Обоснование методики расчета железобетонных главных балок мостов с преднапряжением композитными материалами в качестве материала усиления

Актуальность работы обусловлена наличием на сети автомобильных дорог России большого парка мостовых сооружений с железобетонными пролетными строениями, рассчитанными на устаревшие нормативные нагрузки. Эти конструкции подвержены физическому износу, накоплению дефектов и моральному старению, что снижает их несущую способность и требует эффективных методов усиления.

Цель работы – обоснование методики расчета несущей способности железобетонных главных балок мостов, усиленных предварительно напряженными полимерными композиционными материалами (ПКМ), для восстановления и повышения их эксплуатационных характеристик.

Материалы и методы исследования включают анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) усиленного элемента в три стадии: от действия постоянных нагрузок, от преднапряжения ПКМ и в предельном состоянии. Анализ основан на методе предельных состояний с использованием нелинейных деформационных моделей бетона и арматуры.

Расчетный подход верифицирован комплексными лабораторными испытаниями.

Результаты. Рассмотрены три стадии напряженно-деформированного состояния изгибаемого железобетонного элемента. Первая стадия соответствует действию усилий на главные балки от полных расчетных постоянных нагрузок, вторая стадия – действие усилий от предварительного напряжения полимерных композиционных материалов; третья стадия соответствует предельному состоянию с учетом напряженно-деформированного состояния конструкций первой и второй стадий. Показаны эпюры напряжений в разных стадиях напряженно-деформированного состояния сечения с учетом усиления балочного элемента.

1. Бокарев С.А., Власов Г.М., Неровных А.А., Смердов Д.Н. Коэффициенты надежности для композиционных материалов, применяемых для усиления железобетонных элементов мостовых конструкций // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2012. № 2 (35). С. 222–229.

2. Бокарев С.А., Смердов Д.Н., Неровных А.А. Методика расчета по прочности сечений эксплуатируемых железобетонных пролетных строений, усиленных композитными материалами // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2010. № 10 (622). С. 63–74.

3. Бокарев С.А., Устинов В.П., Яшнов А.Н., Смердов Д.Н. Усиление пролетных строений с использованием композитных материалов // Путь и путевое хозяйство. 2008. № 6. С. 30–31.

4. Бокарев С.А., Ящук М.О. Усиление железобетонных пролетных строений мостов преднапряженными полимерными композиционными материалами // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2016. № 1 (61). С. 98–107. EDN: VTFJPP

5. Клементьев А.О., Смердов Д.Н., Смердов М.Н. Экспериментальные исследования прочности и деформативности изгибаемых железобетонных элементов, армированных в сжатой и растянутой зоне неметаллической композиционной арматурой // Транспорт Урала. 2014. № 4 (43). С. 50–55.

6. Неволин Д.Г., Клементьев А.О., Смердов Д.Н., Смердов М.Н. Методика расчета изгибаемых бетонных элементов, армированных полимерными композиционными материалами // Транспорт Урала. 2015. № 3 (46). С. 98–101.

7. Неволин Д.Г., Смердов М.Н., Смердов Д.Н. Экспериментальные исследования несущей способности железобетонных конструкций горнотехнических зданий и сооружений // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2015. № 8. С. 138–142.

8. Плевков В.С., Балдин И.В., Невский А.В. К определению расчетных напряжений в стальной и углекомпозитной арматуре нормальных сечений железобетонных элементов // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2017. № 1 (60). С. 96–113.

9. Смердов Д.Н., Соловьев Л.Ю., Ящук М.О., Хамидуллина Н.В. Контроль усиления элементов мостов // Путь и путевое хозяйство. 2022. № 8. С. 22–23. EDN: YFEGHP

10. Смердов Д.Н., Клементьев А.О. Расчет по прочности сечений, нормальных к продольной оси изгибаемых железобетонных элементов с комбинированным армированием металлической и полимерной композиционной арматурой, с использованием нелинейной деформационной модели материалов // Науковедение : интернет-журнал. 2017. Т. 9. № 1. С. 34.

11. Смердов Д.Н., Ящук М.О. Экспериментальные исследования несущей способности изгибаемых железобетонных элементов, усиленных преднапряженными полимерными композиционными материалами // Научный журнал строительства и архитектуры. 2019. № 3 (55). С. 72–83. EDN: EBFIJY

12. Ящук М.О., Кобелев К.В. Особенности работы устройств для усиления конструкций железобетонных мостов с применением полимерных композиционных материалов // Транспорт: наука, образование, производство (Транспорт-2016) : труды Международной научно-практической конференции. Ростов-на-Дону : РГУПС, 2017. Т. 4. С. 142–145. EDN: XWFVIZ

13. Ящук М.О. Программа лабораторных исследований железобетонных балок, усиленных преднапряженными полимерными композиционными материалами // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2017. № 3. С. 158–170. EDN: ZITQSD

14. Martynyuk I., Popov O., Yashchuk M., Opatskikh A. Comparative analysis of methods for calculating the load capacity of a metal bridge span // International scientific siberian transport forum TRANSSIBERIA. 2021. V. 2. P. 529–537. DOI: 10.1007/978-3-030-96383-5_59. EDN: IBWAHF

15. Klementev A.O., Smerdov D.N. Indicators of Reliability of Artificial Structures with Elements Made of Polymer Composite Materials at all Stages of their Life Cycle on the Basis of Risk Assessment // Transportation Research Procedia. 2017. V. 20. P. 624–629.

16. Smerdov D.N., Yashchuk M.O. Reinforced Concrete Elements Strengthened by Pre-stressed Fibre-reinforced Polymer (FRP) // Transportation Research Procedia. 2021. V. 54. P. 157–165.