CC BY
20УДК 624.012.45
В. А. Слепец
Трещинообразование в сталефибробетонных элементах мостов с комбинированным армированием
Поступила 18.05.2020
Рецензирование 03.06.2020 Принята к печати 07.072020
В связи с отсутствием действующих норм и рекомендаций по проектированию и применению дисперсного армирования в железобетонных конструкциях мостов, в Сибирском государственном университете путей сообщения по заказу ГКУ Новосибирской области «Территориальное управление автомобильных дорог Новосибирской области» была проведена научно-исследовательская и опытно-конструкторская работа по теме: «Разработка стандарта организации на применение фибробетона при ремонте, капитальном ремонте, строительстве и реконструкции искусственных сооружений на автомобильных дорогах Новосибирской области». Выполнены экспериментальные и теоретические исследования работы сталефибробетонных элементов в мостовых конструкциях. Разработан стандарт организации «Применение фибробетона при ремонте, капитальном ремонте, строительстве и реконструкции искусственных сооружений на автомобильных дорогах Новосибирской области».
Принимая во внимание, что на пропускную способность мостовых сооружений оказывают влияние не только проектные нагрузки, но и техническое состояние конструкций, а наиболее распространенным повреждением в железобетонных конструкциях мостов являются трещины, особое внимание уделено вопросу трещиностойкости железобетонных конструкций с дисперсным армированием. На данный момент расчет железобетонных мостовых конструкций по трещиностойкости выполняют в соответствии с требованиями раздела «Бетонные и железобетонные конструкции» СП 35.13330.2011 «Мосты и трубы», основанного на предположениях О. Я. Берга о «зоне взаимодействия» арматуры и бетона. В статье изложены основные положения усовершенствованной методики расчета ширины раскрытия трещин и расстояния между трещинами для сталефибробетонных элементов мостов с комбинированным армированием, учитывающие предположения О. Я. Берга.
Ключевые слова: железобетонные пролетные строения, дисперсное армирование, фиб-робетон, фибра, сталефибробетон, трещина, ширина раскрытия трещины, расстояние между трещинами.
С выходом Постановления Правительства от 19 августа 1954 г. № 1804 «О развитии производства сборных железобетонных конструкций и деталей для строительства» мостостроение перешло на массовое применение сборного железобетона, с этого момента доля железобетонных мостов на сети автодорог только увеличивалась [1].
На сети дорог государственного казенного учреждения Новосибирской области «Территориальное управление автомобильных дорог Новосибирской области» (далее - ГКУ НСО ТУАД) находятся 266 мостовых сооружений различных годов постройки и норм проектирования, из них 199 сооружений (75 % от общего количества) по материалу конструкции пролетных строений являются железобетонными. 98 % всех опор мостов сети ГКУ НСО ТУАД выполнены с применением бетона и железобетона. Ежегодно при ремонте, капитальном ремонте, строительстве и реконструкции мостовых сооружений на автомобильных дорогах ГКУ НСО ТУАД используют
свыше 2 000 м3 бетона для изготовления сборных и монолитных элементов конструкций.
Свойства современного бетона, из которого сооружаются мостовые конструкции, регламентируются нормами и правилами многих стран (СП 35.13330.2011, ENV206, BS 1881, ASI 318, ASI 357, N5-3474). Однако выполнение всех норм не обеспечивает гарантированное качество на весь проектный срок службы капитальных сооружений, тем более что в соответствии с ГОСТ 33178-2014 [2] он находится в пределах 50-100 лет, а срок до первого ремонта 30-50 лет.
Анализ опыта эксплуатации искусственных сооружений, элементы которых выполнены из бетона и железобетона, показывает, что разрушение конструкций происходит значительно раньше, чем предусмотрено нормативными сроками, из-за ускоренного физического износа [3]. Для обеспечения эксплуатационного состояния сооружений на заданном уровне приходится проводить соответствующие профилактические работы и по необходи-
мости внеплановые ремонтные мероприятия, затраты на которые зачастую значительно превышают нормативные расходы [4].
Одной из перспективных технологий, позволяющих повысить физико-механические свойства и эксплуатационные качества бетона, является применение дисперсного армирования. Однако на данный момент государственный стандарт по проектированию и расчетам фибробетонных конструкций мостов отсутствует, что ограничивает возможности применения этой технологии.
Трещины являются одним из наиболее распространенных повреждений у железобетонных конструкций мостов, влияющих на долговечность сооружения [5]. Так, у 126 пролетных строений, эксплуатируемых на сети ГКУ НСО ТУАД, выявлены поперечные трещины в растянутой зоне, из них каждое третье пролетное строение имеет нормальные трещины, пересекающие рабочую арматуру, ширина раскрытия которых превышает нормативное значение [4, 6]. Особенно сильно влияние трещин сказывается на развитии деструктивных процессов в бетоне, подвергающемся попеременному замораживанию и оттаиванию в случае обводнения конструкции, а также приводит к развитию коррозии рабочей арматуры и, следовательно, снижению грузоподъемности.
Использование дисперсного армирования позволяет повысить физико-механические свойства бетона, такие как прочность при сжатии и растяжении, износостойкость, морозостойкость, водонепроницаемость, трещино-стойкость, по сравнению с первоначальными характеристиками бетона-матрицы.
На данный момент в разделе «Бетонные и железобетонные конструкции» СП 35.13330.2011 «Мосты и трубы» в основу расчета по раскрытию трещин положена методика, построенная на предположении О. Я. Берга о «зоне взаимодействия» арматуры и бетона [7, 8]. По его мнению, развитие трещины определяется величиной радиуса армирования Яг рассматриваемой площади сечения элемента. Таким образом, расстояние между трещинами зависит от площади растянутого бетона, ограниченного наружным контуром сечения и величиной радиуса взаимодействия г, количеством и диаметром арматурных стержней, а ширина
раскрытия трещин аСг линейно зависит от напряжений в арматуре и уменьшается с ростом процента армирования сечения и уменьшением диаметра арматуры; она может быть определена по формуле
а
асг = —
Е
(1)
где о - растягивающее напряжение, равное для ненапрягаемой арматуры напряжению Он в наиболее растянутых (крайних) стержнях; Е -модуль упругости, для ненапрягаемой арматуры Е$; у - коэффициент раскрытия трещин.
Коэффициент раскрытия трещин у зависит от радиуса армирования Яг и принимается в зависимости от типа армирования: для гладкой стержневой арматуры 0,35Яг, а для арматуры периодического профиля 1,5^/Я^ • Радиус армирования Яг определяют по формуле [9]:
яг =■ А
(2)
па'
где Аг - площадь зоны взаимодействия, для нормального сечения принимаемая ограниченным наружным контуром сечения и радиусом взаимодействия г = 6й; в - коэффициент, учитывающий степень сцепления арматурных элементов с бетоном согласно табл. 7.26 [9]; п - число арматурных элементов с одинаковым номинальным диаметром й; й - диаметр одного стержня (включая случаи расположения стержней в группах).
С целью уточнения методики расчета ширины раскрытия трещин для мостовых железобетонных конструкций с дисперсным армированием решим задачу, рассмотренную О. Я. Бергом при выражении зависимости расстояния между трещинами [9], лишь добавив в исходные данные задачи сальную фибру. Расчетные схемы представлены на рис. 1 и 2.
Аналитическая зависимость величины расстояния между трещинами 1т для железобетонного элемента с дисперсным армированием фиброй может быть установлена из следующих соображений [10, 11]:
1. Перемещение сечения арматуры и фибры без учета совместной работы с бетоном будет равно:
"о =8 х, (3)
где е - относительная деформация арматуры и фибры в месте трещины.
Рис. 1. Расчетная схема № 1
- касательное напряжение по линии контакта арматура - бетон
- касательное напряжение по линии контакта фибра - бетон
Рис. 2. Расчетная схема № 2
Пренебрегая неравномерностью деформации, перемещение сечения с учетом влияния бетона можно выразить как
и = м0 - ёы. (4)
2. Касательное напряжение по линии контакта арматура - бетон, фибра - бетон выра-
зим как
х = кёи = к(ыо - и),
(5)
где к - модуль деформации сцепления.
3. Среднее растягивающее напряжение в бетоне
Аг ах
(6)
где N - среднее растягивающее усилие в бетоне; Аг - площадь бетона в пределах зоны взаимодействия; Еь - модуль упругости бетона.
4. Из условия равновесия элемента dx (см. рис. 2) следует, что
х(п%а + п^ %аугеа )ёх = -ёЫъ, (7)
где п - число арматурных стержней с эквивалентным диаметром d; п/ - количество фибры с приведенным диаметром df,red, продольная
ось которой совпадает с направлением действия растягивающих усилий.
Величина п/ определяемое по формуле 4кц. ^Аг
пг =■
(8)
где / - коэффициент фибрового армирования по объему (относительное по объему содержание стальной фибры в объеме сталефибробе-тона); к - коэффициент, учитывающий ориентацию фибр в объеме элемента.
Теоретически коэффициент ориентации фибры в объеме бетона к должен быть равен 0,33. Но в процессе укладки бетона и уплотнения смеси может происходить переориентация волокон в определенном направлении. В ходе исследований [12] было установлено, что волокна располагаются преимущественно перпендикулярно по отношению к направлению уплотнения. При этом в направлениях х (продольном) и у (поперечном) было зарегистрировано по 40 % стальных волокон. Количество волокон, расположившихся в направлении уплотнения г (вертикальном), соста-
вило порядка 20 %. Подобная преимущественная ориентация волокон должна быть учтена при изготовлении конструкции в зависимости от схемы ее работы [12].
Подставим значение т из уравнения (5) и N из уравнения (6) в уравнение (7):
к(и0 - u)(n%d + nf ndfred) = -ЕьАг^-2.
dx
или в окончательном виде
d u dx2
2 2 - m u = -m sx,
(9)
(10)
где m =
к (nnd + n f nd f red)
EbAr
5. По аналогии с [8, 10] выразим искомую величину - радиус армирования железобетонного элемента с дисперсным армированием фиброй:
Rfr =■
nd + n fd f,red
или
Rfr —
nd + 4КЦ fvAr j (%df,red )
Из этого следует, что
(11)
(12)
m =
V
к л
EbRfr
Общий интеграл уравнения (10) имеет вид, аналогичный уравнению, описанному в [8, 10]:
и0 = С еИmx + /С2 mx + 8x--mx. (13)
т
В результате решения уравнения (13), с учетом значения радиуса армирования (12), получим, что образование трещины произойдет при
достижении прочности фибробетона Яр^ т. е. когда оь = Ц^шг. При этом условии расстояние между трещинами 1т для железобетонного элемента с дисперсным армированием фиброй выражается следующим образом:
lm = — arch
m
Ebs
Ebs - Rfbt,s
= 2
arch
Eb s
(14)
Ebs - Rfbt,ser
В результате решения рассмотренной задачи мы получили, что методика определения развития трещины в железобетонном элементе с дисперсным армированием фиброй принципиально не отличается от методики, изложенной в разделе «Бетонные и железобетонные конструкции» СП 35.13330.2011, за исключением введения новой конструктивной характеристики - радиуса армирования железобетонного элемента с дисперсным армированием фиброй, определяемого по формуле (12).
На основании работ О. Я. Берга [7, 8], положенных в основу расчета по раскрытию трещин в действующих нормах проектирования [9], усовершенствована методика расчета ширины раскрытия трещины и расстояния между трещинами железобетонного элемента с дисперсным армированием фиброй. В случае расчета стале-фибробетонных элементов мостов с комбинированным армированием расстояние между трещинами рекомендовано определять по формуле (14), а ширину раскрытия трещины - согласно действующим нормам проектирования [9], с учетом новой конструктивной характеристики -радиуса армирования железобетонного элемента с дисперсным армированием фиброй.
r
r
Библиографический список
1. Власов Г. М., Устинов В. П. Расчет железобетонных мостов. М. : Транспорт, 1992. 256 с.
2. ГОСТ 33178-2014. Дороги автомобильные общего пользования. Классификация мостов. М. : Стан-дартинформ, 2015.
3. Бокарев С. А. Громенко К. Г., Слепец В. А. Обеспечение пропускной способности мостов опорной сети Новосибирской области // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2013. № 1. С. 210-217.
4. Бокарев С. А., Прибытков С. С., Яшнов А. Н. Содержание искусственных сооружений с использованием информационных технологий : учеб. пособие для вузов ж.-д. трансп. М. : УМЦ ЖДТ, 2008. 195 с.
5. Мурашев В. И. Трещиноустойчивость, жесткость и прочность железобетона. М. : Мин-во стр-ва предприятий машиностроения, 1950. 268 с.
6. Бокарев С. А., Ефимов С. В. Вопросы подобия усиленных железобетонных балок при экспериментах на уменьшенных масштабных моделях // Науковедение : интернет-журнал. 2014. № 5. С. 1-9. URL: http://naukovedenie.ru/PDF/17KO514.pdf (дата обращения: 03.03.2020).
7. Берг О. Я. О предельном состоянии по трещинам в железобетонных мостовых конструкциях // Труды ВНИИЖТ. 1951. Вып. 3. С. 5-59.
8. Берг О. Я. Исследование процесса трещинообразования в железобетонных элементах с арматурой периодического профиля // ВНИИЖТ. 1954. Сообщение № 44. 23 с.
9. СП 35.13330.2011. Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84*. М. : Минрегион РФ, 2011. 340 с.
10. Слепец В. А. Трещиностойкость и деформативность железобетонных пролетных строений мостов, усиленных полимерными композиционными материалами на основе углеродного волокна : дис. ... канд. техн. наук : 05.23.11. Новосибирск, 2017. 194 с.
11. Бокарев С. А., Слепец В. А. Трещинообразование в железобетонных элементах мостов, усиленных полимерными композиционными материалами // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2015. № 3. С. 18-26.
12. Брайтенбюхер Р. Процесс производства и свойства сталефибробетона // Бетон и железобетон. 2012. № 2. С. 93-97.
V. A. Slepets
Cracking in Steel Fiber Reinforced Concrete Bridge Elements with Combined Reinforcement
Abstract. The article reports about fundamental issues of advanced method of crack width and crack spacing calculation for steel fiber reinforced concrete bridge elements with combined reinforcement. Due to the lack of current norms and recommendations for the design and application of dispersed reinforcement in reinforced concrete structures of bridges, at the Siberian State Transport University, by order of the State Public Administration of the Novosibirsk Region Territorial Administration of the Novosibirsk Region Highways, research and development work was carried out on the topic Development of an organization standard for the use of fiber-reinforced concrete in the repair, overhaul, construction and reconstruction of artificial structures on the highways of the Novosibirsk region. Experimental and theoretical studies of the work of steel-fiber-concrete elements in bridge structures have been carried out. The organization's standard The use of fiber-reinforced concrete in the repair, overhaul, construction and reconstruction of artificial structures on the highways of the Novosibirsk region has been developed.
Taking into account that the carrying capacity of bridge structures is influenced not only by design loads, but also by the technical condition of structures, and cracks are the most common damage in reinforced concrete structures of bridges, special attention is paid to the issue of crack resistance of reinforced concrete structures with dispersed reinforcement. At the moment, the calculation of reinforced concrete bridge structures for crack resistance is performed in accordance with the requirements of the section Concrete and reinforced concrete structures SP 35.13330.2011 Bridges and pipes, based on the assumptions of O. Ya. Berg about the interaction zone of reinforcement and concrete. The article presents the main provisions of the improved methodology for calculating the crack opening width and the distance between cracks for steel-fiber concrete elements of bridges with combined reinforcement, taking into account the assumptions of O. Ya. Berg.
Key words: reinforced concrete decks; dispersed reinforcement; fiber reinforced concrete; fiber; steel fiber reinforced concrete; crack; crack width; crack spacing.
Слепец Виктор Александрович - кандидат технических наук, ведущий эксперт отдела ИССО ГКУ НСО ТУАД. E-mail: vity_slepec@mail.ru
