Содержание к диссертации
Введение
Железобетонные пролетные строения железнодорожных мостов 12
1.1 Краткая характеристика эксплуатируемых пролетных строений 12
1.1.1 Конструкции, особенности работы и расчета главных балок 12
1.1.2 Техническое состояние и грузоподъемность пролетных строений 17
1.2 Способы восстановления и увеличения грузоподъемности 20
1.2.1 Увеличение площади сечения рабочей арматуры нижнего пояса 20
1.2.2 Устройство железобетонной «рубашки» 21
1.2.3 Установка шпренгеля 22
1.2.4 Установка систем внешнего армирования на основе композиционных материалов 23
1.3 Экспериментальные исследования систем внешнего армирования 24
1.3.1 Испытания на прочность 24
1.3.2 Испытания на выносливость 27
1.4 Инженерные методы расчета железобетонных элементов, усиленных композиционными материалами 29
1.4.1 Нормативные и расчетные характеристики материалов 30
1.4.2 Расчет по прочности сечений, нормальных к продольной оси элемента 32
1.4.3 Расчет по прочности сечений, наклонных к продольной оси элемента 35
1.4.4 Расчет на выносливость по бетону и арматуре 37
1.5 Цель и задачи исследования 37
2 Статические и динамические экспериментальные исследования железобетонных элементов, усиленных композиционными материалами 41
2.1 Статические испытания 44
2.1.1 Характеристики опытных образцов 44
2.1.2 Проведение испытаний 50
2.1.3 Результаты испытаний 51
2.2 Динамические испытания 59
2.2.1 Характеристики опытных образцов 59
2.2.2 Проведение испытаний 60
2.2.3 Результаты испытаний 62
2.3 Выводы по разделу 65
3 Обоснование основных расчетных предпосылок метода классификации по грузоподъемности при проектировании усиления железобетонных пролетных строений железенодорожных мостов 67
3.1 Применение метода классификации 67
3.2 Нормирование прочностных и деформативных характеристик композиционных материалов 69
3.3 Предельные значения напряжений в материале усиления 75
3.4 Расчет на выносливость 82
3.5 Эффективные конструкции усиления главных балок железобетонных пролетных строений 86
3.6 Выводы по разделу 92
4 Методика определения грузоподъемности железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, усиленных композиционными материалами 94
4.1 Расчет нормальных сечений главной балки по изгибающему моменту 96
4.2 Расчет наклонных сечений главной балки по поперечной силе и изгибающему моменту 99
4.3 Расчет на выносливость по бетону и арматуре 103
4.4 Усиление и натурное испытание пролетного строения путепровода через ул. Строителей в г. Новосибирске
4.4.1 Краткие сведения о сооружении 106
4.4.2 Результаты обследования 108
4.4.3 Усиление пролетного строения 110
4.4.4 Испытание усиленного пролетного строения 113
4.4.5 Результаты испытания 115
4.4.6 Численное моделирование работы усиленной главной балки пролетного строения 118
4.4.7 Выводы по результатам испытаний 123
4.5 Оценка рисков для железобетонных пролетных строений, усиленных композиционными материалами 124
4.5.1 Идентификация рисков 125
4.5.2 Анализ вероятностей 126
4.5.3 Анализ последствий и оценка рисков 128
4.5.4 Оценка рисков для пролетного строения путепровода через ул. Строителей в г. Новосибирске 132
4.6 Технико-экономическое обоснование выбора усиления пролетных строений с использованием композиционных материалов для ОАО «РЖД» 134
4.7 Выводы по разделу 135
Заключение 137
Список литературы 138
- Техническое состояние и грузоподъемность пролетных строений
- Динамические испытания
- Предельные значения напряжений в материале усиления
- Расчет на выносливость по бетону и арматуре
Введение к работе
Актуальность темы исследования. На сети железных дорог Российской Федерации эксплуатируется более сорока тысяч железобетонных пролетных строений, различающихся конструктивными формами, нормами проектирования, технологией сооружения, а также условиями эксплуатации. В настоящее время существенно повышены требования к безопасности движения железнодорожного транспорта, что обусловлено увеличением скорости его движения и осевых нагрузок.
На сегодняшний день многие пролетные строения, ввиду длительных сроков и суровых условий эксплуатации, имеют дефекты и повреждения, прямо или косвенно влияющие на их грузоподъемность. Особое внимание следует уделить пролетным строениям путепроводов через автомобильные дороги, так как многие такие конструкции имеют повреждения, полученные вследствие удара негабаритного автотранспорта, из-за того, что их подмостовой габарит недостаточен для его безопасного пропуска. Применение композиционных материалов на основе углеродного волока в качестве материала усиления является перспективной технологией, эффективность которой доказана многочисленными экспериментально-теоретическими исследованиями, проведенными как в России, так и за рубежом. Однако в настоящее время нет утвержденной отечественной инженерной методики определения грузоподъемности железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, усиленных композиционными материалами.
Актуальность исследования обусловлена необходимостью
восстановления несущей способности железобетонных пролетных строений, имеющих повреждения, а также увеличения грузоподъемности неповрежденных конструкций. Основным вопросом, решаемым в рамках диссертационного исследования, является совершенствование инженерной методики расчета эксплуатируемых железобетонных строений железнодорожных мостов, усиленных композиционными материалами, по прочности и выносливости.
Степень проработанности темы. Научные аспекты диссертационного исследования были сформированы на основе изучения и анализа работ отечественных и зарубежных ученых ведущих научно-исследовательских институтов, высших учебных заведений и производителей систем внешнего армирования.
Проблемами усиления железобетонных пролетных строений мостов занимались П.П. Ефимов, В.В Кондратов, И.Г. Овчинников, Д.Р. Тимофеев и
ДР-
Вопросам применения композиционных материалов в строительстве и усилении железобетонных сооружений посвящены работы Н. Аттари (США), Михуба Ахмада, В. Дерковски (США), Д.В. Картузова, Ата Эль Карим
4 Шоеаб Солимана, В.П. Устинова, Б.В. Устинова, А.А. Шилина, В. Янсе (Нидерланды) и др.
Проблемами применения систем внешнего армирования на основе углеродного волокна для усиления мостовых конструкций занимались С.А. Бокарев, В.М. Картопольцев, В. Колотти (Италия), А. Нанни (США), Д.Н. Смердов, В.И. Шестериков и др.
Изучением работы усиленных элементов под многократно повторяющимися нагрузками занимались Д.Н. Смердов, Р. Гуссенговен (США), Ж. А.О. Баррос (Португалия), А. Прота (Италия) и др.
Методика расчета железобетонных элементов промышленных и гражданских зданий и сооружений была предложена А.А. Шилиным. Д.Н. Смердовым и В.И. Шестериковым были разработаны методики расчета несущей способности железобетонных пролетных строений автодорожных мостов, усиленных композиционными материалами.
ФГУП «РосДорНИИ», ЗАО «ПреПрег-СКМ», ООО «БАСФ Строительные Системы», 000 «НИИЖБ», ИПЦ «ИнтерАква» и другие организации разработали руководства или СТО по усилению железобетонных конструкций зданий, сооружений и автодорожных мостов композиционными материалами.
Настоящая работа посвящена разработке инженерной методики оценки грузоподъемности железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, усиленных композиционными материалами.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является обеспечение эксплуатационной надежности железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, усиленных композиционными материалами, на основе совершенствования методики расчета таких конструкций.
Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:
провести экспериментальные исследования свойств композиционных материалов и работы усиленных ими железобетонных конструкций, для нормирования прочностных характеристик холстов и ламелей на основе углеродного волокна, а также выбора наиболее эффективных конструкций усиления главных балок железобетонных пролетных строений;
усовершенствовать методику определения грузоподъемности эксплуатируемых железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, усиленных композиционными материалами, по прочности и выносливости на основе метода классификации;
выполнить обследование, усиление и испытание пролетного строения железнодорожного путепровода, а также численное моделирование работы усиленной конструкции и установить соответствие результатов, полученных по предложенной методике, действительной работе конструкции;
выявить риски, характерные для конструкций, усиленных композиционными материалами, оценить риск разрушения пролетного строения до и после усиления.
Объектом исследования являются разрезные железобетонные балочные пролетные строения под железнодорожную нагрузку с ненапрягаемой арматурой, усиленные композиционными материалами.
Предмет исследования - прочность, деформативность и выносливость изгибаемых железобетонных элементов пролетных строений железнодорожных мостов прямоугольного и таврового сечения, усиленных композиционными материалами.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
уточнена зависимость между схемой усиления композиционным материалом и напряжениями, возникающими в нем в предельном состоянии;
-
установлена зависимость площади поперечного сечения композиционного материала на напряжения в растянутой рабочей арматуре, обоснована необходимость ее учета при расчетах на выносливость;
-
выполнена оценка рисков для эксплуатируемого пролетного строения, усиленного композиционными материалами.
Теоретическая и практическая значимость. Предлагаемая методика позволяет оценивать грузоподъемность усиленных конструкций, а также проектировать усиление композиционными материалами железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов.
На основании результатов проведенных экспериментально-теоретических исследований для ОАО «РЖД» разработано Руководство по усилению железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов системой внешнего армирования на основе углеродного волокна.
Разработанная методика определения грузоподъемности применена при выполнении проекта усиления железнодорожного путепровода через ул. Строителей в г. Новосибирске.
Получен патент на полезную модель «Устройства для усиления железобетонных балок».
Методология и методы исследования. Методологической основой исследования стал системный подход к оценке технического состояния железобетонных пролетных строений, теория вероятностей и математическая статистика к обработке результатов измерений, численное моделирование к оценке точности предлагаемой методики, математические методы моделирования и сравнительного анализа к оценке сходимости результатов эксперимента и расчетных значений. Информационными источниками исследований стали инструкции и нормативные документы (СП 35.13330.2011, СП 79.13330.2012, ЦП-628, Руководство по определению грузоподъемности железобетонных пролетных строений, ГОСТ 25.601-80, ГОСТ 14359-69, ГОСТ 14759-69, ГОСТ 14760-69) по проектированию и содержанию искусственных сооружений на железных дорогах, а также определению характеристик композиционных материалов.
Положения, выносимые на защиту:
-
результаты экспериментальных исследований изгибаемых железобетонных элементов, усиленных композиционными материалами, на прочность, деформативность и выносливость;
-
коэффициент, учитывающий схему усиления при определении предельных значений расчетных напряжений в композиционном материале;
-
коэффициент, учитывающий отличие фактического перераспределения напряжений между растянутой стальной арматурой и композиционным материалом усиления от расчетного;
-
методика определения грузоподъемности по прочности и выносливости железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, усиленных композиционными материалами, по методу классификации;
-
методика оценки рисков для железобетонных пролетных строений, усиленных композиционными материалами.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов обеспечена корректным использованием теоретических и численных методов решения задач прочности, широко применяемых в науке, а также при проектировании и расчетах мостовых конструкций, и подтверждена лабораторными и натурными исследованиями.
Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на:
VIII научно-технической конференции студентов и аспирантов «Наука и молодежь XXI века» (г. Новосибирск, ноябрь 2011 г.);
IX научно-технической конференции студентов и аспирантов «Наука и молодежь XXI века» (г. Новосибирск, ноябрь 2012 г.);
научно-практической конференции РАДОР «Современные технологии ремонта и содержания искусственных сооружений» (г. Уфа, июнь 2012 г.);
Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию Сибирского государственного университета путей сообщения, «Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе» (г. Новосибирск, ноябрь 2012 г.);
семинаре «Использование композиционных материалов системы МВгасе немецкого концерна BASF при усилении строительных конструкций» (г. Уфа, апрель 2013 г.);
Международной научно-технической конференции «Проблемы транспортного строительства и пути их решения» (г. Сочи, апрель 2013 г.);
семинаре «Применение современных материалов для ремонта и усиления инженерных сооружений» (г. Новосибирск, октябрь 2013 г.);
объединенном научном семинаре шести кафедр СГУПСа (г. Новосибирск, октябрь 2013 г.);
Личный вклад автора заключается в разработке: программы экспериментальных исследований и обработке их результатов; корректировок формул напряжений в композиционном материале усиления в предельном состоянии и предельного момента для усиленного сечения при расчете на выносливость по арматуре; методики определения грузоподъемности усиленных пролетных строений методом классификации; проекта усиления железобетонного пролетного строения железнодорожного путепровода; методики оценки рисков для усиленных пролетных строений.
Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 9 печатных работах общим объемом 4,75 п.л. (в т.ч. авт. 1,60 п.л.), включая 3 публикации объемом 2,51 п.л. (в т.ч. авт. 0,53 п.л.) в ведущих научных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 101 наименование, и трех приложений. Общий объем диссертации составляет 201 страницу печатного текста. Работа содержит 60 рисунков и 37 таблиц.
Техническое состояние и грузоподъемность пролетных строений
Усиление мостов с помощью шпренгеля [53, 67] осуществляют исходя из требований минимального ограничения движения на время ремонтных работ. Как правило, шпренгели образуют из двух ветвей, расположенных симметрично относительно ребра каждой главной балки. Шпренгель может иметь как прямолинейное, так и полигональное очертание. На рисунке 1.9 показана схема установки прямолинейного шпренгеля. Полигональные шпренгели позволяют уменьшить и изгибающий момент, и поперечную силу, возникающие в балках, а прямолинейные – только изгибающий момент. Наиболее важным вопросом при усилении балок шпренгелями является их закрепление по концам, сбоку и снизу балок.
Усиление балки пролетного строения шпренгелем Материалом для шпренгелей служит высокопрочная арматура в виде стержней, проволок, пучков, прядей и тросов, включаемая в работу посредством натяжения. Обычно для натяжения и закрепления шпренгелей применяют анкерные устройства, используемые при изготовлении предварительно напряженных железобетонных конструкций, однако, иногда оттяжку шпренгелей в вертикальной плоскости осуществляют гидродомкратами или электронагревом. Недостатками шпренгельных конструкций являются сложность работ по их монтажу, а также некоторая ограниченность их применения, вызванная значительным увеличением габаритных размеров усиливаемой конструкции.
Следует отметить, что для усиления железнодорожных пролетных строений наиболее эффективными являются материалы на основе углеродных волокон. Это обусловлено тем, что такие волокна являются более прочными по сравнению со стеклянными, арамидными и базальтовыми, а также имеют гораздо больший модуль упругости, значение которого близко или превышает значение модуля упругости арматурной стали. Для усиления железобетонных балок пролетных строений мостов используют холсты (ткани, полотна, ленты) или ламели (пластины) на основе углеродного волокна. Материал усиления располагают на нижней грани балки, как показано на рисунке 1.10, и при необходимости закрепляют от отслоения и проскальзывания вертикальными или наклонными хомутами. Данный способ усиления отличается простотой и сравнительно малой продолжительностью работ по монтажу конструкции усиления, а также ее пренебрежимо малым, в масштабах пролетного строения, собственным весом. Кроме того, конструкция усиления из композиционных материалов не изменяет габаритных размеров сечения, что крайне важно при усилении пролетных строений путепроводов, особенно в стесненных городских условиях.
Экспериментальные исследования работы конструкций, усиленных композиционными материалами, проведены как отечественными, так и зарубежными исследователями. Результаты этих экспериментов позволили тщательно изучить особенности работы усиленных конструкций под статическими и динамическими нагрузками.
В качестве примера рассмотрим статические испытания, проведенные Д.Н. Смердовым [64] и В.И. Шестериковым [55].
В исследованиях Д.Н. Смердова, выполненных в 2009 году, испытаниям подвергались железобетонные образцы размером 1650х160х220 мм. Для изготовления образцов использовали бетон класса В30 и арматуру класса А-I и A-III. Продольная арматура имела диаметр 10 мм, поперечная – 6 мм. Образцы были усилены холстом SikaWrap 530C по семи схемам. В отдельную группу были отнесены балки с трещинами раскрытием 1…1,2 мм, образовавшимися во время предварительного нагружения. Схемы усиления опытных образцов показаны на рисунке 1.11. Рисунок 1.11 –Схемы усиления образцов Испытания проводили по схеме однопролетной балки с расчетным пролетом 140 см. Разрушение образцов происходило по следующим схемам: отслоение материала усиления между вертикальными трещинами, отслоение КМ с разрушением бетона защитного слоя рабочей арматуры, отслоение КМ в зоне образования наклонных трещин, разрыв материала усиления в зоне образования вертикальных трещин.
Несущая способность опытных образцов увеличилась на 36…120 %. Разрушающая нагрузка образцов с предварительно образованными трещинами оказалась на 60 % больше, по сравнению с неусиленными образцами.
Результаты, полученные в рамках исследования Д.Н. Смердова, позволили выявить новую, ранее не изученную, схему разрушения усиленных конструкций – разрыв композиционного материала в середине пролета.
В 2011 году ФГУП «РОСДОРНИИ» и ООО «ИЦ «ПОИСК» при участии В.И. Шестерикова были проведены статические испытания железобетонных балок пролетных строений под автомобильную нагрузку, выполненных по типовым проектам серий 3.503.1-81, длиной 24 и 33 м, и 3.503.1-73, длиной 12 м. Балки длиной 24 и 33 метра (2 штуки) были изготовлены из бетона класса В40, 12-метровая – из бетона класса В27,5; в качестве рабочей арматуры в балках длиной 12 и 24 метра использовались арматурные стержни из стали класса A-III, а в 33-метровых балках – проволоки класса B-II.
Для усиления балок использовали холст FibARM Tape 230/300. Балка № 1 длиной 24 метра была усилена после предварительного нагружения до образования трещин тремя слоями холста. Усиление балки № 2 длиной 12 м выполняли наклеиванием на боковые грани балки по 2 слоя. Балка № 3 длиной 33 м, подвергнутая предварительному нагружению также, как и балка № 1, была усилена наклеиванием четырех слоев холста на нижнюю грань. Для усиления балки № 4 длиной 33 м использовали схему, аналогичную схеме усиления балки № 3. Во всех схемах усиления выполняли анкеровку композиционного материала в приопорной зоне с помощью вертикальных хомутов. Испытания проводили на базе Мостоотрядов № 22 и № 80 с использованием специально изготовленных стендов. Общий вид испытательного стенда с установленной в него балкой длиной 24 под воздействием испытательной нагрузки показан на рисунке 1.12.
Динамические испытания
Группа 7. Образцы серий Б1, БЗ и Б4 разрушились вследствие отслоения
хомутов по контакту «клей-бетон» в зоне раскрытия наклонной трещины. Разрушение образцов серии Б2 произошло из-за раскрытия наклонной трещины. Несущая способность образцов серии Б1 по сравнению с серией Б0 увеличилась на 45 %, серии Б2 - на 20 %, серий Б3 и Б4 - на 44 %.
Группа 8. Образцы серий Б5, Б6 и Б8 разрушились вследствие раскрытия наклонной трещины под хомутом и его отслоения по контакту «клей-бетон». Разрушение образцов серии Б7 произошло из-за разрыва материала усиления в середине пролета балки. Несущая способность образцов серии Б5 по сравнению с серией Б0 увеличилась на 41 %, серии Б6 - на 40 %, серии Б7 - на 42 %, серии Б8 - на 70 %.
Следует отметить, что во всех образцах, кроме серии Б2, наклонная трещина развивалась от площадки опирания к площадке приложения усилия под углом около 30 и во всех случаях проходила под хомутами. В образцах № 2 и № 3 серии Б2 трещина начинала раскрываться от края хомута, расположенного ближе к центру балки, и развивалась под углом около 45.
Из таблицы 2.7 видно, что при использовании вертикальных хомутов увеличение несущей способности составило около 44 % при расположении оси хомутов в середине длины рассматриваемого сечения и практически не зависело от их ширины. Хомуты, ось которых была сдвинута ближе к середине балки, показали меньшую эффективность. Балки, усиленные наклонными хомутами малой толщины выдержали нагрузку на 41 % больше, чем неусиленные образцы. Наклонные хомуты, выполненные из холста большой плотности, показали большее увеличение несущей способности.
Таким образом, можно сделать вывод, что степень увеличения несущей способности конструкции не зависит от ориентации хомутов. Наибольшее влияние на эффективность усиления оказывают ширина и толщина КМ хомутов, а также расстояние от оси опирания балки до них.
Результаты испытаний показали, что минимальное увеличение несущей способности для балок типа «А» составило 39,50 % (серия А1), а максимальное – 186,90 % (серия А10). Увеличение несущей способности балок типа «Б» варьируется от 20,40 % для серии Б2 до 69,70 % для серии Б8.
Для испытаний усиленных образцов на выносливость были подготовлены три серии балок типа «А». Для усиления использовали схемы, показавшие хорошую эффективность при статических испытаниях. Образцы серии В1 были усилены наклейкой полосы холста FibARM Tape 230/300 шириной 150 мм на нижнюю грань (рисунок 2.7, а). Для усиления образцов серии В2 (рисунок 2.7, б) была применена U-образная обойма из холста FibARM Tape 230/300 с высотой стенок 75 мм и с закреплением по концам вертикальными хомутами шириной 100 мм, расположенными на расстоянии 210 мм от торцов балки. В серии В3 (рисунок 2.7, в) в качестве конструкции усиления была применена полоса ламели FibARM Lamel 14/100 шириной 50 мм, наклеенная на нижнюю грань балки и закрепленная по концам наклонными хомутами из холста FibARM Tape 230/300 шириной 150 мм под углом 45 градусов к продольной оси балки. Образцы серии В0 не усиливали.
Испытания образцов на выносливость проводили на универсальной испытательной машине ГРМ-2А (рисунок 2.8) по схеме, аналогичной схеме испытаний на прочность. Рабочей зоной, как и при испытаниях на прочность была зона чистого изгиба длиной 500 мм между местами приложения сил Р/2.
При нагружении образцов были приняты следующие параметры, неизменные для всех групп: частота приложения нагрузки Гц, коэффициент асимметрии цикла нагружений . Данное значение коэффициента асимметрии цикла нагружения выбрано на основании проведенного анализа, который показал, что для типовых пролетных строений доля постоянных нагрузок составляет около 30% от полной нагрузки.
Величины минимальной (Pmin) и максимальной (Pmax) нагрузок в цикле назначали для каждого образца на основании несущей способности образцов (Pstat), полученной по результатам статических испытаний.
В таблице 2.8 приведены значения максимальной и минимальной нагрузок цикла для всех образцов.
Прогиб образца в середине пролета фиксировали тензометрическим датчиком перемещений, а нагрузку на образец – тензодинамометром. Главными параметрами, которые фиксировали во время испытаний, были значения максимальной и минимальной нагрузки цикла (Pmax и Pmin), а также количество циклов нагружения (N), которое выдержит образец до своего полного разрушения.
Среднее значение несущей способности образцов, полученное по результатам статических испытаний, а также результаты испытаний балок типа «А» на выносливость – характеристики циклов нагружения и циклическая долговечность образцов – приведены в таблице 2.9. Характерные виды разрушения для образцов, испытанных на выносливость, приведены на рисунке 2.9.
Разрушение образцов происходило по следующей схеме: разрыв одного или нескольких стержней рабочей арматуры происходило после 80-85 % циклов нагружения от их общего числа N для данного образца, увеличение прогибов балки под нагрузкой, полное разрушение образца при достижении N циклов нагружения вследствие отслоения материала усиления с разрушением защитного слоя бетона. График изменения прогибов образца В2-1 показан на рисунке 2.10.
На основании результатов испытаний для характеристики сопротивляемости конструкций воздействию переменных нагружений в логарифмических координатах были построены кривые усталости [12] железобетонных образцов, усиленных композиционными материалами, показанные на рисунке
В результате проведенных экспериментальных исследований было испытано более 80 неусиленных и усиленных железобетонных образцов. Проведенные испытания показали, что применение систем внешнего армирования на основе композиционных материалов позволяет значительно увеличить прочность и долговечность изгибаемых железобетонных элементов. Несущая способность образцов по прочности нормального сечения увеличилась в 1,4…2,9 раза, по прочности наклонного сечения – в 1,2…1,7 раза. Долговечность образцов увеличилась в 6,3…14,3 раза.
Результаты испытаний показали, несущая способность образцов при увеличении толщины полосы КМ, наклеенного на нижнюю грань, не увеличивалась постоянно – образцы, усиленные полосой холста шириной 100 мм и толщиной 0,294 мм показали меньшее значение несущей способности, чем образцы, усиленные холстом толщиной 0,167 мм.
Использование пологих (расположенных под углом 10 к продольной оси образца) хомутов позволило увеличить несущую способность образцов на 22 % по сравнению со схемой усиления без них.
Несущая способность образцов, усиленных U-образной обоймой возрастает пропорционально увеличению высоты ее стенок. Устройство вертикальных хомутов на приопорных участках позволило дополнительно увеличить несущую способность на 40 %.
Несущая способность образцов, усиленных ламелями, зависит от их прочностных и деформативных характеристик – наиболее эффективной оказалась ламель с прочностью около 2900 МПа и модулем упругости 195 МПа (в сравнении с ламелями прочностью около 3500 МПа и модулями упругости 190 и 230 МПа). Закрепление ламели U-образной обоймой позволило достичь большего увеличения несущей способности, чем закрепление вертикальными хомутами (140 % против 84 %).
Вертикальные и наклонные хомуты с точки зрения увеличения несущей способности наклонного, сечения имеют одинаковую эффективность. Значимым параметрами в данном случае являются площадь хомутов и их удаление от опорного сечения.
Предельные значения напряжений в материале усиления
Путепровод через ул. Строителей, расположенный на 26+600 км участка Новосибирск Гл. – Барнаул Западно-Сибирской железной дороги был построен в 1963 году. Отверстие путепровода перекрыто железобетонными пролетными строениями расчетной длиной 15,8 м, выполненными по типовому проекту Ленгипротрансмоста инв. № 6503 (1954 г.). Путепровод расположен на прямой в плане и на уклоне 6,4 с понижением отметок в сторону г. Барнаул. Полная длина путепровода составляет 31,5 м, мостовое полотно на балласте с деревянными шпалами. Общий вид путепровода показан на рисунке 4.5, его схема – на рисунке 4.6.
Пролетные строения путепровода монолитные, одноблочные, двухребристые. Высота балок – 1,45 м, ширина – 0,5 м. В качестве растянутой арматуры используются стержни периодического профиля диаметром 32 мм. Поперечное сечение главной балки и схема армирования ее нижнего пояса показаны на рисунке 4.7. разрушен бетон нижнего пояса, разорваны и продернуты стержни рабочей арматуры, появилась выбоина в стенке ребра. Для оценки технического состояния балки и определения ее грузоподъемности сотрудниками НИЛ «Мосты» НИДЦ СГУПС под руководством автора в мае 2013 года было проведено обследование сооружения.
В рамках обследования выполнены геометрические измерения, целью которых было определение положения путей в плане и профиле, а также толщины слоя балласта под шпалами. Для уточнения количества выключенных из работы (разорванных или продернутых) стержней растянутой арматуры проведен тщательный осмотр поврежденных балок.
По результатам проведенных измерений установлено, что уклон путей в профиле составляет 6,3 , что соответствует данным, представленным в АСУ ИССО. Толщина балласта под шпалами на первом пути составляет 67 см, на втором – 61см, что превышает предельное значение 40 см, установленное инструкцией ЦП-628 [79]; толщина слоя балласта на третьем пути находится в пределах нормы (25…40 см) и составляет 39 см. Значения смещения оси пути, относительно оси пролетного строения (эксцентриситета пути) приведены в таблице 4.2.
Осмотр балок пролетного строения № 3 показал, что защитный слой растянутой арматуры балок № 1 и № 2 разрушен практически по всей их длине, 16 стержней рабочей арматуры балки № 2 разорваны или продернуты, а также имеется выбоина в стенке балки № 2 площадью около 0,5 м2. Указанные повреждения показаны соответственно на рисунках 4.7 и 4.8.
Выключенные из работы стержни балки № Рисунок 4.9 – Схема повреждений нижних поясов балок Прочность бетона балки принята на основании результатов измерения склерометром Шмидта – при фактической средней прочности бетона 33,0 МПа расчетная прочность равна . Расчетные сопротивления арматуры растяжению и сжатию приняты на основании проектных данных . Отношение модулей упругости арматуры и бетона при расчетах на выносливость .
Расчет грузоподъемности, выполненный для сечений, расположенных в середине пролета и на расстоянии 5,5 м от оси опирания (наиболее ослабленное сечение) поврежденной балки № 2 пролетного строения № 3, показал, что класс пролетного строения по прочности нормального сечения равен 6,47, а по выносливости – 2,95. Для обеспечения бесперебойного и безопасного пропуска нагрузок, соответствующих второй категории мостов по грузоподъемности, необходимо, чтобы класс главной балки был не менее 6,99.
Проект усиления главной балки № 2 пролетного строения № 3 был разработан под руководством автора сотрудниками НИЛ «Мосты» НИДЦ СГУПС в июне 2013 года. Проектом предусмотрено наклеивание углеродного холста марки FibARM 530/150 на нижнюю поверхность ребра балки суммарной шириной 450 мм. Схема наклеивания представлена на рисунке 4.10. Положение и длина материала усиления в продольном направлении обусловлены дислокацией полученных повреждений, а также необходимой длиной заведения композиционного материала за место теоретического обрыва. Схема усиления балки № 2 Расчетная прочность холста FibARM Tape 530/300 на растяжение, полученная по результатам испытаний, составляет 2580 МПа; расчетная толщина – 0,294 мм; модуль упругости – 230 ГПа. На основании его характеристик холст FibARM Tape 530/300 имеет класс HS-4200 по классификации, предложенной в разделе 3 данной диссертационной работы. Отношение модулей упругости КМ и бетона для расчетов на выносливость принято равным 18,5.
Выполненные по предлагаемой методике расчет грузоподъемности усиленного пролетного строения показал, что его класс по прочности нормального сечения, расположенного на расстоянии 5,5 м от оси опирания, составляет 7,48, а по выносливости – 3,41. Это является достаточным для пропуска нагрузок, соответствующих второй категории мостов по грузоподъемности. Работы по ремонту и усилению балки были выполнены сотрудниками Дистанции инженерных сооружений Западно-Сибирской дирекции инфраструктуры и НИЛ «Мосты» НИДЦ СГУПС в августе 2013 года. Монтаж системы усиления был выполнен в следующем, соответствующем требованиям технологии, заявленной производителем, порядке:
1) Подготовка бетонного основания. На данном этапе была демонтирована металлическая защитная конструкция, обрезаны арматурные стержни, выходящие за габариты сечения нижнего пояса, удален разрушенный и слабый бетон. После удаления слабого бетона к существующему арматурному каркасу были приварены вспомогательные стержни арматуры, которые послужили каркасом для восстановления геометрии нижнего пояса. В качестве ремонтного состава для восстановления разрушенного бетона был применен EMACO Nanocrete R4, характеристики которого представлены в таблице 4.3. После отверждения нижняя поверхность ребра была обработана углошлифовальной машиной. На рисунке 4.11 показан вид балки после восстановления геометрии нижнего пояса в зоне наклеивания композиционного материала.
2) Наклеивание материала усиления. Выровненная поверхность балки обеспылена и обезжирена ацетоном, на ее поверхность была нанесена разметка для наклеивания КМ согласно проекта. Раскройку холста и приготовление адгезивного состава FibARM Resin 230 выполняли непосредственно перед началом работ по монтажу системы усиления. Приготовленный адгезивный состав наносили на подготовленную поверхность нижнего пояса балки, после чего на него укладывали холст. Для удаления воздуха из клеевого слоя и пропитки холста адгезивом, его прижимали к конструкции, прокатывая вдоль волокон от середины к краям жесткими резиновыми валиками. Вид усиленной балки показан на рисунке 4.12.
Расчет на выносливость по бетону и арматуре
При оценке рисков для усиленного пролетного строения путепровода необходимо учитывать вероятность повторного удара негабаритного автотранспорта, влекущую за собой возможность отрыва композиционного материала от бетонного основания. Вероятность наступления такого события следует устанавливать посредством мониторинга. Как показало наблюдение за сооружением, а также анализ данных книги ИССО, удар негабаритным автотранспортом происходит 5…7 раз в год. Наиболее простыми способами снижения вероятности удара является устройство габаритных ворот или металлической защитной конструкции на балке путепровода, которая будет предотвращать прямой удар автотранспорта по материалу усиления и гасить силу этого удара за счет резиновых демпфирующих элементов.
На рисунке 4.24 показано снижение уровней риска разрушения конструкции под проходящей нагрузкой за счет усиления композиционными материалами (вертикальная линия), и риска отрыва материала усиления негабаритным автотранспортом после монтажа защитной конструкции (горизонтальная линия).
Альтернативным способом снижения риска отрыва КМ является закрытие движения грузового транспорта под путепроводом или переустройство проезжей части автодороги. Однако, оба этих способа трудно осуществимы, так как первый влечет за собой серьезные изменения в транспортной системы района, в котором находится сооружение, а второй – большие материальные затраты наряду с длительным закрытием движения под путепроводом.
Для того чтобы снизить вероятность ошибок при монтаже системы усиления, следует привлекать к работе только квалифицированных рабочих, прошедших тщательный инструктаж по подготовке поверхности бетона, приготовлению и нанесению связующих и грунтовочных составов, наклеиванию холстов и ламелей. Кроме того, рекомендуется проводить работы по усилению конструкций под надзором представителя фирмы-производителя системы внешнего армирования или организации, разработавшей проект усиления.
Внедрение предложенной методики в нормативные документы позволит широко применять композиционные материалы для ремонта и усиления железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, что, в свою очередь, приведет к сокращению сроков на выполнение ремонтных работ и перерывов в движении. Экономическая эффективность [43] от внедрения данной технологии будет складываться из экономии средств за счет отсутствия большого объема бетонных и сварочных работ, а также отказа от использования кранового оборудования.
Подробные сметные расчеты стоимости вариантов усиления главной балки пролетного строения длиной 16,5 м, выполненного по типовому проекту Лентранспромпроекта № 6503 (1954 г.), приведены в Приложении В. Результаты сметного расчета стоимости различных вариантов усиления пролетного строения, состоящего из двух главных балок, приведены в таблице 4.9.
Как видно из таблицы 4.9, применение композиционного материала вместо постановки дополнительных арматурных стержней позволяет снизить затраты на 12 %. При сравнении с устройством шпренгеля, усиление композиционным материалом выгоднее на 37 %.
Предложенная методика использует основные положения СП 35.13330.2011 [68] и «Руководства по определению грузоподъемности железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов» [58]. Расчет грузоподъемности усиленных конструкций выполняют по методу классификации с учетом конструктивных особенностей железобетонных пролетных строений и условий их эксплуатации. Эффективность усиления зависит от выбранной схемы усиления, а также способа производства работ – с разгрузкой конструкции от собственного веса или без нее.
Испытание пролетного строения, усиление которого было запроектировано по предложенной методике, показало, что конструкция моста на восприятие временной нагрузки работает в соответствии с проектом усиления.
136
Композиционный материал эффективно включился в совместную работу с конструкцией. Расчетная модель пролетного строения, разработанная для оценки его работы, соответствует реальной конструкции, что подтверждает среднее значение конструктивного коэффициента, равное 0,88. Загружение модели расчетной нагрузкой показало, что напряжения в ее элементах не превышают предельных значений. Усиленное пролетное строение обеспечивает пропуск нагрузок, соответствующих второй категории мостов по грузоподъемности.
Использование систем внешнего армирования на основе КМ, содержащих углеродные волокна, ведет к значительному снижению величины риска разрушения конструкции под обращающимися нагрузками. Однако, данная технология усиления влечет за собой появление характерных для нее рисков, а именно: отслоение КМ из-за несоблюдения технологии усиления или его отрыв вследствие удара крупно- или негабаритного автотранспорта. Для снижения величины риска нарушения технологии усиления следует допускать к монтажу системы внешнего армирования только высококвалифицированных рабочих, прошедших предварительный инструктаж и обучение. Для предотвращения отрыва композиционного материала рекомендуется устраивать металлическую защитную конструкцию на усиленном пролетном строении или габаритные ворота на подъезде к путепроводу; также можно закрыть движение грузового транспорта под усиленной конструкцией или выполнить переустройство проезжей части пересекаемой автодороги, однако, эти методы влекут за собой большие финансовые затраты и изменения в транспортной системе района, в котором находится путепровод.
Разработанная методика позволит вести планирование ремонтно-восстановительных работ, решать вопросы по увеличению долговечности конструкций железобетонных пролетных строений и безопасному пропуску по ним временных нагрузок. Кроме того, применение технологии усиления с использованием КМ приведет к существенной экономии средств за счет продления сроков эксплуатации существующих пролетных строений и снижения стоимости конструкций усиления.
