Экспериментальные исследования железобетонных конструкций гидротехнических сооружений, усиленных композитными материалами

Полный текст

Введение 1 В настоящее время находит применение усиление железобетонных конструкций промышленного и гражданского назначения внешним арми- рованием из композитных материалов. Что касается практики отечественного гидротехнического строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений, то имеются отдельные примеры использования такого усиления. Поэтому возникает необходимость обоснования применения усиления внешним армированием из углеродных материалов (лент и ламелей) для усиления железобетонных конструкций гидротехнических сооружений. Железобетонные конструкции гидротехнических сооружений принципиально отличаются от железобетонных конструкций промышленных и гражданских сооружений. Для железобетонных конструкций гидротехнических сооружений характерны: § значительные габариты, в том числе высота сечения конструкции более 1 м; § невысокие классы бетона (В10-В25); § невысокие классы рабочей арматуры (А-II, A-III, в последние годы находит применение арматура класса А500); § невысокие проценты армирования (менее 1 %); § большие диаметры арматуры (до 70 мм А-II, до 40 мм А-III); § наличие межблочных строительных швов; § особенности характера действия нагрузок (включая противодавление воды в раскрывшихся швах и трещинах). Выполнен анализ отечественного и зарубежного опыта усиления железобетонных конструкций внешним армированием из углеродных материалов [1-7], показавший, что наиболее целесообразно усиливать железобетонные конструкции системами внешнего армирования из углеродных лент и ламелей. 8. Цель исследований В целях экспериментального обоснования применения внешнего армирования из композитных материалов для усиления гидротехнических сооружений были проведены экспериментальные исследования прочности железобетонных конструкций гидротехнических сооружений, усиленных углеродными лентами и ламелями, при действии изгибающего момента. 9. Материалы и методы исследований Для экспериментов на действие изгибающего момента были изготовлены железобетонные модели балочного типа длиной 215 см, высотой 30 см и шириной 15 см (рис. 1). При этом создавались модели двух серий, отличающиеся армированием и классом бетона, присущих конструкциям гидротехнических сооружений. Модели одной серии имели армирование 2 диаметра 10 мм класса А500С (процент армирования 0,39 %) и изготавливалась из бетона класса В15 (рис. 1, а). Модели другой серии имели армирование 3 диаметра 12 мм класса А500С (процент армирования 0,83 %) и изготавливалась из бетона класса В25 (рис. 1, б). В каждую серию входили: две балки-близнеца без усиления; две балки-близнеца, усиленные углеродными лентами; две балки-близнеца, усиленные углеродными ламелями. Таким образом, было изготовлено двенадцать железобетонных моделей балочного типа. Рис. 1. Конструкция железобетонных моделей [Figure 1. The reinforced concrete models construction] Для усиления железобетонных моделей использовались углеродные ленты типа FibArm Tape 230/300 толщиной 0,128 мм и углеродные ламели типа FibArm Lamel 12/50. Ширина ленты принималась равной ширине моделей - 150 мм. Толщина ламелей принималась равной 1,2 мм, ширина - 50 мм. Ленты наклеивались на нижней растянутой грани моделей в два слоя. Ламели также наклеивались на нижней растянутой грани модели. На опорных участках продольные углеродные ленты и ламели закреплялись замкнутыми хомутами из углеродной ленты FibArm Tape 230/300 шириной 300 мм (рис. 2 и 3). Рис. 2. Схема оклейки железобетонных моделей углеродными лентами [Figure 2. The reinforced concrete models pasting with carbon tapes scheme] Рис. 3. Схема оклейки железобетонных моделей углеродными ламелями [Figure 3. The reinforced concrete models pasting with carbon lamellas scheme] В целях определения фактической прочности бетона моделей на сжатие и растяжение, а также модуля деформации одновременно с моделями бетонировались стандартные контрольные образцы: кубики размером 100×100×100 мм; призмы размером 100×100×400 мм и цилиндры диаметром 150 мм и высотой 150 мм. Для проведения испытаний на действие изгибающего момента железобетонные модели длиной 2,15 м устанавливались на специальном стенде на двух опорах, расставленных на расстоянии 1,95 м друг от друга. Одна из опор - неподвижная, другая - катковая. Для приложения вертикальной нагрузки применялся гидродомкрат, расположенный в центре пролета. Нагрузка передавалась на конструкцию через распределительную траверсу симметрично в двух точках на расстояниях 45 см от центра пролета и 52,5 см от опор (рис. 3). В ходе испытаний железобетонных моделей опытная нагрузка прикладывалась ступенями, составляющими 10 % от разрушающей нагрузки. При достижении 80 % от разрушающей нагрузка прикладывалась более мелкими ступенями (по 5 % от нагрузки разрушения). После приложения соответствующей нагрузки на каждом этапе производилась выдержка, составляющая 15 мин, после этого регистрировались показания приборов. Вид испытания железобетонных моделей представлен на рис. 4. Рис. 4. Испытание железобетонных моделей [Figure 4. The reinforced concrete models testing] Экспериментальные исследования проводились с учетом опыта исследований гидротехнических сооружений [8-13]. Результаты экспериментальных исследований железобетонных конструкций гидротехнических сооружений, имеющих межблочные строительные швы, проведенных с участием автора, представлены в [14]. 10. Результаты исследований В результате проведенных испытаний железобетонных моделей, в том числе усиленных углеродными лентами и ламелями, на действие изгибающего момента были получены следующие результаты. Железобетонные модели-близнецы, изготовленные из бетона В15 с армированием 0,39 %, не имеющие усиления, разрушились при величине нагрузки 83,0 и 88,0 кН. Железобетонные модели-близнецы, изготовленные из бетона В15 с армированием 0,39 %, усиленные углеродными лентами, разрушились при нагрузках 159,2 и 191,0 кН. Железобетонные модели-близнецы, изготовленные из бетона В15 с армированием 0,39 %, усиленные углеродными ламелями, разрушились при нагрузках 161,1 и 160,0 кН. Железобетонные модели-близнецы, изготовленные из бетона В25 с армированием 0,83 %, не имеющие усиления, разрушились при величине нагрузки 165,8 кН. Железобетонные модели-близнецы, изготовленные из бетона В25 с армированием 0,83 %, усиленные углеродными лентами, разрушились при нагрузках 232,0 и 257,0 кН. Железобетонные модели-близнецы, изготовленные из бетона В25 с армированием 0,83 %, усиленные углеродными ламелями, разрушились при нагрузках 250,6 и 238,7 кН. Результаты проведенных экспериментальных исследований приведены в таблице. Результаты экспериментальных исследований железобетонных моделей, усиленных углеродными лентами и ламелями, при действии изгибающего момента [Table. The results of experimental studies of reinforced concrete models, strengthened with carbon ribbons and lamellae, under the action of bending moment] Таблица № Модель [Model] Установка элементов усиления [Strengthening elements setting] Прочность бетона на сжатие, МПа [Concrete compressive strength, MPa] Разрушающая нагрузка, кН [Breaking load, kN] Рэксп, Ррасч [Poper, Pcalc] Бетон В15, армирование 2Ø10А500С [Concrete B15, reinforcement 2Ø10А500С] 1 Б-И15-1 Без усиления [Without amplification] 25,8 88,00 1,14 2 Б-И15-2 15,9 83,00 1,09 3 Б-И15-3 Усиление углеродной лентой [Carbon tape einforcement] 24,4 191,00 2,50 4 Б-И15-4 24,4 159,20 2,10 5 Б-И15-5 Усиление углеродной ламелью [Reinforced carbon lamella] 20,5 161,1 2,15 6 Б-И15-6 20,5 160,0 2,13 Бетон В25, армирование 3Ø12А500С [Concrete B25, reinforcement 3Ø12А500С] 7 Б-И25-1 Без усиления [Without amplification] 29,5 165,80 1,03 8 Б-И25-6 36,5 165,80 1,03 9 Б-И25-4 Усиление углеродной лентой [Carbon tape einforcement] 39,7 257,00 1,57 10 Б-И25-5 24,3 232,00 1,42 11 Б-И25-2 Усиление углеродной ламелью [Reinforced carbon lamella] 37,4 250,6 1,53 12 Б-И25-3 37,4 238,7 1,46 Следовательно, за счет усиления углеродными лентами прочность железобетонных конструкций из бетона В15 с армированием 0,39 % повысилась в среднем в 2,3 раза; прочность железобетонных конструкций из бетона В25 с армированием 0,83 % - в 1,5 раза. За счет усиления углеродными ламелями, прочность железобетонных конструкций из бетона В15 с армированием 0,39 % повысилась в среднем в 2,14 раза; прочность железобетонных конструкций из бетона В25 с армированием 0,83 % - в 1,5 раза. В результате при меньшем армировании и классе бетона эффективность усиления железобетонных конструкций выше, что подтверждает актуальность данного метода усиления для гидротехнических сооружений.

Об авторах

Кирилл Евгеньевич Фролов

Автор, ответственный за переписку.
Email: frolovke@gidroogk.ru

инженер, заместитель генерального директора по научно-проектной деятельности; соискатель ученой степени, кафедра гидротехнических сооружений, Институт мелиорации, водного хозяйства и строительства имени А.Н. Костякова, Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева

Список литературы