722

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Окончание табл. 2

131

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Таблица 4

усилиях в свае (в уровне поверхности грунта) – поперечной силе H и изгибающем моменте M — следует вычислить соответствующие

этим усилиям их предельные значения по приведенным в данной статье формулам (12) и (13). Параметры H0 и M0 можно определить из таблиц, образец которых приведен в данной работе.

Разработанная методика оценки несущей способности сваи на горизонтальную и моментную нагрузки предлагается для практического использования при проектировании свайных фундаментов, в том числе фундаментов транспортных сооружений.

Список литературы

1.СНиП 2.02.03–85. Свайные фундаменты. М., 1986.

2.СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фунда-

ментов. М., 2004.

132

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

3. Силин К.С., Глотов Н.М., Завриев К.С. Проектирование фундамен-

тов глубокого заложения. М.: Транспорт, 1981. 252 с.

Научный руководитель канд. техн. наук, доц. К.В. Королев

Д.В. Проценко

(факультет «Мосты и тоннели»)

ВЫНОСЛИВОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МОСТОВ,

УСИЛЕННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

На сети железных дорог эксплуатируется более 40 тысяч железобетонных пролетных строений, которые рано или поздно исчерпают свой срок службы. Отказ таких конструкций может происходить по многим причинам: недостаточная прочность арматуры или бетона, коррозия арматурных стержней, исчерпание усталостного ресурса материалов, попеременное замораживание/оттаивание, приводящее к снижению прочностных характеристик, выщелачивание бетона и т.д.

Выносливость материалов является одной из ключевых -ха рактеристик материала, так как приложение циклических, даже непредельных переменных, или постоянных нагрузок, может привести к усталости материала и возможному ее отказу. Для повышения долговечности элементов конструкций городских транспортных сооружений (мостов, путепроводов и т.д.) можно использовать композиционные материалы, способные работать в условиях воздействия длительных статических и динамических нагрузок. В зарубежной практике такой способ усиления прочности, ударо- и огнестойкости, защиты от различных химических факторов считается уже обыденным. Так как никаких российских нормативных документов, позволяющих хоть как-то определить усталостный ресурс железобетонных конструкций, усиленных композиционными материалами, нет, актуальным является вопрос расчета усиленных конструкций на выносливость.

Цель работы: определить наиболее рациональный способ усиления элементов железобетонных конструкций, работающих

133

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

на многократное приложение нагрузок, композиционными материалами и разработать методику расчета их на выносливость.

Задачи:

–анализ существующего опыта и теоретических знаний по изучаемому вопросу;

–разработка методики расчета железобетонных элементов, усиленных композиционными материалами, на выносливость (определение усталостного ресурса);

–проведение лабораторных и натурных экспериментов;

–получение математической модели работы на выносливость элементов железобетонных конструкций, подвергающихся многократным приложениям нагрузок, усиленных композиционными материалами;

–разработка рекомендаций по наиболее рациональным способам увеличения усталостного ресурса железобетонных -кон струкций, усиленных композиционными материалами.

Для более подробного изучения вопроса выносливости железобетонных конструкций, усиленных композиционными материалами, были изучены теоретические исследования и результаты экспериментов отечественных и зарубежных ученых. По результатам испытаний, проведенных в университете «Амхерст» штата Массачусетс, США1, Краковском технологическом университете г. Кракова, Польша2, университете «Рутгерс» штата Нью-Джерси, США3, и Сибирском государственном университете путей сообщения г. Новосибирска, Россия4, а также на основании международного стандарта по усилению композиционными материалами

[1]сделаны следующие выводы:

1Fatigue Behavior of Reinforced Concrete Beams Strengthened with Different FRP Laminate Configurations, University of Massachusetts Amherst, the State Massachusetts, USA.

2Fatigue life of reinforced concrete beams under bending strengthened with composite materials, Cracow University of Technology, Kraków, Poland.

3Analysis of Reinforced Concrete Beams Strengthened with Composites Subjected to Fatigue Loading, Rutgers, the State New Jersey, USA.

4Бокарев С.А. Акт испытаний железобетонных образцов, усиленных композиционными материалами, на прочность и деформативность при обычных температурах. Новосибирск, 2012.

134

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

–выносливость железобетонных конструкций, усиленных композиционными материалами, зависит только от выносливости арматуры и бетона;

–увеличение момента инерции за счет локального распределения композиционного материала почти не увеличивает остаточный ресурс, в то время как максимальное распределение той же площади усиления по растянутой поверхности конструкции увеличивает число циклов нагружения до отказа (разрушения);

–устройство U-образного усиления способствует продлению жизни стальных арматурных стержней;

–резкое увеличение прогибов эксплуатируемой конструкции говорит о непродолжительном остатке жизни(порядка 10–20 % от начала загружения до разрушения), после чего следует отказ.

Из вышеизложенного следует, что схемы усиления, показанные на рис. 1, а и 1, б, рациональнее схем усиления, показанных на рис. 2, а и 2, б соответственно.

Такие схемы усиления способны эффективно сдерживать рост трещин, что сказывается на величине прогиба,это, в свою очередь, приводит к меньшим усталостным напряжениям в арматуре и бетоне.

Как в зарубежной, так и в отечественной практике выносливость характеризуется числом циклов до отказа, определяется через параметры жесткости, но расчеты ведутся без учета растянутой зоны бетона, т.е. степень нагружения, а как следствие – степень раскрытия трещин, не влияет на момент инерции.

135

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Ниже приведена методика расчета железобетонных изгибаемых элементов, основанная на том, что усталостное разрушение может проходить по следующим схемам:

–разрушение по сжатому бетону;

–разрыв арматуры, перераспределение нагрузок;

–разрушение волокна (рис. 3);

–разрушение матрицы;

–отслоение по границе волокно-матрица;

–расслоение композиционного материала;

–отслоение по границе композит-бетон.

Рис. 3. Вид балки после испытаний на выносливость (разрыв холста): а – общий вид ребра в середине пролета; б – вид снизу

Наиболее вероятными сценариями являются первые два случая, исходя из следующих рассуждений: усталостное разрушение изгибаемых железобетонных элементов, усиленных композиционными материалами, может происходить по бетону сжатой зоны, арматуре, композиционному материалу или клею. Из литературных источников5,6 известно, что в композиционном материале на основе углеволокна при уровне максимальной расчетной нагрузки, составляющей до 60 % от ее несущей способности, и в эпоксидном клее, при уровне нагружения менее50 % от его несущей способности, усталостного разрушения не происходит. Балка считается неработоспособной (давшей отказ), когда хотя бы один

5Fatigue behavior of cfrp-strengthened reinforced concrete bridge girders, University of South Carolina, Columbia.

6Behavior of concrete beams strengthened with cfrp and loaded in fatigue during the strengthening process, Luleå University of Technology, Luleå, Sweden.

136

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

из арматурных стержней выключится из работы в результате многократного приложения нагрузки.

При усилении конструкций без разгрузки от собственного веса элементы усиления – композиционный материал и эпоксидный клей – работают только на восприятие временных нагрузок. Из этого следует, что усталостное разрушение не может произойти по элементам усиления. Таким образом, допустимо считать, что выносливость усиленных железобетонных конструкций зависит только от выносливости арматуры и бетона.

Рис. 4. Иллюстрация усталостных возможностей материалов, применяемых для усиления

Уместно упомянуть о том, что абсолютно во всех экспериментах на усталостные нагрузки железобетонных балок, усиленных композиционными материалами, в первую очередь разрушение происходило по растянутой арматуре, что является прямым подтверждением выдвинутого выше предположенния. Разрушение по бетону не происходило вследствие достаточной его прочности, что заранее было учтено при проектировании, но это не исключает возможности разрушения бетона по выносливости в реконструируемых мостах.

На основании введенного допущения(абсолютной адгезии между железобетоном и композиционным материалом) были получены формулы для расчета на выносливость изгибаемых железобетонных элементов, усиленных композиционными материалами. По этим формулам производится расчет усиленных конструкций как с разгрузкой от собственного веса, так и без нее.

137

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Расчет выносливости балок, усиленных ненапрягаемой внешней арматурой, относится к первой группе предельных состояний и включает в себя следующие допущения:

–бетон растянутой зоны сечения полностью выключен из работы;

–напряжения в сжатой зоне распределены согласно треугольной схеме, а максимальное напряжение равно расчетному сопротивлению бетона на сжатие по выносливости Rbf;

–справедливы гипотеза плоских сечений и закон Гука;

–растягивающие напряжения стальной арматуры в крайнем ряду равны своим предельным значениям по выносливости Rsf;

–растягивающие напряжения в композиционных материалах равны своим предельным значениям Rf;

–внешняя арматура и железобетонная конструкция имеют совершенную адгезию.

Исходя из принятых допущений и существующей методики определения грузоподъемности пролетных строений[2, 3], были

В случае устройства внешнего армирования без применения разгружающих устройств допускаемая временная нагрузка определится как:

где М – предельный момент, который может воспринять неусиленное сечение:

– по бетону

где Ired – момент инерции приведенного неусиленного сечения:

138

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

x¢ – высота сжатой зоны неусиленного сечения:

bf

По полученной методике был определен класс по выносливости пролетного строения проектировки Гипротранса 1931 г. под нагрузку Н7 с расчетным пролетомl = 10,8 м, построенного в 1933 г., с повреждением растянутой рабочей арматуры, повлекшим полное выключение из работы одного стержня нижнего ряда и усиленного композиционным материалом(MBRACE FIB®CF 230/4900.300g/5). В результате расчетов оказалось, что жесткостные характеристики неусиленного и усиленного сечений практически одинаковы (разница в жесткости составляет0,07 %) и повышение класса главной балки по выносливости почти не происходит, что, безусловно, подвергается сомнению, так как полученные экспериментальные данные свидетельствуют об обратном.

139

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Очевидно, что необходимо уточнение или вовсе коренная переработка полученной методики, для чего были запланированы эксперименты и составлена программа испытаний.

Сибирским государственным университетом путей сообщения разработана методика оценки остаточного ресурса, основанная на существующей методике [4], которая нуждается в корректировке и уточнении, так как дает слишком малое увеличение класса. Возможно, нужен другой подход к оценке долговечности усиленной конструкции, чему поспособствуют результаты испытаний. Испытания проводятся в лаборатории мостовых конструкций, находящейся на территории СГУПСа. Испытаниям подвергаются железобетонные образцы в виде балок длиной 1 680 мм и поперечным сечением 220×160 мм. Проектный класс бетона всех балок В30. Армирование запроектировано с тем, чтобы обеспечить разрушение по моменту. Схема армирования балок и опалубочные размеры приведены на рис. 5.

Рис. 5. Образцы для испытаний на выносливость

Все образцы делятся на четыре группы, в каждой группе по семь образцов (три образца для статических и четыре для динамических испытаний):

– первая группа – контрольная: неусиленные образцы (см. рис. 5);

–вторая группа – образцы, усиленные углепластиковыми холстами плотностью 300 г/м2 шириной 150 мм (рис. 6, а);

–третья группа – U-образное усиление углепластиковыми холстами плотностью 300 г/м2 с высотой полок 100 мм (рис. 6, б);

–четвертая группа – образцы, усиленные углепластиковыми ламелями плотностью 300 г/м2 шириной 50 мм (рис. 6, в).

140