Экспериментальные исследования железобетонных конструкций гидротехнических сооружений, усиленных предварительно напряженной поперечной арматурой

Полный текст

1. Введение Железобетонные конструкции гидротехнических сооружений (ГТС) в течение длительного периода их работы подвержены воздействию комплекса нагрузок при наличии особого характера трещинообразования в зоне действия изгибающих моментов и поперечных сил [1; 2]. В связи с длительным периодом эксплуатации все чаще возникает потребность в их ремонте и усилении [3-8]. Применяются различные методы усиления длительно эксплуатируемых железобетонных конструкций ГТС (подпорных стен, устоев, стен шлюзов и др.) и в первую очередь со стороны лицевой грани, поскольку со стороны тыловой грани присутствует грунтовая засыпка практически на всю высоту этих сооружений. При этом представляется целесообразным обратить внимание на набирающую обороты тенденцию применения композитных материалов, обладающих среди прочих такими особенностями, как коррозионная стойкость при эксплуатации в агрессивной среде и гораздо меньший вес в сравнении со сталью. В гидротехническом строительстве использование композитных материалов еще не нормируется, однако в этом направлении активно ведутся работы [9-24]. При анализе «непроектного состояния» стен шлюзов отмечается необходимость в ряде случаев установки дополнительной поперечной арматуры при наличии наклонных трещин в конструкции, выходящих на лицевую грань [2]. В практике промышленного и гражданского строительства известен способ усиления изгибаемых конструкций на восприятие поперечных сил с помощью преднапряженных поперечных стержней [18]. Стержни устанавливаются по внешним граням усиливаемой конструкции на участках действия избыточной поперечной силы и стягиваются, усиливая балочный элемент в необходимой степени. Исследования в данном направлении проводились в Ленинградском инженерно-строительном институте в 1963 г. [18] на опытных балках двутаврового сечения высотой 30 см при пролете 3 м и высоким коэффициентом продольного армирования µ = 0,024, характерным для указанной области строительства. Также следует отметить исследования балок с µ = 0,02, проведенные в Полоцком государственном университете, в результате которых «экспериментально подтверждена эффективность усиления в зоне среза изгибаемых железобетонных элементов установкой дополнительной предварительно напряженной поперечной арматуры, в том числе под нагрузкой» [19]. Однако в практике ремонта и усиления малоармированных конструкций ГТС, для которых характерно наличие межблочных строительных швов как в продольном, так и в поперечном направлениях, использование предварительно напряженной поперечной арматуры пока не нашло применения ввиду отсутствия необходимого экспериментально-расчетного обоснования. Для разработки технических решений по усилению длительно эксплуатируемых железобетонных конструкций ГТС представляется необходимым проведение экспериментальных исследований с целью обоснования эффективного применения предварительно напряженной поперечной арматуры, устанавливаемой в тело бетона конструкции со стороны лицевой грани ГТС (подпорного сооружения) и пересекающей наклонные трещины, образовавшиеся из межблочных строительных швов. Для реализации вышеуказанной цели проведены экспериментальные исследования, учитывающие характерные особенности железобетонных конструкций ГТС: невысокий класс бетона и арматуры; коэффициент продольного армирования µ < 0,01; наличие межблочных строительных швов; нарушение сцепления рабочей стальной арматуры с бетоном в зоне размещения межблочных строительных швов как результат проявления усадочных деформаций бетона при твердении (в период строительства), а также длительной эксплуатации железобетонных конструкций ГТС при температурных и знакопеременных нагрузках; наличие наклонных трещин, образовавшихся из межблочных строительных швов. 2. Методы Исследования проведены на основе модели балочного типа с двумя вертикальными межблочными строительными швами. Выбор типа модели, схемы ее опирания и нагружения, мест расположения швов, схемы армирования, типа арматуры обусловлен часто встречающимися в практике гидротехнического строительства расчетными случаями и позволяет изучить в лабораторных условиях работу изгибаемой конструкции со швами и трещинами как в зоне совместного действия изгибающего момента и поперечной силы (зона среза), так и в зоне чистого изгиба. Поперечное сечение балки: прямоугольное b×h = 150×300 мм, длина - 2000 мм; класс бетона В30÷В35. Для устройства межблочных строительных швов, расположенных на расстоянии 465 мм от торцов балки, бетонирование проводилось в два приема. Опытная модель изготовлена со стальной рабочей продольной арматурой 2Ø12 класса А400 (коэффициент армирования µ = 0,0056), что является малоармированной конструкцией, присущей ГТС. Конструкция опытной балки представлена на рис. 1. Рис. 1. Конструкция и схема нагружения балки, мм [Figure 1. Design and loading diagram of a beam, mm] Рис. 2. Схема установки КИА, характер трещинообразования в балке и схема усиления: а - схема установки КИА на бетоне и стальной арматуре и характер трещинообразования; б - схема усиления и характер трещинообразования Figure 2. Diagram of the installation of instrumentation, the nature of cracking in the beam and the reinforcement diagram: a - diagram of the installation of instrumentation on concrete and steel reinforcement and the nature of cracking; b - the scheme of strengthening and the nature of cracking Опирание опытной балки производилось на шарнирно-неподвижную и шарнирно-подвижную (катковую) опоры. Нагрузка Р от гидравлического домкрата прикладывалась вертикально ступенями и передавалась через горизонтальную траверсу в двух точках на расстоянии 310 мм от центра балки, при этом расстояние между силами (зона чистого изгиба) составило 620 мм, а расстояние между силами и опорами (пролет среза) - 540 мм (рис. 1). Опытная балка оснащалась контрольно-измерительной аппаратурой (КИА), как это показано на рис. 2: - индикаторами часового типа для измерения ширины раскрытия межблочных швов и трещин; - прогибомерами для измерения прогибов в пролете балки и индикаторами часового типа - для перемещения опор; - тензорезисторами с базой 20 мм для измерения деформаций арматуры (продольной рабочей и предварительно напряженной поперечной). Испытания опытной модели проводились в два этапа. После каждого этапа производилось разгружение модели и подготовка к следующему этапу. 3. Результаты и обсуждение 3.1. Первый этап - испытание неусиленной конструкции На первом этапе исследований опытная балка испытывалась без усиления и доводилась до разрушения по бетону, которое наступало от действия изгибающих моментов и поперечных сил по характерным наклонным трещинам, образовавшимся из межблочных строительных швов по направлению к местам приложения нагрузки Р/2. Разрушение балки произошло хрупко при нагрузке Р = 57,2 кН. Рассмотрим основные результаты первоначальных экспериментальных исследований. В опытной балке зафиксирован следующий характер трещинообразования (рис. 2, а): после раскрытия вертикальных межблочных швов на расстоянии Хш = 0,24·hш от сжатой грани в балке произошло выклинивание наклонных трещин по направлению к приложенным силам, при этом при нагрузке, близкой к разрушающей, образовались трещины вдоль продольной стальной арматуры по направлению от межблочного шва к опорам. На участке между силами в зоне чистого изгиба образовалась система вертикальных нормальных трещин. Опытное значение силы Р, соответствующее образованию наклонных трещин из межблочных швов и разрушению балки по схеме «вертикальная трещина по шву - наклонная трещина из шва по направлению к силе - горизонтальная трещина вдоль рабочей стальной арматуры по направлению к опоре»: а) сила Р, соответствующая образованию наклонных трещин из межблочных строительных швов - 46,8 кН (82 % от разрушающей нагрузки); б) сила Р, соответствующая хрупкому разрушению балки - 57,2 кН. 3.2. Второй этап - испытание конструкции, усиленной предварительно напряженной поперечной арматурой Второй этап экспериментальных исследований заключался в установке в пролете среза поперечной арматуры (Ø12 мм) по длине наклонных трещин, образовавшихся из межблочных строительных швов. Предварительное натяжение поперечной арматуры производилось на величину 27,2-49,2 МПа (для стальной поперечной арматуры деформации натяжения ; для базальтокомпозитной арматуры деформации натяжения ). По мере возрастания нагрузки (силы Р) на балку (рис. 3) деформации в поперечной арматуре возросли на максимальную величину - до (138 МПа), при этом хрупкого разрушения балки при Р = 62,4 кН не произошло, что выше на 9,1 % силы Р = 57,2 кН, соответствующей хрупкому разрушению балки без предварительно напряженной поперечной арматуры. Графики напряжений в продольной арматуре в сечении по межблочным строительным швам и под силой Р/2 представлены на рис. 4. Из них следует, что под силой Р/2 превышает по швам в 1,2 раза при Р = 62,4 кН. Необходимо отметить, что максимальные напряжения в рабочей арматуре в сечении приложения силы Р/2 соизмеримы с опытной величиной предела текучести арматуры класса А400. Графики ширины раскрытия межблочных строительных швов и нормальных трещин в зоне чистого изгиба представлены на рис. 5. Из них следует, что превышает величину , при этом не превышает допускаемую величину по СП 41.13330.2012 (п. 9.8), равную 0,5 мм [25]. Рис. 3. Графики напряжений в поперечной предварительно напряженной арматуре усиления, расположенной по длине наклонной трещины: , , - балка, усиленная предварительно напряженной поперечной арматурой (в результате трех испытаний) [Figure 3. Graphs of stresses in transverse prestressed reinforcement located along the length of an inclined crack: , , - beam reinforced with prestressed transverse reinforcement (as a result of three tests)] а б Рис. 4. Графики напряжений в продольной арматуре: а - в сечении по межблочным строительным швам; б - в сечении приложения силы Р/2; - балка без предварительно напряженной арматуры; , , - балка, усиленная предварительно напряженной поперечной арматурой (в результате трех испытаний) [Figure 4. Graphs of stresses in longitudinal reinforcement: а - in cross-section along interblock construction joints; б - in the section of the application of the force P/2; - beam without prestressed reinforcement; , , - beam reinforced with prestressed transverse reinforcement (as a result of three tests)] Рис. 5. Графики ширины раскрытия межблочных строительных швов и нормальных трещин в зоне чистого изгиба: - балка без предварительно напряженной арматуры; , , - балка, усиленная предварительно напряженной поперечной арматурой (в результате трех испытаний) [Figure 5. Graphs of the width of the opening of interblock construction joints and normal cracks in the clean bend zone: - beam without prestressed reinforcement; , , - beam reinforced with prestressed transverse reinforcement (as a result of three tests)] Рис. 6. Графики ширины раскрытия наклонной трещины: , , - балка, усиленная предварительно напряженной поперечной арматурой (в результате трех испытаний) [Figure 6. Graphs of inclined crack opening width (as a result of three tests): , , - beam reinforced with prestressed transverse reinforcement (as a result of three tests)] Рис. 7. Графики прогиба балки: - балка без предварительно напряженной арматуры; , , - балка, усиленная предварительно напряженной поперечной арматурой (в результате трех испытаний) [Figure 7. Graphs of beam deflection: - beam without prestressed reinforcement; , , - beam reinforced with prestressed transverse reinforcement (as a result of three tests)] Графики ширины раскрытия наклонной трещины, образовавшейся из межблочных строительных швов, представлены на рис. 6. Графики прогиба балки представлены на рис. 7. Из них следует уменьшение прогиба усиленной предварительно напряженной поперечной арматурой балки при Р = 57,2 кН в 1,6 раза. 4. Заключение Применение предварительно напряженной поперечной арматуры в зоне образования наклонных трещин из межблочных строительных швов представляется достаточно позитивным при усилении малоармированных железобетонных конструкций ГТС (подпорных стен, устоев, стен шлюзов и др.) и в первую очередь со стороны лицевой грани, поскольку со стороны тыловой грани присутствует грунтовая засыпка практически на всю высоту этих сооружений. В качестве предварительно напряженной поперечной арматуры наиболее эффективно использовать базальтокомпозитную арматуру, прежде всего с точки зрения технологии производства работ и сопротивляемости воздействию агрессивных сред, с дальнейшим ее омоноличиванием в теле бетона конструкции. Анализ результатов экспериментальных исследований указывает: а) на восстановление несущей способности малоармированной железобетонной конструкции с межблочными строительными швами; б) совместную работу системы усиления предварительно напряженной поперечной арматурой со всей конструкцией в целом с момента начала нагружения балки; в) определенное накопление величины ширины раскрытия наклонной трещины в процессе трех испытаний в зоне действия поперечных сил (действие поперечных сил превалирует над изгибающим моментом в результате увеличения жесткости балок в зоне наклонных трещин); г) снижение прогиба балки, усиленной предварительно напряженной поперечной арматурой. Необходим комплексный подход к усилению эксплуатируемых малоармированных железобетонных конструкций ГТС с межблочными строительными швами предварительно напряженной поперечной и продольной арматурой. В части обеспечения прочностных и технологических параметров усиления ГТС наиболее предпочтительной является базальтокомпозитная арматура, применение которой в гидротехнических сооружениях в настоящее время не нормируется. Вместе с тем в Российской Федерации действует ряд отдельных нормативных документов, регламентирующих применение композитной арматуры [20-22].

Об авторах

Оксана Валерьевна Зюзина

Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники имени Б.Е. Веденеева

Автор, ответственный за переписку.
Email: ZyuzinaOV@vniig.ru

инженер 1-й категории, аспирант

Российская Федерация, 195220, Санкт-Петербург, ул. Гжатская, д. 21

Список литературы