Отчет Росдорнии 2011
advertisement
1 Реферат Отчёт состоит из 145 стр., в том числе 48 рисунков, 17 таблиц, 3 приложений. Объектом исследования являются железобетонные балочные пролётные строения, усиленные тканевыми (гибкие ленты) композиционными материалами на углеродной основе. Цель работы – проведение экспериментальных работ и изучение существующего опыта на данном промежуточном этапе - что явилось бы основой для подготовки обоснованного отраслевого документа (ОДМ). В процессе работы по данному этапу проводились испытания реальных железобетонных балок пролётных строений, анализ существующей нормативно-справочной литературы в области применения гибких композиционных материалов при ремонте железобетонных конструкций мостовых сооружений. Были осмотрены сооружения, в которых были использованы ткани или гибкие ленты для ремонта (усиления) железобетонных элементов. Проводилось испытание образцов и анализ результатов испытаний, выполненных другими организациями. Выполненные работы позволяют на втором этапе установить область рационального применения тканей и разработать методику расчёта усиляемых конструкций, на основании чего будет подготовлена первая редакция ОДМ. 2 Содержание 1 Нормативные ссылки …………………………………………….. 6 2 Термины и определения ………………………………………… 7 3 Обозначения и сокращения ……………………………………… 8 4 Введение ………………………………………………………….. 9 5 Анализ существующих материалов и документов, отражающих свойства и область применения гибких композиционных лент 10 (тканей) …………………………………………………………… 5.1 Общие положения …………………………………………….. 10 5.2 Существующая нормативно-справочная литература ……… 11 5.3 Опыт применения композиционных материалов в 13 транспортных объектах ………………………………………….. 5.4 Свойства композиционных материалов ……………………. 18 6 Результаты испытания образцов ………………………………… 22 6.1 Испытания, проведённые в ЦНИИС ………………………… 23 6.2 Испытания, проведённые в Швейцарии ……………………. 28 6.3 Исследования, проведённые в ф. «Интераква» …………….. 30 6.4 Эксперименты, проведённые в «РОСДОРНИИ» …………… 38 6.5 Выводы по результатам экспериментальных работ ……….. 45 7 Результаты осмотров мостовых сооружений, в которых отдельные элементы усилены композиционными материалами 46 7.1 Технологии усиления ………………………………………… 46 7.2 Мостовые сооружения в Российской Федерации с использованием КМ ……………………………………………… 52 7.3 Осмотры усиленных конструкций ….………………………. 53 7.4 Заключение по разделу 7 ……………………………………. 60 8 Результаты испытаний железобетонных балок, усиленных тканями из композиционного материала ……………………… 63 8.1 Общие положения ………..………………………………….. 63 8.2 Основные технические характеристики испытанных балок 64 8.3 Цели и задачи испытания. Критерии оценки результатов …. 69 8.4 Измерительные приборы и измеряемые параметры ………. 69 8.5 Испытательные стенды и подготовительные работы ……… 70 3 8.6 Порядок проведения испытаний ……………………………. 70 8.7 Оценка прочности балок по результатам статических испытаний в соответствии с требованиями ГОСТ 8829-94 …….. 74 8.8 Оценка жесткости балок по результатам статических испытаний в соответствии требованиями ГОСТ 8829-94 …….. 78 8.9 Оценка трещиностойкости балок по результатам статических испытаний в соответствии требованиями 87 ГОСТ 8829-94 …………………………………………………….. 8.10 Выводы по итогам статических испытаний балок усиленных лентами из углеродного волокна …………………… 103 9 Заключение ……………………………………………………….. 104 10 Список используемых источников ……………………………… 105 Приложение А Свойства и акт испытания используемой в работе 106 ткани ……………………………………..……. Приложение Б Иллюстрационные материалы к испытанию балок Приложение В Программа испытания балок ………………………. 4 113 1 Нормативные ссылки В настоящем отчёте о НИР использованы ссылки на следующие стандарты и нормативные документы: ГОСТ 7.32-2001 Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Отчёт о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления ГОСТ 27.410-89 Надёжность в технике. Основные понятия. Термины и определения. –М.: Издат.стандартов, 1990 ГОСТ 25.601-80 Расчёты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания плоских образцов на растяжение при нормативной повышенной и пониженной температурах. ГОСТ 5781-82* Сталь горячекатаная железобетонных конструкций. Технические условия для армирования ГОСТ 7348-81 Проволока из углеродистой стали для армирования предварительно напряженных железобетонных конструкций. Технические условия ГОСТ 8829-94 Изделия строительные железобетонные, бетонные заводского изготовления. Методы испытаний нагружением. Правила оценки прочности, жёсткости и трещиностойкости ГОСТ 10180-90 (СТ СЭВ 3978-83) Бетона. Методы определения прочности по контрольным образцам. –М.: Издательство стандартов, 1990 ГОСТ 18105-86* (СТ СЭВ 2046-79) Бетона. Правила контроля прочности. –М.: Издательство стандартов, 1990 ГОСТ 25601-80* Расчёты и испытания на прочность. Методы испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей. –М.; Издательство стандартов. 1987 ГОСТ 53772-2010 Канаты семипроволочные стабилизированные стальные арматурные EN ISO 527-4:1997 Пластмассы. Определение механических свойств при растяжении. Часть 4. Условия испытания для изотропных и ортотропных пластических композиционных материалов, армированных волокнами EN ISO 14125:1998 Материалы композиционные полимерные армированные волокном. Определение свойств при изгибе EN ISO 14126:1999 Материалы композиционные, пластмассовые, армированные волокнами. Определение свойств при сжатии в направлении плоскости расслаивания 6 EN ISO 14130:1997 Материалы композиционные полимерные, армированные волокнами. Определение кажущейся межслойной прочности на сдвиг методом испытания коротких балок ISO 178:2001 Пластмассы. Определение свойств при изгибе СНиП 2.05.03-84* Мосты и трубы./Минстрой России –М.: ГП ЦПП, 1996 СНиП 2.03.01-84* Бетонные и конструкции/Минстрой России –М.: ГП ЦПП, 1996 железобетонные 2 Термины и определения В настоящем отчёте о НИР приняты следующие основные термины и определения к ним. 2.1 Композиционный материал - конструкционный (металлический или неметаллический) материал, в котором имеются усиливающие его элементы в виде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия. Комбинируя объёмное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами. Путём подбора состава и свойств наполнителя и матрицы (связывающего), их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. Использование в одном материале несколько матриц (полиматричные композиционные материалы) или наполнителей различной природы (гибридные композиционные материалы) значительно расширяет возможности регулирования свойств композиционных материалов. Армирующие наполнители воспринимают основную долю нагрузки композиционных материалов. 2.2 Работоспособное состояние конструкции – состояние конструкции, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствует требованиям нормативно-технической документации. 2.3 Адгезив – клеящий состав, обеспечивающий приклеивание композиционного материала и воспринимающий сдвиговые и отрывающие усилия между соединяемыми поверхностями. 7 3 Обозначения и сокращения В настоящем отчёте о НИР приняты следующие сокращения и обозначения КМ (КМФ) – композиционные материал на основе фибры, БТ – базальтовая ткань, УТ – углеродная ткань (лента), МПа – мегапаскали, напряжения в материале конструкции (в kN на 1 см2), Е – модуль упругости материала. 8 4 Введение Целью исследования на данном этапе является проведение экспериментальных работ и изучение существующего опыта применения тканевых композиционных материалов при усилении железобетонных балок пролётных строений эксплуатируемых автодорожных мостовых сооружений. Проведённые исследования позволят установить на 2м этапе работы область рационального применения тканей при усилении конструкций. Отличительной особенностью проводимых исследований является экспериментальная проверка эффективности усиления тканями различных балок пролётных строений, демонтированных с реальных сооружений. Результаты этих экспериментов дают возможность разработать в последующем соответствующие регламенты по усилению и проект отраслевого методического документа по применению при усилении гибких лент (тканей). Проводимые исследования включают анализ выполненных ранее исследований свойств материалов и результатов испытания образцов и конструкций, осуществлённых в различных организациях Российской Федерации. 9 5 Анализ существующих материалов (документов), отражающих свойства и область применения гибких композиционных лент (тканей) 5.1. Общие положения В дорожной отрасли России, включающей в себя обширный комплекс вопросов, связанных с проектированием, строительством, ремонтом, реконструкцией и эксплуатацией сооружений, преимущественное распространение получила технология внешнего армирования мостовых конструкций с использованием металлических закладных (накладных) деталей. Совместная работа бетона со стальными армирующими элементами обеспечивается различными способами: анкерами и связями, концевыми упорами. Широкое распространение таких конструкций применительно к железобетонным балкам пролетных строений способствовала снижению трудозатрат по ремонту моста за счет передачи на металлический лист функций опалубки и основной несущей арматуры при чрезвычайно простом способе его прикрепления к балкам. Однако не для всех конструкций указанная простота усиления рёбер (балок) реализуется. С увеличением толщины ребра, вызванным увеличением пролёта балки, работы по усилению усложняются и при длине балок 24 м и выше становятся сопоставимы по затратам с заменой балок на новые. Не всегда оказывается эффективным и усиление с использованием внешней напрягаемой арматуры (пучков и прядей) из-за большой стоимости подобной технологии. Применение композиционных материалов позволяет дополнить существующие технологии новым для отечественного мостостроения способом усиления, продлевающим работоспособность конструкций независимо от их геометрических размеров. Зарубежный и отечественный опыт усиления различных строительных конструкций композитами, а также результаты исследований в этом направлении позволяют сегодня успешно решать следующие задачи: - исследовать напряженно-деформированное состояние клеевого шва и стыковой зоны бетона, оценить факторы, оказывающие определяющее влияние на работу стыковой зоны; - определить влияние различной «мощности» усиления на прочность и деформативность усиляемых конструкций при сжатии, растяжении и изгибе; - выявить особенности процесса трещинообразования в усиляемой конструкции, влияние усиления на остаточную прочность и деформативность балок; 10 - определить изменение напряженно-деформированного состояния зоны соединения в зависимости от длины и толщины клеевого шва, соотношения ряда характеристик клея и сопрягаемых деталей; -определить температурные коэффициенты линейного расширения при нагрузках сжатия, а также температурных и усадочных воздействиях; -определить влияние непроклеев на состояние сопрягаемой зоны. 5.2 Существующая нормативно-справочная литература Существует большое количество нормативных документов и справочных источников, отражающих свойства материалов и методы их испытания. Отечественных нормативных документов по композитным материалам очень мало. В бóльшей степени издавались различного рода «Рекомендации», где предусмотрено применение композиционных материалов при ремонте железобетонных конструкций. Среди них можно назвать «Рекомендации» Мосавтодора [1], посвящённые применению углепластиковых ламелей, многочисленные рекомендации для строителей, разработанные фирмой «Триада-Холдинг» при организации усиления конкретных мостовых сооружений в г. Москве. Эти рекомендации включают и случаи использования тканевых материалов для усиления ригелей опор и стоек опор круглого и прямоугольного сечения. Использовались в этих случаях двунаправленные тканевые композиционные материалы (для ригелей и прямоугольных стоек) и однонаправленные (для элементов круглого сечения) [2]. Из отечественных «Рекомендаций» следует упомянуть и «Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материалами», разработанном ООО «Интераква» совместно с НИИЖБ в 2006г. В этом документа тканевым композитам уделено очень мало внимания. Практически всё «Руководство» посвящено применению ламинатов и лишь упоминается о возможности использования тканевых (главным образом базальтовых) композитов. Из нормативных документов, касающихся композиционных материалов, следует упомянуть серию Европейских стандартов, которые посвящены не выбору материалов и области их использования, а методам испытаний. В частности, имеет смысл упомянуть о следующих стандартах, некоторые из которых учитывались при выполнении экспериментов, приведённых в последующих разделах. а) EN 1991:2002-2007. Еврокод 1. «Воздействия на строительные конструкции». Отечественный СНиП на проектирование мостовых сооружений, который использован в данной работе при определении несущей способности балок, отобранных для натурных испытаний, увязан с «Еврокодом 1». 11 б) EN ISO 527-4. Стандарт посвящён методам испытания пластмасс, армированных в одном и двух направлениях. Он может быть использован при определении свойств и выбору наиболее подходящих материалов по показателю «прочность при растяжении». В стандарте так же приведены требования к построению графиков «усилия-деформация», что использовано в настоящей работе. Имеются требования к форме образцов и оборудованию для испытания на растяжение. в) EN ISO 14125. Стандарт посвящён определению свойств при изгибе углепластиковых ламинатов и схемам из загружения. В данной работе он использован при испытании образцов: бетонных призм с наклеенной тканью. Стандарт предусматривает возможность испытания нагружением образца в одной точке (использовалось в данной работе) и двумя точками. Последний способ не использовался при испытании образцов, но использовался при испытании натурных конструкций (балок): обеспечивается создание условий с чистым изгибом испытываемой конструкции. Впервые приводится возможный диапазон скорости нагружения образцов, из которого нами использовался лишь один диапазон 0,5÷0,6 МПа/сек (±0,1). г) ISO 14126. Стандарт широко использовался при испытаниях железобетонных колец, колонн, трубчатых элементов, проводимых ЗАО «Триада-Холдинг» [2]. С использованием этого стандарта осуществлено усиление многих коллекторных тоннелей, экспериментально подтверждена эффективность усиления трубчатых элементов, что в последующем «ТриадаХолдинг» реализовала при усилении опор на объектах г. Москвы. д) EN ISO 14130:1997. Стандарт посвящён методике испытаний коротких образцов, что больше подходит для ламинатов и в данной работе не использовался. Из отечественных нормативных документов следует упомянуть ГОСТ 25.601, который использовался при определении прочности на растяжение выбранного для исследований тканевого материала (Приложение А). Таким образом, существующая нормативная база, предусматривающая методы испытания различных материалов, может быть использована при оценке пригодности материалов для усиления строительных конструкций (в том числе и мостовых сооружений). Упомянутые нормативные документы учитывались при выполнении работ, предусмотренных контрактом УД-47/183. 12 5.3 Опыт применения композиционных материалов в транспортных объектах. В мировой практике используются ленты на основе ориентировано направленных волокон (углеродных, стеклянных, арамидных, полиэфирных), заключенных в матрицу эпоксидного полимера. В табл. 1, 2 и 3 представлены основные характеристики исходных волокон названной номенклатуры, тканых лент на основе углеродного волокна (основное волокно, используемое в зарубежной практике) и композита по структуре «Углеродное волокно – эпоксидный полимер» соответственно. Таблица 1 - Характеристики волокон Модуль упругости – Е, ГПа Прочность при растяжении, Н/мм2 Углеродное 240 – 640 2500 – 4000 Арамидное 124 3000 – 4000 Стекловолокно 65 – 70 1700 – 3000 Полиэфирное 12 – 15 2000 – 3000 Тип волокна Таблица 2 - Характеристики ламинатов Значения характеристик Характеристики Модуль упругости – Е, МПа 165000 ÷ 300000 Прочность при растяжении, МПа 3100 ÷ 1600 Плотность, г/см3 1,5 ÷ 1,6 Объем углеродных волокон в матрице, % > 68 Термоустойчивость лент, ºС 150 Предельная деформация при разрыве, % Размеры, ширина/толщина, мм 1,7 ÷ 0,45 50 - 120/1,2 - 1,4 13 Таблица 3 - Характеристика углепластиковых лент Значения характеристик Характеристики Прочность при растяжении вдоль волокон, МПа Предельная деформация при разрыве, % Модуль упругости – Е, МПа 3500 1,5 230000 Плотность, г/м2 225 Размеры, ширина/толщина, мм 305 (610)/0,13 При внешнем армировании тканые ленты и композиты на их основе приклеивают к бетону двухкомпонентным эпоксидным клеем. Характеристики одного из составов клея представлены в табл. 4. Таблица 4 - Характеристики клея Значения характеристик Характеристики Смешиваемые пропорции компонентов А – основа; В – отвердитель А:B=3:1 Плотность после перемешивания, кг/дм3 Срок пригодности приготовленной смеси при +35 ºС, мин Усадка, % 1,77 40 0,04 Модуль упругости – Е, МПа 12800 Прочность на срез (приклейка к бетону), МПа > 15 Коэффициент температурного расширения в диапазоне -10 ºС ÷ 40 ºС 0,9·10-5 В общепринятой трактовке «композиционный материал» – это макрогетерогенные системы, состоящие из двух и более разнородных компонентов, обладающих различными физико-механическими свойствами, а также материалы на металлической или полимерной основе, армированные 14 различными наполнителями. Применительно к рассматриваемой проблеме внешнего армирования ниже отражены случаи и условия применения композиционного материала на основе фибры (КМФ) с полимерной матрицей, армированной углеродными волокнами. Основной причиной все более широкого вовлечения указанных материалов в практику мостостроения является поиск материалов, функциональные качества которых превосходят характеристики традиционных строительных материалов, в том числе, материалов, используемых для усиления конструкционных элементов моста при его ремонте и реконструкции. Прогресс материаловедения и строительной химии обеспечили такое развитие композиционных материалов, что многие из них, в частности, углепластики, стеклопластики, базальтопластики можно по праву назвать уже традиционными. Однако в общем объеме промышленного потребления стали, алюминия и пластмасс доля собственно КМ составляет не более 1,5 %. В мостостроении композиционные материалы выступают, прежде всего, в качестве более надежной альтернативы металлу. Это обусловлено уровнем физико-механических характеристик. Механические свойства композитных материалов, армированных различными видами волокон, зависят от: механических свойств самого волокна; силы сцепления вяжущего вещества и волокна; объема армирующих волокон в композите; ориентации армирующих волокон в композитном материале. Из требований, которые предъявляются к композитам, используемым для реализации технологии внешнего армирования конструктивных элементов моста, наиболее важными являются требования к четырём основным параметрам: устойчивости на растяжение, сжатие, изгиб и на сдвиг. Эти виды механического воздействия являются определяющими факторами повреждений и разрушений элементов моста. Сложность достижения оптимального уровня этих параметров в случае продольного армирования непрерывными волокнами (ровингом) связана с низкими прочностными характеристиками волокон в поперечном направлении. Однако применение структуры комбинированной ориентации волокон в композите позволяет обеспечить любые заданные требования. В табл. 5 в качестве примера представлены характеристики (прочность на растяжение) шести видов КМ в сравнении с основными видами применяемых в мостостроении металлов. 15 Таблица 5 - Сравнение по прочности КМ и металлов Металлы Виды материалов Прочность на растяжение, МПа Композиты Сталь Al Ti 350÷ 1300 100÷ 400 450÷ 1000 Стеклопластик E-glass Стеклопластик S-glass Арамид 150÷1100 430÷1800 400÷1600 Углепл Углепл астик астик класс класс HS IM 700÷ 800÷ 2100 2700 База льто плас тик 550÷ 2000 Рационально используя прочностные и другие физико-механические характеристики можно обеспечить решение многих задач в строительстве и, в частности, в мостостроении. В качестве подтверждения сказанному можно привести пример изготовленного около 20 лет назад в США моста полностью из композиционных материалов (Russell, Kansas). Основу составляют армированные непрерывным волокном элементы конструкции моста. В сравнении с весом 1м2 железобетонного пролётного строения автодорожного моста (400÷500 кг), вес квадратного метра композитного моста в 3 раза меньше. Время монтажных работ и их стоимость при возведении композитных мостов существенно ниже по сравнению со стальными и железобетонными конструкциями. В прекрасной обобщающей монографии [2] по применению в строительстве КМФ подчёркнуто, что все решения по ремонту и усилению конструкций в каждом конкретном случае являются индивидуальными, имеющими свою специфику. Однако имеются и общие рекомендации по усилению. Например, в каких-то случаях предварительная (перед наклейкой КМФ) подготовка поверхности бетона может включать в себя инъектирование трещин, защиту оголённого арматурного каркаса, нанесение праймера на бетон, восстановление повреждённого бетона полимерными составами перед приклейкой композита. Только после качественного выполнения работ по подготовке бетонной поверхности можно осуществлять усиление. Основными областями усиления железобетонных элементов композиционными материалами на основе фибры (КМФ) по условиям работы конструкции являются: - увеличение несущей способности изгибаемой железобетонной балки или плиты путём приклеивания композиционного материала в растянутой зоне сечения; - увеличение несущей способности сечения балок на действие поперечной силы установкой КМФ на приопорных участках конструкции, где существует риск возникновения и развития наклонных трещин; 16 увеличение несущей способности внецентренно сжатых колонн приклеиванием КМФ по периметру конструкции (охватывающее усиление – пример такого решения приведён на рис. 1). Рисунок 1 – Пример «охватывающего усиления» стойки опоры сооружения тканью, армированной угольными нитями в двух направлениях (Германия) [12] Как уже отмечалось, наиболее близким по области и условиям применения к усилению композиционными материалами является широко и успешно применяемое уже более полувека усиление железобетонных конструкций стальными пластинами. В этой связи целесообразно рассмотреть преимущества и недостатки каждого из этих способов усиления. Композиционные материалы на основе углеродных (КМФУ), арамидных (КМФА) и стекловолокон (КМФС) имеют гораздо более высокую прочность на растяжение, чем применяемая арматурная сталь. Наибольшая разница по прочности по сравнению со сталью имеют КМФ на основе углеродных волокон. Именно поэтому в проводимой исследовательской работе упор сделан на использование материала с углеродными волокнами. В работах [2] и [3] убедительно показаны преимущества при применении КМФ для усиления строительных конструкций. К ним относятся следующие преимущества: 17 1) композиционные материалы легко поддаются преднапряжению; 2) материал можно использовать для усиления любых по форме железобетонных конструкций, так как в силу своей гибкости он будет повторять их очертание; 3) композиционные материалы можно применять для усиления конструкций с любым радиусом кривизны, вплоть до круглых (см. рис.1); 4) технологический процесс допускает установку композиционного материала без остановки эксплуатации усиливаемого сооружения; 5) малая толщина полос композиционного материала (от 1,5 до 2,0 мм) позволяет устанавливать их одновременно в двух направлениях для увеличения несущей способности конструкции. Составляющие композиционного материала (волокна и отверждающий полимер) являются долговечными и обладают хорошей выносливостью. В процессе эксплуатации они не требуют дополнительных мероприятий по защите от воздействия агрессивной внешней среды. В случае возникновения непредвиденной эксплуатационной ситуации они легко ремонтируются и усиливаются установкой еще одного дополнительного слоя композиционного материала. Именно этим можно объяснить расширяющийся объём применения КМФ для усиления строительных конструкций в мире, в частности в Австрии, Бельгии, Великобритании, Германии, Испании, Канаде, Польше, США, Франции, Чехии, Швейцарии, Японии. В некоторых странах опыт их применения близок к 40 годам. Длительный опыт применения композиционных материалов за рубежом даёт возможность утверждать, что усиление конструкций с их использованием может продлить срок службы сооружений не менее чем на 30 лет. Это превышает нормативную периодичность ремонтных работ для сооружений с железобетонными пролётными строениями [4]. 5.4 Свойства композиционных материалов Свойствами холстовых КМ определяются типом применяемого волокна и его расположением в материале – одно или двунаправленным. Характеристика импортных холстовых КМ приведены в таблице 6. Чаще других импортных материалов из приведённых в таблице 6 в России применяют холсты из углеродистых волокон «Sika Wrap Hex 230» это дополнение известной системы «Sika CarboDur», созданной компанией «Sika AG» на основе результатов исследований Федерального Испытательного и Исследовательского Центра Материалов в Дюбендорфе. Система холстов «Sika Wrap» предназначена для усиления элементов конструкции, в которых возникают значительные по величине растягивающие и касательные напряжения от суммарных эксплуатационных нагрузок. Система «Sika Wrap» разрешена к применению как система 18 внешнего армирования несущих железобетонных элементов при усилении конструкций опор и пролётных строений мостов, имеющих сложную конфигурацию (круг, эллипс, тавровые и коробчатые сечения различной геометрии), где применение лент «Sika CarboDur» невозможно или значительно затруднено. Сопоставление исследуемого материала с уже признанным за рубежом «Sika Wrap Hex 230» даёт основание для оптимистического прогноза возможности широкого его применения при усилении конструкций мостовых сооружений в России. В России налажено производство холстов с углеродными и базальтовыми волокнами. Сопоставляя эти материалы по прочности (показатели приведены в таблице 5), при выборе тканевых материалов предпочтение следует отдать тканям с углеродными волокнами. Подобный выбор оправдан, прежде всего, тем, что материал с высокой прочностью будет надёжнее работать в зоне трещин железобетонных конструкций. Другим условием выбора материала для усиления бетона и железобетона является незначительное отличие по модулю упругости: модуль должен находиться в пределах 250÷300 ГПа. Из условия работы ткани на углах и из опыта усиления труб (см., например рис. 1) следует иметь в виду и желательное ограничение по толщине холстов – толщина должна находиться в пределах 0,15÷0,20 мм. Таким образом, из анализа свойств композиционных холстовых материалов и существующего опыта практической работы с ними установлены рекомендуемые диапазоны свойств КМ, которые приведены в таблице 7. Некоторые из зарубежных материалов удовлетворяют этим требованиям. Эти материалы отмечены в таблице 6. 19 Таблица 6 - Сравнительные характеристики холстовых материалов Торговая марка Тип волокна Модуль упругости, ГПа Вес 1 м2, г/м2 Толщина*, мм Ширина, мм углерод углерод углерод углерод углерод Прочность на растяжение, МПа 4300 4300 4300 4300 4300 FibARM Tape - 200/300 FibARM Tape - 230/300 FibARM Tape - 300/300 FibARM Tape - 350/300 FibARM Tape - 530/300 FibARM Tape - 240/1200 twill FibARM Tape - 300/1200 twill FibARM Tape - 450/1200 twill S&P C Sheet 240 245 245 245 245 245 200 230 300 350 530 0,111 0,128 0,167 0,194 0,294 300 300 300 300 300 углерод 4300 245 240 0,066 1200 углерод 4300 245 300 0,083 1200 углерод 4300 245 450 0,125 1200 углерод 3800 240 200, 300 0,117, 0,176 150, 300 S&P C Sheet 640 S&P C Sheet 120 S&P C Sheet AR Sika Wrap Hex 230C Sika Wrap Hex 100G Torayca UT70-20 углерод арамид стекло углерод стекло углерод 2650 2900 1700 3500 2250 4090 640 120 65 230 70 230 400 500 350 230 840 200 0,19, 0,235 0,2 0,135 0,13 1270 0,111 Torayca UT70-30 углерод 4200 235 300 0,167 Replark углерод 3400 230 200 0,111, 0,167 300 ---320 610 ---100, 250, 500 100, 250 500, 1000 250 330, 500 Replark Replark углерод углерод 2900 1900 390 640 300 0,143 Mbrance Tow Sheet углерод 3550 235 300 0,111 0,165 Mbrance Tow Sheet Mbrance Tow Sheet DML Composites углерод стекло углерод 3000 1550 4900 380 74 230 0,165 0,118 ___ DML Composites DML Composites стекло арамид 3400 2800 70 115 300 915 150, 300 900 200, 250, 1200 200, 300 ____ 340 500 500 300, 500, 1500 350, 500 ---- 280,420 200 300 750 0,193, 0,286 0,111 0.166 0,417 100, 300, 500 ---------- Kevlar®SRS арамид 2100 120 Fosroc C120 углерод 2300 230 Fosroc C530 углерод 2300 375 Tyfo SCH-41 углерод 3803 227,7 * Толщина холста, рекомендуемая для проектирования Отмечены характеристики холстов отечественного производителя. 20 250 330, 500 500 Таблица 7 - Рекомендуемые характеристики углепластиковых холстов №№ п/п Наименование показателя Значение показателя 1 Вид материала Холст высокой прочности из углеродных волокон 2 Цвет Чёрный (наиболее распространённый) 3 Долговечность Неограниченная. Отсутствует коррозия 4 Прочность волокон на растяжение, МПа 4000÷5000 5 Деформация при разрыве, % 1,5÷2,0 6 Ширина холста, мм 250÷300 *) 7 Плотность холста, г/м 8 Толщина холста (минимизированная толщина углеродных волокон), мм 0,15±0,20 9 Е-модуль упругости, МПа 200000÷250000 250±25 2 *) Ширина установлена, исходя из удобства раскатывания (приклейки) Важным компонентом системы усиления внешним армированием при помощи композиционных материалов является адгезив или клеящий состав. Основным его назначением помимо собственно приклеивания является восприятие сдвиговых и отрывающих усилий между соединяемыми поверхностями. Для приклеивания композиционного материала к бетонной поверхности чаще всего используются эпоксидные двухкомпонентные клеящие составы, способные схватываться при окружающей температуре. Наиболее распространенные клеящие составы приведены в табл. 8 [2]. Таблица 8 - Клеящие составы различных производителей Поставщик и торговая марка Свойства МВТ Exchem SBD Sika Resiplast Прочность на растяжение, МПа Прочность на изгиб, МПа Прочность на сдвиг, МПа Resifix 31 Мbrace Ероху Sikadur Epicol U adhesive Plus 24 30 19 30 50 55 100 35 — — 22 — 18 — — Модуль упругости при изгибе, ГПа 6,5 3,5 9,8 12,8 — Температура стеклования, Т g (°С) 60 56 60,8 — 60 21 В небольшом объеме применяются адгезивы и на другой основе. Однако им присущ целый ряд недостатков, ограничивающих область применения: адгезивы на основе полиэстера имеют большие усадочные деформации и высокий коэффициент температурного расширения. Они подвержены щелочной агрессии и быстро затвердевают; адгезивы на основе виниловых полиэфиров также имеют большие усадочные деформации и в условиях повышенной влажности не могут обеспечить качественного сцепления соединяемых поверхностей (установлено при ремонте Крымского моста в г. Москве в 2005г.); полиуретановые адгезивы обладают теми же недостатками, что и полиэфирные и с трудом обеспечивают необходимое сцепление между поверхностями. Выбор типа эпоксидного адгезива зависит от особенностей его применения и определяется такими факторами как температурновлажностный режим окружающей среды и склеиваемых поверхностей, а также требуемой скоростью твердения. Адгезивы должны выдерживать температуру до плюс 50 °С во время эксплуатации и иметь температуру стеклования от 50 °С до 65 °С. Среди других холстов из КМ следует упомянуть и о базальтоволокнистых КМ на основе волокон из горных пород. Благодаря уникальным свойствам этих неорганических волокон, на сегодня разработаны и созданы технологии их производства. Созданы также производства получения широкой гаммы непрерывных базальтовых волокон из расплава горных пород основного состава: базальта, порфиритов, диабазов. Плавильными агрегатами служат печи непрерывного действия с выработочными устройствами – фильерными питателями. Изверженные горные породы, в отличие от стекольных шихт, состоящих из смесей силикатных компонентов, представляют собой систему, полученную в результате физико-механических процессов, происшедших при застывании и кристаллизации расплавленных силикатных масс – магмы. Механическая структура полученных волокон характеризуется беспорядочным расположением и наличием воздушных прослоек между ними, т.е. пористостью, которая зависит от диаметра волокон и степени их уплотнения. На основании полученных волокон производятся различные ткани, в том числе и базальтовые. Ткани базальтовые конструкционные вырабатываются шириной до 100 см с допустимыми отклонениями +2 и -1% от установленной ширины. Ткани базальтовые конструкционные изготавливаются различной толщиной и плотности из базальтовых крученных комплексных нитей. 22 Информация о базальтовых композиционных материалах (КМФБ) приведены в разделе «Свойства материалов» неспроста. Первый экспериментальный объект «РОСДОРНИИ» был отремонтирован с использованием технологии усиления, в том числе и с помощью базальтовых холстов (мост через р. Киржач на а/м М-7 «Волга», 94 км, 2002г.). Дело в том, что идея усиления холстами ребристых железобетонных балок эксплуатируемого сооружения возникла в «РОСДОРНИИ» ещё в 1999÷2000 годах. Но включить эту технологию в план ремонта удалось лишь в 2001г. как экспериментальную технологию. Предстояло наблюдать за состоянием сооружения в течение не менее 5 лет, после чего вопрос о практическом использовании КМФБ при усилении мостовых сооружений на общей сети автомобильных дорог мог быть рассмотрен повторно. 6 Результаты испытания образцов Исследования с тканевыми материалами ранее не проводились. Однако в большом объёме проводились испытания углепластиковых ламелей и образцов с наклеенными ламелями до разрушения. Поскольку рекомендуемые характеристики тканевых композиционных материалов (см. табл.2) не хуже и близки к характеристикам углепластиковых ламелей Carbodur S, можно проанализировать результаты экспериментов, выполненных ранее и с этим материалом, чтобы оценить качественную картину усиления бетона композитами вообще. В связи с этим представляет интерес экспериментальные исследования, проведённые ранее в ЦНИИС и в фирме «Интераква». 6.1 Испытания, проведённые в ЦНИИС [8] 6.1.1 Цель экспериментальных работ Экспериментальные работы преследовали цель установить, на сколько влияет усиление балок, работающих на изгиб и уже имеющих трещины, на изменение несущей способности. Эксперименты должны установить лишь качественную картину. Количественные зависимости между показателями результатов испытания (зона упругой работы, несущая способность, жёсткость, трещиностойкость, прочность, прогиб) могут быть получены на основании более обширных экспериментов и более широкого анализа проведённых другими организациями экспериментов. В настоящем отчёте отражены результаты испытаний двух балок, как наиболее показательных среди множества испытаний, выполненных в ЦНИИС. Каждая балка испытывалась дважды: - 1й этап – испытание до появления трещин раскрытием до 0,6мм, что можно считать разрушением балки без усиления, 23 - 2й этап – испытание усиленной после разрушения балки до момента, когда начнётся отрыв углепластиковых лент. 6.1.2 Испытываемые образцы В качестве образцов были использованы лабораторных условиях балки сечением: изготовленные в - 15х20 см и пролётом ℓр = 0,94 м (эксперимент№1); - 20х40 см с пролётом ℓр = 3,775 м (эксперимент №2). Класс бетона балок был не ниже В35, арматура имела диаметр 10 мм из стали класса АIII. В качестве элемента усиления применялись углепластиковые ленты фирмы Sika со следующими характеристиками: - толщина –1,4 мм, - ширина – 120 мм, - прочность при растяжении – 28000 кг/см2, - модуль упругости – 1650 000 кг/см2. Различная длина балок определена размерами углепластиковых лент, которые удалось приобрести в короткие сроки (1,0 м и 4,0 м). Геометрические параметры изготовленных балок приведены в таблице 9. Впервые в поле зрения испытателей оказался показатель «гибкость». Ранее влияние жёсткости образцов на эффективность усиления не учитывалось. Таблица 9 - Характеристики балок для экспериментов Показатели для балок Характеристика Ед.измерения Эксперимент №1 Эксперимент №2 1 2 3 4 Сечение cм 15х20 16х30 Расчётный пролёт, ℓр м 0,94 3,775 4 Момент инерции, I см Площадь, F см2 4 1,0х10 3,6х104 300 480 Модуль упругости, Е 2 кг/см 0,3х10 0,3х106 Жёсткость, ЕJ кг∙см2 3х109 10,8х109 см 5,7 10,6 - 16,5 35,6 Радиус инерции i Гибкость, ℓр/i I F 6 24 Как видно балки для второго эксперимента были более гибкие (в два раза). 6.1.3 Результаты экспериментов Эксперимент №1 Для испытаний были изготовлены две одинаковые балки. Железобетонные образцы имели прямоугольное сечение высотой 0,2 м и шириной 0,15 при общей длине балки 1,1 м. Класс бетона не ниже В35. Продольная арматура Ø 10мм из стали класса АIII установлена в нижнем и верхнем поясе. Балка 1 предназначалась для усиления углепластиком в зоне нижней грани после её разрушения изгибающей нагрузкой (доведения раскрытия поперечных трещин до 0,5-0,6 мм). Балка 2 являлась контрольным образцом, без внешнего усиления. Испытания образцов производили по схеме однопролётной балки с двумя сосредоточенными грузами при статическом приложении нагрузки. В качестве испытательного стенда при проведении испытаний использовали силовую раму стенда пульсационной машины ПМ-50. Балка устанавливалась на две опоры – подвижную и неподвижную. Расчётный пролёт балки – 94 см. Нагрузка от гидродомкратов грузоподъёмностью 50 т с использованием ручной насосной станции передавалась на верхнюю сжатую зону балки через распределительную траверсу. Траверса устанавливалась на образец центрально относительно его осей и опиралась на образец посредством двух опор с межосевым расстоянием 32 см. Схема нагружения показана на рис.2. Сравнивая сегодня эти испытания с требованиями современных нормативных документов, можно отметить, что методика испытаний соответствует требованиям EN ISO 14125. Нагрузку прикладывали этапами по 1 т. На каждом этапе нагрузку выдерживали определённое время, необходимое для снятия показаний приборов, отыскания и фиксации трещин, а также для замеров ширины их раскрытия. В процессе испытаний замеряли деформации бетона крайних сжатой и растянутой зон балки и прогибы в середине пролёта, фиксировали появление трещин, их положение, ширину раскрытия и характер развития по высоте сечения. Ширину раскрытия трещин определяли, используя микроскоп Бринелля. Деформации сжатой зоны регистрировались с помощью механических рычажных тензометров Гуггенбергера на базе 100 мм, растянутой зоны – по заранее установленным маркам с помощью съёмных шариковых деформометров на базе 500 мм, Измерения проводились в середине пролёта балки. Результат испытания представлен на графике рис.3,а. 25 Вначале испытаниям подверглась балка 1 не усиленная углепластиком, при нагрузке 5 т в её растянутой зоне было отмечено появление поперечных трещин раскрытием до 0,08 мм. При нагрузке 11 т раскрытие достигло 0,6 мм. Не доводя балку до полного разрушения, её сняли со стенда, трещины были заинъектированы эпоксидным составом. После этого нижняя грань балки была усилена накладкой из углепластика холодного отверждения и подверглась повторным испытаниям. При нагрузке 7 т наблюдалось раскрытие старых и появление новых трещин. Разрушение балки произошло при 15,3 т (раскрытие трещин составило 0,6÷0,8 мм). Рисунок 2 – Испытываемая балка на испытательном стенде Эксперимент №2 Испытаниям подвергались железобетонные балки-образцы прямоугольного сечения. Длина балок 3,995 м, высота 30 см, ширина 16 см. Испытываемая балка устанавливалась на неподвижные опоры, при этом расчётная длина пролёта составляла 3,775 м. нагрузка прикладывалась в третях пролёта. Загружение балок осуществлялось с помощью гидравлического домкрата. Всего было испытано 2 балки-образца. Балка № 1 испытывалась без усиления. Первая поперечная трещина на балке появилась при нагрузке 2 т на расстоянии 25 см от середины пролёта. В дальнейшем при увеличении нагрузки поперечные трещины стали образовываться по всей длине балки с шагом 10-15 см. Разрушение балки наступило при нагрузке 9,8 т. 26 За разрушение принято состояние с раскрытием трещины до 1 мм. При сбросе нагрузки трещины частично закрылись, и их раскрытие не превышало 0,4 мм. При повторном нагружении балки после усиления появились новые трещины при нагрузке 7 т, то-есть на 2 т больше по сравнению с предыдущим нагружением. Развитие пластических деформаций стало заметным при нагрузке 11 т (на 33% больше по сравнению с 8 т в предыдущем испытании), а разрушение произошло при 12,5 т. Результаты испытания приведены на графиках рис.3,б. Рисунок 3 – Результаты экспериментальных исследований в ЦНИИС Анализируя результаты испытания, выполненные в ЦНИИС, «РОСДОРНИИ» смог сделать более расширенные выводы. Прежде всего, следует отметить, что эффект от усиления во многом зависит от гибкости балок. Именно поэтому менее гибкие балки требую усиления большим количеством композиционных лент. Именно поэтому эффект от усиления в двух экспериментах ЦНИИС существенно отличается: гибкие балки второго эксперимента дали большую степень усиления конструкции. И несущая способность восстанавливается в большей степени для более гибких балок. Можно сделать и другие важные выводы из экспериментов ЦНИИС: - раскрытие старых трещин при испытании после усиления происходит при большем усилии, чем при испытании до усиления; 27 - жёсткость усиленных конструкций с трещинами близка к первоначальной жёсткости, о чём свидетельствует наклон линий «усилиенагрузка» на графиках рис.3; - шаг трещин в усиленной балке меньше, чем в не усиленной (появляются трещины чаще, но с меньшим раскрытием). Подобные выводы были сделаны и в экспериментах проф. У.Майера (Швейцария) ещё 20 лет назад – см. раздел 6.2. 6.2 Испытания, проведённые в Швейцарии Помимо выполненных двух экспериментов в ЦНИИС в данном отчёте целесообразно привести результаты испытания опытной балки, усиленной углепластиком, проведённого в Швейцарии ещё 20 лет назад под руководством проф. У.Майера. Целесообразность приведения здесь одного из экспериментов подтверждена тем, что в этом эксперименте использовалась железобетонная балка сечением 16х30 см, т.е. почти как в эксперименте №2. Эксперимент, проведённый в Швейцарии, показывает, как может увеличиться эффект от усиления с увеличением гибкости конструкции (гибкость балки зарубежного эксперимента равна ℓ / i = 34,5, то-есть вдвое больше гибкости балки, использованной в эксперименте №1 ЦНИИС). Пролёт балки 20 м, усилия прикладывались в ℓ/3. Для усиления применён углепластик сечением 0,3х200 мм. Результаты исследований показали высокую эффективность в увеличении несущей способности (от 25 до 100%) и снижении прогиба (почти вдвое) балок после усиления. При испытаниях прослеживались различные режимы разрушения: - внезапное разрушение слоистого углепластика в сопровождении резкого треска, который предупреждался частым потрескиванием; - классическое разрушение сжатой зоны бетона; - непрерывное отслаивание углепластика из-за некачественно выровненной поверхности бетона; - внезапное отслаивание во время нагружения из-за развития сдвиговых трещин в бетоне, вызванное относительным вертикальным смещением поверхностей трещин. Как отмечают авторы, этот опасный случай требует изучения проблемы сдвига. 28 На рис. 4,а показаны полученные в ходе испытаний кривые прогибусилие. Измерения проводились в центре балки по армирующему элементу (слоистому углепластику). Точки приложения нагрузки находились на расстоянии 0,66 м от опор. На рис.4 показано распределение трещин в бетоне в неусиленных (a,b) и усиленных (с) балках. Видно, что при усилении предельная нагрузка выросла более чем в полтора раза, суммарная ширина раскрытия трещин снизилась в полтора раза, распределение трещин по длине балки стало более равномерным, представленных в разделах 6.1 и 6.2. Сопоставляя результаты трёх экспериментов как по разрушающему усилию (появление трещин раскрытием ≥1,0 мм), так по усилиям, соответствующим появлению трещин (Ртр) и началу пластических деформаций (Рпл), становится очевидным эффективность усиления композиционными материалами железобетонных изгибаемых элементов. Причём с увеличением гибкости конструкций эффективность возрастает (таблица 10). Таблица 10 - Результаты испытания балок № эксперимента Сечение балки, см Пролёт, ℓр , м Ртр, Рпл, Рраз, кN кN кN 1 15х20 0,94 6,0 11,0 13,0 Без усилен. 7,5 13,0 16,5 Усиление 1,0 2,0 2,5 Без усилен. 1,5 3,0 4,0 Усиление 5,0 7,0 9,8 Без усилен. 6,0 9,0 12,5 Усиление (рис.3,а) 3 16х30 2,0 (рис.4) 2 (рис.3,б) 16х30 3,7 29 Примеч. Рисунок 4 - 30 Рисунок 5 – Максимальное раскрытие трещин по участкам: 6.3 Исследования, проводимые в ф. «Интераква» [9] Влияние усиливающих элементов из стекло- и углепластиков на несущую способность бетонных балок исследовали путем испытания бетонных призм размерами 10 х 10 х 40 см по методике определения прочности на растяжение при изгибе по ГОСТ 10180. Схема испытательного стенда приведена на рис. 6. На нижней траверсе закреплены две опоры-узлы А и Б для испытываемого образца на расстоянии по осям 300 мм. Шарнирно-подвижная опора (узел А) выполнена в виде качающейся призмы 4, опирающейся на верхнюю сегментную 5 и нижнюю плоскую 6 опорные подушки. Шарнирно - неподвижная опора (узел Б) выполнена в виде шара 2, устанавливаемого центрально относительно поперечной оси образца между опорными подушками 3. Такая конструкция обеспечивает поворот образца, 31 как в плоскости изгиба, так и в перпендикулярной к ней плоскости без перемещения образца, и исключает косой изгиб, который может быть вызван неплоскостностью опорных поверхностей образца. Нагрузка пресса через верхний шаровой шарнир и плиту пресса передается на образец через распределительную траверсу. Траверса устанавливается на образец центрально относительно его осей и опирается на образец двумя опорами - узлы В и Г с межосевым расстоянием 100 мм. Верхняя и нижняя подушки узлов связаны между собой резиновым жгутом 11, что обеспечивает их подвижность. Для удобства установки образца служит опускающийся столик 12. Для испытания образца нижняя траверса 10 устанавливается центрально на плиту пресса. Образец с предварительно размеченной боковой гранью (осям приложения сил), размещается на поднятом 10 столике так, чтобы линия разметки 13 на образце при опускании столика поворотом ручки 14 совпали с рисками на опорных подушках узлов А и Б. При необходимости опорные подушки поправляются до совпадения риски на них с линиями разметки 13. Далее на образец сверху устанавливали траверсу 7, проверяя совпадение меток на опорных подушках узлов В и Г с линиями 15 разметки образца. Шарнирно-неподвижная опора В траверсы выполнена так же, как и узел Б. Шарнирно-подвижная опора Г траверсы выполнена в виде цилиндрического катка 9, устанавливаемого между опорными пластинами 8. Особенностью стенда является возможность точной (по разметке) установке призм для испытания, что особенно важно при малом пролёте призмы. 32 Рисунок 6 - Схема устройства (стенда) для испытания бетонных образцов-призм на изгиб: 1 – испытываемая призма, 2 – подвижная опорная часть, 3 – опорные плиты, 4 – неподвижная опорная часть, 5 и 6 – нижняя и верхняя опорные плиты подвижной опорной части, 7 – нагрузочное устройство, 8 – плита нагрузочного устройства, 9 – каток, 10 – стол стенда, 11 – резиновый жгут, 12 – установочный столик, 13 – нижняя разметка на образце, 14 – ручка установочного столика, 15 – верхняя разметка на образце. Для определения влияния усиливающих элементов на несущую способность при изгибе бетонных образцов проведены испытания нескольких вариантов усиливающих элементов, соответствующих различной степени армирования по отношению к бетону (различное количество наклеиваемых лент). Состав, структура и ширина лент накладок, а также степень армирования бетонных балок представлены в таблице 1. Длина лент составляла 40 см. Для изготовления балок был использован бетон, соответствующий классу В15 на сжатие. 33 Испытания усиленных бетонных балок проводили до разрушения с фиксацией разрушающей нагрузки и характера разрушения. Результаты испытаний представлены в табл. 12. На рис 7 показаны образцы усиленных бетонных балок после испытания (после разрушения). Проведенные испытания показали, что использование усиливающих лент из полимерных композитов позволяет повысить несущую способность образцов бетонных балок в 2,5-4,5 и более раз (Рис. 8). Для усиления бетонных балок наиболее эффективны углепластики (Рис. 9), поскольку они в наибольшей степени обеспечивают совместность работы конструкции. Имеющиеся отечественные углепластики, в том числе и холсты, не уступают зарубежным по свойствам и достигаемому эффекту. Характер разрушения показывает достаточный уровень сцепления выбранных клеящих материалов с бетоном: отрыв накладок происходит совместно с бетоном. При использовании усиливающих лент характер разрушения бетонной балки становится более безопасным. Разрушение неусиленной бетонной балки происходит в результате быстрого распространения магистральной трещины. При нагружении балки, усиленной накладкой, происходит постепенное накопление трещин, которые сдерживаются полимерным композитом и способны закрываться после снятия нагрузки. Применение композитов на основе углеволокна и отечественных клеевых составов обеспечивают прочность сцепления с бетоном, превышающую уровень прочности бетона при растяжении. Установлено также, что использование усиливающих лент из полимерных композитов позволяет повысить несущую способность образцов бетонных балок в 2÷4 и более раз. Усиление бетона снижает и опасность его катастрофического разрушения. Зарождение трещин в усиленных балках происходит при более высоких нагрузках, а распространение трещин сдерживается полимерным композитом. 34 Таблица 11 - Типы используемых лент (накладок) из композиционных материалов Количество и ширина лент Количество слоев ткани Степень армирования бетонной призмы (10x10x40 см) Углепластик однонаправленный (горячего отверждения) 1 х 5 см 1 0,12 2 Углепластик однонаправленный (горячего отверждения) 1 х 8 см 1 0,19 3 Углепластик однонаправленный (горячего отверждения) 1 х 8 см (длина - 30 см) 1 0,19 4 Углепластик однонаправленный (горячего отверждения) 2 х 2,5 см 2 0,12 5 Углепластик однонаправленный (горячего отверждения) 2 х 8 см 2 0,38 6 Углепластик однонаправленный (холодного отверждения) 2 х 8 см 2 0,38 7 Углепластик однонаправленный (горячего отверждения) 4 х 8 см 4 0,76 № образца Материал усиливающей накладки 1 35 Таблица 12 - Разрушающая нагрузка и характер разрушения усиленных бетонных балок (извлечение из [9]) 36 а) б) Рисунок 7 – Вид на разрушенные бетонные образцы, усиленные углепластиком со степенью армирования 0,19 (а) и 0,38 (б) 37 Рисунок 8 – Диаграмма «нагрузка-деформация» бетонных балок усиленных лентами из углепластика в зависимости от степени армирования: 1- 0,12 (образец №8), 2 – 0,19 (образец №7), 3 – 0,38 (образец 33) Рисунок 9 – Диаграммы «нагрузка-деформация» бетонных балок усиленных лентами из полимерных композитов на основе различных волокон: 1 – углеродных, 2 – стеклянных, 3 – арамидных волокон (накладки шириной 8 см, два слоя ткани) 38 6.4 Эксперименты, проведённые в «РОСДОРНИИ» При выполнении данной работы были проведены экспериментальные исследования эффективности усиления образцов при действии отрицательных температур. При этом использовались бетонные (неармированные) призмы, размером 100х100х400 (в соответствии с ГОСТ 10180). Целью испытания призм была проверка морозостойкости и прочности сцепления холстов с бетоном при отрицательной температуре, как это требовалось в Техническом задании. Прочность бетона каждого их образцов определялись неразрушающим способом как средняя прочность из 10 измерений. Измеренная прочность бетона призм, выполненная в соответствии с требованиями ГОСТ 18105, находилась в пределах классов В30÷В35. Отобранные призмы для экспериментов разделены на три группы (по три призмы в каждой группе): - группа 1: образцы без усиления, испытания при комнатной температуре; - группа 2: образцы, усиленные одной лентой шириной 10 мм для испытания при комнатной температуре; - группа 3: образцы, усиленные одной лентой для испытания при отрицательной температуре. Образцы группы №3 выдерживались в морозильной камере при температуре минус 36 0С в течение 4 часов. Результаты испытаний приведены в таблице 13. Испытания проводились на прессе МС-1000, скорость нагружения 0,6±0,2 МПа/сек. Этапы испытания призм проиллюстрированы на рис.10. Таблица 13 – Результаты испытания призм в «РОСДОРНИИ» №№ образцов Разрушающее усилие, КГ (среднее) Группа 1 (+20 0С), без усиления Группа 2 (+20 0С), с усилением Группа 3 (-36 0С), с усилением №№1÷3 1350, 1450, 1500 - - №№4÷6 - 2800, 2950, 3000 - №№7÷9 - - 2950, 3000, 3100 39 Испытания показали, что прочность усиленных призм не зависит от температуры воздуха. Разрушение происходит из-за образования трещины в бетоне, которая, достигая композита, распространяется по контакту «бетонклей». То-есть морозостойкость системы усиления такая, что можно рекомендовать применение усиления с использованием тканей с угольными волокнами в строительно-климатических районах от II до V. Для районов с суровым климатом возможность применения наклеиваемых холстов должна быть подтверждена опытными работами. Анализ состояния контактной поверхности образцов после отрыва композита свидетельствует о следующем: - разрушение балок нестандартное – по наклонному сечению; - ткань после испытания целая без разрыва, с одной половины балки ткань оторвалась; - поверхность отрыва – по бетону, что свидетельствует о хорошем качестве приклеивания. 40 а) б) в) Рисунок 10 – Этапы испытания образцов («РОСДОРНИИ»): а) – нанесение клея на призму, б) – наклейка ткани и распределение покровного слоя клея, в) – вид на разрушенные образцы. 41 Р,т(М,тм) 0.25 (140) (100) (80) 0.75 1 (180) 70 60 55 45 40 30 20 2 20 40 60 80 100 120 f,мм Рисунок 11 - График изменения прогиба 75 12 110 балки ℓ=12м (в скобках — изгибающий момент в ℓ/2): 1 - разрушающая нагрузка 2 - расчётная несущая способность балки Провести испытания при отрицательных температурах образцов с наклейкой ткани на боковую поверхность и имитацией работы мостовых Т-образных балок (когда высота стенки в 2÷3 раза больше ширины углепластиковой ленты) не представлялась возможным из-за отсутствия морозильных камер соответствующих размеров. Но при положительных температурах надёжность крепления холста к стенке изгибаемой балки была проверена при стендовых испытаниях, приведённых в разделе 8: была испытана до разрушения Т-образная балка длиной 12 м (типовой проект 3.503.1-75), в которой ткань шириной 250 мм (1/3 от высоты стенки) была наклеена на стенку с двух сторон (Рис. 11). Особенностью этого испытания можно признать ситуацию, когда при прогибе балки 1 ∙ℓ 110 «однонаправленная» ткань (ткань с однонаправленными волокнами) начала растрескиваться вдоль волокон и расслаиваться с сопровождением резкого треска, как в эксперименте в Швейцарии (р.6.2). Следовательно, высота ткани, наклеиваемой на стенки, оказалась чрезмерной для высоты стенки 75 см. 42 Задолго до заключения контракта с Заказчиком на выполнение данной исследовательской работы (в 2008г.) «РОСДОРНИИ» организовал проведение ещё одного испытания – разработал схему усиления, в которой было предусмотрено использование однонаправленных КМ горячего отверждения, подготовлен проект программы испытания и разработал чертежи стенда для испытания. Речь идёт об испытании П-образной балки для сборно-монолитного пролётного строения (длина ℓ=21 м, армирование из стали класса АIII). Испытание проводил «РОСДОРНИИ» совместно с ЦНИИС. На первом этапе испытания нагрузка была доведена до предела упругой работы на изгиб, что соответствовало прогибу ℓ/200, при котором появились первые наклонные трещины в приопорной зоне раскрытием 0,35 мм. То-есть достигнуто разрушение по критерию «прочность» в соответствии с ГОСТ 8829. На втором этапе испытания этой балки был достигнут второй критерий разрушения – по жёсткости (прогиб превысил критическое значение - 1 ∙ℓ). 142 По инициативе «РОСДОРНИИ» балка была усилена тремя углепластиковыми ламинатами (один снизу и два по низу стенки с двух сторон балки). Ширина ламинатов – 120 мм, что составило 1 от высоты 6 стенки (рис. 12). При испытании в третий раз балки, но теперь после усиления, несущая способность полностью восстановилась: диаграмма испытания полностью повторила первую диаграмму (рис. 13,б). За разрушение принят момент, когда оторвался по бетону защитного слоя концевой участок нижнего ламината (рис. 13,а). Высота и количество ламинатов, наклеенных на стенку, оказались достаточным для восстановления надёжной работы балок. Отрыв нижней ламели произошёл при прогибе балки (после усиления), равном 200 мм, т.е. - 1 ∙ℓ. На концах 100 вертикально наклеенных ламелей в момент отрыва нижней ламели появились лишь трещины по контакту клея с бетоном. Это соответствует состоянию перед отрывом вертикальной ламели, что может быть принято за начало её разрушения. Сопоставляя три упомянутых эксперимента можно назвать (предварительно !!!) условия, при которых в пределах критических усилий сохраняется прочность элемента усиления. В частности: - при высоте стенки 0,75 м (hст=ℓ/15) – в случае применения двунаправленных тканей шириной не более 25 см; - при высоте стенки 0,60 м (hст=ℓ/30) – в случае применения углепластиковых лент; 43 - при высоте стенки 0,8 м (ℓ>15 м) – в случае применения однонаправленных тканей шириной 25 см. Однако сказанное следует рассматривать как предварительные данные, уточнение которых возможно лишь после разработки методики расчёта, что предусмотрено лишь на втором этапе исследования. а) б) Рисунок 12 – Вид разрушенной балки ℓ=21 м перед усилением (а) и после наклейки ламелей (б) 44 а) б) Отмеченные уровни проектной (Рпр) и контрольной (Рк) нагрузки Рисунок 13 а) Отрыв ламели при испытании усиленной балки б) Графики испытания экспериментальной балки до (этап 1 и 2) и после усиления (этап 3) 45 По результатам упомянутого эксперимента с балкой длиной 21 м можно сделать ещё один важный вывод: - Усиление разрушенной балки тремя ламелями позволило восстановить её работоспособность почти на 80 % (благодаря большой гибкости конструкции) и уменьшить прогиб разрушенной конструкции под нагрузкой вдвое. То-есть усиление композиционными материалами при правильном выборе схемы усиления может восстановить работоспособность даже разрушенной балки. Например, учитывая все предыдущие эксперименты можно утверждать, что восстановление работоспособности балки ℓ= 21 м после её разрушения возможно и в случае использования однонаправленных тканей, наклеиваемых на стенки, но при этом на участке длиной примерно 1,2÷1,5 м с каждой стороны должны наклеиваться хомуты (анкера) в вертикальном направлении без пропусков. 6.5 Выводы по результатам экспериментов Несущая способность образцов и конструкций, доведённых до разрушения и затем усиленных, восстанавливается полностью и может превышать первоначальный уровень. Всё зависит от степени усиления. Трещинообразование в усиленной конструкции проходит значительно медленнее, что делает приемлемым усиление композиционными материалами не только для увеличения предельного усилия, но и восстановления безопасных условий эксплуатации (2е предельное состояние). Эффективность усиления зависит, в том числе и от гибкости конструкции. Скорее всего, в реальных железобетонных балках больших пролётов (т.е. с большей гибкостью) значительное увеличение несущей способности можно достигнуть даже без предварительного натяжения лент, как это делается за рубежом. Использование тканей для усиления различных конструкций возможно. Область их применения может быть ограничена как длиной пролётов (например, не менее ℓ=12 м), так и сечением усиляемой конструкции. Уточнена она может на основании опыта эксплуатации усиленных ранее конструкций. Гибкие ленты и ткани могут применяться в II-IV строительноклиматических районах. 46 7 Результаты осмотров мостовых сооружений, в которых отдельные элементы сооружения усилены композиционными материалами 7.1 Технологии усиления. Мировая и отечественная практика применения КМ при ремонтных работах показала, что разработанные технологии внешнего армирования композитными материалами позволяют найти решения следующих инженерных задач: усиление элементов конструкций мостов (балок, плит, стоек), получивших повреждения в результате воздействия автотранспортных средств; ограничение деформаций (прогибов и ширины раскрытия трещины в балках); изменение статической схемы пролётных строений; дополнительное противосейсмическое усиление. В России в транспортных сооружениях нашли применение следующие технологии: а) усиление ламелями балок (стенок, плит, диафрагм …) с целью увеличения рабочего сечения существующей арматуры или уменьшения раскрытия трещин; б) то-же с предварительным натяжением ламелей; в) усиление комбинированным способом – с использованием ламелей и холстов; г) усиление холстами защитного бетонного слоя предупреждения трещинообразования из-за малой его толщины; в целях д) использование холстов для усиления круглых стоек опор. Примером усиления коробок пролётного строения ламелями может служить мост через р. Оку на автомагистрали М-4 «Дон» (у г. Каширы). Снижение величины раскрытия стыков составных по длине пролётных строений опробовано на мосту через канал им. Москвы на а/д А-104 (Москва – Дмитров – Дубна). В качестве примера усиления с натяжением ламелей можно назвать пролётное строение моста через р. Химка на Волоколамском шоссе на пересечении с каналом им. Москвы (исполнитель – ЗАО «Триада-Холдинг»). Углепластиковые полосы натягивались с усилием 8 тс. Возможность натяжения лент (усилие до 10 тс) рассматривалась этой фирмой и при анализе вариантов усиления пролётных строений путепровода в г. Москве по ул. Шарикоподшипниковой [2]. 47 Достаточно широко стали применять для усиления конструкций и их элементов холсты из композитных материалов. Впервые в России в 2003г. было выполнено усиление железобетонной плиты перекрытия тоннеля с помощью напряжённых углепластиковых холстов (тоннель по ул. Велозаводской в г. Москве). На выбор технологии, как сказано в работе [2], повлияло размещение и состояние железобетонных плит перекрытия коллекторного тоннеля, а также важный параметр, необходимый для приклеивания углеволоконных холстов, — прочность бетона на отрыв, которая составила 2,5 МПа. Экспериментально была определена эффективность обработки поверхности по показателю когезионной прочности бетона различными способами. Более предпочтительными оказались способы обеспылевания и обработка стальными щётками. Усиление углепластиком производилось путем его приклеивания в растянутую зону конструкции, что обеспечило увеличение несущей способности плиты перекрытия на 20—25 %. Данный опыт фирмы «Триада-Холдинг» повлиял на выбор решения по усилению защитного слоя бетона монолитных пролётных строений моста через р. Протву на автомагистрали М-3 «Украина». При ремонте моста через р. Протву (возраст моста на момент ремонта, то есть в 2003 г., составил 66 лет) использовались для усиления ткани с базальтовой нитью. Основанием для выбора такого решения явилась недостаточная толщина защитного слоя бетона (≤20 мм) и его недостаточная прочность – не более 10 МПа на растяжение. Последовательность работ при усилении была принята следующей: очистка поверхности с последующей грунтовкой; выравнивание необходимости); поверхности полимерными составами (при нанесение клеевого состава; раскатывание рулона и прижатие его валиком (см. рис. 14); нанесение защитного покрытия. Площадь наклеиваемых холстов составила на мосту через р. Протву 450 м . Аналогичными холстами усиливались концевые участки балок, где не выдерживались требования по главным напряжениям, моста через р. Киржач на автомагистрали М-7 «Волга-1» (рис. 15). На этом же мосту было выполнено усиление балок углепластиковыми лентами (ламелями), в том числе с предварительным их натяжением на усилие 12 т. Технология натяжения отличается от традиционной (с использованием специальных домкратов) тем, что (рис. 16): 2 - во-первых – натяжение осуществлялось с помощью высокопрочных болтов, 48 - во-вторых – натяжение осуществлялось с расположением болтов у торца балки (первый вариант) и в середине пролёта, где одновременно осуществлялась стыковка ламелей (второй вариант). Анализ технологий усиления ламелями конструкций на мосту через р. Киржач, а также на других сооружениях, показал, что при длинах КМ до 20м (пролёты до 20 м) целесообразно использовать напрягаемые ламели с расположением натяжного оборудования у торца или у торцов балки. При этом вытяжка не должна превышать 1 %. Наряду с применением специальных домкратов могут быть использованы и натяжные устройства с болтами, располагаемыми на стальных пластинках, охватывающих торец усиливаемый балки. Подобная технология защищена патентами на изобретение (патент № 2266996) и патентами на полезную модель №№ 39607, 42556 и 45752) – [5] – [7]. Усилие конструкций мостов через реки Киржач и Протву было выполнено в порядке эксперимента по инициативе РОСДОРНИИ. Конструктивная проработка технических решений для конструкций с разными размерами (в частности – разной высотой балки) осуществлялась РОСДОРНИИ без договоров с Заказчиком и была принята проектировщиками без оплаты как экспериментальные работы. Технологии и схемы усиления были согласованы с Заказчиком. Указанное обстоятельство явилось основанием считать выполненную в 2001÷2003гг. работу как часть работы по последующему контракту с Росавтодором. 49 а) б) Рисунок 14 - Наклейка ламелей (а) и холстов (б) из КМ на мосту через р. Протву (2003г.) 50 а) б) Рисунок 15 - Подготовка поверхности и наклейка холстов на мосту через р. Киржач (2002г.) 51 а) б) Рисунок 16 - Расположение натяжных устройств у торца балки (а) и в середине её пролёта (б) – мост ч.р. Киржач 52 7.2 Мостовые сооружения в Российской Федерации с использованием КМ Начиная с 2000г. в России применялись КМ при усилении конструкций более чем на 30 транспортных сооружениях, не менее половины из них применены на объектах ГУП «Гормост». Исполнителям работы известно, что КМ нашли применение и при усилении около 20 мостовых сооружений. В частности, за 7 лет были усилены конструкции с помощью КМ на следующих мостовых сооружениях: - мост у с. Пошехонье (Ярославская область) на а/д Череповец – Рыбинск (углепластиковые ленты), 2001г.; - мост через р. Нерская на а/д Москва – Егорьевск (углепластиковые холсты и ленты), 2001г.; - путепровод у аэропорта Домодедово (углепластиковые холсты), 2002г.; - путепровод в г. Москве (углепластиковые ленты), 2002г.; по ул. Шарикоподшипниковой - мост через р. Химка на Волоколамском шоссе в г. Москве (углепластиковые предварительно напряжённые ленты), 2002г.; - мост через р. Киржач на 94 км а/м М-7 «Волга-1» (углепластиковые ленты с предварительным напряжением и базальтопластиковые холсты), 2002г.; - мост через р. Оку у г. Каширы на а/м М-4 «Дон» (углепластиковые ленты), 2003г.; - мост через р. Протву на а/м М-3 «Украина» (углепластиковые ленты и базальтопластиковые холсты), 2003г.; - железнодорожный мост через канал им. Москвы у г. Химки, Октябрьская ж.д. (углепластиковые ленты), 2004г.; - путепровод через ж.д. на ст. Нерехта Сев. ж.д. (углепластиковые холсты), 2004г.; - КАД г. С.-Петербург, путепровод на ст. Ржевка (углепластиковые ленты), 2004г.; - мост через канал им. Москвы на а/д Москва – Дмитров – Дубна (углепластиковые ленты), 2003г.; - опоры ж.д. моста через р. Мсту на 190 км ж.д. Москва – С.Петербург (углепластиковые ленты), 2005г.; - мост через р. Чернушку на км 11,3 а/д Адышево – Н.Ивково Кировская обл. (углепластиковые холсты), 2005г.; 53 - мост через р. Кехту Архангельская обл. (углепластиковые ленты), 2006г. 7.3 Осмотры усиленных конструкций При подготовке настоящего отчёта было проверено состояние усиленных конструкций 8 мостовых сооружений из приведённого выше списка. Из 8 сооружений три находятся в г. Москве, а остальные на автомагистралях (4 сооружения) и автодороге Москва – Егорьевск. 7.3.1 Путепровод по ул. Шарикоподшипниковской (г. Москва) В 2001г. было произведено усиление 4 железобетонных предварительно-напряжённых балок (в двух пролётах по 2 балки), двух ригелей опор и трёх стоек. Усиление было вызвано необходимостью пропуска по путепроводу тяжёлого транспортного средства общей массой 252 т (с тоннельным проходческим щитом). Балки пролётных строений имеют длину 24 м, пролёт ригеля опор составляет 10 м и высота стоек опор – 6 м. Состояние балок и элементов их усиления (4 ряда сдвоенных углепластиковых лент шириной 80 мм) на момент осмотра после 6 лет эксплуатации удовлетворительное. Отслоения, отдиры, разрывы, непроклей не обнаружены. Внешний вид нормальный. Восемь ламелей прочностью около 800 МПа общей площадью сечения около 9 см2 при модуле упругости 2·105 МПа позволили исключить появление трещин в бетоне при проходе транспортного средства и увеличить несущую способность балки на 20 тм. Этого усилия оказалось достаточным, чтобы сохранить сжатие по всему сечению балки при движении транспортного средства (грузоподъёмность увеличена примерно на 20%). Работоспособным оказалось усиление ламелями ригелей опор по изгибающему моменту и углепластиковыми холстами стоек опор. В то же время усиление ригелей высокопрочными листовыми материалами возможно и повысило несущую способность сечения по поперечной силе на момент пропуска нагрузки, но оказалось не столь долговечным. В момент первого осмотра в 2007г. высокопрочные пластины оказались разорваны в двух пролётах ригелей. Раскрытие трещины составило 1,5 мм. Трещина проходит и по клеевому составу. Скорее всего, причиной разрыва углепластика явилось не воздействие эксплуатационной нагрузки, а коррозия арматуры ригеля. При повторном осмотре (в рамках выполнения данной темы) изменений в состоянии наклеенных тканей не произошло. 7.3.2 Мост через речку Химка (г. Москва) Состояние элементов усиления (углепластиковых лент) хорошее. Дефекты в ламелях и выравнивающем слое отсутствуют. Отдиров на 54 концевых участках лент не обнаружено. Оценку степени включения ламелей в работу достаточно жёстких балках пролётных строений (ℓ = 12 м) не удалось сделать, поскольку не были установлены долговременные маячки. Теоретически установлено, что с учётом предварительного натяжения лент усилием 8 тс, в них могут возникать растягивающие усилия от нагрузки НК-80 около 300 МПа. Это соответствует дополнительному изгибающему моменту ~22 тм, который составляет примерно 25% от доли Мизг. приходящейся на временную нагрузку. Опыт применения технологии усиления напрягаемыми лентами показал целесообразность такого решения при расчётных пролётах в пределах 10÷15 м. 7.3.3 Путепровод у аэропорта «Домодедово» Усиление было произведено по причине недостаточной толщины защитного слоя в балках с обычной арматурой и появления вертикальных трещин в бетоне. Принятое усилие углепластиковыми холстами вполне оправдало себя: никаких дефектов в холстах не обнаружено (осмотр в 2010г.). 7.3.4 Мост через р. Киржач (а/м М-7, 94 км) На мосту опробовали три технологии - наклейка базальтопластиковых холстов на стенки балок длиной 16,76 м; - усиление балок углепластиковыми лентами; - то-же, но с предварительным натяжением и со стыковкой в середине пролёта. В процессе эксплуатации мост осматривался несколько раз сотрудниками РОСДОРНИИ с целью определения эффективности усиления, принятого на этом экспериментальном объекте. Внешний вид балок спустя 5 лет после усиления холстами подтвердил целесообразность использования холстов в зоне максимальных опорных реакций и для повышения трещиностойкости защитного слоя. Усиление балок с использованием технологии натяжения ламелей, предусматривающей расположение натяжного устройства по оси балки, не оправдало себя как с технологической, так и с эстетической точки зрения. Именно поэтому все приспособления для натяжения ламелей на балки были вскоре демонтированы, средние участки лент, где было расположено натяжное устройство, были удалены и компенсированы наклеенными без натяжения отрезками лент (рис. 17). 55 а) б) Рисунок 17 - Вид на усиленные конструкции через 5 лет после их усиления (2007г.) 56 Фактически мы получили балки, усиленные в середине пролёта тремя лентами сечением 120х1,2 мм. При модуле упругости углепластика около 2·105 МПа и при воздействии нагрузки НК-80 (изгибающий момент в середине пролёта усиленной балки 130 тм) на ламели передаются 15 тм, тоесть 11-12%. Этого усилия достаточно, чтобы при воздействии нагрузки 0,5·(НК-80) в балке не появлялось трещин. Именно это обстоятельство подтверждено экспериментальными работами, что видно по состоянию соседней с усиленной балкой, в которой за 5 лет эксплуатации появилась вертикальная трещина в середине пролёта раскрытием 0,25 мм (рис. 17,б). Осмотром сооружения ещё через 4 года (в 2011 г., то есть при подготовке настоящего отчёта) установлено, что состояние усиленных конструкций и усиления не изменилось. В частности, при осмотре пролётных строений установлено, что наклеенные тканевые композиционные материалы сохранились без повреждений. Однако поверхность холстов увлажнена с внутренней стороны балок (рис. 18). Причины появления влаги установить не удалось. На не усиленных балках имеются регулярные трещины по низу рёбер. Требуется дополнительное усиление балок. Рисунок 18 - Состояние системы усиления пролётного строения моста через р. Киржач через 9 лет 57 7.3.5 Мост через р. Нерская на а/д Москва – Егорьевск На этом мосту, как и на путепроводе у г. Домодедово и на мосту через р. Химка, подтверждена эффективность применения углепластиковых лент в пролёте длиной свыше 10 м в свету. Оправдало себя применение углепластиковых холстов в зоне максимальных поперечных сил. Как и на мосту через р. Киржач, дефектов и повреждений в холстах не обнаружено. 7.3.6 Железнодорожный мост через канал им. Москвы Как и на мостах через р. Химка и р. Киржач подтверждена рациональность применения углепластиковых лент без предварительного напряжения в пролётах длиной свыше 10 м. 7.3.7 Мост через р. Оку на а/м М-4 «Дон» Углепластиковые ленты сечением 1,2 см2 применены для разгрузки анкерных участков пучковой арматуры в концевом блоке рамы моста через р. Оку (рамно-шарнирной конструкции). При усилении крайних блоков были поставлены контрольные маячки под конкретный деформометр, имеющийся у разработчиков. Контроль положения маячков спустя 4 года после усиления показал, что ламели включились в совместную работу с существующей напряжённой арматурой рам. 7.3.8 Мост через р. Протву на а/м М-3 «Украина» Выполненные в 2003 году экспериментальные работы включали в себя: - усиление диафрагм углепластиковыми лентами улучшения пространственной работы сооружения (3 ряда лент); с целью - усиление подвесных пролётных строений (крайних балок) углепластиковыми лентами (пролёт 11,0 м) с целью обеспечения пропуска нагрузок А11 и НК-80 вместо первоначальных (1938г. !!!) Н-13 и НГ-60; - усиление балок основных пролётов базальтопластиковыми холстами с целью обеспечения трещиностойкости защитного слоя. Состояние лент усиления подвесных пролётов и состояние самих балок пролётных строений не даёт основания сомневаться в эффективности выполненных работ по усилению, не смотря на существенную жёсткость главных балок пролётных строений. Ни трещин в балках, ни отслоений лент не обнаружено. 58 Усиление бетона защитного слоя главных балок консольных пролётных строений – одна из главных целей экспериментальных работ 2003г. Осмотрами сооружений в 2007г. и в 2011 г. не обнаружено значительных повреждений холстов, хотя имелись локальные шелушения окрасочного поверхностного слоя (рис. 19). К другим повреждениям в конструкциях моста через р. Протву следует отнести: - загрязнение поверхности балок (в том числе и на участках, где были наклеены ткани), из-за постоянного смачивания водой, попадающей из водоотводных трубок и деформационных швов; - шелушение окрасочного слоя, в том числе в местах наклейки тканей; - локальное оголение тканей, незначительное отслоение концов ткани на оголённых участках. На сооружении необходимо провести планово-предупредительные работы, обеспечивающие сохранность конструкций. 59 а) б) в) Рисунок 19 - Участки с наклеенными базальто-пластиковыми холстами (в пролёте) 60 Все упомянутые сооружения расположены во втором строительноклиматическом районе, где среднесуточные отрицательные температуры воздуха не ниже минус 40 0С. Все сооружения за 6÷10 лет эксплуатации сохранили холсты усиления и признаков разрушения холстов и матрицы (эпоксидного слоя) не установлено. Тем не менее, имеются внешние поверхностные повреждения прикромочных участков, что вызвано неудовлетворительным содержанием балок, где наклеены холсты (не проводилось очистки, нанесения окрасочного слоя или поверхностного слоя «матрицы» - эпоксидного клея). Это даёт основание для включения в планируемое на 2012г. ОДМ специального раздела о содержании усиленных конструкций. Уровень загрузки обследованных сооружений с усилением балок холстами примерно одинаков: по сооружениям, рассчитанным на А11 и НК80, проходит напряжённый поток транспорта, проходящим по автомагистралям. При нагрузках, не превышающих уровня загружения от А11 и НК80, опасений в эксплуатационной надёжности усиленных конструкций не возникает. 7.4 Заключение по разделу 7 1 Первый опыт применения композиционных материалов для усиления конструкций мостовых сооружений позволяет выбрать технологии для различных схем усиления различных конструкций. Область рационального использования этих технологий зависит от жёсткости изгибаемых элементов, сечения элементов, работающих на износ, и величины снижения несущей способности. 2 В настоящее время имеется возможность определить цели усиления эксплуатируемых конструкций, основными из которых являются: - компенсация недостающей арматуры в растянутой зоне изгибаемых элементов; - предупреждение появления трещин в защитном бетонном слое от различных воздействий; - повышение несущей способности конструкций, работающих на сжатие (столбы опор, подферменники, элементы арок и сводов). 3 Предварительно можно наметить предпочтительного применения следующих технологий: область более а) усиление углепластиковыми лентами без натяжения - балки пролётных строений с обычной арматурой длиной свыше 10÷12 м; - плиты толщиной до 30 см; - балки пролётных строений с напрягаемой арматурой при длине до 24 м 61 б) то-же, с предварительным напряжением лент - балки пролётных строений с обычной арматурой длиной до 12 м; - другие жёсткие конструкции в) усиление холстами - стойки опор, подферменники, ригеля опор (пример усиления на одном из московских путепроводов приведён на рис.20); - стенки пролётных строений с недостаточной трещиностойкостью; - приопорные участки балок пролётных строений. - балки пролётных строений длиной 15÷30 м. 3 Применение холстовых материалов для усиления мостовых конструкций пока может рассматриваться безопасным в II-IV строительноклиматических районах. Разработка методики расчётов и сопоставление расчётов с натурными экспериментами может уточнить ограничения по области применения. 62 Рисунок 20 – Состояние опор на одном из московских путепроводов и вид конструкций после усиления 63 8 Результаты испытаний железобетонных балок, усиленных тканями из композиционного материала 8.1 Общие положения В октябре 2011 года в рамках темы НИОКР были проведены статические испытания балок, усиленных тканями из композиционного материала, на объекте "Строительство автомобильной дороги М-27 ДжубгаСочи до границы с Грузией на участке Адлер-Веселое" - I этап строительства. Подготовка и проведение испытаний балки выполнены в соответствии с требованиями ГОСТ 8829. Расчеты по прочности, трещиностойкости и жесткости испытываемых балок выполнены в соответствии с требованиями Свода правил СНиП 2.05.03-84* "Мосты и трубы" (актуализированная версия 2011, СП 35.13330.2011). Учитывая результаты анализа свойств различных КМ (раздел 5), для проведения испытаний был выбран тканый материал отечественного производства с углеродными нитями со свойствами, соответствующими данным таблицы 7. Прочность ткани на растяжение была проведена сертификационными испытаниями, удовлетворяющими требованиям Европейского стандарта EN ISO 527 (результаты испытаний приведены в Приложении А). Для экспериментов была выбрана ткань с однонаправленными волокнами, в том числе и с целью проверки «эффекта Майера», ширина ткани 250 мм. Натурные испытания проводились по специально разработанной Программе (Приложение В), утверждённой в Дирекции строящихся объектов (в г. Сочи). Испытания проводились на стендах, изготовленных строителями по чертежам «РОСДОРНИИ». Фотографии, иллюстрирующие процесс испытания, приведены в Приложении Б. В соответствии с «Программой» испытаний были предусмотрены испытания балок: - длиной 12 м; возраст 8 лет, повреждения отсутствуют; испытания после усиления тканями с двух сторон стенки; - длиной 24 м; новая балка, изготовленная мостоотрядом специально для проведения испытаний; испытания проводились в 2 стадии; -- испытание до разрушения с последующим усилением холстами, наклеенными на нижнюю плоскость балок; -- повторное испытание усиленной балки до разрушения; - длиной 33 м; возраст балки 10 лет, испытана в 2 стадии: -- испытание до разрушения с последующим усилением холстами, наклеенными на нижнюю плоскость балок; -- испытание до разрушения усиленной балки; 64 - длиной 33 м; возраст балки 8 лет; испытывалась до разрушения после усиления. . Таким образом, для усиления было подготовлено 4 балки, а с учётом ранее испытанной балки (раздел 6.4 отчёта) – 5 балок. В рамках исследования по данной теме было выполнено 7 испытаний против 1-2, записанных в Техническом задании. 8.2 Основные технические характеристики испытанных балок 8.2.1 Балка №1 длиной 24 м Балка изготовлена ОАО «МОСТОТРЕСТ» в опалубке балок серии 3.503.1-81, выпуск 7-1, под нагрузки класса А14 и Н14 (инв. №54327-М ОАО “Союздорпроект”). Марка балки - Б2400.140.123-К7.АШ-К. Балка с предварительно напряженной арматурой, высотой по проекту 123 см и шириной верхней полки 140 см, с проектным классом бетона В40. Напрягаемая арматура состоит из 6-ти горизонтальных пучков, каждый из которых, в свою очередь, состоит из 4-х стальных канатов К-7 диаметром 15.2 мм по ГОСТ 53772 “Канаты стальные арматурные семипроволочные стабилизированные”. Контролируемое усилие в пучке в зависимости от температуры бетона и температуры воздуха находится в пределах 64,05-67,95 тс. Ненапрягаемая арматура класса АIII по ГОСТ 5781. Объём бетона балки 14.3 м3, масса 35.7 т. Балка изготовлена с недобетонированной плитой на длине 1.3 м от торца балки на опоре №1 и 1.4 м на опоре №2. Измеренные параметры поперечного сечения балки в середине пролета: полная высота балки – 124.5 см; ширина плиты – 139.5 см; средняя толщина плиты – 18.7 см; толщина ребра – 15.3 см; ширина нижнего пояса понизу – 58 см; ширина нижнего пояса поверху – 62 см; высота нижнего пояса – 15 см. Расчётный пролет балки, измеренный по центрам РОЧ, составил 23.4 м. Прочность бетона балки, определенная при помощи молотка Шмидта составила: ребро балки в L/4 от опоры №1 – 495 кг/см2; 65 ребро балки в L/4 от опоры №2 – 492 кг/см2; верх плиты балки у опоры №1 – 537 кг/см2; верх плиты балки у опоры №2 – 515 кг/см2; верх плиты балки в L/2 – 500 кг/см2. Полученные результаты по прочности бетона плиты балки близки к проектному классу бетона В40. Балка вначале была испытана с доведением до разрушения по двум признакам: максимальный прогиб составил 172 мм (1/136·L), что выше 1 разрушающего прогиба по ГОСТ 8829 ( ∙ℓ); 142 максимальное раскрытие косых трещин в ребре балки составило 0,5 мм. После испытания неусиленной балки было произведено её усиление с помощью наклейки на нижнюю поверхность нижнего пояса 3-х слоев ткани - углеродной ленты шириной 250 мм с фиксацией концов ленты хомутами из этого же материала. После набора прочности матричного слоя (эпоксидного клея) усиленная балка была повторно испытана до разрушения. 8.2.2 Балка №2 длиной 12 м Балка изготовлена в опалубке балок серии 3.503.1-73 М (Союздорпроект), выпуск 1, под нагрузки класса А11 и НК-80. Балка с каркасной арматурой, высотой по проекту 93 см и шириной верхней полки 130 см, с проектным классом бетона В27.5. Рабочая арматура балки, согласно типовому проекту состоит из 8-ми горизонтальных стержней периодического профиля класса АIII по ГОСТ 5781 диаметром 25 мм. Измеренные параметры поперечного сечения балки в середине пролета: полная высота балки, включая выравнивающий слой – 100 см; ширина плиты с участками продольных швов – 169 см; средняя толщина плиты – 18 см; средняя толщина выравнивающего слоя – 7 см; толщина ребра понизу – 15 см. Расчётный пролет балки, измеренный по центрам РОЧ, составил 11.4 м. Строительный подъем, измеренный в середине пролета до испытания, составил +8 мм. Прочность бетона балки, определенная при помощи молотка Шмидта составила: плита балки – 480 кг/см2; продольный шов омоноличивания – 350 кг/см2; 66 выравнивающий слой – 280 кг/см2. По полученным результатам прочности бетона в расчет был принят класс бетона В35для плиты балки, В27.5 для продольных швов омоноличивания и В20 для выравнивающего слоя. Повреждений в балке нет. Балка ранее не испытывалась. Перед испытанием балки было произведено её усиление с помощью наклейки на боковые поверхности с каждой стороны ребра по 2 слоя углеродной ткани с фиксацией концов ленты хомутами из этого же материала. 8.2.3 Балка №3 длиной 33 м Балка изготовлена в опалубке балок серии 3.503.1-81, выпуск 7-1, под нагрузки класса А11 и НК-80 (СОЮЗДОРПРОЕКТ). Балка с предварительно напряженной арматурой имеет высоту по проекту 153 см и ширину верхней полки 180 см, с проектным классом бетона В40. Балка была вырезана по швам омоноличивания из пролетного строения моста, построенного в 2004 году, через реку Мзымту в Адлере на км 206+728 автодороги "Джубга-Сочи-граница с Грузией" при его демонтаже на этапе строительства нового моста. Балка была изготовлена в 1991 году. Напрягаемая арматура состоит предположительно из 12-ти горизонтальных пучков, каждый из которых, в свою очередь, состоит из 24-х стальных проволок B-II диаметром 5.0 мм по ГОСТ 7348. Контролируемое усилие в пучке при натяжении составляет 496.9 кН. Измеренные параметры поперечного сечения балки в середине пролета: полная высота балки, включая выравнивающий слой – 158 см; ширина плиты, включая участки швов омоноличивания– 206 см; средняя толщина плиты – 18 см; средняя толщина выравнивающего слоя – 7 см; толщина ребра – 16 см; ширина нижнего пояса понизу – 58 см; ширина нижнего пояса поверху – 62 см; высота нижнего пояса – 20 см. Пролет балки, измеренный по центрам РОЧ, составил 32.24 м. Строительный подъем, измеренный в середине пролета до испытания неусиленной балки +27 мм, перед повторным испытанием усиленной балки +4 мм. Прочность бетона балки, определенная при помощи молотка Шмидта составила: плита балки – 500÷520 кг/см2; 67 выравнивающий слой – 240 кг/см2. По полученным результатам прочности бетона в расчет был принят класс бетона В40 для плиты балки и В20 для выравнивающего слоя. Балка была изначально испытана без усиления. После испытания неусиленной балки до разрушения было произведено её усиление с помощью наклейки на нижнюю поверхность нижнего пояса 4-х слоев углеродной ткани шириной 250 мм с фиксацией концов ленты хомутами из этого же материала и произведено повторное испытание. 8.2.4 Балка №4 длиной 33 м Балка изготовлена применительно к серии 3.503.1-81, выпуск 7-1, инв. №100/2 под нагрузки класса А11 и НК-80 (СОЮЗДОРПРОЕКТ). Балка с предварительно напряженной арматурой, высотой по проекту 153 см и укороченной шириной верхней полки 118 см, с проектным классом бетона В40. Балка была вырезана по швам омоноличивания из пролетного строения моста, построенного в 2004 году через реку Мзымту в Адлере на км 206+728 автодороги "Джубга-Сочи-граница с Грузией", при его демонтаже на этапе строительства нового моста. Балка была изготовлена в 2003 году. Напрягаемая арматура состоит из 12-ти горизонтальных пучков, каждый из которых, в свою очередь, состоит из 24-х стальных проволок B-II диаметром 5.0 мм по ГОСТ 7348. Контролируемое усилие в пучке при натяжении составляет 496.9 кН. Измеренные параметры поперечного сечения балки в середине пролета: полная высота балки, включая выравнивающий слой – 159 см; ширина плиты, включая участки швов омоноличивания– 160 см; средняя толщина плиты – 18 см; средняя толщина выравнивающего слоя – 7 см; толщина ребра – 16 см; ширина нижнего пояса понизу – 58 см; ширина нижнего пояса поверху – 62 см; высота нижнего пояса – 20 см. Пролет балки, измеренный по центрам РОЧ, составил 32.15 м. Строительный подъем, измеренный в середине пролета до испытаний +27 мм. Прочность бетона балки, определенная при помощи молотка Шмидта составила: плита балки – 505÷530 кг/см2; 68 швы омоноличивания балок – 310÷410 кг/см2; выравнивающий слой – 390 кг/см2. По полученным результатам прочности бетона в расчет был принят класс бетона В40 для плиты балки, В27.5 для продольных швов омоноличивания и В30 для выравнивающего слоя. Перед испытанием балки было произведено её усиление с помощью наклейки на нижнюю поверхность нижнего пояса 4-х слоев углеродной ткани с фиксацией концов ткани хомутами из этого же материала, как и в других балках Схемы размещения лент композита приведены в Приложении В. Показатели жёсткости и гибкости балок перед их испытанием приведены в таблице 14. Таблица 14 – Показатели жёсткости железобетонных балок перед их испытаниями № Характеристики п/п Значения характеристик для балок №1 №2 №3 №4 №5 1 Расчётный пролёт, ℓ, м 23,4 11,4 32,24 32,15 20,4 2 Момент инерции, J, м4 0,1182 0,0458 0,2844 0,2700 0,0242 3 Площадь, F, м2 0,6204 0,5950 0,9267 0,8149 0,448 4 Модуль упругости, Е, кг/см2 320000 300000 300000 300000 300000 (32∙105 т/м2) (30∙105 т/м2) (30∙105 т/м2) (30∙105 т/м2) (33∙105 т/м2) 5 Жёсткость, EJ, кг∙см2 3,78∙1012 1,37∙1012 8,53∙1012 8,10∙1012 0,8∙1012 6 Радиус инерции, 0.436 0,276 0,553 0,575 0,232 53,7 41,3 58,3 55,9 87,9 i= 7 J , см F Гибкость, ℓр/i *) Ребро с плитой П-образной балки (см. п.6.4) 69 8.3 Цели и задачи испытания. Критерии оценки результатов Основными задачами проведения стендовых статических испытаний являются: - определение эффективности усиления конструкций жесткости лентами из композиционного материала; различной - определение фактических величин разрушающей нагрузки при проверке прочности сечений, жесткости усиленной балки и её трещиностойкости для сравнения с расчётным значением. Наступление разрушения испытываемой балки по первой группе предельных состояний (исчерпание прочности) фиксируется, в соответствии с п. 8.1 ГОСТ 8829, по следующим признакам: - непрерывное нарастание прогибов; - развитие и раскрытие трещин в бетоне при практически неизменной достигнутой максимальной нагрузке либо резкое снижение нагрузки после достижения ее максимального значения, при котором происходят разрыв арматуры или элементов усиления; - появление наклонных трещин раскрытием > 0,35 мм. По второй группе предельных состояний за разрушение принимаются случаи, когда: - нормальные трещины достигают раскрытия 0,6 мм, - достигается прогиб 1 ∙ℓ. 142 8.4 Измерительные приборы и измеряемые параметры В процессе измерения: проведения испытаний проводились следующие Прогибы в середине пролёта фиксировались по этапам, при загружении балки контрольными нагрузками. Измерения производились прогибомером ПМУ -0.1 с ценой деления 0.1 мм, а также велся контроль путем нивелировки по линейке с ценой деления 1 мм, закрепленной вертикально на ребре балки в середине пролета; Осадки опор контролировались путем нивелировки по линейкам с ценой деления 1 мм, закрепленным вертикально на ребре балки по оси опирания над опорами; Деформации бетона с середине пролета фиксировались по верхней фибре выравнивающего слоя, при испытании ранее эксплуатировавшихся балок №2÷№4 или по верхней фибре плиты новой балки №1, по боковой поверхности торцов консолей плиты в уровне верхней арматуры плиты при испытании ранее эксплуатировавшихся балок №2÷№4, а так же по нижним фибрам плиты балок. Измерения производились механическими измерителями деформаций с индикаторами часового типа ИЧ-10 с точностью 70 измерений до 0.01 мм и диапазоном измерений 0.0-10.0 мм, на базе от 340 до 400 мм. Индикаторы дублировались по двум сторонам от ребра. Для измерения ширины раскрытия трещин использовались металлические щупы. На каждом этапе нагружения осуществлялся визуальный осмотр поверхности балок на предмет наличия трещин и ширины их раскрытия с фиксацией их на ребре балки при помощи цветных мелков. 8.5 Испытательные стенды и подготовительные работы Как уже упоминалось выше, стенды были изготовлены по чертежам «РОСДОРНИИ», разработанным ещё на стадии подготовки к выполнению данной темы НИОКР. Испытание балок производилось на двух полигонах, с использованием заранее подготовленных стендов. Испытание балки №1 длиной 24 м производилось на стенде, расположенном на территории строительной площадки Мостоотряда №22. Испытание балок №2÷№4 длиной 12 м и 33 м производилось на стенде, расположенном на территории строительной площадки Мостоотряда №80. Перед испытанием каждой балки замерялись их геометрические размеры и определялись фактическая прочность бетона (см. п.8.1). Для испытаний балки №1 длиной 24 м применялись два гидродомкрата ДГ200П150-250Г с рабочим ходом поршня до 150 мм. Домкраты были подключены к насосной станции НЭР-1.7И20Т1 с контрольным манометром и комплектом шлангов. На все оборудование приложены соответствующие паспорта. Для испытаний балок №2÷№4 длиной 12 м и 33 м применялся гидродомкрат ДШГ04030*Пс с рабочим ходом поршня до 150 мм. Домкрат был подключен к насосной станции В процессе испытания при выходе поршней около 80-100 мм производилась перестановка домкратов путем установки пакетов из стальных листов между траверсой и распределительной балкой. Затем с домкратов снималось давление и их поршни возвращались в исходное состояние. После чего между домкратами и траверсой укладывали пакеты из стальных листов и продолжили испытание. 8.6 Порядок проведения испытаний В рамках данной работы в 2011г. было выполнено 6 испытаний: испытание балки №1 до разрушения без усиления; испытание балки №1 после усиления; испытание балки №3 без усиления; испытание балки №3 после усиления; испытание балки №4 после усиления; 71 испытание балки №2 после усиления. Испытание балок производилось посредством их поэтапного загружения в соответствии программой испытаний. После приложения каждой доли нагрузки балку выдерживали под нагрузкой не менее 10 минут (30 минут при контроле жёсткости). Во время выдержки производился осмотр балки с фиксацией трещин и снятие показаний с приборов. Показания манометра и соответствующие им усилия на каждом этапе загружения при испытании балки №1 длиной 24 м представлены в таблице 15, при испытании балки №2 длиной 12 м – в таблице 16 и при испытаниях балок №3 и №4 длиной 33 м – в таблице 17. Жирным шрифтом выделены контрольные усилия. Таблица 15 – Этапы нагружения балки №1 Давление, (кг/см2) Усилие от двух домкратов, (т) Изгибающий момент в середине пролета, (т·м) Изгибающий момент в середине пролета, (кН·м) 0.0 0.00 0.000 0.00 0 1 25 25.5 7.8 43.5 427 2 50 51 15.7 87.1 854 3 65 66.3 20.4 113.2 1110 4 80 81.6 25.1 139.4 1366 5 95 96.9 29.8 165.5 1622 6 115 117.3 36.1 200.3 1964 7 130 132.6 40.8 226.5 2220 8 160 163.2 50.2 278.7 2733 9 200 204 62.8 348.4 3416 10 220 224.4 69.1 383.2 3757 11 260 265.2 81.6 452.9 4440 12 290 295.8 91.0 505.2 4953 13 310 316.2 97.3 540.0 5294 14 0.0 0.00 0.000 0.00 0 № этапа загружения Показание манометра, (бар) 0 Примечания 1 Этап 6 соответствует контрольной нагрузке по образованию трещин. 2 Этап 7 соответствует загружению балки нормативными постоянной (без учета собственного веса балки) и временной нагрузками, а так же контрольной нагрузке по проверке жесткости балки. 3 Этап 9 соответствует загружению балки расчетными постоянной (без учета собственного веса балки) и временной нагрузками и контрольной 72 Окончание таблицы 15 нагрузке по ширине раскрытия трещин. 4 Этап 12 соответствует контрольной нагрузке по проверке прочности балки без усиления для 1-го случая разрушения. 5 Этап 13 соответствует контрольной нагрузке по проверке прочности балки после усиления для 1-го случая разрушения. Таблица 16 – Этапы нагружения балки №2 Усилие от домкрата, (т) Изгибающий момент в середине пролета, (т·м) Изгибающий момент в середине пролета, (кН·м) 0 0.0 0 0 1 25 7.1 18 177 2 50 14.2 36 353 3 75 21.3 54 530 4 100 28.4 72 706 5 125 35.4 90 883 6 150 42.5 108 1059 7 175 49.6 126 1236 8 200 56.7 144 1412 9 230 65.2 166 1624 10 250 70.9 180 1765 11 0 0.0 0 0 № этапа загружения Показание мономентра, (кг/см2) 0 Примечания 1 Этап 3 соответствует загружению балки нормативными нагрузками от веса постоянной (без учета собственного веса балки, швов омоноличивания и выравнивающего слоя) и временной нагрузками и контрольным нагрузкам по проверке жесткости балки и образованию трещин. 2 Этап 5 соответствует загружению балки расчетными нагрузками от веса постоянной (без учета собственного веса балки, швов омоноличивания и выравнивающего слоя) и временной нагрузками. 3 Этап 9 соответствует контрольной нагрузке по проверке прочности усиленной балки для 1-го случая разрушения. Таблица 17 – Этапы нагружения балок №3 и №4 73 № этапа загружения Показание мономентра, (кг/см2) Усилие от домкрата, (т) Изгибающий момент в середине пролета, (т·м) Изгибающий момент в середине пролета, (кН·м) 0 0 0.0 0 0 1 50 14.2 110 1079 2 100 28.4 220 2157 3 125 35.4 275 2696 4 150 42.5 330 3236 5 175 49.6 385 3775 6 200 56.7 440 4314 7 250 70.9 550 5393 8 300 85.1 660 6471 9 325 92.1 715 7010 10 340 96.4 748 7334 11 370 104.9 814 7981 12 0 0.0 0 0 Примечания 1 Этап 4 соответствует загружению балки нормативными нагрузками от веса постоянной (без учета собственного веса балки, швов омоноличивания и выравнивающего слоя) и временной нагрузками и контрольным нагрузкам по проверке жесткости балки. 2 Этап 6 соответствует загружению балки расчетными нагрузками от веса постоянной (без учета собственного веса балки, швов омоноличивания и выравнивающего слоя) и временной нагрузками и контрольной нагрузке по ширине раскрытия трещин неусиленной балки. 3 Этап 7 соответствует контрольной нагрузке по ширине раскрытия трещин усиленной балки. 4 Этап 10 соответствует контрольной нагрузке по проверке прочности балки без усиления для 1-го случая разрушения. 5 Этап 11 соответствует контрольной нагрузке по проверке прочности усиленных балок для 1-го случая разрушения. 74 8.7 Оценка прочности балок по результатам статических испытаний в соответствии требованиями ГОСТ 8829-94 Величина полной контрольной испытательной нагрузки для оценки прочности балки равна величине нагрузки, соответствующей несущей способности балки при расчетах по 1-ой группе предельных состояний, умноженной на коэффициент безопасности С (см. ГОСТ 8829, Приложение Б, п. Б.1), который принимается в зависимости от 1-го или 2-го случая разрушения под нагрузкой. Для 1-го случая разрушения (при достижении в рабочей арматуре условного предела текучести) при арматуре из проволоки В-II и канатов К-7 установлен коэффициент безопасности С=1.40. Для лент из композиционного материала коэффициент безопасности принят таким же. Для 2-го случая разрушений (при раздроблении бетона сжатой зоны ранее достижения в арматуре условного предела текучести стали) для бетона тяжелого установлен коэффициент безопасности С=1.60. Согласно п. 9.1.4 ГОСТ 8829 изделие признают удовлетворяющим предъявляемым требованиям по прочности, если разрушающая нагрузка составляет не менее 100% контрольной. 8.7.1 Усиленная балка №1 длиной 24 м По данным расчетов по первому предельному состоянию, выполненных в соответствии со СНиП 2.05.03-84* (СП 35.13330.2011), для балки №1 с шириной плиты 1.395 м и полной высотой 1.245 м, с учетом измеренных до испытания ее прочностных и геометрических характеристик, расчетный предельный изгибающий момент неусиленной балки составляет [М№1]НЕУС= 4260 кН*м, после усиления [М№1]УС.= 4418 кН*м. Величина нормативного изгибающего момента в середине пролета от собственного веса балки составляет Мсв1= 981 кН*м. Величина полного контрольного усилия по проверке на прочность для 1-го случая разрушения усиленной балки: Мк1№1= [М№1]УС х С = 4418 х 1.4 = 6185кН*м. Величина контрольной разрушающей нагрузки для 1-го случая разрушения усиленной балки: Pк1№1= (Мк1№1 - Мсв1) /5.55 = (6185-981)/5.55 = 937.7 кН (95.6 тс), где 5.55 – плечо приложения силы, умноженное на 0.5, т.к. опорная реакция равна половине испытательной нагрузки. При испытательной нагрузке Р=100.4 тс, которая превышает контрольное усилие по проверке на прочность, признаков, свидетельствующих о исчерпании балкой несущей способности 75 (разрушении), отмечено не было. В соответствии с этим усиленную балку №1 длиной 24 м следует признать выдержавшей испытание по прочности. 8.7.2 Усиленная балка №2 длиной 12 м По данным расчетов по первому предельному состоянию, выполненных в соответствии со СНиП 2.05.03-84* (СП 35.13330.2011), для балки №2 с шириной плиты 1.6 м и высотой 0.93 м, с учетом измеренных до испытания ее прочностных и геометрических характеристик, расчетный предельный изгибающий момент неусиленной балки составляет [М№2]НЕУС= 1105 кН*м, после усиления [М№2]УС.= 1331 кН*м. Величина нормативного изгибающего момента в середине пролета от собственного веса балки, включая швы омоноличивания и выравнивающий слой, составляет Мсв2= 238 кН*м. Величина полного контрольного усилия по проверке на прочность для 1-го случая разрушения усиленной балки: Мк1№2= [М№2]УС х С = 1331 х 1.4 = 1863 кН*м. Величина контрольной разрушающей нагрузки для 1-го случая разрушения усиленной балки: Pк1№2= (Мк1№2 - Мсв2) /2.54 = (1863-238)/2.54 = 639.8 кН (65.3 тс), где 2.54 – плечо приложения силы, умноженное на 0.5, т.к. опорная реакция равна половине испытательной нагрузки. Разрыв ленты композиционного материала произошел при нагрузке Р=70.9 тс, которая превышает контрольную разрушающую нагрузку на 8.5%. В соответствии с этим усиленную балку №2 длиной 12 м следует признать выдержавшей испытание по прочности. 8.7.3 Балка №3 длиной 33 м 8.7.3.1 - без усиления По данным расчетов, выполненных в соответствии со СНиП 2.05.0384* (СП 35.13330.2011), для балки с шириной плиты 2.06 м и полной высотой 1.51 м, с учетом измеренных до испытания ее прочностных и геометрических характеристик, расчетный предельный изгибающий момент неусиленной балки составляет [М№3]НЕУС=7270 кН*м. Величина нормативного изгибающего момента в середине пролета от собственного веса балки с шириной плиты 1.8 м составляет Мсв3= 2390 кН*м. Величина нормативного изгибающего момента в середине пролета от веса швов омоноличивания шириной 0.26 м Мом3= 152 кН*м. 76 Величина нормативного изгибающего момента в середине пролета от веса выравнивающего слоя 0.07 м Мвс3= 412 кН*м. Величина полного контрольного усилия по проверке на прочность неусиленной балки для 1-го случая разрушения: Мк1№3НЕУС= [М№3]НЕУС х С = 7270 х 1.4 = 10178кН*м. Величина контрольной разрушающей нагрузки для 1-го случая разрушения неусиленной балки: Pк1№3НЕУС= (Мк1№3НЕУС- Мсв3- М 412)/7.76 = 930.9 кН (95.0 тс), ом3- Мвс3) /7.76 = (10178-2390-152- где 7.76 – плечо приложения силы, умноженное на 0.5, т.к. опорная реакция равна половине испытательной нагрузки. При испытании неусиленной балки максимальная испытательная нагрузка достигла Р=85.1 тс и составила 90% от контрольной разрушающей нагрузки. При этом признаков (см. п. 4.1), свидетельствующих о исчерпании балкой несущей способности (разрушении), отмечено не было. 8.7.3.2 - с усилением углеродными лентами По данным расчетов, выполненных в соответствии со СНиП 2.05.0384* (СП 35.13330.2011), для балки с шириной плиты 2.06 м и полной высотой 1.51 м, с учетом измеренных до испытания ее прочностных и геометрических характеристик, расчетный предельный изгибающий момент балки после усиления составляет [М№3]УС.=7645 кН*м. Величина полного контрольного усилия по проверке на прочность для 1-го случая разрушения балки после усиления: Мк1№3УС= [М№3]УС х С = 7645 х 1.4 = 10703кН*м. Величина контрольной разрушающей нагрузки для 1-го случая разрушения балки после усиления: Pк1№3УС= (Мк1№3УС - Мсв3- М 412)/7.76 = 998.6 кН (101.9 тс). ом3- Мвс3) /7.76 = (10703-2390-152- При испытании усиленной балки №3 достичь величины контрольной разрушающей нагрузки не удалось, в связи с утечками в системе шлангов и невозможностью насосной станции поднять давление выше 300 кг/см 2. Максимально достигнутая испытательная нагрузка составила Р=85.1 тс и составила 84% от контрольной разрушающей нагрузки. При этом признаков (см. п. 4.1), свидетельствующих об исчерпании балкой несущей способности (разрушении), отмечено не было. В связи с тем, что ранее эта балка была доведена практически до разрушения с образованием большого количества нормальных и косых трещин раскрытием до 0.6 мм, считаем усиление балки №3 длиной 33 м по крайней мере восстановило её несущую способность. 77 8.7.4 Балка №4 длиной 33 м По данным расчетов, выполненных в соответствии со СНиП 2.05.0384* (СП 35.13330.2011), для балки с шириной плиты 1.6 м и полной высотой 1.52 м, с учетом измеренных до испытания ее прочностных и геометрических характеристик, расчетный предельный изгибающий момент неусиленной балки составляет [М№4]НЕУС=7290 кН*м, после усиления [М№4]УС=7667 кН*м. Величина нормативного изгибающего момента в середине пролета от собственного веса балки с шириной плиты 1.18 м составляет Мсв4= 2021 кН*м. Величина нормативного изгибающего момента в середине пролета от веса швов омоноличивания шириной 0.42 м Мом4= 244 кН*м. Величина нормативного изгибающего момента в середине пролета от веса выравнивающего слоя 0.07 м Мвс4= 333 кН*м. Величина полного контрольного усилия по проверке на прочность для 1-го случая разрушения балки после усиления: Мк1№4УС= [М№4]УС х С = 7667 х 1.4 = 10734 кН*м. Величина контрольной разрушающей нагрузки для 1-го случая разрушения балки после усиления: Pк1№4УС= (Мк1№4УС - Мсв4- М 333)/7.74 = 1051.2 кН (107.2 тс). ом4- Мвс4) /7.74 = (10734-2021-244- где 7.74 – плечо приложения силы, умноженное на 0.5, т.к. опорная реакция равна половине испытательной нагрузки. При испытании усиленной балки №4 достичь величины контрольной разрушающей нагрузки не удалось, в связи с утечками в системе шлангов и невозможностью насосной станции поднять давление выше 340 кг/см 2. Максимально достигнутая испытательная нагрузка составила Р=96.4 тс и составила 90% от контрольной разрушающей нагрузки для усиленной балки и 100% для неусиленной. При этом признаков, свидетельствующих об исчерпании балкой несущей способности (разрушении), отмечено не было. В связи с этим оценить фактическую прочность усиленной балки не удалось. 78 8.8 Оценка жесткости балок по результатам статических испытаний в соответствии требованиями ГОСТ 8829-94 Величина контрольной испытательной нагрузки для оценки жесткости балок определена как наиболее невыгодные сочетания нормативных нагрузок с коэффициентом безопасности С=1 (см. ГОСТ 882994, Приложение Б, п. Б.8). 8.8.1 Балка №1 длиной 24 м В соответствии с расчетным листом из проекта балки инв.№ 54327М наибольший нормативный изгибающий момент от постоянных и временных нагрузок равен ΣM-2= 3214 кН*м. Откуда следует, что величина контрольной испытательной нагрузки для оценки жесткости балки составляет: Pк = (ΣM-2- Мсв1) /5.55 = (3214-981)/5.55 = 402.3 кН (41.0 тс), где 5.55 – плечо приложения силы, умноженное на 0.5, т.к опорная реакция равна половине испытательной нагрузки. Зависимости измеренных и теоретических прогибов от испытательной нагрузки неусиленной балки №1 представлены на рисунке 21. Зависимости измеренных прогибов неусиленной и усиленной балки №1 и теоретических прогибов усиленной балки от испытательной нагрузки представлены на рисунке 22. По расчетам, выполненным в соответствии со СНиП 2.05.03-84*, теоретический прогиб неусиленной и усиленной балки №1 от контрольной нагрузки составляет 22 мм. Измеренный прогиб от контрольной нагрузки неусиленной балки составил так же 22 мм. 79 Рисунок 21 – Измеренные и теоретические прогибы в середине пролета неусиленной балки №1 от испытательной нагрузки Максимальный зафиксированный при испытании прогиб неусиленной балки составил 172 мм 1 L. 136 Максимальный зафиксированный при испытании прогиб усиленной балки составил 186 мм 1 L. 125 80 Рисунок 22 – Измеренные прогибы в середине пролета неусиленной и усиленной балки №1 и теоретический прогиб усиленной балки от испытательной нагрузки По графику видно, что измеренный прогиб от контрольной нагрузки усиленной балки составил 28 мм. Это связано с тем, что балка была ранее испытана и на момент повторного испытания после усиления её жесткость была снижена из-за наличия трещин, образовавшихся при первом испытании. Так же, судя по графикам теоретических прогибов усиленной и неусиленной балки, усиление углеродными лентами практически не влияет на величину прогиба в упругой зоне и сказывается только на последующих стадиях неупругой работы, а так же на увеличении зоны упругого прогиба с 22 мм до 27 мм с соответствующим увеличением нагрузки с 41 тс до 49 тс. 81 8.8.2 Балка №2 длиной 12 м В соответствии с расчетным листом из проекта балки 3.503.1-73 наибольший нормативный изгибающий момент от постоянных и временных нагрузок равен ΣM-2= 789 кН*м. Откуда следует, что величина контрольной испытательной нагрузки для оценки жесткости балки составляет: Pк = (ΣM-2- Мсв2) /5.55 = (789-238)/2.54 = 216.9 кН (22.1 тс), где 2.54 – плечо приложения силы, умноженное на 0.5, т.к. опорная реакция равна половине испытательной нагрузки. Зависимости измеренных и теоретических прогибов от испытательной нагрузки усиленной балки №2 представлены на рисунке 23. По расчетам, выполненным в соответствии со СНиП 2.05.03-84*, теоретический прогиб усиленной балки №1 от контрольной нагрузки составляет 12 мм. Измеренный прогиб от контрольной нагрузки усиленной балки составил 8 мм. Рисунок 23 – Измеренный прогиб в середине пролета усиленной балки №2 и теоретические прогибы не усиленной и усиленной балки от испытательной нагрузки 82 Максимальный зафиксированный при испытании прогиб усиленной балки составил 112 мм 1 L. 102 По графикам видно, что теоретическая жесткость усиленной балки незначительно выше жесткости неусиленной балки, а так же, что фактическая жесткость балки оказалась выше теоретической (при контрольной нагрузке на 50%). 8.8.3 Балка №3 длиной 33 м В соответствии с расчетным листом из проекта балки серии 3.503.1-81 инв.№ 100/1 наибольший нормативный изгибающий момент от постоянных и временных нагрузок равен ΣM-2= 5892 кН*м. Откуда следует, что величина контрольной испытательной нагрузки для оценки жесткости балки составляет: Pк = (ΣM-2- Мсв3) /7.75 = (5892-2954)/7.75 = 379.1 кН (38.7 тс), где 7.75 – плечо приложения силы, умноженное на 0.5, т.к опорная реакция равна половине испытательной нагрузки. Зависимости измеренных и теоретических прогибов от испытательной нагрузки неусиленной балки №3 представлены на рисунке 24. Зависимости измеренных и теоретических прогибов от испытательной нагрузки усиленной балки №3 представлены на рисунке 25. Зависимости измеренных прогибов неусиленной и усиленной балки №3 от испытательной нагрузки представлены на рисунке 26. По расчетам, выполненным в соответствии со СНиП 2.05.03-84*, теоретический прогиб неусиленной и усиленной балки №1 от контрольной нагрузки составляет 29 мм. Измеренный прогиб от контрольной нагрузки неусиленной балки составил 42 мм. Измеренный прогиб от контрольной нагрузки усиленной балки составил 54 мм. Это связано с тем, что балка была ранее испытана и на момент повторного испытания после усиления, её жесткость была снижена из-за наличия трещин, образовавшихся при первом испытании. Так же, судя по графикам теоретических прогибов усиленной и неусиленной балки, усиление углеродными лентами практически не влияет на величину прогиба в упругой зоне и сказывается только на последующих стадиях неупругой работы. 83 Рисунок 24 – Измеренный и теоретический прогиб в середине пролета неусиленной балки №3 от испытательной нагрузки Максимальный зафиксированный при испытании прогиб неусиленной балки составил 186 мм 1 L. 173 84 Рисунок 25 – Измеренный и теоретический прогиб в середине пролета усиленной балки №3 от испытательной нагрузки Максимальный зафиксированный при испытании прогиб усиленной балки составил 184 мм 1 L. 175 85 Рисунок 26 – Измеренные прогибы в середине пролета неусиленной и усиленной балки №3 от испытательной нагрузки. На графиках рис. 9.3.3 видно, что жесткость ранее испытанной и затем усиленной балки ниже из-за наличия трещин, образовавшихся при первом испытании. Однако, усиление углеродными лентами положительно сказывается на жесткости балки на стадиях работы близким к предельным. 8.8.4 Балка №4 длиной 33 м В соответствии с расчетным листом из проекта балки серии 3.503.181 инв.№ 100/1 наибольший нормативный изгибающий момент от постоянных и временных нагрузок равен ΣM-2= 5892 кН*м. Поэтому, величина контрольной испытательной нагрузки для оценки жесткости балки составляет: Pк = (ΣM-2- Мсв4) /7.74 = (5892-2598)/7.74 = 425.6 кН (43.4 тс), 86 где 7.74 – плечо приложения силы, умноженное на 0.5, т.к опорная реакция равна половине испытательной нагрузки. Зависимости измеренных и теоретических прогибов от испытательной нагрузки усиленной и неусиленной балки №4 представлены на рисунке 27. По расчетам, выполненным в соответствии со СНиП 2.05.03-84*, теоретический прогиб усиленной балки №4 от контрольной нагрузки составляет 33 мм. Измеренный прогиб от контрольной нагрузки усиленной балки составил так же 33 мм. Рисунок 27 – Измеренный прогиб в середине пролета усиленной балки №4 и теоретические прогибы не усиленной и усиленной балки от испытательной нагрузки Максимальный зафиксированный при испытании прогиб усиленной балки составил 156 мм 1 L. 206 87 Судя по графикам теоретических прогибов усиленной и неусиленной балки, усиление углеродными лентами практически не влияет на жесткости балки в упругой зоне и сказывается только на последующих стадиях в зоне неупругой работы. 8.9 Оценка трещиностойкости балок по результатам статических испытаний в соответствии требованиями ГОСТ 8829-94 Величина контрольной испытательной нагрузки по величине раскрытия трещин равна нагрузке, при которой, согласно расчету, ширина раскрытия трещин соответствует предельному значению умноженному на коэффициент безопасности С = 0.7 и деленному на коэффициент толщины защитного слоя q (см. ГОСТ 8829-94, Приложение Б, п. Б.12). 8.9.1 Балка №1 длиной 24 м Минимальный защитный слой бетона до продольной рабочей арматуры составляет порядка 78 мм. По таблице Б.3 пункта Б.12 приложения Б из ГОСТ 8829, коэффициент толщины защитного слоя q = 0.75. Контрольная ширина раскрытия трещин в этом случае составляет: аcrк=0.015*0.7/0.75=0.014 см. По данным расчетов по ширине раскрытия трещин, выполненных в соответствии со СНиП 2.05.03-84* для оценки испытанной балки по ширине раскрытия трещин получены следующие значения контрольного усилия для неусиленной и усиленной балки Мcr.НЕУС= 3884 кН*м Мcr.УС= 4440 кН*м соответственно. При вычислении коэффициента раскрытия трещин для усиленной балки ленты из углеродного волокна условно заменялись эквивалентом стальной арматуры. Величина контрольной испытательной нагрузки усиленной балки по ширине раскрытия трещин составляет: для оценки Pк = (МcrУС.- Мсв1) /5.55 = (4440-981)/5.55 = 623.2 кН (63.6 тс), где 5.55 – плечо приложения силы умноженное на 0.5, т.к опорная реакция равна половине испытательной нагрузки. Первая трещина с раскрытием 0.15 мм в уровне рабочей арматуры появилась в середине пролета балки на этапе 9 при нагрузке на домкрате 62.8 тс. Несмотря на то, что балка была доведена практически до разрушения при первом испытании и перед началом повторного испытания балки после её усиления на поверхности ребра в зоне рабочей арматуры оставались остаточные трещины раскрытием до 0.1 мм, наклейка лент из углеродного волокна в итоге повысила трещиностойкость балки. В связи с этим усиленную балку №1 следует признать выдержавшей испытание по трещиностойкости. 88 Схемы расположения и ширины раскрытия трещин, зафиксированные при испытаниях балки №1, представлены в приложении Б. Зависимости измеренных и теоретических деформаций бетона плиты неусиленной и усиленной балки №1 от испытательной нагрузки представлены на рисунках 28 ÷ 33. Рисунок 28 – Измеренные и теоретические относительные деформации в середине пролета неусиленной балки №1 по верхней фибре плиты 89 Рисунок 29 – Измеренные и теоретические относительные деформации в середине пролета неусиленной балки №1 по нижней фибре плиты Рисунок 30 – Измеренные и теоретические относительные деформации в середине пролета усиленной балки №1 по верхней фибре плиты 90 Рисунок 31 – Измеренные и теоретические относительные деформации в середине пролета усиленной балки №1 по нижней фибре плиты Рисунок 32 – Измеренные относительные деформации в середине пролета неусиленной и усиленной балки №1 по верхней фибре плиты 91 Рисунок 33 – Измеренные относительные деформации в середине пролета неусиленной и усиленной балки №1 по нижней фибре плиты. Эпюры напряжений в сечении в середине пролета неусиленной и усиленной балки №1, представлены в приложении Б. 8.9.2 Балка №2 длиной 12 м Минимальный защитный слой бетона до продольной рабочей арматуры составляет по проекту 29 мм. По таблице Б.3 пункта Б.12 приложения Б из ГОСТ 8829-94, коэффициент толщины защитного слоя q = 0.95. Контрольная ширина раскрытия трещин в этом случае составляет: аcrк=0.03*0.7/0.95=0.022 см. По данным расчетов по ширине раскрытия трещин, выполненных в соответствии со СНиП 2.05.03-84* для оценки испытанной балки по ширине раскрытия трещин получены следующие значения контрольного усилия для неусиленной и усиленной балки Мcr.НЕУС= 1261 кН*м Мcr.УС= 1403 кН*м соответственно. При вычислении коэффициента раскрытия трещин для 92 усиленной балки ленты из углеродного волокна условно заменялись эквивалентом стальной арматуры. Величина контрольной испытательной нагрузки усиленной балки по ширине раскрытия трещин составляет: для оценки Pк = (МcrУС.- Мсв2) /2.54 = (1403-238)/2.54 = 458.7 кН (46.8 тс), где 2.54 – плечо приложения силы умноженное на 0.5, т.к. опорная реакция равна половине испытательной нагрузки. Первая трещина с раскрытием 0.25 мм появилась в середине пролета балки на этапе 6 при нагрузке на домкрате 42.5 тс. Однако, стоит учесть, что нижняя боковая часть ребра, где расположена рабочая арматура была заклеена лентами из углеродного волокна на высоту 0.3 м от низа ребра и трещины образовывались выше на открытой части ребра, сходя "на нет" к ленте усиления. Раскрытие трещин на нижней поверхности ребра на этапе 8 при нагрузке на домкрате 85.1 тс составляло 0.5 мм, при этом на открытой боковой поверхности ребра раскрытие достигало 0.8 мм. После разрыва и отслоения ленты усиления был произведен осмотр нижней части боковой поверхности ребра на предмет наличия трещин. Поверхность бетона под лентой, даже при неснятой нагрузке на балку, оставалась без видимых трещин, но имела рыхлую структуру. Это свидетельствует о том, что лента из углеродного волокна распределила растягивающие напряжения в бетоне равномерно по длине и тем самым повысила трещиностойкость балки. В связи с этим усиленную балку №2 следует признать выдержавшей испытание по трещиностойкости. Схемы расположения и ширины раскрытия трещин, зафиксированные при испытаниях балки №1, представлены в приложении Б Зависимости измеренных и теоретических деформаций бетона плиты усиленной балки №2 от испытательной нагрузки представлены на рисунках 34 ÷ 36. 93 Рисунок 34 – Измеренные и теоретические относительные деформации в середине пролета усиленной балки №2 по верху выравнивающего слоя Рисунок 35 – Измеренные и теоретические относительные деформации в середине пролета усиленной балки №2 в уровне верхней арматуры плиты 94 Рисунок 36 – Измеренные и теоретические относительные деформации в середине пролета усиленной балки №2 по низу плиты Как видно из графиков, теоретические и измеренные относительные деформации очень близки, это свидетельствует о верных предпосылках расчетов. Эпюры напряжений в сечении в середине пролета усиленной балки №2, представлены в приложении Б. 8.9.3 Балка №3 длиной 33 м Минимальный проектный защитный слой бетона до продольной рабочей арматуры составляет порядка 80 мм. По таблице Б.3 пункта Б.12 приложения Б из ГОСТ 8829-94, коэффициент толщины защитного слоя q = 0.75. Контрольная ширина раскрытия трещин в этом случае составляет: аcrк=0.015*0.7/0.75=0.014 см. По данным расчетов по ширине раскрытия трещин, выполненных в соответствии со СНиП 2.05.03-84* для оценки испытанной балки по ширине раскрытия трещин получены следующие значения контрольного усилия для 95 неусиленной и усиленной балки Мcr.НЕУС= 7322 кН*м Мcr.УС= 8100 кН*м соответственно. При вычислении коэффициента раскрытия трещин для усиленной балки ленты из углеродного волокна условно заменялись эквивалентом стальной арматуры. Величина контрольной испытательной нагрузки для оценки усиленной балки по ширине раскрытия трещин составляет: PкНЕУС = (МcrНЕУС.- Мсв3) /7.76 = (7322-2954)/7.76 = 562.9 кН (57.4 тс). Величина контрольной испытательной нагрузки для оценки усиленной балки по ширине раскрытия трещин составляет: PкУС = (МcrУС.- Мсв3) /7.76 = (8100-2954)/7.76 = 663.1 кН (67.6 тс), где 7.76 – плечо приложения силы, умноженное на 0.5, т.к. опорная реакция равна половине испытательной нагрузки. Первая трещина с раскрытием 0.15 мм в уровне рабочей арматуры появилась в середине пролета неусиленной балки на этапе 4 при нагрузке на домкрате 42.5 тс, что говорит о её недостаточной трещиностойкости. Первая трещина с раскрытием 0.15 мм в уровне рабочей арматуры усиленной балки появилась в середине пролета на этапе 6 при нагрузке на домкрате 56.7 тс, что говорит об увеличении трещиностойкости усиленной балки по сравнению с неусиленной. Несмотря на то, что перед началом повторного испытания балки после её усиления на поверхности ребра в зоне рабочей арматуры оставались остаточные трещины раскрытием до 0.05 мм, наклейка лент из углеродного волокна в итоге повысила трещиностойкость балки. Схемы расположения и ширины раскрытия трещин, зафиксированные при испытаниях балки №3, представлены в приложении Б. Зависимости измеренных и теоретических деформаций бетона плиты неусиленной и усиленной балки №3 от испытательной нагрузки представлены на рисунках 37 ÷ 45. 96 Рисунок 37 – Измеренные и теоретические относительные деформации в середине пролета неусиленной балки №3 по верху выравнивающего слоя Рисунок 38 – Измеренные и теоретические относительные деформации в середине пролета неусиленной балки №3 в уровне верхней арматуры плиты 97 Рисунок 39 – Измеренные и теоретические относительные деформации в середине пролета неусиленной балки №3 по низу плиты Рисунок 40 – Измеренные и теоретические относительные деформации в середине пролета усиленной балки №3 по верху выравнивающего слоя 98 Рисунок 41 – Измеренные и теоретические относительные деформации в середине пролета усиленной балки №3 в уровне верхней арматуры плиты Рисунок 42 – Измеренные относительные деформации в середине пролета усиленной балки №3 по низу плиты 99 Рисунок 43 – Измеренные относительные деформации в середине пролета неусиленной и усиленной балки №3 по верху выравнивающего слоя Рисунок 44 – Измеренные относительные деформации неусиленной и усиленной балки №3 в уровне верхней арматуры плиты 100 Рисунок 45 – Измеренные относительные деформации неусиленной и усиленной балки №3 по низу плиты Эпюры напряжений в сечении в середине пролета неусиленной и усиленной балки №3, представлены в приложении Б. 8.9.4 Балка №4 длиной 33 м Минимальный защитный слой бетона до продольной рабочей арматуры составляет по проекту 80 мм. По таблице Б.3 пункта Б.12 приложения Б из ГОСТ 8829, коэффициент толщины защитного слоя q = 0.75. Контрольная ширина раскрытия трещин в этом случае составляет: аcrк=0.015*0.7/0.75=0.014 см. По данным расчетов по ширине раскрытия трещин, выполненных в соответствии со СНиП 2.05.03-84* для оценки испытанной балки по ширине раскрытия трещин получены следующие значения контрольного усилия для неусиленной и усиленной балки Мcr.НЕУС= 7390 кН*м Мcr.УС= 8200 кН*м соответственно. При вычислении коэффициента раскрытия трещин для усиленной балки ленты из углеродного волокна условно заменялись эквивалентом стальной арматуры. 101 Величина контрольной испытательной нагрузки усиленной балки по ширине раскрытия трещин составляет: для оценки Pк = (МcrУС.- Мсв4) /7.74 = (8200-2598)/7.74 = 723.8 кН (73.8 тс), где 7.74 – плечо приложения силы умноженное на 0.5, т.к опорная реакция равна половине испытательной нагрузки. Первая трещина с раскрытием 0.15 мм появилась в середине пролета балки на этапе 7 при нагрузке на домкрате 70.9 тс. Величины теоретической и фактической нагрузок при которых образовалась трещина с предельным раскрытием очень близки (разница 4%). Это свидетельствует о правильности выбора предпосылок расчета. Наклейка лент из углеродного волокна повышает трещиностойкость балки. В связи с этим усиленную балку №4 следует признать выдержавшей испытание по трещиностойкости. Схемы расположения и ширины раскрытия трещин, зафиксированные при испытаниях балки №4, представлены в приложении Б. Зависимости измеренных и теоретических деформаций бетона плиты усиленной балки №2 от испытательной нагрузки представлены на рисунках 46 ÷ 48. Рисунок 46 – Измеренные и теоретические относительные деформации в середине пролета усиленной балки №4 по верху выравнивающего слоя 102 Рисунок 47 – Измеренные и теоретические относительные деформации в середине пролета усиленной балки №4 в уровне верхней арматуры плиты Рисунок 48 – Измеренные и теоретические относительные деформации в середине пролета усиленной балки №2 по низу плиты 103 Как видно из графиков, теоретические и измеренные относительные деформации очень близки, что свидетельствует о верных предпосылках расчетов. Эпюры напряжений в сечении в середине пролета усиленной балки №4, представлены в приложении Б. 8.10 Выводы по итогам статических испытаний балок усиленных лентами из углеродного волокна Испытания выполнены в соответствии с требованиями ГОСТ 8829 "Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний нагружением. Правила оценки прочности, жесткости и трещиностойкости". Выполненное усиление балок повысило несущую способность по расчетному изгибающему моменту в середине пролета для балки №1 длиной 24 м примерно на 4%, для балки №2 длиной 12 м – на 20%, для балок №3 и №4 длиной 33 м – на 5%. Усиление лентами из углеродного волокна практически не влияет на жесткость в упругой зоне и сказывается только на последующих стадиях неупругой работы после образования нормальных трещин. Выполненное усиление балок повысило несущую способность по трещиностойкости для балки №1 длиной 24 м примерно на 15%, для балок №2, №3 и №4 длиной 33 м примерно на 10%. В соответствии с полученными данными усиление лентами из углеродного волокна следует признать наиболее эффективным для усиления балок с каркасной арматурой по прочности и повышения трещиностойкости балок как с каркасной так и с преднапряженной арматурой. 104 9 Заключение 1 Особенностью данной работы является экспериментальная её направленность. Эксперименты, выполненные в рамках 1 го этапа темы НИОКР, дают полное представление о работоспособности усиленных конструкций пролётных строений. На основе результатов данной работы представляется возможным разработать на следующем этапе методику расчёта усиляемых конструкций и уточнить область рационального применения тканей. 2 Применённая ткань по своим характеристикам не уступает лучшим зарубежным образцам, включая углепластиковые жёсткие ленты (ламели). Это обстоятельство позволило при предварительном определении возможной области применения ткани, ориентироваться и на опыт применения углепластиковых ламинатов. Установлен диапазон свойств (характеристик), при которых могут применяться ткани любых производителей и которые обеспечивают приведённую в отчёте степень усиления конструкций. 3 Осмотр усиленных ранее конструкции не выявил существенных недостатков в состоянии гибких композиционных материалов в эксплуатируемых мостовых сооружениях. 4 Результаты испытаний железобетонных балок, усиленных КМ, позволили установить следующее: - усиление балок может повысить несущую способность по расчётному изгибающему моменту в середине пролёта для балок длиной 24 м примерно на 5÷10 %, для балок длиной 12 м – на 20 %, для балок длиной 33 м – на 10÷15 % (в зависимости от степени усиления) по сравнению с проектными значениями Мпр; - усиление тканями из углеродного волокна практически не влияет на жёсткость в упругой зоне и сказывается только на последующих стадиях неупругой работы после образования нормальных трещин; - усиление балок может повысить несущую способность по трещиностойкости для балок длиной до 20 м примерно на 15÷20 %, для балок длиной до 33 м примерно на 10÷15 %. 5 Учитывая низкий коэффициент температурного удлинения для КМ представляется целесообразным провести опытные работы по усилению пролётных строений мостов со схожими конструкциями в южном и северном регионе России и организовать наблюдения за их эксплуатацией в течение двух-трёх лет. 6 Существующий опыт эксплуатации сооружений с усиленными конструкциями пролётных строений и опор (особенно стоек) позволяет 105 сделать вывод о целесообразности использования гибких лент и тканей при усилении различных конструкций. Методика расчёта степени усиления в зависимости от состояния конструкции будет разработана на следующем этапе работы. 10 Список использованных источников [1] «Рекомендации по применению композиционных материалов при ремонте железобетонных конструкций мостовых сооружений». Мосавтодор, -М., 2007. [2] Шилин А.А. и др. Усиление железобетонных конструкций композиционными материалами. М.; ОАО " Издательство «Стройиздат» ", 2004, - 144 с. [3] Шилин А.А. Стратегия ремонта железобетонных конструкций подземных сооружений с учётом их состояния и требуемого уровня надёжности // Научное обоснование подземного строительства: Избранные труды учёных МГГУ. –М.: Изд-во Академии горных наук, 2001, -С.301-344. [4] Межремонтные сроки проведения капитального ремонта и ремонта автомобильных дорог общего пользования Федерального значения и искусственных сооружений на них. Утв. Приказом Минтранса России №157 от 01.11.2007 г. «Информавтодор», М.; 2008. [5] Патент 2266996. Способ усиления железобетонного пролётного строения. [6] Патент на полезную модель 42556 [7] Патент на полезную модель 45752 [8] Сравнительные испытания образцов – балок на изгибающую нагрузку с целью определения возможности применения углепластика для усиления мостовых железобетонных конструкций. НИЦ «Мосты», ОАО ЦНИИС; М., 2001. [9] Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материалами. ООО «Интераква» и НИИ ЖБ. – М., Стройиздат, 2006. [10] ТУ 5772-001-74110879-2004. Технические условия. Конструкции внешнего армирования железобетонных мостов. ООО «АльмексСтрой». г.Москва, 2004 [11] Новые технологии при ремонте мостовых сооружений. Обзорная информация «Автомобильные дороги и мосты», - М.; «Информавтодор», 2009, №6. [12] Sand P. Faser Reinforcement Polimer. Clever Reinforcement Company. 2008 106 Приложение А Свойства и акт испытания углеродной ленты (для проведения экспериментальных работ по усилению железобетонных балок) 107 (лента из углеродного волокна) а так же на 108 ТУ 1916-005-61664530-2011 109 110 111 112 113 Приложение Б Иллюстрационные материалы по испытанию балок I. Фотографии испытаний балок 114 Рисунок Б.1 - Общий вид испытательного стенда с установленной балкой №7 (длиной 24 м) Рисунок Б.2 - Участок балки №1 в ℓ/2 с установленными приборами и нанесёнными трещинами 114 Рисунок Б.3 – Проверка работы насосной установки. Рисунок Б.4 - Участок ребра балки №1 с максимальным раскрытием образовавшихся при испытании трещин 115 Рисунок Б.5 - Установка на стенд усиленной балки №2 длиной 12 м Рисунок Б.6 – Вид на балку в процессе испытания. 116 Рисунок Б.7 – Вид на плиту в середине пролёта балки №2 (видна вертикальная трещина в ℓ/2 и горизонтальная трещина по границе плиты и выравнивающего слоя) Рисунок Б.8 - Разрыв ленты из углеродного волокна и трещины в стенке в середине пролёта балки №2 117 Рисунок Б.9 - Общий вид неусиленной балки № 3 длиной 33 м установленной на испытательный стенд Рисунок Б.10 – Участок ребра неусиленной балки №3 с максимальным раскрытием образовавшихся при испытании трещин 118 Рисунок Б.11 - Тот же участок ребра усиленной балки №3 Рисунок Б.12 - Участок ребра усиленной балки №3 с максимальным раскрытием образовавшихся при испытании трещин 119 II Расположение трещин и эпюры напряжений в испытываемых балках П р и м е ч а н и я к рис. Б13÷Б27 1 Все размеры даны в мм. 2 Траверса, домкраты и распределительная балка не показаны. 3 Трещины раскрытием до 0,05 мм не показаны. 4 На схемах с трещинами масштаб по вертикали в 2 раза больше, чем по горизонтали II,а Расположение трещин и эпюры напряжений для балки №1 120 Испытание №1 без усиления балки Испытание №2 с усилением балки Рисунок Б.13 - Схема расположения приборов при проведении статических испытаний балки №1 длиной 24 м 121 Рисунок Б.14 – Схема расположения трещин в ребре балки №1 длиной 24 м без усиления (вид с двух сторон балки) 122 Рисунок Б.15 – Схема расположений трещин в ребре балки №1 длиной 24 м с усилением углеродной лентой 123 Эпюры напряжений при Р=43,6 тс Рисунок Б.16 – Эпюры нормальных напряжений в балке №1 длиной 24 м без усиления 124 Рисунок Б.17 – Эпюры нормальных напряжений в балке №1 длиной 24 м с усилением углеродной лентой 125 II,б Расположение трещин и эпюры напряжений для балки №2 126 Рисунок Б.18 – Схема расположения приборов при проведении статических испытаний балки №2 длиной 12 м 127 Рисунок Б.19 – Схема расположения трещин в ребре балки №2 длиной 12 м с усилением 128 Рисунок Б.20 – Эпюры нормальных напряжений в балке №2 длиной 12 м с усилением углеродной лентой 129 II,в Расположение трещин и эпюры напряжений для балки №3 130 Рисунок Б.21 – Схема расположения приборов при проведении статических испытаний балки №3 длиной 33 м 131 Рисунок Б.23 – Схема расположения трещин в ребре балки №3 длиной 33 м с усилением углеродной лентой 132 Рисунок Б.24 – Эпюры нормальных напряжений в балке №3 длиной 33 м без усиления 133 Рисунок Б.25 – Эпюры нормальных напряжений в балке №3 длиной 33 м с усилением углеродной лентой 134 II,г Расположение трещин и эпюры напряжений для балки №4 135 Рисунок Б.26 – Схема расположения приборов при проведении статических испытаний балки №3 длиной 33 м 136 Рисунок Б.27 – Схема расположения трещин в ребре балки 33 длиной 33 м с усилением углеродной лентой 137 Приложение В Программа испытания балок 138 Программа выполнения работ по испытанию железобетонных балок 1. Испытываемые конструкции Предусмотрено испытание четырех балок: - новая ж/б балка длиной 24 м (т.п. 3.501-81), - две балки длиной 33 м, снятые с эксплуатируемых сооружений (т.п. 3.501-81), - балка длиной 12 м, снятая с эксплуатируемого сооружения (т.п. 710/5). Испытания проводятся на двух стендах: - стенд Мостотреста («Мостоотряд №22») для испытания новой и затем усиленной балки длиной 24 м; - стенд ДСД (предприятие «Ингеоком») для испытания балок длиной 33 м и 12 м. Перечень работ по подготовке и испытанию балок представлен в таблице 1. Усиление балок предусмотрено лентами из композиционных материалов (их ширина составляет 25 см). Исполнитель – ФГУП «РОСДОРНИИ» 139 Испытываемые конструкции Таблица 1. Этапы Выполняемая работа №1 №2 №3 №4 l=24 м l=12 м l=33 м l=33 м т.п. т.п. 1.Предварит ельный 2.Перв ое испыт ание новой балки. Первы й заезд 3.Второ й выезд на испытат ельный полигон Выбор балок для + испытания, их осмотр с фиксацией дефектов Испытание балки нагружение м до разрушения 3.1.Ис пытан ие до предел + а несущ ей способ ности 3.2.Наклейка холстов 4.Завершаю Испытан щий*) ие до разрушен ия после наклейки *) Между этапами 3 и 4 выдержка 7 дней 140 т.п. т.п. + + + - - - - - + + + 2. Усиление ж/б балок лентами из композиционных материалов (ширина ленты 25 см). 2.1. Балка №1(1=24 м), ранее испытанная до разрушения. 1 - первый слой ленты, l1=10 м; 2 - второй слой ленты, 12=16 м; 3 - третий слой ленты, 13=22 м; Хомуты: 4 -14=1,5 м; 5-15=1,3 м; 6 -16=1,2 м Суммарная длина холстов -56 м. Примечание: в зависимости от состояния балки, положение хомутов №4 и №6 может быть изменено (переставлено местами). 2.2. Балка №4 (1=33 м). Наклеивается по такой же схеме, но с иной длиной элементов: l1=15 м; 12—22 м; 13—32 м; 14=2 м; 15=1,6 м; 1б=1,4 м Суммарная длина холстов - 79 м Ступени нагружения балок усилием Р - с шагом 5 т на домкрате 2.3. Балка №2 (1=12 м) с каркасной арматурой. 1 - первый слой ленты с двух сторон, l1=2x6 м=12 м; 2 - второй слой ленты с двух сторон, 12=2х11 м=22 м; Хомуты: 3 – 13=1,0 м; 4-14=1,4м. Суммарная длина холстов - 38,8 м (~39 м) 2.4. Балка №3 (1=33 м). Наклеивать ленты на предварительно испытанную балку с учетом результатов испытания балки №2. Не исключена возможность пересмотра схемы наклейки, например, с использованием четырех лент снизу. Тогда схема наклейки будет иметь вид: 141 1 - первый слой ленты, l1=12 м; 2 - второй слой ленты, 12=18 м; 3 - третий слой ленты, 13=24 м; 4 - четвертый слой ленты, 14=30 м; ∑ℓ≈94 Хомуты: 5 -15=1,5 м; 6-16=1,7м; 7-17=1,8м Суммарная длина холстов - 94 м. Всего потребуется 268 м ленты или, с учетом резерва, 300 п.м. 142 3. Последовательность работ по усилению и испытанию ж/б балок №№ п/п 1 Дата выполнения работы 10 октября 2 3 11-12 октября 12÷15 октября 4 17÷19 октября 5 20 октября 6 7 8 9 10 21 октября 22 октября 24 октября 25 октября 26 октября – 11 ноября 11 14 ноября Вид работы Установка двух балок (№1) и (№4) на испытательные стенды (балка №1 – на стенд Мостоотряда №22). Выезд испытательной бригады. Испытание балки №4 Выезд бригады по наклейке лент на балку №1 (Мостоотряд) и балки 2-4 (ДСД) Оформление результатов испытания балки №4 Повторный выезд бригады по испытанию балок после усиления Повторное испытание балки №4 Испытание балки №1 Испытание балки №3 Испытание балки №2 Оформление результатов испытания балок №№1-4 Подготовка справки для ДСД и «Росавтодора» о выполненных испытаниях Руководитель работ Шестериков В.И 143 Приложение к Программе испытания 4. Пример назначения этапов нагружения балки при испытании (применительно к балке длинной 33 м) №№ этапов 0 а) б) в) 1 2 3 Характеристика этапов Замеры фактических значений строительного подъёма Обмеры конструкций для уточнения собственного веса Снятие нулевых отсчётов по приборам: - тензометры на плите в ℓ/2 (4 шт), - прогибомеры в опорных сечениях и ℓ/2 (3 шт), - наклон торца по отвесу Нагружение P1 = 7 т до компенсации постоянной нормативной нагрузки от собственного веса балки (вес бетона продольного шва омоноличивания) Нагружение P2 = 7+25=32 т, компенсирующее воздействие на балку нормативной постоянной нагрузки, включая слои дорожной одежды Усилие на домкрате P3 = 47 т. Соответствует достижению нормативного изгибающего момента = 590 т.м по второй группе предельного состояния. Выдержка нагрузки в течение 15 мин. 4 Усилие на домкрате P4 = 70 т. Соответствует достижению расчётного изгибающего момента = 766 т.м по первой группе предельного состояния. Выдержка нагрузки в течение 15 мин. 5 Усилие на домкрате P5 = 120 т. Соответствует достижению нормативной поперечной силы(опорной реакции) = 88 т по второй группе предельного состояния. Выдержка нагрузки в течение 15 мин. 6 Усилие на домкрате P6 = 156 т. Соответствует достижению расчётной поперечной силы(опорной реакции) = 105,4 т по первой группе предельного состояния. Выдержка нагрузки в течение 15 мин. 7 Нагружение балки до разрушения, регистрируемого при: а) раскрытии наклонной трещины ≥0,42 мм; б) достижении прогиба 226 мм от временной нагрузки (то-есть по сравнению 144 №№ этапов Характеристика этапов с очертанием при нагружении №2); в) раздроблении бетона сжатой зоны или разрыве арматуры. Выдержка нагрузки на стадиях 7а или 7б – по 5 минут. 145
