МЕТОДИКА РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ НОРМАЛЬНЫХ СЕЧЕНИЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ, УСИЛЕННЫХ ВНЕШНИМ АРМИРОВАНИЕМ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полный текст

В настоящее время широкое применение находят композиционные материа- лы при усилении железобетонных конструкций общестроительного назначения [1-4].При этом в гидротехническом строительстве отмечаются лишь отдельные слу- чаи применения систем внешнего армирования (СВА) в качестве элементов уси- ления железобетонных конструкций. Следует отметить, что вышесказанное в большей степени относится к зарубежной практике [5-7].При проектировании усиления железобетонных конструкций гидросооруже- ний (ГТС) необходимо проводить расчетное обоснование проектных решений. В связи с этим возникает необходимость в разработке методики расчета проч- ности железобетонных конструкций ГТС, усиленных СВА на основе углеродных материалов.При этом необходимо учитывать характерные особенности массивных желе- зобетонных конструкций ГТС, а также особенности характера действия нагрузок.К характерным особенностям железобетонных конструкций ГТС относятся:массивность (значительные габариты);применяемые бетон и арматура, как правило, невысоких классов прочности (бетон В10-В30), арматура (А-II, А-III), в последнее время нашла применение арматура А500С;невысокие проценты армирования (менее 1%);наличие межблочных строительных швов;особый характер трещинообразования (в том числе наличие магистральных трещин);наличие водной среды.К особенностям характера действующих нагрузок относятся:гидравлическая нагрузка;необходимость учета противодавления в трещинах и раскрывшихся строи- тельных швах;возможные знакопеременные нагрузки.Авторами была разработана методика расчета прочности железобетонных кон- струкций ГТС, усиленных СВА на основе углеродных материалов, при действии изгибающего момента.При разработке данной методики за основу были приняты нормативные до- кументы по расчетам и проектированию железобетонных конструкций ГТС:П-46-89 «Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструк- ций гидротехнических сооружений (без предварительного напряжения)» к СНиП 2.06.08-87;СП 41.13330.2012. Актуализированная редакция СНиП 2.06.08-87 «Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений»;СТО 17330282.27.140.002-2008. Гидротехнические сооружения ГЭС и ГАЭС. Условия создания. Нормы и требования. Приложения. Книга 3. Приложение Г, РАО «ЕЭС России».Расчетная схема для нормального сечения балочной конструкции прямоуголь- ного сечения, совпадающего с нормальной (вертикальной) трещиной или рас- крывшимся вертикальным строительным швом, представлена на рис. 1.Рис. 1. Схема действия внешних и внутренних усилий в нормальном сечении усиленной железобетонной конструкции[Scheme of action for external and internal forces in the normal section of the strengthened reinforced concrete structure]В соответствии с разработанной методикой условие прочности железобетонной конструкции ГТС, усиленной СВА из углеродного волокна, в нормальном сече- нии при действии изгибающего момента имеет видM  Mult, (1)где М - изгибающий момент от внешних усилий; Mult - суммарный изгибающий момент от внутренних усилий относительно центра тяжести сжатой зоны бетона.Схема действия внешних и внутренних усилий в нормальном сечении пока- зана на рис. 1. Схема действия противодавления воды в нормальной трещине или в раскрывшемся вертикальном строительном шве представлена на рис. 2.Рис. 2. Схема действия противодавления воды в нормальной трещинеили в раскрывшемся вертикальном строительном шве: а) прямоугольная эпюра противодавления воды; б) треугольная эпюра противодавления воды[Scheme of the counter pressure action of water in a normal crackor in a disclosed vertical construction joint: a) a rectangular diagram of water counter pressure;a triangular diagram of water counter pressure]Уравнение равновесия сил в нормальном сечении в предельном состоянии материалов имеет видNb + Ns′ + V = Ns + Nf, (2)где Nb - продольная сжимающая сила в бетоне сжатой зоны; Ns′ - продольное усилие в сжатой арматуре; V - равнодействующая противодавления воды в вертикальной трещине или вертикальном строительном шве; Ns - продольное усилие в растянутой арматуре; Nf - продольное усилие в растянутом элементе усиления.Результаты проведенных экспериментальных исследований железобетонных балочных конструкций, усиленных элементами из углеродных материалов [8], показали, что продольные деформации в бетоне сжатой зоны конструкций рас- пределяются по треугольному закону (рис. 3).В связи с этим в рамках разработанной методики принималась треугольная форма эпюры сжимающих напряжений в бетоне сжатой зоны.В таком случае продольное сжимающее усилие в бетоне сжатой зоны опреде- ляется по зависимостиNb = 0,5Rb · b · x0, (3)где Rb - расчетное сопротивление бетона сжатию;Ns′ = As′Rsc, (4)где As′ - площадь сечения сжатой арматуры; Rsc - расчетное сопротивление армату- ры сжатию.Рис. 3. Эпюра относительных продольных деформаций в бетоне сжатой зоны усиленной железобетонной конструкций (× 10 Е-6) [Diagram of the relative longitudinal deformationsin concrete of the compressed zone of a strengthened reinforced concrete structure (× 10 E-6)]В соответствии с основными положениями разработанной методики учиты- вается воздействие противодавления воды Р в раскрывшихся трещинах и кон- тактных строительных швах (см. рис. 2).В случае прямоугольной формы эпюры противодавления воды равнодейству- ющая равнаV = p · (h - x0), (5)в случае треугольной формы эпюры противодавления воды -V = 0,5p · (h - x0), (6)усилие в растянутой арматуре определяется из зависимостиNs = As · Rs, (7)где As - площадь сечения растянутой арматуры; Rs - расчетное сопротивление ар- матуры растяжению.Усилие в растянутом элементе усиления определяется из зависимостиNf = Af · Rf, (8)где Af - площадь сечения элемента усиления на нижней растянутой грани; Rf - рас- четное сопротивление растяжению композитного материала элемента усиления.Значение суммарного изгибающего момента Mult от внутренних усилий отно- сительно центра тяжести бетона сжатой зоны определяется по формулеMult = Ms + Mf ± Ms′ - Mv, (9)где Ms - момент от действия усилия в растянутой арматуре; Mf - момент от действия усилия в растянутом элементе усиления; Ms′ - момент от действия усилия в сжатой арматуре (принимается со знаком «плюс» - в случае a′ > x0/3; со знаком «минус» - в случае a′ < x0/3); Mv - момент от действия равнодействующей противодавления;M = N⎞⎛xh - 0(10)s s ⎝⎜ 03 ⎠⎟,M = N⎛ h - x0 ⎞,(11)f f ⎝⎜3 ⎠⎟M ′ = ±N ′ ⎡ x0 - a′⎤,(12)s s ⎢ 3 ⎥⎣ ⎦M = N⎛0,5h + x0 ⎞,(13)v v ⎝⎜6 ⎠⎟в случае прямоугольной эпюры противодавления;2h M v = N v 3(14)в случае треугольной эпюры противодавления воды в трещине (строительном шве).Учитывая треугольный характер распределения продольных напряжений в бетоне сжатой зоны, высоту сжатой зоны x0 в железобетонной конструкции до усиления без учета противодавления определяют из зависимостиx0 = -nμh0 ±(nμh0 )02 + 2nμh2 ,(15)где n = Es/Eb; μ - коэффициент армирования конструкции, равный As/bh0.В железобетонной конструкции, усиленной СВА, высота сжатой зоны опре- деляется на основе решения уравнения (2) и равняется:в случае прямоугольной эпюры противодавления в трещине или в вертикаль- ном строительном шве:Rs As + R f A f - Rsc As′ - pbh x0 = ;(0,5Rbb - pb)(16)в случае треугольной эпюры противодавления в трещине или в вертикальном строительном шве:Rs As + R f A f - Rsc As′ - 0,5 pbh x0 = .0,5(Rbb - pb)(17)Величина расчетного сопротивления композитного материала Rf определяет- ся в соответствии с методикой, изложенной в СТО НИИЭС 002-2016 «Гидротех- нические сооружения. Усиление железобетонных конструкций системой внеш- него армирования из композитных материалов на основе углеродных волокон».При определении фактического (не предельного) состояния железобетонной конструкции ГТС, усиленной СВА из композитного материала, в зависимостях (3), (4), (7), (8), (9) вместо расчетных сопротивлений Rb, Rs, Rsc, Rf следует при- нимать значения напряжений σb, σs, σs′, σf, которые определяются на основе ги- потезы плоских сечений из соответствующих пропорций:σ′s = nσbx0 - a′ ,(18)x0σ f =σ s (h - x0 )E f(h0 - x0 )Es(19)для случая усиления конструкции перед началом ее нагружения;σ f =(σ s - σ0 )(h - x0 )E f(h0 - x0 )Es(20)для случая усиления конструкции под нагрузкой при напряжении σ0 в стальной арматуре.Неизвестные величины σb и σs определяются из совместного решения уравне- ний равновесия (1), (2) и (9).Выводы. При разработке методики расчета прочности учитывались характер- ные особенности массивных железобетонных конструкций ГТС, а также особен- ности характера действия нагрузок (в том числе противодавление воды в трещи- нах и раскрывшихся строительных швах).На основе экспериментальных данных о распределении продольных дефор- маций в сжатой зоне усиленной железобетонной конструкции принималась тре- угольная эпюра продольных напряжений в сжатой зоне.Разработаны зависимости для расчета на прочность нормальных сечений из- гибаемых железобетонных конструкций ГТС, усиленных внешним армировани- ем из углеродных материалов.© Рубин О.Д., Лисичкин С.Е., Фролов К.Е., 2017

Об авторах

Олег Дмитриевич Рубин

АО «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений»

Автор, ответственный за переписку.
Email: cskte@mail.ru

доктор технических наук, зам. генерального директора АО «НИИ энергетических сооружений» (АО «НИИЭС»)

Строительный проезд, д. 7А, Москва, Россия, 125362

Сергей Евгеньевич Лисичкин

ООО «Инженерный центр сооружений, конструкций и технологий в энергетике»

Email: cskte@mail.ru

доктор технических наук, зам. генерального директора ООО «Инженерный центр сооружений, конструкций, технологий в энергетике» (ООО «ИЦ СКТЭ»)

ул. Свободы, д. 35, Москва, Россия, 125362

Кирилл Евгеньевич Фролов

ПАО «РусГидро»

Email: cskte@mail.ru

заместитель генерального директора ПАО «РусГидро» по научно-проектной деятельности; (ПАО «РусГидро»)

ул. Малая Дмитровка, д. 7, Москва, Россия, 127006

Список литературы