CC BY
15ПанченкоЛ.А., канд. техн. наук, доцент, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г.Шухова
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ БАЛКИ С ПОЛОСАМИ ИЗ ПОЛИМЕРОВ,
АРМИРОВАННЫХ ВОЛОКНАМИ
Проведено сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований, касающихся напряженно-деформированного состояния железобетонных балок, подкрепленных полосами из полимеров, армированных волокнами.
В работах [1 -4] изложено теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния железобетонных балок, подкрепленных полосами из полимеров, армированных волокнами (ПАВ). Проведенные экспериментальные исследования [5] подтвердили основные положения теории.
Представляет интерес сопоставление результатов
теоретических исследовании с данными экспериментов других авторов [6]. На рис. 1 представлены размеры балки, ее внутреннее и наружное армирование. Предел текучести внутренней арматуры составляет 410 МПа. Балка была переармирована на срез, чтобы избежать хрупкого разрушения от поперечной силы.
Для балок использовался стандартный товарный бе-
Рис.1. Размеры балки, армирование, нагрузка, размещение тензодатчиков
тон с максимальным размером заполнителя 20 мм, имеющего предел прочности на сжатие 30 МПа. Предел прочности бетона на сжатие определялся на опытах с цилиндрами 150х300 мм и был в пределах 50 МПа. Для полос наружного армирования использовались наиболее распространенные волокна - стеклянные, углеродные и арамидные. В качестве связующего материала применялся двухкомпонентный эпоксид.
Полосы перед установкой на балки обрабатывались пескоструйным аппаратом, чтобы устранить неровности, возникающие при фрезеровании. Поверхность балки обрабатывалась абразивным камнем с водой, промывалась и высушивалась. Компоненты эпоксида смешивались вручную, после чего состав наносился толщиной примерно 1,5 мм при использовании металлического шпателя. После установки полосы она при-гружалась на период консервирования при комнатной температуре в течение минимум 24 часов.
Электрические тензодатчики были установлены в пяти точках вдоль полосы и в трех точках по высоте балки на ее центральной оси (см. рис.1). Балки испытывались на четырехточечный изгиб в пролете 245 см. Начальные испытания показали, что присоединение полос существенно увеличивает несущую способность балки. В то же время повреждения наблюдались не в области максимального момента, а в краевой зоне полосы. Чтобы постараться избежать этой формы повреждения и тем самым увеличить несущую способность балки, осуществлены три модификации испытываемых образцов.
Рис. 2. Закрепление концов полосы: а) полоса приближена
к опоре; б) уголки примыкают на часть высоты; в) присоединенные на всю высоту полосы связаны уголками
Первая модификация заключается в закреплении концов полосы с помощью неравнобоких стеклопластико-вых уголков (рис. 2,б). Это привело к повышению нагрузки, но форма повреждения не изменилась.
Вторая модификация преследовала установку ПАВ-полос на полную высоту балки по ее бокам на концах
полосы и последующей связи с помощью стеклопласти-ковых уголков (рис 2,в). Нагрузка еще более возросла, но форма повреждений осталась неизменной.
Третья модификация - расположение полос вплотную к опорам (рис. 2,а). В этом случае разрушалась подкрепляющая полоса. Этот вариант эффективен в случае, когда отношение поперечной силы к изгибающему моменту малое, что наблюдается при больших пролетах.
Последовательность появления трещин одинакова для всех балок, усиленных полосами. Первоначально появились вертикальные трещины, что характерно для изгибаемых элементов. Затем шло образование трещин, вызванное деформациями сдвига. Деформации в сжатой зоне не достигали стадии дробления бетона.
Рис.3 Диаграмма «момент-прогиб в середине пролета» для балки со стекловолокнистой полосой: «-» - теоретические результаты, «х» - экспериментальные данные
Повреждение подкрепленных балок начиналось с образования трещин в конечной точке полосы и распространялось в виде наклонных трещин (под углом 45о) и горизонтальных трещин на уровне внутренней арматуры. Упомянутая выше первая модификация приводила лишь к частичному эффекту. В балке с арамидной полосой и в балке со стеклопластиковой полосой и уголками (вторая модификация) повреждение вызывалось деформациями сдвига в бетоне и предшествовало течению арматуры. Это было следствием высокой жесткости внешнего армирования.
Все подкрепленные балки обнаружили увеличение несущей способности от 17 до 99% по сравнению с не-подкрепленной балкой. Предельные изгибающие моменты колебались от 3 до 8,7 кНм, за исключением случая подкрепления армидной полосой со значительно большим эффектом.
Для балок, подкрепленных не на полную длину, разрушение в области постоянного изгибающего момента, составившего 115 кНм, произошло при напряжении в связи 0,84 МПа. Теоретическое значение напряжения по формуле (10) из работы [4] составляет 0,86 МПа, что отличается от экспериментального значения на 2,3%. Этот
факт можно рассматривать как достоверность математической модели напряженно-деформированного состояния композитной балки.
На рис.3 представлена диаграмма «момент-прогиб в середине пролета» для балки со стеклопластиковой полосой. Теоретические результаты получены на основе работ [1,2]. Они достаточно близки к данным эксперимента. Наибольшее расхождение наблюдается при изгибающем моменте М=30 кНм и равно 0,058 см, что составляет 9,2% от средней величины между теоретическим (0,6 см) и экспериментальным (0,658 см) значениями.
Таким образом, основные положения теории композитных балок [1-4] подтверждаются данными экспериментальных исследований [5,6].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Панченко Л .А. Определение прогибов стеклофибробетон-ной балки, усиленной полосой из стеклопластика / Л.А. Панченко, А.Г.Юрьев // Состояние современной строитель-
ной науки 2005: тр. З-й Междунар. науч.-практ. Интернет -конф. - Полтава: Изд-во ЦНТЭИ, 2005 - С.45-4б.
2. Панченко Л.А. Расчет по второму предельному состоянию статически неопределимых композитных балок / Л.А. Панченко, А.Г. Юрьев // Конструкции из композиционных материалов. - 200б. - №2. - С.82-8З.
3. Панченко Л.А. Эффект подкрепления железобетонных балок полосами из полимеров, армированных волокнами / Л .А .Панченко // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2007. - №9. - С.15-17.
4. Панченко Л.А. Исследование напряженного состояния бетонной балки, подкрепленной полосой из композита // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии: Сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007. - Ч.З. - С.11З-11б.
5. Панченко Л.А. Экспериментальные исследования стекло-фибробетонных элементов / Л.А. Панченко, А.Г. Юрьев, Ата Эль Карим Солиман // Материалы и технологии XXI века: сб. стат. З-й Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та арх. и стр., 2005. - С.119-122.
6. Ritchie P.A. External reinforcement of concrete beams using fiber reinforced plastics / P.A. Ritchie, D.A. Thomas, Le-Wu Lu, G.M. Connelly // ASI Structural Journal. - 1991. - №4. -Р.490-499.
