ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРКОМПОЗТНОЙ АРМАТУРЫ ДЛЯ ПОПЕРЕЧНОГО АРМИРОВАНИЯ МОНОЛИТНО-РЕБРИСТОГО ПРОЛЕТНОГО СТРОЕНИЯ МОСТОВОГО СООРУЖЕНИЯ

​АННОТАЦИЯ

В настоящее время в строительстве достаточно остро стоит вопрос о продлении срока службы бетонных конструкций пролетных строений мостов. Есть несколько способов бороться с коррозией на этапе эксплуатации и проектирования. Одним из них является применение инновационных материалов, таких, как применение композита.

В данном исследовании проведен численный эксперимент с применением для поперечного армирования только арматуры из композита. Рассмотрены возможные комбинации стальной и композитной арматуры поперечного армирования, требуемые для достижения проектной прочности конструкции.

ABSTRACT

At present, the issue of extending the service life of concrete structures of bridge superstructures is quite acute in construction. There are several ways to deal with corrosion during the operation and design phase. One of them is the use of innovative materials, such as the use of a composite.

In this study, a numerical experiment was carried out using only composite reinforcement for transverse reinforcement. Possible combinations of steel and composite reinforcement of transverse reinforcement required to achieve the design strength of the structure are considered.

Ключевые слова: поперечное армирование, металлическая арматура, полимеркомпозитная арматура, комбинированное армирование.

Keywords: transverse reinforcement, metal reinforcement, polymer composite reinforcement, combined reinforcement.

Композитная арматура (КА) все чаще используется для армирования бетонных конструкций, таких как мосты, автостоянки и морские сооружения, где коррозия обычной стальной арматуры обычно вызывает значительный износ и повреждение конструкции, требующей ремонта.

Для решения проблем с коррозией стальная арматура должна быть защищена от коррозионноактивных элементов или заменена альтернативными коррозионностойкими материалами в новых конструкциях. Одной из таких альтернатив является композиционная полимерная арматура (армирование в виде армированного волокном полимера), которая неоднократно с успехом использовалась при возведении различных сооружений, но хорошо зарекомендовала себя при использовании для армирования бетонных перекрытий и других конструктивных элементов мостовых сооружений. [1]

Тем не менее, композитная арматура – неидельный материал, у которого есть свои недостатки. Наиболее важным среди них является ее низкий модуль упругости – 50 ГПа в сравнении с модулем упругости стали 200 Гпа, – низкая теплостойкость – 120^оС, и отличающийся от бетона коэффициент температурного расширения. Данные показатели ограничивают область применения КА. [2]

Известно, что у КА и металлической арматуры разные модули упругости и коэффициенты температурного расширения. Поэтому для нашего исследования мы будем отталкиваться от требуемого равенства деформаций в обоих видах арматуры.

Основными деформационными характеристиками арматуры являются значения относительных деформаций удлинения арматуры  при достижении напряжениями расчетного сопротивления R_s и модуля упругости арматуры E_s.

Для нашего исследования мы будем условно рассматривать стеклопластиковую арматуру как наиболее применяемую из полимеркомпозитных.

Допустим, что R_sw для стальной арматуры будет:

Тогда деформации в стальной арматуре можно будет определить по следующей формуле:

Определим допустимые деформации для полимерной стержневой арматуры из стеклопластика. Нам известно, что ее модуль упругости =0,55*10⁵ Мпа. Введем также понижающий коэффициент для деформаций, допускаемых в стеклопластиковой стержневой арматуре, и найдем ее расчетное сопротивление:

где  – модуль упругости стеклопластиковой арматуры;

 – относительные деформации в стальной пперечной арматуре;

Для расчетов определим действующую поперечную силу Q на рассматриваемую балку. Для этого рассмотрим существующее армирование монолитно-ребристого пролетного строения.

Рисунок 1. Фрагмент поперечного армирования монолитно-ребристого пролетного строения

1 – стальная поперечная арматура с расчетным шагом; 2 – поперечная арматура из КА с шагом 10 см; 3 внешний стержень сетки из КА; 4 – внутренний стержень сетки из КА. Шаг горизонтальных стержней не должен превышать 20см

Поскольку рабочая арматура внизу стойки балки расположена в два ряда, рабочую высоту балки рассчитаем по следующей формуле:

Определим усилие, воспринимаемое металлическими стержнями:

Согласно расчету по формуле (3), . В качестве эксперимента рассмотрим поперечное армирование полностью из композитной стержневой арматуры. Зная минимальное усилие, воспринимаемое хомутами, мы можем определить требуемую площадь композитного армирования:

Нам известен шаг хомутов  см, суммарная площадь арматуры   см² и  Мпа. С учетом этого, определим требуемую площадь композитного армирования, действуя по формулам 1-7:

С учетом того, что данная площадь дана на два стержня, попадающих в сечение, определим площадь одного: A_sw=3,85/2=1,925 см². Это соответствует внутреннему диаметру стеклопластиковой арматуры, равному 19 мм, что, по таблице равнопрочной замены, соответствует ∅32 стальной стержневой арматуры. Однако даже рассчитанный ∅19 КА слишком велик для использования в качестве поперечного армирования, данный вариант является труднореализуемым.

Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что, хотя прутки из стеклопластика имеют больший предел прочности на разрыв и более устойчивы к коррозии, они имеют более низкую прочность на сжатие, чем стальная арматура, и, соответственно, требуют другого подхода при проектировании.

Одним из известных методов альтернативных методов армирования является совместное использование металлической и композитной арматуры, называемое комбинированным армированием. Суть этого метода заключается в распределении поперечного усилия между металлом и композитом.

Определим усилие, воспринимаемое металлическими и композитными стержнями:

Ранее мы определили, что проектное усилие Q_sw составляет 302,14 кН. С этим числом мы и будем сравнивать суммарное усилие, воспринимаемое металлическими и композитными стержнями.

Поскольку мы будем использовать усиленное поперечное армирование, мы уменьшим на один профиль диаметр металлической арматуры, сохранив шаг, и определим требуемые диаметры композитное арматуры с шагом 10 см и .

Решая полученное уравнение, мы выясним, что в таком случае требуемая площадь композитной арматуры составит 1,99 см2 на два стержня и, соответственно, 0,99 см2 на один стержень, что соответствует ∅12 стержневой композитной арматуры, площадь которого составляет 1,13 см2.

Анализируя полученные данные, можно заключить, что для применения комбинированного армирования в данном случае нам потребуются стержни ∅6 металлической арматуры и ∅12 композитной, что является гораздо более реализуемым вариантом, чем предыдущий, рассмотренный в данном исследовании. Данный метод позволит существенно снизить потребность в металлической арматуре без потери прочности и уменьшить собственный вес конструкции. Однако в данной области необходимы дальнейшие теоретические и практические исследования для определения более конкретных значений нормативных и расчетных параметров, а также определения более оптимальных комбинаций металла и композита.

Так же в экспериментальных целях рассмотрим несколько других вариантов армирования. Сохраняя шаг КА и опираясь на значение , мы постепенно увеличим диаметр и шаг стальной арматуры.

Таким образом, несколько раз решив уравнение (9), мы получим результаты, приведенные в таблице 1.

Таблица 1.

Значение требуемого диаметра КА в зависимости от диаметра и шага стальной арматуры

В ходе решения уравнения (7) при шаге 200мм и 12 стальной арматуры мы обнаружили, что в данном случае композитная арматура не требуется, однако мы все же ее назначим как конструктивную и противоусадочную.

Оптимальным же вариантом по результатам нашего исследования является комбинированное поперечное армирование из стальной арматуры 12 с шагом 30 см и КА 12 с шагом 10 см.

Список литературы:

1. Применение композитной арматуры для армирования плит настила мостов, режим доступа: https://www.alientechnologies.ru/articles/bridge_with_frp/, дата обращения: 09.06.2022
2. Типтев Данила Николаевич, Овчинников Илья Игоревич, Применение полимерной композитной арматуры при строительстве транспортных сооружений // Вестник евразийской науки. 2021. №2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-polimernoy-kompozitnoy-armatury-pri-stroitelstve-transportnyh-sooruzheniy (дата обращения: 09.06.2022).
3. М14 Методические указания «Проектирование железобетонных конструкций инженерных сооружений из обычного ненапряженного железобетона» к практическим занятиям по курсу «Инженерные сооружения в транспортном строительстве» для студентов по направлению подготовки 270800.62 «Строительство», профиль «Автомобильные дороги» Часть 1. Расчеты на прочность железобетонных изгибаемых моментов. / Сост. Г.П. Иванов, О.К. Петропавловских – Казань: Изд-во Казанск. гос. архитек.- строит. ун-та, 2015.- 32 с.
4. Методические указания по расчету предварительно напряженных железобетонных конструкций, режим доступа: https://www.faufcc.ru /upload/methodical_materials/mp07.pdf, дата обращения: 09.06.2022
5. Диаметр композитной арматуры. Равнопрочная замена, режим доступа: https://www.alientechnologies.ru/articles/equiresistant_replacement/, дата обращения 09.06.2022