m0955

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Рис. 2. Диаграмма состояния материала

Следующим этапом является разбиение расчетной области на конечные элементы (КЭ). На рис. 3 показана сетка КЭ.

Рис. 3. Разбиение расчетной области на КЭ

51

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

Далее необходимо внедрить контактные элементы. В работе использовалось два типа контактных (интерфейсных элементов):

1 тип – для моделирования взаимодействия бетона и арматуры; 2 тип – для моделирования взаимодействия сооружения с

грунтовым массивом.

После внедрения интерфейсных элементов в обязательном порядке необходимо проверить качество сетки КЭ и при необходимости внести изменения. В Midas GTS есть возможность автоматического контроля над качеством разбиения на КЭ. При необходимости можно внести соответствующие настройки и частично автоматизировать этот трудоемкий процесс.

Если сетка КЭ построена без грубых ошибок, то можно перейти к следующему этапу – заданию граничных условий (ГУ).

После задания ГУ можно перейти к формированию стадий загружения и настройке параметров расчета.

Далее наступает самый ответственный– анализ полученных результатов, который должен проводиться как с качественной, так и с количественной стороны. Как уже отмечалось, для количественной оценки полученных результатов необходимо предварительно перейти от распределенных по длине элемента напряжений к сосредоточенным усилиям. После получения усилий можно начать решение как прямой, так и обратной задачи по российским нормам проектирования.

Выводы по расчету железобетонных конструкций в Midas GTS:

–усилия, определенные по методике СП63.13330.2012 хорошо согласуются и подтверждаются результатами расчета в ко- нечно-элементном программном комплексе Midas GTS 2013;

–предлагаемая методика расчета железобетонных конструкций позволяет проводить расчеты с учетом особенностей работы железобетона и получать адекватные результаты, удовлетворяющие требованиям практики;

–Midas GTS позволяет пользователю добавлять собственные модели материалов, благодаря чему можно учесть характерные особенности работы практически любого материала(в рамках принятых допущений);

–использование Midas GTS для расчета железобетонных конструкций оправдано в том случае, когда рассматривается техническая система «сооружение – грунтовый массив».

52

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Библиографический список

1. СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции.

Научный руководитель канд. техн. наук, доц. Г.Н. Полянкин

К.В. Кобелев

(аспирант кафедры «Мосты»)

ПРОЕКТ УСИЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ КОЛОННЫ СИСТЕМОЙ ВНЕШНЕГО АРМИРОВАНИЯ ИЗ КОМОПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН В Г. НОВОСИБИРСКЕ

Увеличение действующих нагрузок, дефекты, проявившиеся в процессе эксплуатации, ошибки при проектировании, а также ошибки в процессе строительства обуславливают необходимость усиления железобетонных конструкций. Для усиления конструкций, работающих на сжатие, наиболее распространенными являются два основных способа – увеличение поперечного сечения путем созданияметаллических оболочек или бетонных рубашек. Такие способы позволяют повысить несущую способность сжатых элементов, однако они обладают рядом недостатков– высокая трудоемкость, необходимость использования кранового и другого оборудования, а так же изменение габаритных размеров элемента.

В последние 10–15 лет в России наряду с традиционными способами усиления железобетонных конструкций, все большее распространение приобретает использованиеполимерных композиционных материалов (ПКМ). Эти материалы обладают высокими прочностными и деформационными характеристиками (предел прочности, модуль упругости), близкими или превосходящими характеристики металлов. Наряду с этим полимерные композиционные материалы обладают низким удельным весом и малой толщиной (0,1–1,5 мм), что позволяет применять их в любых, даже стесненных условиях.

Композиционные материалы изготавливают на основе различных волокон – углеродных (высокопрочные и высокомодульные), базальтовых, арамидных и стекловолокон. Все эти волокна имеют различные прочностные и деформативные характеристики, что отображено на графике, приведенном на рис. 1.

53

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

Рис. 1. Диаграмма деформирования волокон и стали при растяжении

Как показали исследования, проведенные в России и за рубежом, для усиления несущих элементов мостовых конструкций, наиболее подходят материалы на основе углеродных волокон, в связи с тем, что их модуль упругости совпадает или превосходит модуль упругости стали.

Усиление сжатых железобетонных элементов композиционными материалами осуществляют созданием оболочки (обоймы) по трем основным схемам:

-сплошная оболочка по всей высоте колонны с перпендикулярным расположением волокон относительно оси колонны;

-усиление отдельными кольцами (бандажами);

-усиление наклейкой холстов с произвольным расположением волокон (спиральное).

Наиболее эффективным является усиление колонн круглого поперечного сечения, так как в таком сечении отсутствуют концентраторы напряжений, и поперечные деформации бетона равномерно воспринимаются оболочкой. Усиление колонн прямоугольного сечения осложняется наличием углов, которые являются концентраторами напряжений и создают в сечениинеусиленные области. На рис. 2 приведены круглое и прямоугольное сечения усиленные полимерными композиционными материалами.

54

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Рис. 2. Поперечные сечения усиленные ПКМ:

а – круглое поперечное сечение; б – прямоугольное сечение

Величина радиуса скругления углов в прямоугольном сечении влияет на величину зон, не воспринимающих усиление. Увеличение величины позволяет наиболее эффективно использовать прочностные характеристики композиционных материалов.

Вкачестве примера применения композиционных материалов для усиления сжатых железобетонных конструкций приведем усиление колонныв г. Новосибирске. В августе 2013 г. были проведены работы по усилению колонны строящегося гостиничного комплекса. Необходимость проведения работ по усилению была обусловлена низким, не совпадающим с проектным, классом бетона. Целью усиления стало повышение несущей способности колонны.

Объект усилениярасположен на четвертом этаже строящегося гостиничного комплекса, в крайнем ряду колонн, что ограничивало проектировщиков в применении традиционных способов усиления, которые нарушили бы габариты строящегося здания. Колонна имеет прямоугольное поперечное сечение с размерами 0,4×0,5 м. Высота колонны составляет 2,8 м. Армирование колонны выполнено арматурой периодического профиля класса А 500 С диаметров 28 мм. Проектный класс бетона – В 30.

Для определения фактической прочности бетона была проведена экспертиза с использованием неразрушающих методов контроля. Экспертиза показала, что фактическая прочность бетона составляет 12,5 МПа.

Всоответствии с данными, предоставленными генеральным проектировщиком здания, наибольшие внутренние усилия действуют в верхнем сечении колонны и изменяются по величине, но постоянны по направлению. Для обоснования необходимости про-

55

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

ведения мероприятий по усилению колонны был проведен расчет в модуле «Арбат», входящего в состав системы «SCAD Office».

Исходя из вышесказанного, было принято решение использовать в качестве конструкции усиления систему внешнего армирования из композиционных материалов на основе углеродного волокна. Для усиления была принята смешанная схема наклейки холстов композиционного материала. Для увеличения несущей способности колонны на сжатие, наклеивали обойму с перпендикулярным расположением волокон относительно оси колонны, а для восприятия максимальных изгибающих моментов, действующих в верхнем сечении, на две грани колоннынаносилиотдельные холсты с параллельным расположением волокон относительно оси колонны (рис. 3). Применение наклейки холстов с параллельным расположением волокон только в верхнем сечении -ко лонны обусловлено отсутствием необходимости восприятия изгибающих моментов в нижнем сечении внешнем армированием (в соответствии с проверкой, проведенной в модуле «Арбат»).

Рис. 3. Схема усиления

Подбор необходимого количества композиционного материала обоймы вели исходя их условия приближения прочности бетона усиленного композиционным материалом на сжатие(Rbf) к проектной прочности бетона колонны. Определение количества

56

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

холстов с продольным расположением волокон вели из условия длины заводки за место теоретического обрыв холста и возможности расположения. Расчет осуществляли на основании методики описанной в «Руководстве по усилению железобетонных конструкций композиционными материалами» и проекте Свода правил, составляемом ОАО «НИЦ Строительство» НИИЖБ, ЗАО «Триада – Холдинг» и др.

По результатам расчета обойма из композиционного материала – холста из углеродных волокон толщиной0,293 мм – устанавливали по всей высоте колонны в три слоя с расположением волокон перпендикулярно продольной оси колонны. Полосы холста с расположением волокон вдоль оси колонны наклеивали в верхней части колонны в два слоя.

С целью максимального использования прочностных характеристик композиционного материала усиления в проекте усиления были предусмотрены работы по скруглению углов колонны. Необходимый радиус скругления составил 6,5 см.

Монтаж системы внешнего армирования включил в себя следующие этапы:

Подготовительный этап:

–очистка поверхностей колонны щетками от пыли и грязи;

–стесывание неровностей;

–разметка поверхности колонны под скругление углов;

–скругление углов (радиус 6,5 см);

–заполнение ремонтным составом выбоин;

–снятие ремонтного состава под габариты колонны;

–обеспыливание поверхности;

–обезжиривание поверхности;

–разметка поверхности колонны под наклейку холста;

–нанесение праймера (грунтовка для подготовки поверхности). Этап монтажа системы внешнего армирования:

–наклейка холста;

–нанесение поверхностного слоя адгезива; Заключительный этап:

–обсыпка кварцевым песком;

–нанесение огнезащитного покрытия.

Фотографии основных операций по установке системы внешнего армирования на основе углеродных волокон приведены на рис. 4.

57

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

Рис. 4. Основные операции производства работ по установки системы внешнего армирования на основе углеродных волокон:

а– наклеивание холста с продольным расположением волокон;

б– наклеивание холста с поперечным расположением волокон;

в– нанесение защитного клеевого слоя; г – обсыпка кварцевым песком

Необходимость нанесения огнезащитного состава обусловлена требованием ко времени в ходе, которого колонна может воспринимать горение без потери несущей способности. Вид колонны до и после усиления приведен на рис. 5.

58

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Рис. 5. Вид колонны до и после усиления:

а– до усиления (после подготовки поверхности);

б– после усиления (до нанесения огнезащитного слоя)

Применение выбранной конструкции усиления позволило повысить расчетную прочность бетона на сжатие до 17,5 МПа, а так же обеспечить восприятие максимальных изгибающих моментов в обеих плоскостях в верхнем сечении колоны.

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

А.О. Кузнецов

(аспирант кафедры «Тоннели и метрополитены»)

ОСОБЕННОСТИ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА ВРЕМЕННОГО КРЕПЛЕНИЯ АВТОДОРОЖНЫХ ТОННЕЛЕЙ ПОД ДЕЙСТВУЮЩИМИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫМИ ПУТЯМИ

При современном темпе развития автотранспортных развязок часто возникает потребность в строительстве подземных сооружений (путепроводы тоннельного типа, автодорожные тоннели, водопропускные трубы) в условиях интенсивного движения же-

59

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

лезнодорожного и автодорожного транспорта, а так же в условиях плотной городской застройки. Задача, поставленная перед проектировщиками, строителями и контролирующими органами, свести к минимуму осадки земной поверхности при строительстве подобных геотехнических объектов. Одним из оптимальных решений строительства является применение специальных методов проходки, в частности: применение опережающей временной крепи в виде экранов из труб, а так же предварительных укрепительных мер для стабилизации грунтового основания, как до начала выполнения работ, так и во время их производства.

Целью данной работы является доработка методики расчета временного экрана из труб с учетом укрепленного ядра при проходке путепровода тоннельного типа. Сравнение вариантов расчета с использованием методов аналитического и численного решений.

Существующие методы учета временной крепи[1] не в полной мере учитывают поведение грунтового массива при строительстве подземных сооружений, что приводит к необходимости детального изучения вопросов проектирования временных поддерживающих конструкций при строительстве сложных подземных транспортных сооружений.

Данный расчет применялся при проектировании объекта строительства путепровода тоннельного типа на трассе Барышево – Орловка – Кольцово. Поселок Барышево и наукоград Кольцово отрезаны от города Новосибирска. Даже в выходные дни на единственном железнодорожном переезде наблюдается скопление машин, с интенсивностью движения поездов до110 пар в сутки переезд закрывается в среднем каждые7 минут, в часы пик такой интервал превращает скопление машин в пробку на несколько часов. Впервые вопрос о строительстве путепровода был поднят порядка30 лет назад.

Так как проектная документация путепровода была выполнена более 20 лет назад, то возникла необходимость переработки проекта в связи с изменением инженерно геологических условий, появлением новых технологий строительства, изменением нормативных документов, а как следствие– несоответствие существующего проекта требованиям государственной экспертизы.

По разрабатываемому проекту предусматривается строительство закрытым способом4-х очкового автодорожного тоннеля

60