К.З.ГАЛУСТОВ, главный научный сотрудник ОАО НИИЭС РАО ЕЭС, Трещиностойкость предварительно напряженных железобетонных водоводов большого диаметра (посвящается 110-й годовщине со дня рождения Алексея Алексеевича Гзоздева)

Сборные железобетонные водоводы большого диаметра (7,5-9,0 м) обычно используются на ГАЭС - гидроаккумулирующих электростанциях для повышения устойчивости работы базовых электростанций (АЭС и ТЕС) при неравномерном суточном потреблении электроэнергии. Анализ конструктивных решений высоконапорных водоводов показал, что наиболее экономичными и надежными являются предварительно напряженные железобетонные водоводы.

В СССР на Загорской ГАЭС был сооружен сталежелезобетонный водовод, а на Кайшадарской и др. ГАЭС намечалось построить высоконапорные водоводы из предварительно напряженного железобетона. Режим работы ГАЭС предусматривает функционирование водовода при периодически изменяющихся нагрузках (с полным опорожнением водовода- разгрузкой).

Процесс изготовления сборных колец водовода обычно осуществляется по трехступенчатой технологии, которая предусматривает изготовление железобетонного сердечника с внутренней герметизирующей облицовкой. После термообработки и набором бетона необходимой прочности производится обжатие кольца путем навивки на него высокопрочной проволоки. Наконец, обеспечивают устройство защитного слоя бетона.

Практика показала, что от момента изготовления железобетонных колец до сборки трубопровода и начала эксплуатации ГАЭС проходит большой промежуток времени, превышающий период интенсивного старения бетона. Это позволяет при расчете водовода процессом старения бетона пренебречь.

Обычно длина трубопровода измеряется сотнями метров, при большом перепаде высот между верхним и нижним бассейнами, следовательно внутреннее давление в железобетонных кольцах низовой части и верхней части трубопровода сильно отличаются.

Можно сформулировать условия, которые необходимо учитывать при расчете железобетонного водовода ГАЭС.

• Железобетонные кольца водовода к моменту начала эксплуатации находятся в старом возрасте и при расчете старением бетона можно пренебречь.

• Величина внутреннего давления в водоводе нижних секций трубопровода и верхних его секций сильно отличается как по величине внутреннего давления, так и по величине предварительного напряжения.

• Водовод во время эксплуатации ГАЭС периодически целиком освобождается от воды, т. е полностью разгружается, что требует его рассчитывать на периодически изменяющуюся нагрузку.

• В нижних секциях водовода уровень максимального напряжения в бетоне обычно превышает уровень 0,4 Rnl, (от призменной прочности бетона), т.е. при расчете водовода с учетом ползучести бетона следует использовать нелинейную теорию ползучести бетона.

Для разработки метода расчета длительной трещиностойкости и прогнозирования перераспределения напряжений между бетоном, облицовкой и арматурой во времени следует использовать нелинейную теорию ползучести бетона. Методика расчета построена на базе общей нелинейной теории ползучести бетона, названной А.А.Гвоздевым двухкомпонентной теорией ползучести бетона [3-6].

Для решения поставленной задачи рассмотрим сечение железобетонного кольца (секции) трубопровода большой (бесконечной) длины. В качестве расчетной примем схему, изображенную на рисунке.

Как отмечалось выше, сечение секции водовода состоит из железобетонного сердечника (с герметизирующей металлической облицовкой). Предварительно напряженная арматура, навиваемая на железобетонный сердечник, представлена в виде фиктивного обода, обжимающего железобетонный сердечник (кольцо).

Нормальные напряжения в бетоне a& (t) и Oso(t), а также радиальные перемещения в железобетонном слое vb(t) в результате предварительного напряжения выразятся через давление g(t) и P(t) следующим образом:




Зная характер изменения функции релаксации напряжений в бетоне из (8), по формуле (13) можно вычислить функцию изменения напряжений в герметичной и обычной арматуре. Как видно из (13), вследствие ползучести бетона, помимо потерь напряжения, в напрягаемой арматуре происходит перераспределение во времени усилий между герметичной облицовкой, кондукторной арматурой и бетоном. Напряжения в напрягаемой арматуре и бетоне убывают, а напряжения в облицовке и кондукторной арматуре возрастают.

Если после продолжительного времени водовод будет заполнен водой и появится внутреннее давление, равное P(t) = ag(t), при разгрузке и перераспределении напряжений в бетонном сечении секции кольца могут возникнуть трещины. Напряжения в бетоне складываются из оставшейся части давления от предварительного напряжения (1 - а)д(т2) и разности упругих деформаций облицовки и бетона в момент создания внутреннего давления Р( т,).

Критерий трещинообразования выразится следующим образом:



Исследования показали, что максимальные растягивающие напряжения возникают при Р(г2) д(т2), а также при минимальном коэффициенте релаксации бетона. Это, в свою очередь, связано с наибольшей деформативной способностью бетона, а также наибольшего отдаления момента предварительного напряжения колец от момента подачи давления (воды) в водоводе. Из полученных формул видно, что растягивающие напряжения в бетоне также зависят от коэффициента армирования, уровня напряжений в бетоне и степени нелинейности деформирования бетона.

Автором были выполнены расчеты нескольких вариантов сталежелезобетонных предварительно напряженных железобетонных водоводов ГАЭС. Рассчитаны два типа конструкций трубопроводов: с герметичной облицовкой толщиной 10 мм, расположенной на внутренней поверхности кольца (вариант 2) и с герметичной облицовкой толщиной 3 мм, расположенной в середине сечения железобетонного кольца (вариант 1) (цаЦ =0,0177; Fob =30 cm2; ЕоЬ =210000 МПа). Геометрические размеры колец следующие: внутренний диаметр 7,5 м, наружный диаметр 8,5 м. Навиваемая арматура - высокопрочная проволока диаметром 5 мм. Бетон тяжелый В40, подвергаемый термообработке.

Расчеты показали, что в варианте 2 напряжения в герметичной облицовке, вследствие перераспределения напряжения между бетоном и металлом, вызванного ползучестью бетона, достигают предела текучести и переходят в область пластического деформирования еще до начала эксплуатации водовода (см. таблицу)-

Наличие большого количества сварных швов в облицовке приведет к тому, что облицовка (со временем) не будет обеспечивать герметичность водовода.


Исследования показали, что при проектировании предварительно напряженных водоводов ГАЭС необходимо выполнять расчет трубопровода с учетом влияния ползучести бетона. В противном случае эксплуатационная надежность и долговечность трубопровода будет не обеспечена, хотя формально конструкция удовлетворяет требованиям СНиП.

Для обеспечения успешной эксплуатации ответственных инженерных сооружений необходимо проводить расчеты с оценкой их надежности и безопасности. В работах В.М.Бондаренко, С.В.Бондаренко [1], В.М.Бондаренко и А.В.Боровских [2] изложены инженерные методы расчета, позволяющие учитывать нелинейность деформирования бетона, а также коррозионные и другие повреждения сооружений. Проектировщикам следует пользоваться упомянутыми выше методами расчета сооружений, что позволит обеспечить безопасную их эксплуатацию.

Бетон и железобетон, 2007 №2