CC BY
37
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esj.today 2021, №2, Том 13 / 2021, No 2, Vol 13 https://esj.today/issue-2-2021.html URL статьи: https://esj.today/PDF/09SAVN22Lpdf Ссылка для цитирования этой статьи:
Кугаевский Н.М., Овчинников И.И. Оценка эффективности усиления железобетонных балок пролетных строений автодорожных мостовых сооружений полимерными композиционными материалами // Вестник Евразийской науки, 2021 №2, https://esj.today/PDF/09SAVN221.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
For citation:
Kugaevskyi N.M., Ovchinnikov I.I. (2021). Assessment of the effectiveness of reinforcement of reinforced concrete beams of superstructures of road bridges with polymer composite materials. The Eurasian Scientific Journal, [online] 2(13). Available at: https://esj.today/PDF/09SAVN221.pdf (in Russian)
Овчинников Илья Игоревич
ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет», Тюмень, Россия
Строительный институт
ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», Саратов, Россия
Доцент базовой кафедры АО «Мостострой-11» Кандидат технических наук, доцент E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8370-297X РИНЦ: https://elibrary.ru/author_profile.asp?id=177132
Оценка эффективности усиления железобетонных балок пролетных строений автодорожных мостовых сооружений полимерными композиционными материалами
Аннотация. В работе рассмотрена проблема применения полимерных композиционных материалов («ПКМ») из углепластика в качестве элемента усиления балок пролетного строения мостовых сооружений.
При рассмотрении данной проблемы были затронуты вопросы исследования и использования ПКМ с целью усиления различных конструкций. Вклад зарубежных строителей и проектировщиков в развитие и всестороннее применение метода. Рассмотрены как передовой, так и современный опыт использования данных материалов, а также результаты, полученные в ходе сбора данных с усиленных конструкций.
Отражены как положительный эффект, так и возможные недостатки, связанные с определенными характеристиками и свойствами данных материалов.
Отмечается значимость дальнейшего исследования данной области, особенно в полевых условиях.
При помощи программного комплекса Lira САПР смоделирован процесс, при котором параллельно с движением транспорта осуществляются работы по замене покрытия пролетного строения. Проведен расчет и последующий анализ эффективности от усиления
Кугаевский Никита Максимович
ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет», Тюмень, Россия
Строительный институт Магистрант базовой кафедры АО «Мостострой-11» E-mail: [email protected]
железобетонных балок моделируемого пролета углепластиковыми ламелями FibARM Tape -230/300.
В качестве рассматриваемых параметров были приняты: величина прогиба балки (см), ширина раскрытия нормальных к продольной оси трещин (см), изгибающий момент, при нагрузках, приложенных по схеме (т*м), нагрузка на балку, вызывающая определенный прогиб (кН). Проведено сравнение показателей вышеуказанных параметров без усиления и с применением ламелей FibARM Tape, а также сравнение результатов полученных в ходе моделирования с данными лабораторных и стендовых испытаний отраженных в научных трудах.
Отмечается, что усиление искусственных сооружений при помощи ПКМ является перспективным направлением, но для массового применения, необходимо разработать расчетную методику, которая сможет достоверно отражать работу полимерных композитов.
Ключевые слова: полимерные композиционные материалы; углепластик; усиление конструкций; пролетное строение; усиление балок пролетного строения; ремонт; мостовые сооружения
Введение
Искусственные сооружения (мосты, путепроводы, эстакады и др.) являются очень важной частью любой инфраструктуры. Они позволяют преодолевать препятствия различного вида, добираться быстро и безопасно из пункта «А» в пункт «В».
Но как показывает опыт, к сожалению, фактор безопасности находится под вопросом, потому как в истории мостостроения имеет место обрушение (аварии) искусственных сооружений.
Во всех странах, независимо от их экономического и технического уровня развития, случаются аварии и разрушения транспортных сооружений. Кроме того, причиной большего количества аварий и разрушений, может явиться большое количество транспортных сооружений [1].
Принимая во внимание данные, изложенные в источниках [2-4] о том, что период массового строительства железобетонных мостов в России приходиться на 60-70-е года прошлого столетия, напрашивается следующий вывод: большинство мостовых сооружений, возведенных около 50-60 лет назад, уже устарели и не могут выполнять свое предназначение в полном объёме. Связанно это с развитием транспортной промышленности (автомобилестроение), проявляющегося в увеличении габаритов и массы транспортных средств (в том числе осевых нагрузок), повышением интенсивности транспортных потоков, а также с усталостью материалов мостовых сооружений.
Для обеспечения безопасного проезда необходимо осуществлять своевременный ремонт транспортных сооружений. Ремонт, согласно Приказа Министерства транспорта Российской Федерации (Минтранс России) от 16 ноября 2012 г. N 402, может включать в себя различные виды работ, такие как: замена на новые отдельных балок пролетных строений (до 25 %), ремонт оставшихся балок, ремонт или замена плит и других элементов пролетных строений.
Учитывая тот факт, что замена балок пролетного строения, в рамках проведения ремонтных работ, не всегда возможна по ряду причин, в данной работе предлагается рассмотреть альтернативный вариант предотвращения разрушения железобетонных балочных мостов, при помощи усиления балок пролетного строения ПКМ. Процесс усиления предлагается включить в комплекс работ по замене дорожной одежды мостового сооружения.
Состояние проблемы
Проведенный анализ литературы показал, что вопрос усиления железобетонных конструкций при помощи полимерных композиционных материалов, поднимался еще в прошлом веке, еще в июне 1997 г. итальянец Anthony Nanni опубликовал статью в научном журнале «Concrete international journal» с броским названием «Carbon FRP Strengthening: New Technology Becomes Mainstream», данный заголовок можно перевести как: «Усиления при помощи углепластика: Новые технологии становятся главным направлением (мэйнстримом)»
В рамках данного научного труда описывается опыт применения технологии усиления шести сооружений (в числе которых, два автодорожных моста), при помощи полимерных композитов, работы осуществляются на территории Италии в период с 07.1996 г. по 11.1996 г.
Также Бокарев С.А. в монографии [6] ссылаясь на источник [7] утверждал, что применение полимерных композитов, в качестве материалов для усиления конструкций из железобетона, упоминается ещё в 1970-x гг. в Европе, в то время как на строительном рынке России данные материалы появились лишь в конце 90-х годов прошлого столетия.
Опыт изучения данного способа усиления весьма велик, особенно в зарубежных странах. Для того чтобы не углубляться в историю применения ПКМ, а пойти по направлению формирования представлений существующей ситуации, связанной с использованием и изучением композитов из углепластика, рассмотрим нескольких научных трудов, вышедших в свет в период с 2015 по 2020 гг.
В статье A. Kobayashi, Y. Hidekuma & A. Tateishi [8] описан опыт применения полимерных композиционных материалов в Японии. Изучая данную работу, становится понятно, что в Японии композиционные материалы стали ярким предметом исследований уже в начале 1990-х годов, а к лету 2015 г. ПКМ являются одним из основных материалов, применяемых для усиления как железобетонных, так и стальных мостовых сооружений.
Согласно данному научному труду при помощи ламелей из полимерных композиционных материалов в Японии усиливают: мостовые опоры (сейсмическое переоборудование железобетонных опор), железобетонные балки пролетных строений, железобетонные плиты пролетных строений (при этом отсутствует необходимость останавливать движение транспортных средств по мосту), ремонт (восстановление поперечного сечения) стальных элементов конструкций мостового сооружения.
В работе Ning Zhuang, Honghan Dong, Da Chen, and Yeming Ma [9] указанно, что экспериментальные данные подтверждают тот факт, что листы из углепластика являются эффективным способом ремонта старых и повреждённых железобетонных балок пролетного строения.
В научных статьях [10] и [11] соответственно зафиксировано снижение распространение усталостных трещин в железобетонных конструкциях, а также снижение влияния коррозии арматуры на вероятность разрушения балки, после усиления их ПКМ.
Авторами работы [12] рассмотрено повышение несущей способности моста Сан-Миниато (Италия), при помощи метода, объединяющего усиление балок пролетного строения ламелями из углепластика и дополнительное пролетное строение (пластины), выполненного из FRP-бетона. Примечательно то, что выбранный мост был построен ещё в 1968 г. и на момент эксперимента имел несущую способность, равную 51 % от усилий от транспортных нагрузок, предусмотренных действующими правилами.
Фактически, армирование с помощью углепластика может не только повысить изгибную способность конструкций или элементов, но и усилить сопротивление сдвигу, к такому выводу
Страница 3 из 17
[5].
09SAVN221
приводят нас данные трудов [13] и [14], а в статьях [15] и [16] также указано повышение прочностных характеристик железобетонных балок при их ремонте и усилении полимерными композиционными листами и ламелями.
Помимо вышеперечисленных преимуществ, на наш взгляд применение ПКМ позволит:
• снизить трудозатраты на выполнение работ по усилению конструкций;
• отказаться от тяжелой техники при ведении работ;
• предоставляет возможность осуществлять работы без прекращения движения транспорта по инженерному сооружению;
• позволяет сохранить прежние габариты и эстетичный вид мостовых сооружений, а также имеет высокую стойкость химическим веществам, отсутствие коррозии и требует минимального обслуживания.
Сопоставив материалы научной литературы опубликованной учеными России и стран СНГ [2-4; 6-7; 17-19] с данными зарубежных статей, напрашивается следующий вывод: не смотря на разный уровень распространения и применения ПКМ в качестве материала для ремонта и усиления мостовых сооружений, проблемы, сформировавшиеся в период их исследований, едины, а именно:
• сравнительно низкая температура точки плавления волокон полимерных композитов относительно других материалов, применяемых для усиления, так температура точки плавления углеродных волокон почти в 5 раз ниже, чем у стали;
• клеящие составы, используемые для сцепления ламелей (пластин, холстов) с усиливаемой конструкцией, теряют свою работоспособность при температуре ниже минус 50 °С;
• не достаточно полные сведения изученности и опыта применения данного способа усиления. Данный недостаток выражается в значительной разнице между показателями, полученными путем расчётов и результатов, полученных при лабораторных и стендовых исследованиях, с практическими данными о применении.
Следует уделить особое внимание проблеме, указанной третьей по счету в списке, камнем преткновения в данном вопросе является высокая стоимость обеспечения процесса испытаний, которые позволят продвинуться вперед в исследовании эффективности применения ПКМ в качестве усиления искусственных сооружений. Потому как, огромную роль в формировании полной картины влияния ламелей (пластин, холстов) из углепластика на характеристики железобетонных элементов, будет играть инновационный метод, подходящий для анализа данных, полученных экспериментальным путем.
И только после того как будет сформировано четкое представление, корректная расчетная методика и минимальный разброс данных между расчетными величинами и результатами практических исследований, ПКМ смогут найти широкое и регулярное применение на территории Российской Федерации в качестве усиливающего материала, а технология их применения перестанет быть новаторским и рискованным методом.
Так как вопросы инвестирования направлений развития науки не входят в компетенцию авторов статьи, в данной работе предлагается привлечь внимание к использованию ламелей из углепластика, в качестве усиливающих элементов, путем обоснования эффективности применения данных материалов, при помощи моделирования и расчетов.
В качестве программного комплекса, для построения модели пролетного строения мостового сооружения, был выбран «Лира САПР», ручной расчет будет осуществляться по методике, указанной в статье [19].
Более подробную информацию о полимерных композиционных материалах (характеристики, свойства, область применения и данные исследований) и их применении для усиления конструкций, можно почерпнуть из источников [2-21].
Сведения о расчетной модели
При помощи программного комплекса «Лира САПР» и данных учебного пособия1 был построена расчётная модель железобетонного пролетного строения автодорожного моста.
Исходные данные приведены в таблице 1 и на рисунке 1:
Таблица 1
Данные для составления расчетной модели
Описание Количество Геометрический размер, м
Длина пролета 1 24
Полосы движения 4 3,75
Полоса безопасности 2 1
Тротуар 2 2,25
Рисунок 1. Поперечное сечение пролетного строения1
Пролетное строение состоит из двенадцати двутавровых железобетонных балок (см. таблицу 2, рисунок 2).
Сведения о моделируемых балках пролетного строения1
Таблица 2
Длинна 24 м
Количество 12 шт.
Арматура Преднапрягаемая
1 Расчет мостовых конструкций с использованием ПК ЛИРА-САПР для начинающих пользователей. Учебное пособие / Козлов А.В. - Воронеж, 2017 - 207 с.
E
В
H
B1
H1
B2
HZ
Рисунок 2. Сечение балок пролетного строения1 Пространственная модель искусственного сооружения изображена на рисунке 3.
Рисунок 3. Пространственная модель пролетного строения мостового сооружения, созданная при помощи ПК «Лира-САПР» (составлен авторами)
Так же при создании модели были учтены возможные сочетания нагрузок, см. рисунок 4.
Список загружений Список загружений
# Имя загружения Вид # Имя загружения Вид
1 Собственный весЖ... Постоянное... 11 АК(Р) опора поз. 2 Временное...
г Вес покрытия Постоянное.., 12 АК(Р) опоре поз. 3 Временное...
3 Н-1А над опорой Временное... 13 АК(Р) опора поз. А Временное ...
А Н-14 в середине про. Временное... 14 Толпа на тротуаре Временное ...
5 АК(у) поз. 1 Временное... 1S АК2(У) поз 1 Временное ...
6 АК(у) поз. 2 Временное... 16 АК2(У) поз 2 Временное ...
7 АК(\/) поз 3 Временное ... 17 АК2(Р) пролет поз 1 Временное...
8 АК(у) поз. А Временное ... 1В АК2(Р) опора поз 1 Временное...
9 АК(Р) пролет поз 1 Временное ... 19 АК2(Р) опора поз 2 Временное...
10 АК(Р) опора поз 1 Временное ... го 20: Нагрузка на фра.
Рисунок 4. Список загружений, действующих на смоделированное пролетное строение (составлен авторами)
Более подробные сведения о расчетной модели представлены в учебном пособии1.
Расчёт влияния усиления при помощи ПКМ на балки пролетного строения при выполнении работ по замене дорожной одежды мостового сооружения
Моделируемое пролетное строение является частью автомобильного путепровода, на котором производят работы по замене дорожной одежды (слои из асфальтобетона + гидроизоляция).
В рамках данных ремонтных работ в качестве дополнительного усиления балок пролетного строения принимаем холсты из углеродной ленты FibARM Tape - 230/300. Порядок осуществления работ следующий:
• вводится в действие план по перепуску движения по путепроводу, въезд на мостовое сооружение оборудуется специальными знаками и светофором;
• пролетное строение делится на две равные части по ширине (по 10 863 мм);
• одну половину пролетного строения отсекают ограждениями по ГОСТ 23407 «Ограждения инвентарные строительных площадок и участков производства строительно-монтажных работ» и производят вскрытие покрытия пролетного строения;
• после приступают к восстановлению выравнивающего слоя под гидроизоляцию и осуществляют наклейку гидроизоляции ТЕХНОЭЛАСТМОСТ в соответствии с технологией;
• параллельно выполняемым работам по замене гидроизоляции, на участке пролетного строения, освобожденного от транспортной нагрузки, выполняют наклейку ПКМ FibARM Tape (см. рисунок 6);
• следующим этапом будет является выполнение работ по укладке асфальтобетонной смеси. Для укладки смеси примем асфальтоукладчик VOLVO P7820D ABG2 с шириной укладки 8 м, доставка смеси осуществляют при помощи самосвалов Volvo FMX 6*43 с объемом кузова 16 м3, а первый этап уплотнения при помощи 2-х гладковальцовых катков DM-7.7-VD4;
• после восстановления покрытия мостового сооружения, работы переносят на вторую половину пролетного строения (встречную полосу движения), где повторяют все операции в той же последовательности.
Для расчета принимаем ситуацию, когда:
• все балки пролетного строения усилены FibARM Tape - 230/300;
• укладчик находится в середине пролета с полным бункером, рядом расположен готовый под выгрузку автосамосвал, за укладчиком осуществляется уплотнение смеси при помощи двух гладковальцовых катков;
2 Официальный сайт компании Volvo: «Volvo CE Russia & CIS». Гусеничный асфальтоукладчик Volvo P7820D ABG [Электронный ресурс]: - Режим доступа: https://www.volvoce.com/rossiya/ru-ru/vostok/products/asphalt-pavers/p7820d-abg/ - Дата обращения 21.02.2021.
3 Сайт «Коммерческая Техника» портал IronHorse®. Самосвал Volvo FMX 6*4 [Электронный ресурс]: -Режим доступа: https://truck.ironhorse.ru/fmx-6x4-dump.html - Дата обращения 21.02.2021.
4 Официальный сайт ООО «Завод Дорожных машин» г. Рыбинск. Каток дорожный двухвальцовый DM-7.7-VD [Электронный ресурс]: - Режим доступа: https://dormashina.ru/produkciya/dorozhnye-katki-dm/valcovye/dm-7-7-vd.html - Дата обращения 21.02.2021.
параллельно на противоположной стороне осуществляют движение автомобили по свежеуложенному асфальтобетонному покрытию.
Рисунок 6. Процесс наклейки FibARM Tape - 230/300
Рисунок 7. Процесс производства работ по укладке смеси
При назначении нагрузок от всех видов техники участвующих в процессе укладки асфальта, применяем коэффициенты (для значительного повышения нагрузки):
• надежности по нагрузке уг = 1.5 (таблица 6.10 СП5);
• динамический коэффициент равный 1.3, согласно п. 6.22 СП.5
Укладчик задаем по примеру тяжелой одиночной нагрузки Н-14 (согласно СП 35.13330) с учетом габаритных размеров.
Масса укладчика = максимальная емкость бункера + массу укладчика (тракторный агрегат) + масса выглаживающей плиты = 31 812 т; расчетная масса укладчика = 62 033 т; нагрузка / 8 = 7.754 т.
Масса автосамосвала = масса автомобиля + (объемный вес асфальтобетона х 12 кубометров) = 40.4 т. Максимальная нагрузка на переднюю ось х 0.9 = 8.1 т; расчетная нагрузка на каждое колесо передней оси = 7.89 т; на каждое колесо второй и третей оси = 15.75 т.
Нагрузку от гладковальцовых катков зададим в виде распределённой нагрузки, ширину каждого вальца равную 1.7 м укажем 10 равноудаленных по оси У точек приложения нагрузки по оси 2) (см. рисунки 9, 10).
Эксплуатационная масса катка / 2 = 4.4 т.
4.4/10 = 0.44х1.3х1.5 = 0.858 т.
Нагрузку от подвижного состава для второй полосы проезжей части задаем согласно рисунку 1.
Схема приложения временных нагрузок показана на рисунках 9-10.
5 СП 35.13330.2011 Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84*. Страница 8 из 17
Рисунок 8. Процесс производства работ по укладке асфальтобетонной смеси (изображение в плане) (составлено авторами)
Рисунок 9. Схема приложения временных нагрузок (техника для укладки асфальта +А-14) (составлено авторами)
Рисунок 10. Схема приложения временных нагрузок (поперечное сечение) (составлено авторами)
Максимальное значение изгибающего момента Му = 325 т*м (от действия расчетной нагрузки) (см. рисунок 11), максимальная величина прогиба балки /= 14.5 мм (от действия нормативной нагрузки) (см. рисунок 12) не превышает максимально допустимое значение Ь/400 = 24/400 = 0.06 м = 60 мм.
©
Рисунок 11. Изгибающий момент в балках пролетного строения (составлено авторами)
1м ©
Рисунок 12. Эпюра перемещений (составлено авторами)
Для выполнения данной операции воспользуемся расчетной методикой, изложенной в источнике [19].
В качестве объекта расчёта принимаем балку №4.
Первым критерием, для определения эффективности применения полимерных композитов, выберем величину раскрытия трещин аг определить которую можно по следующей формуле:
а
а = - у-щ (1)
где а - растягивающее напряжение, равное для ненапрягаемой арматуры напряжению Osf; E - модуль упругости арматуры; у - коэффициент раскрытия трещин.
Для балок без дополнительного внешнего армирования композитами, данные показатели указаны в учебном пособии1.
аг = (242/210000)х9.22 = 0.0106 см
Вестник Евразийской науки 2021, №2, Том 13 ISSN 2588-0101
The Eurasian Scientific Journal 2021, No 2, Vol 13 https://esj.today
Согласно статье [19] при усилении железобетонных элементов полимерными композиционными материалами необходимо рассчитать значение коэффициента у при помощи следующей формулы:
1.5*л/^ (2)
¥
где Rrf - радиус армирования сечения балки, усиленного композиционной лентой.
Rf = Ar/fcpnd + bc), (3)
ж
Аг - площадь зоны взаимодействия бетона и ПКМ (см. рисунок 6); в - коэффициент, принимаемый по таблице №7.26 свода правил1; n - число арматурных стержней, d - диаметр арматурных стержней; bc - ширина контакта ПКМ
Для балок усиленных FibARM Tape - 230/300
Ar = 27x60+76x16 = 2836 см2; bc = 60+2x27+2x22+2x76 = 310 см;
310
Rrf = 2863/(1x12x3.2+ ж ) = 20.7 см;
¥ = 1.5xV207 = 6.82 a = (242/210000)x6.82 = 0.0078 см
Рассмотрим изменение величины прогиба балки в качестве еще одного критерия, для определения эффективности применения полимерных композиционных материалов, и определим при помощи данной формулы:
ZJ0 M(*)-(x)dx' (4)
где М (x) - функция изгибающего момента от единичной силы, приложенной по направлению искомого прогиба, 1/p(x) - кривизна элемента, в рассматриваемом сечении (центре балки).
1 M M
- = = + (5)
Р Bg B (5)
где Mg - значение изгибающего момента в центре балки №4 от постоянных нагрузок (совместное действие двух загружений модели: собственного веса балки и веса плиты проезжей части), равный 166 тxм; Mv - значение изгибающего момента в том же сечении от временных нагрузок (нагрузка от подвижного состава + техника участвующая в производстве работ), равный 170 тxм; Bg, B - жёсткость приведенного сечения при действии постоянных и временных нагрузок соответственно, определяются по формулам (6-7).
Bg = фы EbIred (6)
B = ФЬ1 EbJred 1фы2 , (7)
где фы1 - коэффициент учитывающий кратковременную ползучесть бетона, равен 0.85; фы2 - коэффициент учитывающий длительную ползучесть бетона, для данных условий (регион
Вестник Евразийской науки 2021, №2, Том 13 ISSN 2588-0101
The Eurasian Scientific Journal 2021, No 2, Vol 13 https://esj.today
строительства г. Тюмень) принимаем равным 2.5; Eb - модуль упругости бетона 3.25х106 т/м2 (В-30); Ired - момент инерции приведенного сечения балки м4, без усиления ПКМ - определяем при помощи ПК AutoCAD, команда: «МАСС-ХАР»)
Bg = 0.85х3.25х106х0.115 = 317 687 тхм2; B = 317687/ 2.5 = 127075 тхм2;
— = 166 + 170 = 0.000546 + 0.0013477 = 0.00190—
p 317687 127075 м.
;
(•24
f = Jq 6х 0.190dx = 0.302м = 30.2см
Сравнение результатов расчетов, выполненных в программном комплексе Lira САПР и ручным способом по методике изложенной в научном труде [19], представлено в таблице 3.
Таблица 3
Сравнение результатов выполненных расчётов
Расчет в ПК «Лира САПР» Согласно методике [19]
38.8 30.2
Составлено авторами на основании расчетных данных
Для дальнейшего расчёта принимаем значение, определенное в ПК «Лира САПР», при сравнении полученных результатов, очевидно, что погрешность составила порядка 29 %, данный факт следует учитывать при определении величины прогиба при усилении полимерными композитами.
Апкм hпкм+bпкм, (8)
где Ипкм - толщина ПКМ, ¿пкм = bc - ширина контакта ПКМ.
Aпкм = 0.128 (60x2+22x2+2x27+2x76) = 47.4 см2,
Е
пкм
~ЕТ (9)
Еь
n =
пкм
где Епкм - модуль упругости, согласно источнику [20] для лент из углепластика FibARM Tape - 230/300 принимается равным 2.345х107 т/м2.
2345 х1°;=7.06 n = 3.32 х106
Ипкм ,
/пкм = 79.52х7.06х47.4 = 2115034 = 0.0215 м4, Ired(y) = 0.115+0.0215 = 0.1365 м4 С учетом усиления балки при помощи углеродной ленты FibARM Tape - 230/300.
B = 0.85 х3.25 х106 х 0.1365 = 377081 2
g тхм2,
B = 377081/2.5 = 150832тхм2, 1 166 -+ 170 = 0.00044 + 0.00112 = 0.00156 —
p 377081 150832
м
J•24
6 х 0.156^ = 24.8 0 см.
С учетом повышающего коэффициента (погрешности расчета) равного 1.29 (см. таблица 3) 24.8x1.29 = 32 см, а это значит, что при усилении балок моделируемого пролетного строения углеродной лентой БЛАВМ Таре - 230/300, величина прогиба в балке №4 снизилась на 21 %.
Имея данные о влиянии полимерных композиционных материалов на изменение вышеуказанных критериев, внесем необходимые изменения в назначении нагрузок от подвижного состава, воздействующих на расчетные модели (данные по нагрузкам от техники для укладки АБС останутся без изменений).
Анализ полученных данных
В результате проведенной работы, а именно расчета при помощи указанной методики и моделирования в программном комплексе «Лира САПР» удалось получить следующие данные, отраженные в таблице 4.
Таблица 4
Сравнение показателей усиленной и не усиленной балки №4 пролетного строения, смоделированного в ПК «Лира САПР»
Показатели эффективности при усилении железобетонной балки длиной 24 м
№п/п Рассматриваемый параметр Без усиления FibARM Tape - 230/300 Изменение величины параметра, %
1 Изгибающий момент, при нагрузках, приложенных по схеме (см. рисунок 9) тхм 325 408 25
2 Нагрузка на балку №4 вызывающая прогиб величиной 38.8 см, кН 452 501 11
3 Величина прогиба в центре балки №4, см, при нагрузке равной 452 кН 38.8 32 -21
4 Ширина раскрытия нормальных к продольной оси трещин, см, при нагрузке равной 452 кН 0.0106 0.0078 -26
Составлено авторами на основании расчетных данных
• показатель увеличения нагрузки на балку №4 смоделированного пролетного строения (см. пункт №3, таблица 4) полученный в ходе расчёта близок к опытным данным источника [17], 11 % и 8,9 % соответственно (см. таблицу 4);
• при воздействии нагрузки от подвижного состава А-14 и асфальтоукладочной техники, значение максимального прогиба балок пролетного строения, после усиления ПКМ снизилось на 21 %, что существенно меньше опытных данных полученных в ходе исследований, проводимых в НИЛ «Мосты» СГУПСа, которые продемонстрированы в диссертации6;
• снижение величины раскрытия трещин, полученное в ходе выполнения расчётов, составило порядка 26 % данный показатель в совокупности с предварительным ремонтом балки перед нанесением ПКМ и надежной фиксацией полимерных
6 Слепец В.А. Название работы: Трещиностойкость и деформативность железобетонных пролетных строений мостов, усиленных полимерными композиционными материалами на основе углеродного волокна; дис. кандидата технических наук. ФГБОУ ВО СГУПС. Новосибирск - 2017, С. 1-24.
ламелей позволит надолго обеспечить сохранность рабочей арматуры конструкции.
Следует отметить, что применение полимерных композиционных материалов является перспективным и экономически выгодным [6] методом усиления железобетонных балок пролетных строений автомобильных мостов, но для массового применения ПКМ в данном направлении, необходим большой объем практических исследований для разработки совершенной методики расчета работы полимерных композитов и формирования представления об их работе в территориальных условиях Российской Федерации (резко континентальный климат; суровые, продолжительные морозы).
Заключение
В данной работе рассмотрены вопросы применения технологии усиления железобетонных балок, пролетных строений автодорожных мостов, при помощи полимерных композиционных материалов (ламелей и холстов из углепластика).
Осуществлен процесс моделирования и расчета влияния ПКМ на работу железобетонных балок пролетного строения. Выполнен анализ полученных данных и их сравнение с результатами лабораторных и стендовых испытаний, изложенных в научных трудах [17; 19] и диссертации6, на основании чего, проведена оценка эффективности данного способа усиления железобетонных балок пролетных строений, автодорожных мостовых сооружений.
Отмечается, что данная технология позволяет произвести усиление и (или) ремонт конструкции в кротчайшие сроки и при меньших затратах в сравнении с «классическими способами».
ЛИТЕРАТУРА
1. Майстренко И.Ю., Овчинников И.И., Овчинников И.Г., Кокодеев А.В. Аварии и разрушения мостовых сооружений, анализ их причин. Часть 1 // Интернет-журнал «Транспортные сооружения», Том 4, №4 (2017) https://t-s.today/PDF/13TS417.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/13TS417.
2. Овчинников И.Г., Валиев Ш.Н., Овчинников И.И., Зиновьев В.С., Умиров А.Д. Вопросы усиления железобетонных конструкций композитами: 2. Натурные исследования усиления железобетонных конструкций композитами, возникающие проблемы и пути их решения // Интернет-журнал «Науковедение» 2012, №4, http://naukovedenie.ru/PDF/14tvn412.pdf. - М. с. 1-37.
3. Овчинников И.И., Овчинников И.Г., Мандрик-Котов Б.Б., Михалдыкин Е.С. Проблемы применения полимерных композиционных материалов в транспортном строительстве // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 8, №6 (2016) http://naukovedenie.ru/PDF/89TVN616.pdf. с. 1-19.
4. Боккарев С.А., Кобелев К.В., Слепец В.А. Усиление железобетонных элементов мостов полимерными композиционными материалами без остановки движения // Интернет-журнал «Науковедение» 2014, №5, http://naukovedenie.ru/PDF/ с. 1-17.
5. Anthony Nanni. Carbon FRP Strengthening: New Technology Becomes Mainstream // Concrete international magazine, Published June 1997, p. 19-23.
6. Усиление железобетонных элементов мостовых конструкций полимерными композиционными материалами / Бокарев С.А., Яшнов А.Н., Смердов Д.Н., Неровных А.А., Слепец В.А., Соловьев Л.Ю.: под общ. ред. проф. С.А. Бокарева. - Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2019. - 180 с.
7. Шилин А.А. Усиление железобетонных конструкций композитными материалами / А.А. Шилин, В.А. Пшеничный, Д.В. Картузов. - М.: Стройиздат, 2004. - 139 с.
8. Kobayashi A., Hidekuma Y., Tateishi A. Strengthening of steel and concrete structures using CFRP in Japan // IABSE-JSCE Joint Conference on Advances in Bridge Engineering-III, August 21-22, 2015, Dhaka, Bangladesh. P. 597-606.
9. Zhuang N., Dong H., Chen D., Ma Y. Experimental Study of Aged and Seriously Damaged RC Beams Strengthened Using CFRP Composites // Hindawi Advances in Materials Science and Engineering, Published 2018, 9 pages.
10. Li D., Huang P., Guo X., Zheng X., Lin J., Chen Z. Fatigue crack propagation behavior of RC beams strengthened with CFRP under cyclic bending loads // Wiley online library. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. Published July 2017. P.212-222.
11. Dias-da-Costa D., Neves L.A.C., Gomes S., Hadigheh S.A., Fernandes P. // Time-dependent relability analyses of prestressed concrete girders strengthened with cfrp laminates. Engineering structures journal October 2019, 30 pages.
12. Yang J., Haghani R., Valvo P.S., Ricci F., Veltkamp M. A New Concept for Sustainable Refurbishment of Existing Bridges Using FRP Materials// Conference: SMAR 2017 - 4th International Conference on Smart Monitoring, Assessment and Rehabilitation of Civil Structures. Published September 2017, 8 pages.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
Karzad A.S., Al Toubat S., Maalej M., Estephane P., Repair of reinforced concrete beams using carbon fiber reinforced polymer // International conference on advances in sustainable construction materials & civil engineering systems (ASCMCES-17) Volume: 120. Published September 2017, 10 pages.
Xiao H., Shi J., Liu J., Zheng K., Zhou G. Stressing stat characteristics of reinforcement concrete box-girders strengthened with carbon fiber reinforced plastic // Journal of Civil Engineering and Management. Published in Issue Jan 6, 2020, 13 pagesю
Naser M.Z., Hawileh R.A., Abdalla J.A. Fiber-Reinforced Polymer Composites in Strengthening Reinforced Concrete Structures: A Critical Review // Engineering Structures. Vol. 198, Published 1 November 2019, 90 pages.
Huang J., Shi J., Xiao H., Shen J., Yang B. Stressing State Analysis of Reinforcement Concrete Beams Strengthened with Carbon Fiber Reinforced Plastic // International Journal of Concrete Structures and Materials Published: 14 September 2020, 22 pages.
Овчинников И.И., Овчинников И.Г., Чесноков Г.В., Михалдыкин Е.С. Анализ экспериментальных исследований по усилению железобетонных конструкций полимерными композитными материалами. Часть 1. Отечественные эксперименты при статическом нагружении // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 8, №3 (2016) http://naukovedenie.ru/PDF/24TVN316.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
Овчинников И.И., Овчинников И.Г., Чесноков Г.В., Михалдыкин Е.С., Мандрик-Котов Б.Б. Анализ экспериментальных исследований по усилению железобетонных конструкций полимерными композитными материалами. Часть 3. Влияние циклического нагружения // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 8, №5 (2016) http://naukovedenie.ru/PDF/45TVN516.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
Слепец В.А. Определение прогибов в железобетонных элементах, усиленных полимерными композиционными материалами на основе углеродного волокна // Вестник ТГАСУ №5, 2016, с. 110-120.
Соловьев С.С. Расчет тавровой балки, усиленной композитными материалами, с использованием ПК ЛИРА-САПР / С.С. Соловьев, М.Ю. Пустовалова. Международный научный журнал «инновационная наука» №03-1/2017 issn 24106070 (2017) https://cyberleninka.ru/article/n/raschet-tavrovoy-balki-usilennoy-kompozitnymi-materialami-s-ispolzovaniem-pk-lira-sapr/viewer (дата обращения 30.04.2020).
Овчинников И.И., Овчинников И.Г., Чесноков Г.В., Михалдыкин Е.С. Анализ экспериментальных исследований по усилению железобетонных конструкций полимерными композитными материалами. Часть 2. Влияние температуры // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 8, №4 (2016) http://naukovedenie.ru/PDF/01TVN416.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
Kugaevskyi Nikita Maksimovich
Tyumen industrial university, Tyumen, Russia Construction institute E-mail: [email protected]
Ovchinnikov Ilya Igorevich
Tyumen industrial university, Tyumen, Russia Construction institute
Saratov state technical university named after Y. Gagarin, Saratov, Russia
E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8370-297X PHH^ https://elibrary.ru/author_profile. asp?id= 177132
Assessment of the effectiveness of reinforcement of reinforced concrete beams of superstructures of road bridges with polymer composite materials
Abstract. The paper considers the problem of using polymer composite materials ("PCM") made of carbon fiber as an element of strengthening the beams of the span structure of bridge structures.
When considering this problem, the issues of research and use of PCMs in order to strengthen various structures were raised. Contribution of foreign builders and designers to the development and comprehensive application of the method. Both advanced and modern experience of using these materials are considered, as well as the results obtained during the collection of data from reinforced structures.
Both the positive effect and possible disadvantages associated with certain characteristics and properties of these materials are reflected.
The importance of further research in this area is noted, especially in the field.
With the help of the Lira CAD software package, a process has been modeled in which, in parallel with the traffic, work is being carried out to replace the covering of the superstructure. The calculation and subsequent analysis of the effectiveness of reinforcing the reinforced concrete beams of the simulated span with carbon fiber lamellas FibARM Tape - 230/300 have been carried out.
The following parameters were taken as the considered parameters: the value of the beam deflection (cm), the opening width of cracks normal to the longitudinal axis (cm), the bending moment, under loads applied according to the scheme (t*m), the load on the beam causing a certain deflection (kN). A comparison of the indicators of the above parameters without amplification and with the use of FibARM Tape lamellas is carried out, as well as a comparison of the results obtained during the simulation with the data of laboratory and bench tests reflected in scientific works.
It is noted that the strengthening of artificial structures using PCM is a promising direction, but for mass use, it is necessary to develop a calculation method that can reliably reflect the operation of polymer composites.
Keywords: polymer composite materials; CFRP; structural reinforcement; superstructure; superstructure beam reinforcement; repair; bridge structures
