effects for pavement analysis and design // Transportation Research Record. 1987. — № 1121. — P. 14 — 21.
• 6. Осипов А. М. Бетонирование при низких температурах [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, № 4. — Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n4y2012/1306 (доступ свободный) — Загл. с экрана. — Яз. рус.
• 7. Кричевский, А. П. Расчет железобетонных инженерных сооружений на температурные воздействия [Текст]: Монография / А.П. КричевскийМ.: Стройиздат, 1984. — 148 с.
• 8. Руководство по проектированию аэродромных покрытий. Аэропроект. Москва, 1983.
• 9. Кулинич И. И., Литвинов В. В., Языев С. Б. Исследование устойчивости неоднородных полимерных стержней в условиях термовязкоупругости [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, № 3. — Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/951 (доступ свободный) — Загл. с экрана. — Яз. рус.
• 10. С. А. Буянов, О. В. Кантур Моделирование температурных напряжений в железобетонных плитах покрытия аэродромов средствами SCAD [Текст] // CADMaster. — 2011. — № 4 — С. 108−111.