3.2. Оценка работоспособности поврежденных железобетонных опор кольцевого сечения

На стадии проектирования размеры поперечных сечений арматуры и бетона подобраны из условий прочности, деформативности и трещиностойкости. Расчеты выполнены по огибающим эпюрам моментов М и поперечных сил Q. Величины M и Q нормированы для сечений на уровне пяты консоли и условного- (или реального) обреза фундамента в зависимости от мощности опор.

Принятые в расчетах прочностные свойства материалов, как показывают заводские испытания опор, близки к реальным. Разрушаются опоры в процессе испытаний при нагрузках, превышающих 1,6 нормативной. Чаще всего потеря несущей способности происходит из-за раздробления бетона сжатой зоны" Появление поперечных трещин в струнобетонных опорах обычно происходит при нагрузке (1÷1,4) M^н. В первую очередь трещины возникают в зоне условного обреза фундамента.

В реальных эксплуатационных условиях также следует ожидать развития поперечных трещин в нижней части опор, особенно если учесть, что принятое при расчете по огибающим эпюрам значение M_пк=0,5M₀ появляется только в опорах, установленных с большим габаритом (4,9 и 5,7 м). В остальных случаях, которые составляют подавляющее большинство, изгибающий момент в зоне пяты консоли M_пк составляет 0,25-0,35 момента на уровне обреза фундамента M₀. Нарастание изгибающего момента к низу опор при наиболее распространенных схемах загружения идет интенсивнее, чем по огибающей эпюре, и продолжается в подземной части (рис. 3.1). Максимальный момент, как показывают расчеты, обычно отмечается в сечениях, расположенных на глубине 0,4-0,9 м от поверхности грунта в зависимости от его механических характеристик и условий установки опор. Поэтому поперечные трещины могут развиваться не только в надземной, но и в подземной части опор.

Рис. 3.1. Расчетная схема (а), реальные (1, 3) и огибающие (2, 4) эпюры моментов M (б) и поперечных сил Q (в) при действии ветровых нагрузок на провода слева направо

В верхней части струнобетонных опор поперечные трещины возникают при больших нагрузках, чем в нижней, так как сжимающие напряжения в бетоне там выше. Обусловлено это тем, что при одном и том же усилии предварительного напряжения арматуры площадь поперечного сечения бетона уменьшается к вершине опоры.

В опорах со стержневой ненапряженной арматурой (выпускавшихся в первые годы массовой электрификации) поперечные трещины появляются при нагрузках 0,4-0,6 нормативной. Ширина их раскрытия при нормативной нагрузке составляет 0,2-0,3 мм. После снятия нагрузки трещины закрываются. В случае перегрузки этих опор при монтаже или эксплуатации, трещины в них не закрываются.

В стадии, предшествующей разрушению, ширина раскрытия поперечных трещин у испытываемых струнобетонных опор при нормальном сцеплении арматуры с бетоном обычно бывает 0,5-0,8 мм, а у опор со стержневой арматурой - 1,2-1,6 мм. Расстояние между трещинами в этих случаях составляет, как правило, 10-20 см. При потере или снижении сцепления арматуры: с бетоном ширина раскрытия трещин и расстояние между ними бывает больше.

В нормальном эксплуатационном режиме, когда нагрузки на опоры составляют обычно 0,35-0,4 расчетных значений, поперечных трещин в опорах типа ЖБК не должно быть. Наличие их свидетельствует о перегрузке опоры или снижении прочностных свойств бетона и уменьшении сечения арматуры из-за коррозии. Но если бетон опор имеет достаточную прочность, т. е. не (подвергся сильным морозным разрушениям, и сцепление арматуры с ним не потеряно, то опоры с трещинами определенного раскрытия можно эксплуатировать. Степень коррозионного уменьшения сечений высокопрочной проволоки в трещинах раскрытием до 0,2-0,3 мм или стержневой арматуры в трещинах: раскрытием до 0,5-0,6 мм обычно бывает невелика после 15-20 лет эксплуатации в неагрессивных и слабоагрессивных воздушных средах. С течением времени коррозионные процессы замедляются. Охрупчивание арматуры не происходит. Общее уменьшение прочности арматуры в этих условиях обычно не превышает 5-10% по сравнению с начальным. За период эксплуатации в 30-40 лет снижение прочности арматуры вряд ли произойдет более чем на 10-15%. Поэтому опоры с трещинами указанного раскрытия, наблюдаемыми при нормальной эксплуатационной нагрузке, можно эксплуатировать.

Повышение нагрузки во время действия ветра или при гололеде, безусловно, приведет к увеличению ширины раскрытия трещин. Но период этот непродолжителен и к опасным коррозионным разрушениям привести не может. Это дает основание считать допустимыми трещины раскрытием до 0,2 мм в струнобетонных опорах и до 0,5 мм в опорах со стержневой арматурой. Опыт эксплуатации опор с трещинами такого, а в ряде случаев и даже большего раскрытия подтверждает справедливость данного допущения.

В отличие от рассмотренного случая появление поперечных: трещин в опорах с разрушающимся из-за коррозии или попеременного замораживания и оттаивания бетона указывает на снижение им прочностных свойств и повышение деформативности, а также на возможную потерю сцепления арматуры с беконом. Опоры с поперечными трещинами и коррозионными поражениями бетона подлежат замене - эксплуатировать их опасно. При появлении расчетных нагрузок они могут разрушиться хрупко. В этом случае трещины не являются показателем сохранности арматуры, а в основном определяют состояние бетона.

Развитие продольных трещин в опорах в зависимости от места их расположения приводит не только к коррозии арматуры, но и к изменению механики распределения внутренних усилий. Наибольшее влияние оказывают трещины, расположенные в вершинах опор. Если количество трещин в вершине опоры равно или больше двух, такие конструкции начинают работать как составные стержни. Совместность работы отсеченных трещинами ветвей зависит от прочности и деформативности связей, в роли которых выступает поперечная арматура.

Наибольшие усилия в связях возникают тогда, когда в опоре имеются две трещины, расположенные с двух взаимно противоположных сторон близ геометрической оси сечения (рис. 3.2). Работает в этом случае поперечная арматура в основном на сдвиг. Характер деформирования ее в зоне трещины показан на рис. 3.3. Пластические деформации в арматуре, как показывают расчеты, наступают тогда, когда сдвигающее усилие на стержень диаметром 3 мм составляет всего 35-40 даН, хотя полное разрывное усилие равно 120-140 даН.

Рис. 3.2. Расчетная схема верхнего конца опоры, рассеченного продольными трещинами: 1 - условная заделка в конце трещины; 2, 3 - верхняя и нижняя 'ветви'; 4 - поперечная арматура, выполняющая роль связей

Наибольшие сдвигающие усилия возникают в арматуре, расположенной на концевом участке опоры, - у вершины. Резко возрастают сдвигающие усилия в спиральной арматуре, когда в ветвях опоры появляются поперечные трещины. Чтобы избежать пластического деформирования спиральной арматуры, приходится поперечные трещины в ветвях опор не допускать. Проведенные расчеты показали [29], что допустить можно трещины длиной не более 0,4-0,5 м. В этом случае опоры могут нормально работать в течение длительного времени при воздействии циклических ветровых нагрузок. Если же длина трещин больше, в арматуре будут развиваться пластические деформации и накапливаться усталостные разрушения. Усилить опоры с длинными продольными трещинами в вершине можно, устанавливая хомуты и омоноличивая их с бетоном, например посредством заливки в паз между хомутом и опорой эпоксидно-цементного раствора. Но делать это в эксплуатационных условиях: тяжело. Поэтому, как правило, опоры с длинными продольными трещинами в вершинах меняют.

Рис. 3.3. Недеформированная (а) и деформированная (б) поперечная арматура в зоне пересечения ею трещины

Если же в вершине имеется всего одна или две трещины, но расположенные так, как показано на рис. 3.4, то прочность опоры, как показывают испытания [46], вполне достаточна. Происходящие при этом изменения внутренних усилий в конструкциях не оказывают существенного влияния на работоспособность опор. Длину этих трещин нормировать нецелесообразно, но ширину следует ограничить.

Рис. 3.4. Сечение опоры (1) с трещинами (2), расположенными в растянутой и сжатой зонах близ геометрической оси

Каких-либо расчетных методов определения ширины раскрытия таких трещин нет. Но наблюдение за опорами в процессе эксплуатации и обследование демонтированных конструкций показали, что у опор с трещинами раскрытием более 2-3 мм часто бетон находится в неудовлетворительном состоянии. В нем наблюдается расслаивание внутреннего слоя (из-за попеременного замораживания и оттаивания), потеря сцепления с арматурой. Поэтому трещины большого раскрытия следует рассматривать как показатель ненормального состояния бетона. Опоры с трещинами раскрытием более 3 мм целесообразно заменять.

В условиях эксплуатации встречаются случаи, когда в вершинах опор имеется одновременно несколько трещин разного раскрытия, длины и месторасположения. Определить опасности этих трещин можно только с учетом конкретных условий загружения, состояния арматуры и бетона в опорах, характера влияния трещин на механику работы опор. В связи с варьирование этих параметров в широких пределах и многообразием сочетаний их определить заранее допустимые размеры этих трещин почти невозможно.

По характеру влияния на механику работы опор трещины, расположенные в средней части по высоте опор, отличаются от трещин, расположенных в вершине. Как показали механические испытания [46], продольные трещины, расположенные в зоне между уровнем грунта и пятой консоли, не вносят существенных изменений в распределение внутренних усилий. Отдельные ветви между собой не сдвигаются при загружении опор вплоть расчетных нагрузок. Поэтому наличие продольных трещин в этой зоне следует рассматривать как фактор, обусловливающий коррозию арматуры в них.

Допустимое количество, длину и ширину раскрытия трещин следует определять исходя из допустимого коррозионного износа арматуры. К сожалению, надежных методов оценки состояния арматуры в бетоне пока нет. Поэтому ориентировочно можно считать, что тонкая высокопрочная предварительно напряженная проволочная арматура в трещинах раскрытием более 0,3-0,4 мм подверглась полному разрушению, а износ стержневой арматуры пропорционален ширине раскрытия трещин.

Степень уменьшения диаметра стержней можно в первом (приближении рассчитать, принимая во внимание, что продукты коррозии занимают объем даже в самом плотном состоянии не менее чем в 2,16 раза больше, чем объем основного металла. Ориентировочно, с некоторым запасом, можно принять, что, например, в трещинах раскрытием 2 мм уменьшение диаметра арматуры произошло на 1 мм, а в трещинах раскрытием 1,5 мм - соответственно 0,75 мм. В действительности степень коррозии меньше, но это пойдет в запас прочности, а надежность оценки прочности опоры будет выше.

Рис. 3.5. Расчетная схема, характеризующая напряженное состояние бетона σ_б и арматуры σ_а в опорах кольцевого сечения: 1 - сжатая зона; 2 - растянутая зона; 3 - арматура; 4 - трещина; 5 - корродированный стержень

Для оценки снижения прочности поперечных сечений опор в зависимости от месторасположения корродированных пучков или стержней получены расчетные формулы. Вывод их осуществлялся с учетом тех же допущений, что и при выводе формул, позволяющих рассчитывать прочность неповрежденных конструкций с равномерно распределенной по кольцу арматурой. При этом было принято, что граница между сжатой и растянутой зонами сечения проходит по линии радиусов, образующих угол 2Ф (рис. 3.5), а напряжения в растянутой арматуре и бетоне сжатой зоны достигают расчетных сопротивлений. Месторасположение корродированных стержней в сечении охарактеризовано полярными координатами - радиусом r_а(r_н) и центральным углом β. Полученные с учетом этого расчетные формулы имеют вид:

для опор со стержневой ненапряженной арматурой:

для струнобетонных опор:

где Rпр - призменная прочность бетона;

R'_а R_а - расчетные сопротивления стержневой арматуры соответственно в сжатой и растянутой зонах;

R_н - расчетное сопротивление высокопрочной проволочной арматуры;

F - площадь поперечного сечения бетона всей опоры;

F_н, F_а - площади поперечного сечения соответственно проволочной и стержневой арматуры;

f_а, f'_а - площади сечений скорродированной арматуры.

f_н, f'_н - площади сечений скорродированной арматуры.

Напряжения в арматуре сжатой зоны (в МПа) при напряжениях в бетоне, близких к разрушению,

Предварительное напряжение в арматуре σ₀ за вычетом всех потерь σ_п (релаксации напряжений, усадки и ползучести бетона и др.) применительно к эксплуатируемым опорам с достаточной степенью точности можно определить (в МПа) так:

где N - усилие напряжения пакета арматуры, определяемое по данным соответствующих типовых проектов опор.

Приведенная площадь поперечного сечения опоры

где n - отношение модуля упругости напрягаемой высокопрочной арматуры к модулю упругости бетона, близкое к 5.

Расчетное сопротивление R'_а во всех случаях следует принимать не более 3600 кгс/см² (360 МПа). Остальные прочностные характеристики арматуры и бетона определяются по таблицам Строительных норм и правил.

Проведенные механические испытания образцов арматуры, взятых из опор, у которых нет коррозионных разрушений, после 20-25 лет эксплуатации их в условиях европейской части страны, показали, что прочностные свойства арматуры соответствуют требованиям государственных стандартов. Изменение их, если оно и есть, очень невелико. Наоборот же, прочность бетона с течением времени снижается, особенно в надземной части. В подземной части опор бетон на 15-30% прочнее, чем в надземной. Выявить какую-либо закономерность в изменении прочности бетона с течением времени практически не удалось, да и вряд ли в дальнейшем удастся это сделать, так как эта характеристика бетона сильно варьирует даже в пределах одной опоры, не говоря уже об изменении ее в пределах партии. Кубиковая прочность бетона, полученная по данным испытаний образцов, вырезанных более чем из 50 опор, изменяется в пределах 280-720 кгс/см² (28-72 МПа), но в среднем близка к проектной. Призменная прочность опор, полученная как расчетным путем по данным испытаний кубов, так и по результатам непосредственных испытаний, оказалась не меньшей, чем установлено Строительными нормами и правилами для бетона марок М400 и М500. Поэтому в первом приближении расчеты можно выполнять, считая прочностные характеристики материалов, соответствующими принятым в проектах.

Базируясь на полученных экспериментальных данных, были проведены расчеты прочности центрифугированных опор с частично выключенной из работы арматурой. Результаты расчета показали следующее. В струнобетонных опорах выключение из работы одного пучка арматуры вполне допустимо. Если же допустить некоторое превышение напряжений в арматуре по отношению к расчетным сопротивлениям, например до нормативных значений, то оказывается возможным у опор мощностью 60-80 кН•м выключить из работы и два пучка арматуры. Правомочность этого теоретически обоснована В. П. Чирковым [56], который показал, что при многоэлементной арматуре общее разрывное усилие у нее всегда больше, чем произведение R^нfn (где R^н и f - соответственно нормативное сопротивление и площадь сечения одного стержня или проволоки; n - количество их). Объясняется это тем, что при большом количестве параллельно работающих элементов сопротивление их приближается к среднему значению, а не к минимально возможному, принимаемому за расчетное сопротивление.

С учетом этого можно допустить в центрифугированных опорах коррозию не одного, как это делалось раньше, а двух пучков арматуры в растянутой зоне. Проведенные механические испытания подтвердили это [46]. Если же окажется, что в каких-то крайне редких случаях прочность опор с двумя подвергшимися коррозии близко расположенными пучками арматуры значительно снизится, то в конструкциях при нормальной эксплуатационной нагрузке должны появиться поперечные трещины. Они будут в этом случае сигнализировать о неудовлетворительном состоянии конструкции. Поперечные трещины в опорах обычно появляются при нагрузках, составляющих 40-60% разрушающих.

Принимая изложенное во внимание, а также и то, что полного коррозионного разрушения всех струн в пучках, попадающих в продольные трещины, почти никогда не происходит, можно в эксплуатируемых опорах допускать две трещины в растянутой зоне. Длину их в средней части по высоте опоры ограничивать нецелесообразно, но раскрытие стоит нормировать. По условию обеспечения связи между отдельными элементами спиральной арматуры и сохранности ее ширина трещин в зоне максимального раскрытия, как показывают наблюдения, не должна превышать 1,4-1,6 мм. Если же в растянутой зоне находится не две, а одна трещина, то раскрытие ее может быть большим.

Одновременно с имеющимися в растянутой зоне продольными трещинами можно допустить до двух продольных трещин и в сжатой зоне. Коррозия арматуры в этом случае мало влияет на прочность сжатой зоны сечения. Но чтобы не допустить выключения из работы отсеченной трещинами ветви в результате выпучивания, необходимо содержать в сохранности спиральную арматуру в зоне трещин. Обеспечивается это ограничением размеров трещин. Ширина их максимального раскрытия не должна превышать 1,2-1,5 мм. В этом случае на большей части длины раскрытие не будет превышать 0,6-0,8 мм.

В целом в одном сечении должно быть не более четырех трещин, по две в растянутой и сжатой зонах. Нельзя эксплуатировать опоры с тремя-четырьмя трещинами только в растянутой или только в сжатой зоне.

Всего в опоре может быть и большее количество трещин, но при этом важно, чтобы в любом сечении было не больше указанного числа их.

В опорах со стержневой арматурой допустимое количество и длина продольных трещин должны быть такими же, как и у струнобетонных опор. Принципы работы этих двух классов опор одни и те же. Но ширина раскрытия продольных трещин в опорах со стержневой арматурой может быть большей, - чем в опорах с высокопрочной проволочной арматурой. Даже в трещинах большого раскрытия (до 2,5-3 мм) стержневая арматура, как показывают расчеты и наблюдения, имеет коррозионный износ не более чем на 25-30% по сечению при сроке эксплуатации опор 20-25 лет. С течением времени коррозионный процесс замедляется. К расчетному сроку службы (50 лет) степень износа стержней вряд ли превысит 45-50% по сечению. Ширина раскрытия трещин при этом должна увеличиться до 4-4,5 мм, если причиной их развития является давление продуктов коррозии. Но если развитие трещин происходит не из-за коррозии арматуры, а вследствие усадки бетона, арматура будет находиться в лучшем состоянии.

Уменьшение сечения стержневой арматуры в растянутой зоне должно приводить к более раннему развитию и увеличению ширины раскрытия поперечных трещин. Они будут сигнализировать о состоянии арматуры. Если ширина раскрытия поперечных трещин (в зоне расположения продольных) превысит 0,5-0,6 мм, опоры следует заменить. В противном случае их можно эксплуатировать.

Опасным может быть только случай, когда две трещины, расположенные на расстоянии 10-15 см одна от другой, отсекают в сжатой зоне длинную (более 1,3-1,5 м) полосу. Потеря связи этой полосы с остальной частью опоры может привести к выпучиванию ее при появлении расчетных нагрузок, как и у струнобетонных опор. Это необходимо учитывать. И чтобы не рисковать, лучше опоры с длинными, параллельно расположенными трещинами, раскрытием более 2 мм в сжатой зоне заменять. Количество опор с такими повреждениями очень мало, поэтому больших капиталовложений не потребуется.

В целом следует отметить, что продольные трещины в надземной части опор при расположении их между уровнем грунта и пятой консоли серьезной опасности, как это считалось раньше, не представляют. Общее количество опор с трещинами недопустимых размеров в целом по сети дорог невелико (менее 1%), но в дальнейшем это соотношение может измениться.

В отличие от рассмотренного случая трещины электрокоррозионного происхождения, которые в опорах раздельного типа тоже развиваются в надземной части (на уровне обреза фундамента), представляют значительно более серьезную опасность, особенно тогда, когда опоры армированы тонкой высокопрочной проволокой. Достаточно надежных методов определения состояния арматуры опор применительно к этим случаям не разработано. Поэтому даже при незначительных размерах трещин или отслоении бетона в опорах на уровне заделки их в фундаменты конструкции подлежат замене.

Из числа других повреждений, которые развиваются в надземной части центрифугированных опор и могут привести к значительному снижению прочности, следует отнести морозное разрушение бетона. Такие разрушения пока обнаруживаются в опорах, эксплуатируемых в районах с резко континентальным климатом (Красноярская и Свердловская дороги). В дальнейшем они будут отмечаться и в других районах страны. Внешними признаками морозного разрушения бетона могут быть разрыхление его, обнажение крупного и мелкого заполнителя, появление неориентированных трещин на рельефной поверхности. При простукивании такой бетон издает глухой звук. Снижение прочности его должно приводить к появлению поперечных трещин в растянутой зоне. Диагностировать разрушение бетона можно, но применительно к опорам эти методы пока не разработаны.

Судить о состоянии бетона внутри опор трудно. Практически можно фиксировать только разрушения его в наружных слоях. Как показывают расчеты, допускать уменьшение толщины стенок опор снаружи можно в пределах 5-6 мм у струнобетонных опор и до 10 мм у опор со стержневой арматурой, если прочность бетона при этом снизилась в незначительных пределах (не более чем на 10-15% по отношению к предусмотренной проектом).

Косвенными показателями снижения прочности бетона в опорах могут быть поперечные трещины. Поэтому при обнаружении признаков разрушения бетона нужно особенно тщательно следить за появлением трещин, не допуская их большого раскрытия. В дальнейшем с разработкой вибрационных методов диагностирования состояния опор, которые ведутся Всесоюзным научно-исследовательским институтом железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ), можно будет не только качественно, но и количественно определить работоспособность конструкций.

Остальные, часто встречающиеся в опорах повреждения, такие, как сетка трещин, повреждения гидроизоляции, не оказывают существенного влияния на прочность, но могут в дальнейшем привести к ускорению разрушительных процессов.

Оценивать состояние поврежденных опор следует в зависимости от того, насколько велики разрушения и как быстро они развиваются. Предельно допустимые размеры повреждений приведены в табл. 3.1. Повреждения меньших размеров относятся ко второй категории опасности, а больших - к третьей.

Таблица 3.1. Предельно допустимые размеры повреждений центрифугированных опор