722

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

а)

б)

в)

Рис. 6. Сечения усиленных образцов:

а – вторая группа; б – третья группа; в – четвертая группа

Цель испытаний: уточнить (или разработать новую) методику расчета выносливости элементов железобетонных конструкций, работающих на многократное приложение нагрузок.

Задачи испытаний:

–разработка программы испытаний;

–проведение экспериментов;

–обработка результатов;

–переработка (или разработка новой) аналитической модели;

–создание регламента наиболее рационального способа увеличения несущей способности сечений.

Программа испытаний. Временные обращающиеся нагрузки на железных дорогах Российской Федерации в мостовых переходах вызывают напряжения, составляющие 50–70 % от их предельной прочности. Число образцов в каждой группе было выбрано так, чтобы иметь возможность максимально охватить эти границы напряжений при минимальном числе образцов. Пределы усилий для каждого неусиленного образца(максимальные и минимальные напряжения, коэффициент асимметрии) также выбраны, чтобы соответствовать этому условию.

Каждый образец испытывался при следующих характеристи-

ках:

–коэффициент асимметрии

r	=	sb, min		= 0,3;	(12)
b		s	b, max

– частота нагружения 8,48 Гц;

141

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

– максимальные напряжения:

	sb , max = 0,45Ri ,	sb , max = 0,55Ri ,
	1	1	(13)
	sb , max = 0,65Ri ,	sb , max = 0,75Ri ,
	1	1

где Ri – разрушающее напряжение, по результатам статических испытаний, от разрушения по моменту для неусиленных образцов.

Испытания проводились на пресс-пульсаторе ГРМ-2А (рис. 7).

Рис. 7. Пресс-пульсатор ГРМ-2А

Динамические испытания. Отказ всех неусиленных образцов происходил при разрыве крайнего стержня.Вид, параметры и результаты испытаний неусиленных образцов приведены на рис. 8, 9, 10, 11. Параметры испытаний и их результаты приведены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты динамических испытаний неусиленных образцов

Серия	Pпред, кН	Pпред/Pmax	r	Pmax, кН	Pmin, кН	N
В1-1	79,76	0,45	0,30	35,90	10,79	660931
В1-2	79,76	0,55	0,30	43,85	13,15	135341
В1-3	79,76	0,65	0,30	51,80	15,60	38669
В1-4	79,76	0,75	0,30	59,84	17,95	63600

142

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Рис. 8. Образец В1-1

Рис. 9. Образец В1-2

Рис. 10. Образец В1-3

Рис. 11. Образец В1-4

143

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Отказ усиленных образцов В2-1, В2-3, В2-4 произошел по отслоению холста по слою грунтовки, причем холст на образцах В2-3 и В2-4 отслоился при первом нагружении (N = 1). Образец В2-1 дал отказ еще до разрыва арматурного стержня. Отказ образца В2-2

произошел вследствие усталостного разрушения по наклонной трещине (при первом нагружении образовалась трещина, которая увеличилась за время испытания). Вид, параметры и результаты испытаний усиленных образцов приведены на рис. 12, 13, 14, 15 и в табл. 2.

Таблица 2

Результаты динамических испытаний усиленных образцов

Серия	Pпред, кН	Pпред/Pmax	r	Pmax, кН	Pmin, кН	N
В2-1	210,23	0,45	0,30	94,57	28,35	42721
В2-2	210,23	0,55	0,30	115,66	34,73	35599
В2-3	210,23	–	–	134,40	–	1
В2-4	210,23	–	–	90,25	–	1

Рис. 12. Образец В2-1

144

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Рис. 13. Образец В 2-2

Рис. 14. Образец В2-3

Рис. 15. Образец В2-4

Как оказалось по результатам динамических испытаний, применение грунтовки на эпоксидной основе для подготовки поверхности приводит к отслоению холста. Учитывая то, что наклейка холстов на образцы(в соответствии с технологией, утвержденной производителем) производилась в два захода (т.е. было два разных «замеса»), исключается человеческий фактор, другими словами, неправильные пропорции смесей. Также отслоение холста по слою грунтовки наблюдалось при статических испытаниях усиленных образцов. Во время испытаний образца В2-2 наблюдалось характерное «потрескивание» клеевого шва.

Для уточнения методики необходимо проведение экспериментов, результаты которых позволят сделать вывод об усталостной жизни железобетонных балок, усиленных композиционными материалами, и их систем закрепления. Кроме того, необходима проверка других схем усиления, таких как U-образная обойма и применение ламелей.

145

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Список литературы

1.Standard Test Method for Tension-Tension Fatigue of Polymer Matrix Сomposite. ASTM D3479/D3479M–96 (reapproved 2002).

2.Руководство по определению грузоподъемности железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов. М.: Транспорт, 1989.

3.Руководство по пропуску подвижного состава по железнодорожным мостам. М: Транспорт, 1995.

4.СП 35.13330.2011. Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНИП 2.05.03–84*. М.: ЦНИИС, 2011. 340 с.

5.Смердов Д.Н. Оценка несущей способности железобетонных пролетных строений мостов, усиленных композитными материалами: Дис. … канд. техн. наук. Новосибирск, 2010. 159 с.

Научный руководитель д-р техн. наук, проф. С.А. Бокарев

П.А. Сеньчиков

(факультет «Мосты и тоннели»)

УСИЛЕНИЕ ГЛАВНЫХ БАЛОК ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ КОМПОЗИЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

На сети автомобильных дорог Российской Федерации установлено более сорока тысяч железобетонных пролетных строений, различающихся конструктивными решениями, нормами проектирования, технологией сооружения и эксплуатирующихся в различных климатических условиях. С течением времени конструкции перестают отвечать требованиям безопасной эксплуатации. Необходимость в усилении может быть вызвана разными причинами. Это постоянно растущие нагрузки (например, в 2007 г. произошел переход от расчетной нагрузки 11А к нагрузке А14 [1]), ошибки проектирования, дефекты конструкции, а также повреждения, полученные во время эксплуатации. Все эти причины

могут накладывать ограничения на пропуск обращающихся нагрузок через искусственное сооружение вплоть до перекрытия движения. Существуют разные способы решения этой проблемы: увеличение площади поперечного сечения, усиление с помощью

146

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

дополнительных элементов – шпренгелей, изменение статической схемы, замена пролетных строений и другие. Мировой опыт показывает, что при необходимости усиления главных балок по изгибающему моменту высокую эффективность имеет наклеивание на растянутую грань бетона высокопрочных волокон(углеволокон, стекловолокон, арамидных волокон). Из трех типов материалов, используемых для усиления, универсальным и часто применяемым является углепластик(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP). Этот материал имеет лучшие характеристики с точки зрения реальных условий эксплуатации(особенно в конструкциях на открытом воздухе) и обладает стойкостью к агрессивным средам. На рис. 1 приведены диаграммы деформирования материалов, из которых видна эффективность использования именно углеродных волокон за счет большего включения в работу конструкции при деформировании благодаря высокой жесткости материала. Этот материал и был принят для усиления.

Рис. 1. Диаграммы деформирования материалов

Однако в России этот способ усиления пока не получил широкого применения из-за отсутствия технических условий по его использованию и инженерной методики расчета железобетонных элементов, усиленных композиционными материалами, основанной на отечественных принципах проектирования конструкций мостов. Поэтому были поставлены следующие задачи:

1) разработка методики расчета по изгибающему моменту в нормальном сечении усиленных железобетонных конструкций с возможностью разрыва и отслоения элементов усиления;

147

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

2) разработка эффективной и технологичной конструкции усиления железобетонных пролетных строений для типичного для Новосибирской области автодорожного моста (мост через канал на 35 км дороги Новосибирск – Кочки – Павлодар).

В рамках решения первой задачи была разработана методика расчета нормального сечения усиленного железобетонного элемента на воздействие изгибающего момента на основе метода предельных состояний, описанного в СП 35.13330.2011 «Мосты и трубы» [1]. По этой методике рассматривается предельное состояние конструкции по нормальному сечению, при котором растянутая и сжатая арматура, композиционный материал и сжатый бетон одновременно достигли предела прочности. Приведенное геометрическое сечение и распределение напряжений в нем показаны на рис. 2. Сжатую арматуру учитывают полностью, не учитывают или учитывают с понижающим коэффициентом. Следует отметить, что по методике расчета по нормам американского ин-

ститута бетона ACI 440.2R-02 и ACI 440.2R-08 [2] получены ре-

зультаты, аналогичные результатам расчета по методике -пре дельных состояний. Предельные относительные деформации в композите, даже с учетом понижающего коэффициента, обычно больше, чем относительные деформации текучести в арматуре, что видно из рис. 1.

Рис. 2. Приведенное нормальное геометрическое сечение балки и распределение напряжений в нем при достижении

предельного состояния

Возможность разрушения сечения по сжатому бетону до достижения предельного состояния следует исключить введением ограничения относительной высоты сжатой зоны ее предельно допустимым значением ξпред, как и в СП 35.13330.2011 «Мосты и

148

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

трубы» [1]. Также необходимо учесть начальное напряженное состояние сечения, при котором производится усиление конструкции без разгрузки от собственного веса. Для этого используем формулу, приведенную в [3]:

M уб = M + (M у - M )	M k	,	(1)
	M

где Муб – несущая способность усиленного сечения без разгрузки от собственного веса, кН∙м; М – несущая способность неусиленного сечения, кН∙м; Му – несущая способность усиленного сечения с разгрузкой от собственного веса, кН∙м; Мk – момент, возникающий в нормальном сечении, от действия временной нагрузки, кН∙м.

В предельном состоянии

Мр + Мk = М,

(2)

где Мр – момент, возникающий в нормальном сечении от действия постоянной нагрузки, кН∙м.

Возможность отслоения материала усиления между трещинами была учтена понижением предельного напряжения в композиционном материале в соответствии с рекомендациями[2]. Для учета требований отечественных норм [1] формула для расчета предельного напряжения преобразована к следующему виду в зависимости от класса бетона конструкции B, модуля упругости композиционного материала Ef и суммарной толщины слоев усиления ntf:

s fu = E f e fd = 0,45	BEf £ 0,9Rf .	(3)
	ntf

Для проверки и возможной корректировки предлагаемой методики были проведены испытания усиленных по нескольким схемам железобетонных образцов на изгиб. Схемы усиления представлены на рис. 3.

Образцы запроектированы таким образом, чтобы разрушение происходило по изгибающему моменту. Армирование образцов представлено на рис. 4.

149

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Рис. 3. Схемы усиления балок

Рис. 4. Схема армирования балок

Для разработанной методики, а также методики, описанной в

ACI 440.2R-08 [2], и			расчета с использованием метода упругих
решений была написана программа в средеDelphi 7, реализующая
соответствующие			алгоритмы. Необходимость		автоматизации
расчетов обусловлена тем, что нахождение высоты сжатой зоны
бетона	в	двух	методиках	предусматривает		использование
итерационного процесса. Результаты расчетов разными методами
оказались		схожи	между собой. Все	расчеты	дали	запас по

прочности относительно экспериментальных данных от 9 до 28 % в зависимости от схемы усиления. Результаты расчетов, испытаний и анализа модели метода конечных элементов(МКЭ), описанного ниже, приведены в таблице.

Также было произведено моделирование работы усиленных образцов в конечно-элементном (КЭ) комплексе ANSYS. Моделирование КЭ-модели позволило получить более обширные данные об особенностях деформирования и разрушения элементов.

150