Исследование работы железобетонных балок, усиленных поверхностным армированием Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624.072.2.012.454.042

В.Г. Пермяков, А.А. Быков, А.Ю. Зобачева,

A.A. Балакирев, А.В. Калугин

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОК, УСИЛЕННЫХ ПОВЕРХНОСТНЫМ АРМИРОВАНИЕМ

Описан эксперимент по определению несущей способности железобетонных балок с поверхностным армированием растянутой плоскости однонаправленным композитом на основе углеродных фибр. Проведено сравнение полученных экспериментальных данных с результатами численного расчета в программном комплексе ANSYS.

В мировой практике ремонта и усиления строительных конструкций широкое применение нашли композиционные материалы, армированные углеродными, полиэфирными и стекловолоконными фибрами (КМФ). За последние годы эти материалы нашли применение и в России. Однако отсутствие государственных норм и правил проектирования усиления строительных конструкций композиционными материалами и производства работ с ними является серьезным препятствием широкого внедрения указанной технологии в инженерную практику.

В настоящей работе результаты экспериментального исследования железобетонной балки, работающей в условиях чистого изгиба, сопоставлены с результатами расчетов, выполненных с помощью численных методов с использованием современного расчетного комплекса ANSYS.

В качестве образцов для испытаний приняты сборные железобетонные перемычки марки 2ПБ 25-3-п, изготовленные по серии 1.038.1-1 [3]. Класс бетона образцов В15. Схема нагружения балок при испытании принята в соответствии со схемой проверки качества перемычек при их производстве по серии 1.038.1-1. Приложение нагрузки на образец производится равными ступенями (10 % допустимой нагрузки) с выдержкой на каждой 3 мин. Схемы армирования и нагружения образцов показана на рис. 1.

Испытание каждого образца выполнялось в два этапа. На первом этапе проводились испытания балки в исходном (без усиления) состоянии до появления в растянутой зоне бетона поперечных трещин с шириной раскрытия в устье до 0,3 мм. Второй этап выполнялся после усиления растянутой зоны этой балки холстом из углеродных волокон, пропитанных эпоксидной смолой. На этом этапе образец нагружался до разделения на части.

Рис. 1. Схема армирования и схема нагружения балки 2ПБ 25-3-п

Усиление растянутой зоны образцов выполнено тканым холстом 81ка"^ар-230С со следующими характеристиками несущей однонаправленной углеродной основы:

прочность на растяжение 3500 МПа; модуль упругости 230 000 МПа; толщина 0,13 мм.

В качестве полимерного связующего применен универсальный двухкомпонентный эпоксидный клей, изготовленный по ТУ 2252-003-53507644-2002.

Установка для испытаний состоит из силовой рамы, нагружающего устройства и измерительного оборудования (рис. 2).

Нагружающее устройство состоит из гидравлического домкрата 3 мощностью 80 кН, динамометра 4 и распределительной силовой балки 2. Усилие нагружающего устройства передается на образец через шарнирные опоры 7. Нагружающая система устроена так, что создает в средней части пролета балки чистый изгиб.

Вертикальное перемещение сечения балки в середине пролета измеряется с помощью прогибомера ДПЛ-50 5 с диапазоном измерения 50 мм и ценой деления 0,001 мм. Индикаторами ИЧ-10 6 измеряют вертикальные перемещения опорных сечений балки. Прогибомер и индикаторы установлены на независимых стойках. Показания прогибомера фиксируются измерительной системой «Терем-4».

Для фиксации данных о деформациях боковой поверхности балки по высоте ее сечения в середине пролета были наклеены 10 тензорезисторов, компенсационные тензорезисторы наклеены на отдельный фрагмент балки, не испытывающий деформаций. Каждый активный тензорезистор соединен

с компенсатором по схеме измерительного полумоста и связан с измерительной системой «Терем-4». В работе использовались тензорезисторы с проволочной решеткой на бумажной основе с длиной активной базы 50 мм, изготовленные по ТУ 25-01-100-68.

Рис. 2. Схема испытательной установки: 1 - балка 2ПБ 25-3-п; 2 - распределительная балка; 3 - домкрат; 4 - динамометр; 5 - прогибометр ДПЛ-50; 6 - индикаторы марки ИЧ-10; 7 - шарнирные опоры распределительной балки; 8 - шарнирные опоры балки

2ПБ 25-3-п

Эксперименты на железобетонных балках проведены с целью оценки влияния поверхностного усиления растянутой зоны углепластиковым холстом на их (балок) несущую способность в условиях чистого изгиба.

Образец № 1 получен усилением образца, испытанного в исходном состоянии, одним слоем КМФ. Факт разрушения образца № 1 был зафиксирован при усилии домкрата рос = 18,6 кН по критерию прочности: разрушение

произошло в форме разрыва ленты усиления в середине пролета.

Образец № 2 получен усилением образца, испытанного в исходном состоянии, двумя слоями КМФ. Факт разрушения образца № 2 был зафиксирован при усилии домкрата Рдэокм = 24,51 кН по критерию жесткости. Получить

разрушение в форме разделения образца на части не удалось. Лента усиления, как гибкая нить держала балку, бетон которой был практически разрушен поперечными трещинами.

Расчетное значение разрушающей нагрузки (усилие домкрата) для исходной балки составляет рроамсч = 8,9 кН.

В процессе испытаний установлены уровни предельных нагрузок, а также построены диаграммы вертикальных перемещений точки в середине пролета для образцов и распределения продольных деформаций бетона по высоте балки (рис. 3, 4).

2Є-І 1 9

10 1 А

14

1 а * *

Ш * * /

о в / * /

0 1 / 1 /

4 #■ /

£ 0- т_

-5

О

образец №1(1 слой КМФ)

- - ■ образец № 2 (2 слоя КМФ)

15

20

5 10

Прогиб, мм

Рис. 3. Диаграмма зависимости прогиба от нагрузки образцов № 1 и 2 по результатам эксперимента

ме—|

V 1Ж)

1

80 *

60

40 % %

20 4 * * %

----образец №1(1 слой КМФ)

- - ■ образец № 2 (2 слоя КМФ)

-0,2

0,6

-3

0,:

0,0 0,2 0,4

Относительные деформации, 10 Рис. 4. Диаграмма распределения продольных деформаций по высоте сечения балки для образцов № 1 и 2 при разрушающей нагрузке по результатам эксперимента

На рис. 3 видно, что усиление двумя слоями КМФ ведет к незначительному увеличению жесткости балки, максимальный прогиб для образца № 1 равен 15,2 мм.

Как видно на рис. 4, высота сжатой зоны бетона для образца № 1 хэкс = 42 мм, для образца № 2 хэкс = 70 мм.

Для расчета при помощи численных методов была разработана модель балки в программном комплексе А№У8. Бетон балки представлен объемными конечными элементами типа 80ЬГО65, армирование балки моделировалось линейными конечными элементами типа ЬШК8.

Объемные конечные элементы типа 80ЬГО65 предназначены для моделирования элементов допускающих трещинообразование при растяжении, данный элемент также допускает возможность разрушения материала при сжатии (дробление материала в сжатой зоне). Диаграмма состояния для сжатого бетона принималась криволинейной в соответствии с рекомендациями БигоСоёе 2 [5]. В настоящем исследовании за предел прочности бетона при растяжении принималось расчетное сопротивление бетона растяжению для предельных состояний первой группы в соответствии с СП [1]. Диаграмма состояния для арматурной стали принималась билинейной в соответствии с рекомендациями [1]. За предел прочности при растяжении и сжатии в настоящем исследовании были приняты соответствующие расчетные сопротивления для предельных состояний первой группы в соответствии с СП [1].

В процессе расчетов были установлены уровни предельных нагрузок, а также построены диаграммы распределения продольных деформаций бетона по высоте балки, графики вертикальных перемещений точки в середине пролета, графики изменения нормальных напряжений в элементах конструкции при пошаговом приложении нагрузки для образцов (рис. 5-7).

Максимальный прогиб по результатам расчета для образца № 1 /расч = 10,6 мм; для образца № 2 = 15,6 мм.

35 -------------------------------------------------------------

зо--------------------------------------------------------------

75

0 5 10 15 20

Прогиб, мм

-----образец №1(1 слой КМФ) - - - . образец № 2 (2 слоя КМФ)

Рис. 5. Диаграмма зависимости прогиба от нагрузки образцов № 1 и 2 по результатам расчета в среде АК8У8

•ч % 0.14

% •ч и?і 1

од

0,08

_ ' ~~ 0.06

0,04 *

0.02

о

-10 -8 -6 -4-2 0 2

Нормальные напряжения, МПа ----образец №1(1 слой КМФ) .... образец № 2 (2 слоя КМФ)

Рис. 6. Диаграмма распределения деформаций по высоте сечения балки для образцов № 1 и 2 при разрушающей нагрузке по результатам расчета в среде Л№У8

Как видно на рис. 6, бетон сжатой зоны достиг предельных значений прочности Яь = 8,5 МПа, в растянутой зоне работает арматура и усиление КМФ, а бетон растянутой зоны в работу не включается. При этом высота сжатой зоны бетона для образца № 1 храсч = 9 см, для образца № 2

V, =10 см-

200

150

я

§ 100 I 50

е 0

Я -50 1

I -100

Он

о

и -150 -200 -250

X

* *

* Ф ' - - '

0 2 0 3

ч

\

N ч

ч

Нагрузка, кН а

- сжатая арматура

300

200

5 100

I

К 0

I

й -100 3

Ц -200

о

X

-300

-400

----растянутая арматура

У

✓

о\^^ 1 0 2 0 3 0 4

ч

\

Нагрузка, кН б

-----КМФ

Рис. 7. Изменение нормальных напряжений в элементах конструкции при пошаговом приложении нагрузки для образца № 1 (а) и № 2 (б) по результатам расчета в среде А№У8

Результаты расчета, представленные на рис. 5, 6, 7, позволяют сделать вывод, что разрушение образца № 1 произошло при разрушающей нагрузке РраТ = 22,8 кН, образца № 2 - при разрушающей нагрузке Рдроамч = 29,1 кН.

Как следует из рис. 6, 7, расчет был остановлен программой ЛКБУБ после достижения нормальных напряжений в сжатом бетоне уровня расчетного сопротивления. Возможной причиной остановки расчета программой было также раскрытие устья трещин в растянутой зоне бетона больше предельных значений по критериям второй группы предельных состояний. Результаты испытаний и расчета сведены в таблицу.

Сводная таблица результатов

Марка балки Разрушающая нагрузка, кН Высота сжатой зоны бетона, см Прогиб, мм

По результатам испытаний

2ПБ 25-3-п, образец № 1 (1 слой КМФ) 18,6 4,2 15

2ПБ 25-3-п, образец № 2 (2 слоя КМФ) 24,51 7

По результатам расчета в среде ЛИБУБ

2ПБ 25-3-п, образец № 1 (1 слой КМФ) 22,8 9 10,6

2ПБ 25-3-п, образец № 2 (2 слоя КМФ) 29,1 10 15,6

Выводы:

1. Несущая способность усиленных балок по критерию прочности на действие изгибающего момента в 2-2,5 раза больше, чем исходной балки.

2. Разрушающая нагрузка на образец по результатам моделирования в программном комплексе АКБУБ на 16-19 % больше экспериментальной величины.

Список литературы

1. СП 52-101-2003. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры / Госстрой России; ГУП НИИЖБ. - М.,

2003. - 59 с.

2. Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материалами / В.Л. Чернявский [и др.]. - М., 2006. - 48 с.

3. Шилин А.А. Пшеничный В.А., Картузов Д.В. Усиление железобетонных конструкций композиционными материалами. - М.: Стройиздат,

2004. - 144 с.

4. СНиП 52-01-2003. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения / Госстрой России; ФГУП ЦПП. - М., 2004. - 25 с.

5. EuroCode 2. Design of concrete structures - Part 1: General rules and rules for buildings. English version.

Получено 30.08.2010