CC BY
22
05.23.07 Гидротехническоестроительство
УДК 502/504:627.8:626.01 DOI 10.26897/1997-6011/2020-5-50-59
О.Д. РУБИН1, С.Е. ЛИСИЧКИН1, О.В. ЗЮЗИНА2
1 Филиал АО «Проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт «Гидропроект» имени С.Я. Жука» — «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений», г. Москва, Российская Федерация
2 Акционерное общество «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники имени Б.Е. Веденеева», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация
ВЛИЯНИЕ БАЗАЛЬТОКОМПОЗИТНОЙ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННОЙ АРМАТУРЫ НА РАБОТУ МАЛОАРМИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С МЕЖБЛОЧНЫМИ СТРОИТЕЛЬНЫМИ ШВАМИ
Предложено использовать предварительно напряженную базальтокомпозитную арматуру для усиления железобетонных конструкций гидротехнических сооружений. В целях обоснования технических решений по усилению железобетонных конструкций гидротехнических сооружений предварительно напряженной базальтокомпозитной арматурой проведены экспериментальные исследования. Для проведения экспериментальных исследований были приняты железобетонные конструкции балочного типа, имеющие вертикальные межблочные строительные швы. Представлены результаты экспериментальных исследований железобетонных моделей балочного типа с межблочными строительными швами, усиленных предварительно напряженной базальтокомпозитной арматурой способом натяжения «на бетон». Модели испытаны на совместное действие изгибающего момента и поперечной силы. Отмечен особый характер трещинообразования; зафиксировано полное восстановление несущей способности железобетонных конструкций, ослабленных межблочными строительными швами, за счет усиления предварительно напряженной базальтокомпозитной арматурой.
Гидротехнические сооружения, железобетонные конструкции, межблочные строительные швы, базальтокомпозитная арматура, предварительное напряжение, усиление железобетонных конструкций, экспериментальные исследования, трещинообразование в конструкциях, восстановление несущей способности.
Введение. В настоящее время распространяется метод усиления эксплуатируемых железобетонных конструкций системами внешнего армирования на основе углеродного волокна, появился определенный опыт усиления эксплуатируемых конструкций гидротехнических сооружений (ГТС) композитными тканями: Баксанская ГЭС, Эзминская ГЭС, Загорская ГАЭС-2, туннель ГЭС Тробзон в Турции, перекрытие машза-ла ЖиГЭС (проект) и др. При этом указанный метод применим только для тех конструкций, к растянутой зоне которых имеется доступ для устройства системы внешнего армирования. Вместе с тем в подпорных стенах, устоях, стенах шлюзов и других ГТС
со стороны растянутой зоны имеется грунтовая засыпка практически на всю высоту этих железобетонных сооружений, что исключает эффективное применение внешнего армирования.
Для разработки технических решений по усилению длительно эксплуатируемых железобетонных конструкций ГТС представляется необходимым проведение комплекса мероприятий по обоснованию применения базальтокомпозитной арматуры (АБК), учитывающих: большую прочность (в 2,5-3 раза) АБК на разрыв в сравнении со стальной арматурой при равном диаметре; устойчивость АБК к щелочной среде бетона; легкость АБК в сравнении
со стальной в 4-4,5 раза при равном диаметре (упрощение технологии производства работ); то, что АБК не корродирует в водной и в других агрессивных средах, и др.
Для реализации вышеуказанной цели проведены экспериментальные исследования, учитывающие характерные особенности железобетонных конструкций ГТС: невысокий класс бетона и арматуры; коэффициент продольного армирования ¡л < 0,01; наличие межблочных строительных швов; нарушение сцепления рабочей стальной арматуры с бетоном в зоне размещения строительных швов как результат проявления усадочных деформаций бетона при твердении (при строительстве), а также длительной эксплуатации конструкций ГТС при температурных и знакопеременных нагрузках; особый характер трещинообразова-ния конструкций ГТС.
При проведении экспериментальных исследований был учтен опыт исследований железобетонных конструкций ГТС, в том числе усиленных композитными материалами [1-7].
Материалы и методы исследований. Для исследований применялась апробированная методика физического моделирования железобетонных конструкций ГТС. Были изготовлены железобетонные модели балочного типа Б1, Б2 и Б3 с вертикальными межблочными строительными швами. Проектные размеры опытных балок: длина — 2000 мм, высота — 300 мм, ширина — 150 мм; класс бетона В30 В35.
Модель Б1 изготовлена со стальной арматурой в 2 приема для устройства межблочных строительных швов. Модели Б2 и Б3 изготовлены в 2 этапа: на первом этапе — бетонирование балки со стальной арматурой с межблочными строительными швами и создание канала для АБК; на втором этапе — предварительное напряжение АБК «на бетон», омоноличивание канала с последующим отпуском арматуры после набора прочности бетона.
Рабочее продольное армирование балки Б1: 2012 класса А400 (стальная арматура) с коэффициентом ¡а = 0,0056.
Рабочее продольное армирование балок Б2 и Б3: 2012 класса А400 (стальная арматура) и 1012 АБК.
АБК в балках Б2 и Б3 подвергалась предварительному напряжению на величину: 0,45 х 800 = 360 МПа (принято: коэффициент 0,45 — п. 1.4.2
СП 63.13330.2012 [8]; К,, п = 800 МПа - предел прочности АБК при растяжении (табл. 1), п. 5.2.4 СП 295.1325800.2017 [9]) с последующим обетонированием каналов в балке Б2 и в балке Б3.
Поперечная арматура выполнялась из стержней диаметром 8 мм класса А400 и устанавливалась в приопорных зонах с шагом 50 мм.
В обеих балках на расстоянии 465 мм от торцов устраивались вертикальные межблочные строительные швы.
Конструкция опытных балок представлена на рисунке 1.
Необходимо отметить следующее.
1. Опытная балка Б2 испытывалась с омоноличенной предварительно напряженной базальтокомпозитной арматурой.
2. опытная балка Б3 испытывалась в 2 этапа:
а) по схеме испытаний балки Б1 (со стальной арматурой);
б) после испытаний этапа 1 устанавливалась базальтокомпозитная арматура; производилось предварительное натяжение способом «на бетон» с последующим омоно-личиванием канала, и после выдержки в течение 10 сут. производились экспериментальные исследования.
При испытаниях опытные балки опирались на подвижную (катковую) и неподвижную (ножевую) опоры, расположенные на расстоянии 150 мм от торцов.
Нагрузка прикладывалась вертикально ступенями посредством гидравлического домкрата и передавалась через горизонтальную траверсу в двух точках на расстоянии 310-330 мм от центра балки, при этом расстояние между силами (зона «чистого изгиба») составило 620-660 мм, а расстояние между силами и опорами («пролет среза») -500-540 мм (рис. 1).
Опытные балки оснащались контрольно-измерительной аппаратурой (КИА) для измерения ширины раскрытия трещин и межблочных строительных швов; прогибов; деформаций бетона, стальной арматуры и АБК (рис. 2, а-в). Для этого использовались индикаторы часового типа и тензорези-сторы с базой 20-50 мм.
Результаты и обсуждение. В процессе экспериментальных исследований получены следующие основные результаты.
В опытных балках Б1 и Б3 (этап 1) зафиксирован следующий характер тре-щинообразования (рис. 2 б-в, 3): после
раскрытия вертикальных межблочных швов при нагрузках, указанных в таблице 1, произошло выклинивание наклонных трещин по направлению к приложенным силам (на расстоянии Хш = 0,24 • Ьш от сжатой грани в балках Б1 и Б3 (этап 1) и на расстоянии Хш = 0,34 • Ь от сжатой грани - в балке Б2).
При этом под действием нагрузки, близкой к разрушающей, образовались трещины вдоль продольной рабочей арматуры по направлению «от межблочного шва к опорам» (рис. 3 б). На участке между силами в зоне «чистого изгиба» образовалась система вертикальных нормальных трещин.
Рис. 1. Конструкции и схемы испытаний опытных балок
Опытные значения силы Р, соответствующие образованию наклонных трещин из межблочных швов и разрушению балок Б1, Б2 и Б3 (этап 1) по схеме «вертикальная трещина по шву — наклонная трещина из шва по направлению к силе — горизонтальная трещина вдоль продольной рабочей арматуры по направлению к опоре», представлены в таблице.
Из анализа результатов испытаний балок Б1, Б2 и Б3 (этап 1) по первой группе
предельных состояний следует, что балка Б2, усиленная предварительно напряженной АБК, имеет лучшие показатели как по величине силы, соответствующей образованию наклонных трещин из межблочных строительных швов, так и по величине разрушающей силы; при этом характер разрушения балки Б2 — нехрупкое разрушение в сравнении с балками Б1 и Б3 (этап 1), которые имели хрупкое разрушение.
Рис. 2. Схема установки КИА и характер трещинообразования в балках на различных этапах нагружения:
(а-в) — схема установки КИА на бетоне балок, на стальной арматуре и АБК;
б) — характер трещинообразования балки Б1;
в) — характер трещинообразования балки Б2
Рис. 3. Характер трещинообразования балки Б3:
а) — по длине пролета; б) — в зоне межблочного строительного шва
Необходимо отметить, что балка Б3 (этап 2) в сравнении с балками Б1 и Б3 (этап 1) полностью восстановила свою несущую способность за счет предварительного натяжения базальтокомпозитной арматуры
при нехрупком разрушении, превышающем показатели вышеуказанных балок в среднем на 24%.
Графики деформаций стальной арматуры в сечении по межблочному
строительному шву в балках Б2 и Б3 (этапы 1 и 2) представлены на рисунке 4, из которого следует, что при разрушающей нагрузке максимальные напряжения аБш
(при модуле упругости стальной арматуры Еа = 2,0 х 105 МПа) не превышают (равны) пределу текучести продольной стальной арматуры.
Таблица
Результаты экспериментальных исследований
№ п/п Опытные значения силы, Р (кН) Для балки Б1 Для балки Б2 Для балки Б3 (этап 1) Для балки Б3 (этап 2)
1 Сила Р, соответствующая образованию наклонных трещин из межблочных строительных швов 46,8 67,6 44,2 44,2*
2 Сила Р, соответствующая разрушению балки 57,2 Разрушение хрупкое 104,0 Разрушение нехрупкое 52,0 Разрушение хрупкое 67,6 Разрушение нехрупкое
*Наклонные трещины из межблочных строительных швов образовались при испытании балки Б3 на этапе 1.
О 50 100 150 200 250 300
Рис. 4. Графики деформаций стальной арматуры в сечении по межблочному строительному шву в балках Б2 и Б3 (этапы 1 и 2)
Графики деформаций базальтокомпо-зитной арматуры в сечении по межблочному строительному шву в балках Б2 и Б3 (этап 2) представлены на рисунке 5, из которого следует, что для балки Б3 (этап 2), разрушенной при наличии только стальной продольной рабочей арматуры и восстановленной предварительно напряженной базаль-токомпозитной арматурой, при разрушающей нагрузке максимальные напряжения а{ш (при модуле упругости базальтокомпо-зитной арматуры Ег = 0,5 х 105 МПа) достигли величины 141 МПа (с учетом предварительного напряжения 360 + 141 = 501 МПа, что соответствует 62,5% от предела прочности АБК при растяжении).
Графики деформаций стальной и ба-зальтокомпозитной арматуры в зоне «чистого изгиба» балок Б2 и Б3 (этапы 1 и 2) представлены на рисунках 6, 7, из которых следует, что максимальные напряжения и а{ при разрушении балок значительно
(в 1,26 2,18 раза) ниже, чем в сечении по межблочным строительным швам (рис. 4, 5).
Таким образом, анализ опытных значений растягивающих напряжений в арматуре в балках Б2 и Б3 (этапы 1 и 2) указывает на тот факт, что применение предварительно напряженной АБК для усиления эксплуатируемых конструкций значительно снижает напряжения в рабочей стальной арматуре, обеспечивая ее сохранность, и обосновывает возможность продления срока службы эксплуатируемых ГТС.
Результаты экспериментальных исследований балок Б2 и Б3 (этапы 1 и 2) по второй группе предельных состояний представлены на рисунках 8-10.
Из графика ширины раскрытия межблочных строительных швов (рис. 8) следует, что применение предварительно напряженной базальтокомпозитной арматуры для усиления балки Б3 (этап 1) привело
к тому, что значения асгш при испытании Б3 Б2 и Б3 (этапы 1 и 2) не превышают допу-(этап 2) практически одинаковы, при этом скаемую величину по СП 41.13330.2012 максимальные значения асгш для балок (п. 9.8) [10], равную 0,5 мм.
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
еу ■10"5
50
100
150
200
250
Б-2 (АБК)
-■-шов 2
Б-3
(этап 2) шов 2
300
Рис. 5. Графики деформаций АБК в сечении по межблочному строительному шву в балках Б2 и Б3 (этап 2)
В 3
100 90
во
70 60 50 40 30 20 10 0
/ т
"/ /
• Ю-5
-Б-2
-Б-3 (этап 1) -Б-3 (этап 2)
0 50 100 150 200 250 300
Рис. 6. Графики деформаций стальной арматуры в сечении действия силы Р/2 в балках Б2 и Б3 (этапы 1 и 2)
0 50 100 150 200 250 300
Рис. 7. Графики деформацийАБК в сечении действия силы Р/2 в балках Б2 и Б3 (этап 2)
100
90
80
Я 70
С5 60
Г*1
50
£ 40
30
20
10
0
—Г—
асг, мм
Б-2
-ш-шов 2
Б-3 (этап 1)
-•-шов 2
Б-3 (этап 2) —А— шов 2
О ОД ОД 0,3 0,4 0,5
Рис. 8. Графики ширины раскрытия межблочных строительных швов
в балках Б2 и Б3 (этапы 1 и 2)
3
Ьй
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
О-с мм
Б-2
-ТЗ
1-3 (этап 1)
;-3 (этап 2) -*-Т1
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
Рис. 9. Графики ширины раскрытия нормальных трещин в сечении действия силы Р/2 в балках Б2 и Б3 (этапы 1 и 2)
100
90
80
70
^ 60 к
£ 50 &
Й 40 30 20 10 0
_____ V
1 1— а н сг, мм
Б-2
-Т10
Б-3 (этап 1)
-♦-Тб
Б-3 (этап 2) -*-Тб
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Рис. 10. Графики ширины раскрытия наклонных трещин в балках Б2 и Б3 (этапы 1 и 2)
Из графика ширины раскрытия нор- асг при разрушающей нагрузке не превы-мальных трещин в зоне «чистого изгиба» шает 0,2 мм и что применение предвари-(рис. 9) следует, что максимальная величина тельно напряженно базальтокомпозитной
не)
№ 5' 2020
арматуры Б3 (этап 2) для усиления балки Б3 (этап 1) снижает ширину раскрытия нормальных трещин.
Из графика ширины раскрытия наклонных трещин (рис. 10) следует, что по величине асгн можно судить о сдвиге
по межблочному строительному шву от действия в пролете среза (между сечением действия силы Р и сечением по опоре) поперечной силы Q, которая на стадии разрушения превалирует над изгибающим моментом М.
100
90
80
70
Я 60
■л
г*
$ 50 &
и 40 30 20 10
93,6, кН
67,6, кН
52,0 кН
/ /
^, мм
Б-2
- Б-3 (этап 1) -Б-3 (этап 2)
Рис. 11. Графики прогибов балок Б2 и Б3 (этапы 1 и 2)
График прогибов испытанных балок Б2 и Б3 (этапы 1 и 2) представлен на рисунке 11. Максимальный прогиб балок с применением предварительно напряженной ба-зальтокомпозитной арматуры при разрушающей нагрузке соответствует 1/400 от пролета балок.
Выводы
1. Результаты проведенных экспериментальных исследований показали, что усиление железобетонных конструкций ГТС, ослабленных межблочными строительными швами, предварительно напряженной базальтокомпозитной арматурой, позволило в полном объеме восстановить несущую способность с обеспечением нехрупкого разрушения конструкций.
2. Выявлен особый характер трещи-нообразования конструкций с межблочными строительными швами с предварительно напряженной АБК, что позволяет управлять процессами реализации технических решений при усилении, ремонте, реконструкции железобетонных конструкций ГТС, связанных с размещением дополнительного армирования.
3. Применение предварительно напряженной базальтокомпозитной арматуры позволило значительно снизить прогибы и ширину раскрытия межблочных строительных швов и нормальных
трещин в железобетонных конструкциях, армируемых по СП 41.13330.2012 стальной арматурой.
4. Поскольку базальтокомпозитная арматура не корродирует в водной и в других агрессивных средах, следует обратить внимание на возможность создания высокотехнологичной регулируемой системы усиления малоармированных железобетонных конструкций гидротехнических сооружений на основе управляемого предварительного напряжения АБК в течение всего срока длительной эксплуатации.
Библиографический список
1. Учет влияния строительных швов на прочность массивных железобетонных конструкций / А.П. Кириллов, В.Б. Николаев, О.Д. Рубин и др. // Гидротехническое строительство. - 1983. - № 6. - С. 33-36.
2. Рубин О.Д., Умнова Р.В. Экспериментальные исследования железобетонных конструкций при действии изгибающих моментов, продольных и поперечных сил / Сб. научных трудов Гидропроекта. Вып. 145. -М.: Гидропроект, 1991. - С. 83-95.
3. Рубин О.Д., Захаров И.Б., Лисичкин С.Е. Оценка состояния автодорожного моста Павловской ГЭС и расчетно-экспе-риментальное обоснование мероприятий по его усилению // Энергетическое строительство. - 1994. - № 9. - С. 47-50.
4. Лисичкин С.Е., Рубин О.Д., Кам-
нев Н.М. Экспериментальное обоснование узла распределителя к напорному водоводу здания ГЭС гидроузла Аль Вахда // Гидротехническое строительство. — 1998. — № 6. — С. 52-56.
5. Рубин О.Д., Лисичкин С.Е., Фролов К.Е. Результаты экспериментальных исследований железобетонных конструкций ГТС, имеющих межблочные строительные швы, усиленных внешним армированием из углеродного волокна // Вестник МГСУ. — 2018. - Вып. 9. - Т. 13. - С. 1067-1079.
6. Рубин О.Д., Лисичкин С.Е., Фролов К.Е. Экспериментальные исследования железобетонных конструкций гидротехнических сооружений с блочными швами, усиленных системой внешнего армирования // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. - 2018. - № 3. - С. 198-204
7. Уманский А.М., Беккер А.Т. Применение базальтопластиковой арматуры в конструкциях морских гидротехнических сооружений // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. - 2016. - Т. 282. - С. 61-75.
8. СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положе-
ния. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003. - М. - 2012. - 161 с.
9. СП 295.1325800.2017. Конструкции бетонные, армированные полимерной композитной арматурой. Правила проектирования. - М.: Стандартинформ, 2017. - 55 с.
10. СП 41.13330.2012 Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.06.08-87. - М.: Стандартинформ, 2012. - 67 с.
Материал поступил в редакцию 03.11.2020 г.
Сведения об авторах Рубин Олег Дмитриевич, доктор технических наук, директор филиала АО «Институт Гидропроект» - «НИИЭС»; 125080, г. Москва, шоссе Волоколамское, 2; rubinod@niies.ru
Лисичкин Сергей Евгеньевич, доктор технических наук, главный научный сотрудник филиала АО «Институт Гидропроект» -«НИИЭС»; 125080, г. Москва, шоссе Волоколамское, 2lisichkin1989@rambler.ru
Зюзина Оксана Валерьевна, аспирант АО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева»; 195220, Санкт-Петербург, Гжатская, 21; zyuzinaov@vniig.ru
O.D. RUBIN1, S.E. LISICHKIN1, O.V. ZYUZINA2
1 Branch of JSC "Design and survey and research Institute "Gidroproekt" named after S.Ya. Zhuk" — "Research Institute of power structures", Moscow, Russian Federation
2 Joint-Stock company «All-Russian research institute of hydraulic engineering named after B.E. Vedeneev», Saint-Petersburg, Russian Federation
THE INFLUENCE OF BASALT-COMPOSITE PRESTRESSED REINFORCEMENT ON THE OPERATION OF LOW-REINFORCED CONCRETE STRUCTURES WITH INTERBLOCK CONSTRUCTION JOINTS
It is proposed to use prestressed basalt composite reinforcement to strengthen reinforced concrete structures of hydraulic structures. In order to substantiate technical reinforcement of reinforced concrete structures of hydraulic structures with prestressed basalt composite reinforcement, experimental studies were carried out. For experimental studies, reinforced concrete beam-type structures with vertical interblock construction joints were adopted. The results of experimental studies of reinforced concrete models of beam type with interblock joints reinforced with prestressed basalt composite reinforcement by the method of tension "on concrete'are presented. The models are tested for bending moment and transverse force. A special character of cracking is noted; full restoration of the bearing capacity of reinforced concrete structures, weakened by interblock construction joints, was recorded due to the reinforcement of prestressed basalt composite reinforcement.
Hydraulic structures, reinforced concrete structures, interblock construction joints, basalt composite reinforcement, prestressing, reinforcement of reinforced concrete structures, experimental studies, cracking in structures, restoration of bearing capacity.
References konstruktsij / ^n^v А.P., Nikolaev V.B.,
1. Uchet vliyaniya stroitelnyh shvov Rubin О.D. i dr. // Gidrotehnicheskoe stroitel-na prochnost massivnyh zhelezobetonnyh stvo. - 1983. - № 6. - S. 33-36.
