Содержание к диссертации
Введение
1. Усиление изгибаемых железобетонных элементов композитными материалами. цель и задачи исследования 11
1.1 Краткая характеристика железобетонных пролетных строений автодорожных мостов 11
1.1.1 Конструкции и техническое состояние железобетонных пролетных строений автодорожных мостов 11
1.1.2 Нагрузки и воздействия, особенности работы 15
1.2 Способыусиления железобетонных пролетных строений мостов...17
1.2.1 Усиление главных балок металлом 17
1.2.2 Усиление главных балок композитными материалами 19
1.3 Оценка несущей способности 23
1.3.1 Оценка несущей способности железобетонных пролетных строений по нормативным документам 23
1.3.2 Экспериментальные исследования несущей способности железобетонных конструкций, усиленных композитными материалами 26
1.3.3 Существующие предложения по оценке несущей способности железобетонных конструкций, усиленных композитными материалами 31
1.4 Цель и задачи исследования 33
2 Экспериментально-теоретические исследования работы железобетонных пролетных строений мостов, усиленных композитными материалами ...
2.1 Методика проведения экспериментальных исследований 36
2.1.1 Задачи исследования 36
2.1.2 Характеристики опытных образцов
2.1.3 Испытания на прочность
2.1.4 Измерение относительных деформаций, перемещений и усилий 43
2.2 Результатьгэкспериментальных исследований работы изгибаемых
железобетонных элементов, усиленных композитными материалами...47
2.3 Численное моделирование работы изгибаемых железобетонных конструкций, усиленных композитными материалами 56
2.3.1 Применение метода упругих решений к расчету нормальных сечений железобетонных элементов, усиленных композитными материалами 56
2.3.2 Нелинейный анализ изгибаемых железобетонных элементов, усиленных композитными материалами, методом конечных элементов 62
2.4 Выводы по разделу 72
3 Исследования влияния внешних факторов на долговечность изгибаемых железобетонных конструкций, усиленных композитными материалами 74
3.1 Натурные исследования железобетонногопролетного строения автодорожного моста, усиленного композитными материалами 74
3.1.1 Краткие сведения о сооружении 74
3.1.2 Испытание пролетного строения 76
3.1.3 Результаты испытаний пролетного строения 78
3.2 Исследование влияния многократного замораживания и оттаивания
на изменение несущей способности и деформативности изгибаемых
железобетонных элементов, усиленных композитными материалами...81
3.2.1 Цель проведения эксперимента 81
3.2.2 Характеристики опытных образцов 82
3.2.3 Испытания на морозостойкость 84
3.2.4 Результаты экспериментальных исследований
3.3 Моделирование работы железобетонных элементов, усиленных композитными?материалами, в суровых климатических условиях 90
3.4 Оценка выносливости изгибаемых железобетонных элементов, усиленных композитными материалами 94
3.5 Выводы.по разделу 102
4 Методика расчета железобетонных пролетных строений мостов, усиленных композитными материалами, и оценка ее эффективности 104
4.1 Общие предпосылки 104
4.2 Определение несущей способности : 105
4.2.1 Прочность сечений, нормальных к продольной оси элемента 105
4.2.2 Прочность сечений, наклонных к продольной оси элемента 109
4.2.3 Автоматизация расчетов по прочности сечений железобетонных элементов, усиленных композитными материалами
4.3 Повышениеэффективностиусиления железобетонных пролетных строений композитными материалами 114
4.4 Сравнение результатов расчета, полученных попредложенной методике, с экспериментальными данными и результатамшчисленного моделирования 117
4.5 Вероятностная оценка долговечности железобетонных пролетных строений мостов, усиленных композитными материалами
4.5.1 Вероятностный расчет безотказности 121
4.5.2 Вероятностная оценка остаточного ресурса
4.6 Технико-экономическая эффективность 128
4.7 Выводы по разделу 130
Заключение 131
Список литературы
- Оценка несущей способности железобетонных пролетных строений по нормативным документам
- Измерение относительных деформаций, перемещений и усилий
- Краткие сведения о сооружении
- Повышениеэффективностиусиления железобетонных пролетных строений композитными материалами
Введение к работе
Актуальность проблемы. На мостах и путепроводах сети автомобильных дорог Российской Федерации установлено более сорока тысяч железобетонных пролетных строений, различающихся конструктивными решениями, нормами проектирования, технологией сооружения и работающих в различных, в том числе сложных, климатических условиях. В последнее время существенно повышены требования к обеспечению безопасности движения автомобильного транспорта по искусственным сооружениям, это связано с ростом скорости и интенсивности движения, увеличением временной подвижной нагрузки на мосты.
В соответствии с ГОСТ Р 52748 временную вертикальную нагрузку от подвижного состава на автомобильных дорогах при проектировании принимают от автотранспортных средств в виде полос АК и от тяжелых одиночных нагрузок НК с классом нагрузки К, равным 14. На сегодняшний день эксплуатируемые пролетные строения автодорожных мостов запроектированы под временные нагрузки с классами К, равными 11, а также более низкими. Соответственно при выполнении капитального ремонта железобетонных мостов для обеспечения безопасного пропуска современных расчетных нагрузок требуется замена или усиление главных балок железобетонных пролетных строений. Эффективным способом повышения несущей способности железобетонных пролетных строений является применение современной технологии усиления композитными материалами. В настоящее время оценка несущей способности железобетонных пролетных строений, усиленных композитными материалами, производится по зарубежным методикам, положенным в основу действующих международных норм по проектированию. Применение указанных методик в Российской Федерации существенно ограничено, так как в них заложены гипотезы и подходы, отличающиеся от тех, которые реализованы в российских нормах, кроме того в них не учитываются особенности работы конструкций в северной строительно-климатической зоне.
Актуальность исследования обусловлена очевидной необходимостью разработки методики определения несущей способности железобетонных пролетных строений автодорожных мостов, усиленных композитными материалами, как одной из составляющей общей системы требований к проектированию капитального ремонта эксплуатируемых искусственных сооружений в Российской Федерации.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является уточнение оценки несущей способности железобетонных пролетных строений автодорожных мостов, усиленных композитными материалами, учитывающей их конструктивные особенности и сложные условия эксплуатации. Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:
провести экспериментальные исследования работы изгибаемых железобетонных элементов, усиленных композитными материалами;
разработать численные модели деформирования нормальных сечений методом упругих решений и пространственных конечно-элементных моделей железобетонных образцов, усиленных композитами, с учетом нелинейных свойств материалов и определить их соответствие действительной работе конструкций;
выполнить обследование и испытание усиленного композитными материалами железобетонного пролетного строения автодорожного моста после четырех лет эксплуатации;
провести исследование влияния многократного замораживания и оттаивания на изменение несущей способности и деформативности изгибаемых железобетонных элементов, усиленных композитными материалами;
выполнить оценку выносливости изгибаемых железобетонных конструкций, усиленных композитными материалами;
уточнить инженерную методику расчета по прочности сечений эксплуатируемых железобетонных пролетных строений мостов, усиленных композитными материалами;
дать оценку изменения во времени вероятности безотказной работы железобетонного пролетного строения с учетом его усиления композитами.
Научная новизна работы:
-
Выявлена новая схема разрушения усиленных железобетонных элементов, проявившаяся в результате разрыва композитного материала от действия изгибающего момента. Этот факт способствовал вводу дополнительного расчетного случая в методику расчета.
-
Показано существенное влияние изменения прочности бетона растяжению при попеременном замораживании и оттаивании на несущую способность железобетонных элементов, усиленных композитными материалами. Обоснована необходимость учитывать это влияние в расчетах по прочности на действие поперечной силы.
-
Впервые экспериментально установлено, что при одинаковом уровне динамического нагружения выносливость железобетонных элементов, усиленных композитными материалами, превышает выносливость неусиленных железобетонных элементов.
Достоверность полученных результатов подтверждена лабораторными и натурными исследованиями, корректным использованием теоретических и численных методов решения задач прочности, широко применяемых в науке, а также при проектировании и расчетах мостовых конструкций.
Практическая ценность и внедрение. Предлагаемая методика оценки несущей способности обоснована с учетом конструктивных особенностей и сложных условий эксплуатации, позволяет проектировать усиление композитными материалами железобетонных пролетных строений автодорожных мостов.
Разработанная методика определения несущей способности железобетонных пролетных строений мостов, усиленных композитными материалами, применена при выполнении трех рабочих проектов по капитальному ремонту искусственных сооружений, эксплуатируемых на автомобильных дорогах Новосибирской области. Результаты исследований, выполненные автором, используются в учебном процессе кафедры «Мосты» Сибирского государственного университета путей сообщения (дисциплина «Грузоподъемность и усиление мостов»).
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на:
научно-технической конференции «Наука, инновации, образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России» в Екатеринбурге, апрель 2006 г.;
Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе» в Новосибирске, ноябрь 2007 г.;
Международной научно-технической конференции «Современное состояние и инновации транспортного комплекса» в Перми, апрель 2008 г.;
научно-практическом семинаре «Комплексный ремонт искусственных сооружений на автомобильных дорогах» в Рязани, май 2009 г.;
научно-практическом семинаре «Актуальные вопросы в сфере производства и ремонта железобетонных конструкций мостовых сооружений. Внедрение новых технологий и материалов при изготовлении элементов из железобетона» в Ростове-на-Дону, сентябрь 2009 г.;
объединенном научном семинаре шести кафедр СГУПСа в Новосибирске, 17 сентября 2010 г.
По теме диссертации опубликовано восемь работ.
На защиту выносятся:
-
Методика оценки несущей способности железобетонных пролетных строений мостов, усиленных композитными материалами.
-
Результаты исследования работы изгибаемых железобетонных конструкций, усиленных композитными материалами, при статическом и динамическом приложении нагрузки.
-
Численные модели железобетонных балок, усиленных композитами, реализованные методом упругих решений и методом конечных элементов с учетом фактических диаграмм деформирования бетона, арматуры и композита, включая их вероятностную оценку безотказной работы и остаточного ресурса.
-
Результаты исследования работы железобетонных элементов, усиленных композитными материалами, в условиях попеременного замораживания и оттаивания.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа общим объемом 159 с. содержит 83 рисунка, 19 таблиц и 3 приложения.
Оценка несущей способности железобетонных пролетных строений по нормативным документам
Во второй половине XX в. под руководством А.А. Гвоздева [42] был осуществлен переход от упругого расчета прочности железобетонных конструкций по допускаемым напряжениям на расчет железобетонных конструкций с учетом неупругих свойств железобетонных элементов по предельным состояниям первой группы. Были разработаны и внедрены в нормативные документы методы расчета железобетонных конструкций по предельным состояниям для всех основных форм сопротивления железобетонных элементов: при действии изгибающих моментов, продольных и поперечных сил, крутящих моментов, при местном действии нагрузок.
В соответствии с действующими нормативными документами [25, 90] в основе расчета мостовых конструкций из железобетона положен метод предельных состояний. Предельным-считается-такое состояние конструкции; при наступлении которого она перестает удовлетворять эксплуатационным требованиям. Предельные состояния могут быть вызваны различными причинами и соответствовать разной.степени повреждения конструкции: Все возможные предельные состояния принято разделять на- две группы. К первой группе относятся такие предельные состояния, при наступлении которых конструкция становится непригодной, для- эксплуатации. Наступление предельного- состояния конструкции первой группы соответствует аварийной ситуации, потери конструкции} несущей способности. Наступление предельного состояния второй группы не требует прекращения эксплуатации. Но при этом возникают затруднения для нормальной эксплуатации конструкции. Нормальной считается такая эксплуатация конструкций моста, при которой осуществляется бесперебойное движение нормативной временной нагрузки без ограничения ее проектных скоростей, при этом не требуется каких-либо повышенных эксплуатационных расходов.
В СНиП 2.05.03-84 [90] при определении несущей способности главных балок железобетонных пролетных строений предусмотрены расчеты по прочности следующих сечений: — нормальных к продольной оси элемента, на действие изгибающего момента; — между наклонными трещинами сжатого бетона по прочности; — наклонных к продольной оси элемента на действие поперечной силы; — наклонных к продольной оси элемента на действие изгибающего момента.
Схема усилий и эпюра напряжений в сечении, нормальном к продольной оси изгибаемого элемента Для изгибаемых железобетонных элементов А.А. Гвоздевым совместно с К.Э. Талем, Е.А. Чистяковым, Ю.П. Гущей была, разработана расчетная модель предельного состояния по нормальным сечениям, включающая предельные усилия в бетоне сжатой зоны и предельные усилия в продольной сжатой и растянутой, арматуре. Предельные усилия в бетоне сжатой зоны характеризуются прямоугольной эпюрой напряжений с расчетным сопротивлением бетона сжатию, а предельные усилия в сжатой и растянутой арматуре — расчетным сопротивлением арматуры растяжению. В качестве примера, на рисунке 1.12 приведена схема усилий и эпюра напряжений в сечении, нормальном к продольной оси изгибаемого железобетонного элемента при определении внутреннего предельного момента М. Несущую способность железобетонных элементов прямоугольного поперечного сечения по изгибающему моменту определяют по формуле: M = Rbxb(h0 -0,5х) +i?sc4(//o - ) (1-І) где высоту сжатой зоны х определяют из уравнения: х \ , (1.2) в котором Rb, Rsc, Rs - расчетные сопротивления бетона сжатию, арматурной стали сжатию и растяжению, соответственно; A s, As — площади поперечного сечения сжатой и растянутой арматуры; b — ширина поперечного сечения элемента; a s и as - расстояния от верхней грани элемента до центра тяжести сжатой арматуры, от нижней грани элемента до центра тяжести растянутой арматуры, соответственно; h0 - рабочая высота сечения.
Для элементов, подвергающихся воздействию поперечных, сил, А.А. Гвоздевым, М.С. Боришанским, А.С. Залесовым и др. [42] была разработана расчетная модель предельного состояния по наклонным сечениям, включающая предельные усилия, воспринимаемые бетоном и поперечной арматурой. Предельные усилия, воспринимаемые бетоном, определяются по эмпирической зависимости с расчетными сопротивлениями бетона растяжению, а предельные усилия, воспринимаемые поперечной арматурой, характеризуются площадью поперечной, арматуры, пересекающей наклонное сечение, с расчетными сопротивлениями поперечной арматуры растяжению.
Таким образом, при разработке инженерной методики оценки несущей-способности железобетонных пролетных строений мостов, усиленных композитными материалами, будет взят за основу метод предельных состояний, предложенный А.А. Гвоздевым. Однако, для уточнения расчетных случаев в методике необходимо проведение экспериментальных исследований работы изгибаемых железобетонных элементов, усиленных композитными материалами.
Экспериментальные исследования работы строительных конструкций, усиленных композитными материалами в основном проведены зарубежом [104, 107... 116]. В качестве примера приведем результаты испытаний, проведенные в 2002 г. в НИЛ «Строительства» «Венецианского архитектурного университета» двух железобетонных балок, усиленных углепластиком. Железобетонные образцы полной длиной 250 см имели прямоугольное поперечное сечение - высотой 25 см и шириной 40 см. Продольная арматура имела диаметр 14 мм, поперечная арматура 8 мм, поставленная с шагом 150 мм. Усиление было выполнено одним слоем углепластика по нижним граням балок шириной 25 см с анкеровкои слоя в приопорных участках U-образными обмотками. Испытания балок проводили по схеме однопролетной балки с двумя сосредоточенными силами. Расчетный пролет - 220 см (рисунок 1.13). В процессе испытания на каждом этапе нагружения измерялся прогиб балок. На рисунке 1.14 приведены графики изменения прогиба балок под нагрузкой. После усиления несущая способность балки увеличилась на 29 %. Разрушение балок происходило вследствие отслоения композитного материала между вертикальными трещинами в зоне действия максимального изгибающего момента в середине пролета.
Измерение относительных деформаций, перемещений и усилий
Испытания образцов проходили по схеме однопролетной балки. Расчетный пролет балок 1450 мм. Для эффекта чистого изгиба в середине пролета нагрузку на балку передавали через распределительную траверсу, установленную на двух опорах с межосевым расстоянием 286, мм. Деформации бетона и композитного материала измеряли при помощи съемных электронных индикаторов с ценой деления 0,001 мм, установленных на базе 260 мм, и съемных тензометрических датчиков деформаций, установленных на базе 62 мм. Прогиб балки в середине пролета фиксировали на каждом этапе нагружения при помощи электронного индикатора и тензометрического датчика перемещения. Для определения величины местного обжатия бетона балок на опорах были установлены механические индикаторы с ценой деления 0,01 мм. Нагрузку прикладывали ступенями по 500 кг, со средней скоростью нагружения 100 кг/мин. Значение испытательной нагрузки на балку фиксировали тензодинамометром (мессдозой) и по шкале пресса WPM-300 (рисунок 2.3). Тензометрические датчики деформаций, перемещений и тензодинамометр входят в состав малогабаритного измерительного комплекса «Тензор-МС», разработанного в СГУПСе группой специалистов в составе с.н.с. И.И. Снежкова, к.т.н., доц. Л.Ю. Соловьева, к.т.н. Д.Н. Цветкова, к.т.н., доц. А.Н. Яшнова под руководством д.т.н., проф. С.А. Бокарева [16]. f-S2-Y где t - число, соответствующее принятому уровню достоверности при числе степеней свободы К = со; (3 — принятая погрешность испытания, %; v — коэффициент вариации.
В опытах по исследованию прочности и деформативности достоверность (доверительную вероятность) рекомендуется принимать равной 0,95, что соответствует значению t = 1,96. Погрешность испытания обуславливается целями эксперимента и возможностями оборудования. При проведении экспериментальных исследований погрешность рекомендуется принимать равной 5-7 %. Коэффициент вариации определялся после проведения испытаний каждой серии балок, его значение лежало в интервале от 3 до 5 %. Поэтому количество образцов-близнецов для каждой серии испытаний варьировалось от 3 до 4 шт.
На рисунке 2.4 показан пресс WPM-300 с образцом серии «Г». Рисунок 2.4 — Вид пресса WPM-300 с образцом, подготовленным к испытаниям При испытаниях балок ставили цель фиксировать следующие величины: Р - несущую способность; V - прогиб в середине пролета на каждом этапе нагружения; є -относительные деформаций в середине пролета в точках установки индикаторов и тензометрических датчиков; Рст - усилие трещинообразования.
Известно, что принцип действия тензодатчика основан на свойстве материала изменять омическое сопротивление металлов в зависимости от напряженного состояния. Уменьшение или увеличение сопротивления проволоки при механическом воздействии на нее объясняется изменением ее геометрических размеров (длины, диаметра) и удельного сопротивления материала. Это свойство называют тензочувствительностью [1, 79]. В датчиках для измерений использовались тензодатчики с чувствительными элементами в виде петлеобразной решетки из тонкой проволоки, приклеенной к бумаге.
При измерениях механических величин с применением тензодатчиков первичными преобразователями являются упругие элементы, преобразующие измеряемую величину в деформацию упругого элемента. Эта деформация воспринимается наклеенным на упругий элемент тензодатчиками. На рисунке 2.5 приведены схемы чувствительных элементов преобразователей механических величин, которые использовались в датчиках. Рисунок 2.5, а - схема датчика деформаций, преобразователь которого выполнен в виде металлической арки, в своде которой наклеен тензодатчик. Рисунок 2.5, б - схема датчика перемещения, преобразователь которого выполнен в виде металлической консоли, на которую наклеен тензодатчик. Перемещение конца консоли осуществляется через упругую металлическую пружину. Рисунок 2.5, в - схема тензодинамометра (мессдозы) с преобразователем в виде металлического, цилиндра, по периметру которого наклеены тензодатчики. а) б) в) ДР Т „ Рисунок 2.5 — Схемы чувствительных упругих элементов тензодатчиков, используемых для измерения механических величин: а) деформаций; б) перемещений; в) сил Для определения метрологических свойств перед проведением эксперимента каждый тензодатчик градуировали (тарировали). При этом получали следующие основные характеристики: коэффициент тензочувствительности, предельно допустимый интервал измерений, наличие гистерезиса, погрешность измерения. Погрешности измерений подразделяются на погрешности средств измерений и погрешности условий применения. Так как испытания проводились в тех же условиях, что и тарировка измерительного комплекса, определялись только погрешности средств измерений, к которым относят погрешность от несоответствия номинальной тензочувствительности ее действительному значению и погрешность от нелинейности градуировочных характеристик и механического гестерезиса тензодатчиков. Градуировка датчиков деформаций измерительного комплекса «Тензор-МС» проводилась на калиброметре и гидравлическом прессе. Датчики деформаций устанавливались на сжимаемую прессом металлическую призму (см. рисунок 2.6).
Краткие сведения о сооружении
Для1 проверки возможности использования МКЭ, как инструмента численного моделирования усиленных железобетонных конструкций и исходных расчетных предпосылок, сопоставим экспериментальные данные с данными расчета МКЭ, используя- при этом .как результаты испытаний, проведенных в НИЛ «Мосты» СГУПС, так и результаты, полученные другими исследователями [111]. Для решения поставленной задачи в программном комплексе ANSYS [8] были разработаны конечно-элементные модели (КЭ-модели) балок, испытанных в НИЛ «Мосты» СГУПС (см. рисунок 23)Ї На рисунке 2.18 приведен вид КЭ-модели железобетонной балки, усиленной композитным материалом. В КЭ-модели бетонное тело конструкций балок было разбито на объемные конечные элементы SOLID65 (см. рисунок 2.18, а). Арматуру балок моделировали стержневыми конечными элементами LINK8 (см. рисунок 2.18, б), композит - слоистыми объемными конечными элементами SOLID46 (см. рисунок 2.18, в). Элемент SOLID65 имеет возможность образовывать трещины при растяжении и разрушаться от сжатия. Элемент LINK8 способен воспринимать растяжение и сжатие, имеет свойства пластичности. В КЭ-моделях связь между конструктивами была принята идеальной. Узлы элементов арматуры LINK8 и композита SOLID46 объединялись с узлами элементов SOLID65 (см. рисунок 2.19). Передачу усилий на КЭ-модели балок моделировали объемными конечными элементами SOLID45, имитирующими металлические пластины. Аналогичное решение было принято и для моделирования мест опирання балок на опорные части (см. рисунок.2.18, а). Рисунок 2.18 - Конечно-элементная модель железобетонной балки, усиленной композитным материалом: а) элементы тела бетона - SOLID65 и металлических пластин -SOLID45; б) элементы арматуры - LINK8; в) элементы композита - SOLID46 При нелинейном анализе в программе ANSYS нагружение моделей осуществляется с определенным шагом, при этом величина шага зависит от поведения модели. Во время упругой работы модели шаг нагружения должен быть достаточно большим, а в момент трещинообразования или неупругой работы - минимальным. В данном исследовании минимальный шаг нагружения балок был принят равным 0,0018 тс (0,018 кН), наибольший -0,400 тс (3,924 кН). Стержневой элемент арматуры LINK8
Объемный слоистый элемент композита SOLID46 Способы объединения узлов элементов Принятая в расчетах диаграмма деформирования бетона, приведена на рисунке 2.15. На участке диаграммы 0-1 зависимость между напряжениями и деформациями в бетоне принята по формуле (2.5), а на участке 0-2 по формуле (2.6). При моделировании функция пластичности для бетона имела вид: Еьг 00 = (2.13) bn 4R где Яъп - нормативное сопротивление бетона сжатию. Диаграмма деформирования рабочей арматуры была принята в виде диаграммы Прандтля (см. рисунок 2.16). На участке диаграммы 0-1 напряжения в арматуре определялись по закону Гука, участок 1-2 соответствует площадке текучести, для которой Gs=Rsn, где Rsn — нормативное сопротивление арматуры растяжению.
При расчетах были приняты следующие прочностные и деформативные характеристики, для бетона: - начальный модуль упругости isb=36000 МПа, - нормативное сопротивление осевому сжатию і?ьп=41,58 МПа, - нормативное сопротивление осевому растяжению Яьш=4,158 МПа, - коэффициент Пуассона v=0,2, - коэффициент передачи сдвига на поверхности раскрытия;трещин 3t=0;6 . [8,Ш]; ; для! арматуры: - начальньїйімодуль упругости Д,=2,05 10?МПа, - нормативное сопротивление при осевом растяжении i?sn 390 МПа, - коэффициент Пуассона v=033;
Композитный- материал или фиброармированный. пластик состоит из полимерной- матрицы и армирующих его волокон. Композит является; анизотропным- материалом. В! соответствии с рекомендациями; [№.!] , для»; композита в. расчетах были приняты прочностные и деформативные характеристики; приведенные в таблице 2.5. Диаграмма деформирования ; композитабыла-приняташ соответствии с законом Рука. Таблица 2.5- Прочностные и деформативные характеристики композита Характеристика Значение Модуль упругости, Ef, МПа Ех = 231000; Еу = 3800 z = 3800 Коэффициент Пуассона, v vxy = 0,22; vxz = 0,22 vvz = 0,30 Нормативное сопротивление осевому растяжению, Rfn, МПа 3500 Модуль сдвига, Gf, МПа Gxy = 3800; Gxz = 3800 Gvz = 1462 Аналогичным образом было выполнено моделирование балок, испытанных в Орегонском государственном университете (США), см. рисунок 1.15. По результатам расчета в программном комплексе ANSYS получены графики изменения прогиба балок в зависимости от приложенной нагрузки, приведенные на рисунке 2.20 (балки, испытанные в НИЛ «Мосты» СГУПС) и на рисунке 2.21 (балки, испытанные в США).
Повышениеэффективностиусиления железобетонных пролетных строений композитными материалами
Разрушение всех неусиленных образцов (серия «А») происходило по сжатому бетону от действия изгибающего момента в середине пролета. Разрушение усиленных образцов (серия «Б») до и после 4 циклов замораживания и оттаивания происходило вследствие отслоения композитного материала по контакту «клей-бетон» в зоне образования наклонной трещины от действия поперечной силы и изгибающего момента. Вид этих образцов после испытаний приведен на рисунке 3.13. Четыре цикла попеременного замораживания и оттаивания образцов к снижению их несущей способности не привело. На поверхности всех образцов было обнаружено незначительное морозное разрушение бетона. Среднее разрушающее усилие образцов составило: серии «А» 8,12 тс, серии «Б» 11,20 тс. а) б)
Вид образцов после испытаний, подвергнутых 4 циклам замораживания и оттаивания: а) серия «А»; б) серия «Б» а) б) Контрольные образцы 4 цикла замораживания и оттаивания Графики изменения прогиба балок под нагрузкой после циклов замораживания и оттаивания: а) О циклов; б) 4 цикла На рисунке 3.14 представлены графики изменения прогибов балок под нагрузкой, построенные по показаниям мессдозы и тензометрического датчика перемещения. Из приведенных графиков видно, что разрушение неусиленных образцов серии «А» происходило при значительном увеличении прогиба и соответственно в течение относительно продолжительного периода времени. Разрушение усиленных образцов происходило скоротечно без существенного увеличения прогиба перед разрушением образца. После 8 циклов замораживания и оттаивания не менее 70 % площади поверхности бетона образцов было подвержено морозному разрушению в виде шелушения поверхностного слоя. У образцов после 12 циклов было обнаружено значительное морозное разрушение поверхности бетона с оголением крупного заполнителя. Вид усиленных образцов после 12 циклов замораживания и оттаивания приведен на рисунке 3.15. Все усиленные образцы после 4, 8 и 12 циклов замораживания и оттаивания повреждений в контактном слое «бетон-композит» не имели.
Вид усиленных образцов после испытаний подвергнутых: а) 8 циклам замораживания и оттаивания; б) 12 циклам замораживания и оттаивания Разрушение усиленных образцов (серия «Б») после 8 и 12 циклов замораживания и оттаивания происходило вследствие образования наклонной трещины от действия поперечной силы и изгибающего момента с разрушением бетона защитного слоя рабочей арматуры. Вид образцов после испытаний приведен на рисунке 3.16. Среднее разрушающее усилие образцов составило: после 8 циклов - серии «А» 8,12 тс, серии «Б» 10,20 тс; после 12 циклов - серии «А» 7,87 тс, серии «Б» 10,06 тс. На рисунке 3.17 представлены графики изменения прогибов балок под нагрузкой после 8 и 12 циклов замораживания - оттаивания, соответственно.
Графики изменения прогиба балок под нагрузкой после циклов замораживания и оттаивания: а) 8 циклов; б) 12 циклов Из приведенных графиков видно, что характер изменения прогибов балок не изменился по сравнению с балками, подвергнутыми 4 циклам и вообще не подвергнутыми замораживанию и оттаиванию (см. рисунок 3.14). Максимальный прогиб всех усиленных балок перед разрушением независимо от количества циклов составил 6...7 мм.
Негативного влияния попеременного замораживания и оттаивания на адгезию эпоксидного клея к бетону по результатам испытаний обнаружено не было. Композитный материал защищал поверхность бетона от увлажнения, что положительно сказывалось на его сопротивляемости морозному разрушению. Все усиленные образцы разрушались от совместного действия изгибающего момента и поперечной силы. Отличались схемы отслоения композита. После 4 циклов композит отслаивался в-зоне действия момента и поперечной силы по контакту «клей-бетон», после 8 и 12 циклов по контакту «бетон-арматура». Отслоение по контакту «бетон-арматура» говорит о том, что адгезия клея достаточная, а бетон, из-за падения его прочности, имеет не достаточную способность воспринимать сдвигающие усилия по податливому слою «композитный материал-бетон». В таблице 3.4 приведены данные о несущей способности испытанных образцов.
Серия № образца в серии N F НесущаяспособностьР, тс (кН) Среднее значение -Рср, тс(кН Остаточная»несущаяспособность,% А 1 0 0 8,25 (80,93) 8,12(79,66) 2 7,99 (78,38) Б 1 11,01 (108,01) 11,2(109,87) 2 11,39(111,74) А 3 4 150 8,24 (80,83) 8,12 (79,66) 99,80 8,06 (79,07) 5 8,05 (78,97) Б 3 10,69(104,87) 11,2(109,87) 99,80 11,23(110,17) 5 11,67(114,48) А 6 8 300 8,51 (83,48) 8,12 (79,66) 99,80 8,08 (79,26) 8 7,76(76,13) Б 6 10,74 (105,36) 10,2(100,06) 91,00 9,98 (97,90) 8 9,88 (96,92) А 9 12 400 8,16 (80,05) 7,87 (77,20) 96,30 7,91 (77,60) 11 7,54 (73,97) Б 9 9,57 (93,88) 10,06(98,69) 89,70 9,65 (94,67) 11 10,95 (107,42) Примечание: N - количество циклов замораживания и оттаивания; F — марка бетона по морозостойкости для числа циклов N при остаточной прочности бетона не менее 95 %. Проведенное исследование показало, что снижение прочности бетона марки F300 по морозостойкости в процессе замораживания и оттаивания приводит к незначительному падению несущей способности неусиленных балок по изгибающему моменту (3 %) и к более существенному падению несущей способности усиленных балок по поперечной силе (10 %).
Для выявления причин неравного падения несущей способности неусиленных и усиленных элементов во- время испытания» их на морозостойкость, было рассмотрено влияние изменения1 прочности бетона на- сжатие и растяжение при переменном замораживании и оттаивании, а также влияние этих изменений на особенности разрушения КЗ-моделейі образцовпри изгибе по моменту и по поперечной силе.
Известно, что попеременное замораживание и оттаивание оказывает существенно разное влияние на изменение прочности бетона сжатию и растяжению [17]. В этой же работе были получены зависимости (3.3)-(3.5), отражающие изменение прочностных и деформативных характеристик бетона в зависимости от количества циклов замораживания и оттаивания (N)[\7]: тъ = 1 - 0,00684 - 0,000319N2, (3.3) ты= 1-0,0165 -0,000517 N2, (3.4) тЕ = 2,057 тъ -1,057, (3.5) где тъ и ты — относительная остаточная прочность бетона на сжатие и растяжение; /wE- относительный остаточный модуль упругости бетона. Относительная остаточная прочность бетона и его модуля упругости, для испытанных образцов (см. рисунок 3.9), нормативное сопротивление бетона сжатию и растяжению, и модуль упругости, при числе циклов
