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 01.01.1981 г.

Рецензенты: кафедра гидротехнических сооружений Одесского инженерно-строительного института; канд. техн. наук, доц. Московского инженерно-строительного института В.О. Алмазов.

От авторов
Введение

1. Механические свойства бетона
1.1. Общие сведения
1.2. Водонепроницаемость и морозостойкость бетона
1.3. Прочностные свойства бетона
1.4. Деформативные свойства бетона
1.5. Деформации бетона от изменений температуры и влажности

2. Арматура железобетонных конструкций гидротехнических сооружений
2.1. Назначение арматуры и ее виды
2.2. Механические и деформативные свойства арматурной стали. Классы и марки арматуры
2.3. Стыки арматуры и отгибы
2.4. Сцепление арматуры с бетоном. Анкеровка арматуры 
2.5. Размещение арматуры в конструкции. Защитный слой

3. Основные расчетные положения и нагрузки
3.1. Стадии напряженного состояния железобетонных элементов при изгибе
3.2. Виды статических расчетов
3.3. Оценка прочности и метод предельных состояний
3.4. Некоторые виды специфических нагрузок, действующих на гидротехнические сооружения

4. Расчет прочности элементов бетонных и железобетонных конструкций. (Предельное состояние первой группы)
4.1. Прочность бетонных элементов
4.2. Расчет прочности сечений железобетонных элементов, нормальных к продольной оси
4.3. Некоторые особенности подбора сечений арматуры
4.4. Общие сведения о сопротивлении железобетонных элементов поперечным силам
4.5. Расчет поперечной арматуры по главным растягивающим напряжениям
4.6. Расчет прочности наклонных к продольной оси элемента сечений на действие поперечной силы и изгибающего момента
4.7. Некоторые сведения о преднапряженных конструкциях и расчете их прочности
4.8. Расчет железобетонных элементов на выносливость

5. Расчет железобетонных элементов по образованию и раскрытию трещин. Жесткость при изгибе. (Предельные состояния второй группы)
5.1. Расчет по образованию трещин
5.2. Общие сведения об образовании и развитии трещин в бетоне
5.3. Расчет раскрытия трещин
5.4. Определение напряженного состояния железобетонных элементов после образования трещин в растянутой зоне бетона
5.5. Определение жесткости железобетонных элементов при изгибе

6. Влияние водной среды на бетонные и железобетонные конструкции
6.1. Влияние воды на механические свойства бетона
6.2. Силовое воздействие воды

7. Конструирование арматуры гидротехнических сооружений
7.1. Общие сведения
7.2. Армоконструкции гидросооружений и армопанели
7.3. Некоторые особенности расчета железобетонных конструкций, армированных армоконструкциями и железобетонными элементами

8. Температурные усилия и напряжения в бетонных и железобетонных конструкциях
8.1. Общие сведения о расчете конструкций на температурные воздействия
8.2. Факторы, вызывающие температурные напряжения в бетоне
8.3. Уравнения теплопроводности
8.4. Сложение температурных полей
8.5. Распределение температур в стене при гармонических колебаниях температуры поверхности
8.6. Применение метода конечных разностей для решения задач теплопроводности
8.7. Учет граничных условий в методе конечных разностей
8.8. Определение плоского температурного поля методом конечных разностей
8.9. Графический метод построения одномерного температурного поля
8.10. Уравнения теории термоупругости
8.11. Понятие о потенциале термоупругих перемещений
8.12. Определение температурных напряжений в длинной плите со свободными торцами
8.13. Плоская задача термоупругости
8.14. Задача о температурных напряжениях в массивных бетонных стенах, разрезанных на секции
8.15. Некоторые сведения об учете ползучести и старения при определении температурных напряжений
8.16. Теории ползучести
8.17. Приближенный метод решения уравнений ползучести
8.18. Характер термонапряженного состояния бетонных элементов в строительный период
8.19. Расчет конструкций из массивных железобетонных плит на температурные воздействия
8.20. Расчет плит на податливом основании на температурные воздействия

9. Железобетонные камеры шлюзов
9.1. Конструирование камер шлюзов
9.2. Нагрузки, действующие па камеру шлюза
9.3. Основные схемы расчета камер докового типа
9.4. Рекомендации по армированию камер шлюзов

10. Подпорные стены
10.1. Конструкции подпорных железобетонных стен
10.2. Основные положения статического расчета
10.3. Расчет и армирование безреберных уголковых подпорных стен
10.4. Расчет и армирование ребристых уголковых подпорных стен

11. Железобетонные акведуки
11.1. Конструктивные схемы акведуков
11.2. Общие сведения о расчете железобетонных акведуков
11.3. Расчет и армирование лотка в поперечном направлении
11.4. Расчет и армирование лотка в продольном направлении
11.5. Расчет и армирование промежуточных опор

12. Железобетонные дюкеры
12.1. Общие сведения и конструктивные схемы дюкеров
12.2. Расчет трубы дюкера в поперечном направлении
12.3. Расчет и армирование трубы в продольном направлении
12.4. Расчет и армирование оголовка дюкера

13. Железобетонные набережные типа больверк
13.1. Разновидности больверков и их главные конструктивные элементы
13.2. Основы статического расчета главных конструктивных элементов больверков
13.3. Общие положения расчета прочности и армирование главных конструктивных элементов больверков

14. Железобетонные причалы эстакадного типа
14.1. Конструкции причалов
14.2. Основные положения проектирования и статического расчета причалов эстакадного типа
14.3. Расчет и армирование эстакад

15. Железобетонные плотины
15.1. Общие сведения
15.2. Виды нагрузок и расчетные схемы железобетонных плотин
15.3. Армирование плотин, возводимых на нескальном основании

16. Подводная часть здания гидроэлектростанции
16.1. Общие сведения
16.2. Прочность здания станции в поперечном направлении
16.3. Прочность здания станции в продольном направлении
16.4. Расчет конструкции водоприемников русловых ГЭС
16.5. Железобетонные спиральные камеры
16.6. Расчет высоконапорных железобетонных спиральных камер и трубопроводов
16.7. Отсасывающая труба

Список литературы

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.

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 • 10^-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 стены, 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 прпменения 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 и 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 [Имеются примеры удачного использования предварительного напряжения массивных конструкций: камер шлюзов, крупных подпорных стен, плотин.].

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.

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.