автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Совершенствование методики оценки грузоподъемности железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, усиленных композиционными материалами

На правах рукописи

НЕРОВНЫХ Алексей Алексеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МОСТОВ, УСИЛЕННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

Специальность 05.23.11 - «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей» (технические науки)

12 ДЕК 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2013

005543712

005543712

Работа выполнена на кафедре «Мосты» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет путей сообщения» (СГУПС).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бокарев Сергей Александрович

Ефимов Павел Петрович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия» профессор кафедры «Мосты и тоннели»;

Картузов Дмитрий Валерьевич

кандидат технических наук, ЗАО «Триада-Холдинг», главный инженер проекта;

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ»),

Защита состоится «26» декабря 2013 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ218.012.01 при ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» по адресу: 630049, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191, ауд. 224 (зал заседаний диссертационных советов); e-mail: 1 vs@stu.ru. kvintmu@;stu.ru, тел./факс (383) 328-04-86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения».

Автореферат разослан «25» ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат диссертации, заверенные печатью организации, в двух экземплярах просим направлять в адрес диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доц.

Соловьев Леонид Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. На сети железных дорог Российской Федерации эксплуатируется более сорока тысяч железобетонных пролетных строений, различающихся конструктивными формами, нормами проектирования, технологией сооружения, а также условиями эксплуатации. В настоящее время существенно повышены требования к безопасности движения железнодорожного транспорта, что обусловлено увеличением скорости его движения и осевых нагрузок.

На сегодняшний день многие пролетные строения, ввиду длительных сроков и суровых условий эксплуатации, имеют дефекты и повреждения, прямо или косвенно влияющие на их грузоподъемность. Особое внимание следует уделить пролетным строениям путепроводов через автомобильные дороги, так как многие такие конструкции имеют повреждения, полученные вследствие удара негабаритного автотранспорта, из-за того, что их подмостовой габарит недостаточен для его безопасного пропуска. Применение композиционных материалов на основе углеродного волока в качестве материала усиления является перспективной технологией, эффективность которой доказана многочисленными экспериментально-теоретическими исследованиями, проведенными как в России, так и за рубежом. Однако в настоящее время нет утвержденной отечественной инженерной методики определения грузоподъемности железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, усиленных композиционными материалами.

Актуальность исследования обусловлена необходимостью восстановления несущей способности железобетонных пролетных строений, имеющих повреждения, а также увеличения грузоподъемности неповрежденных конструкций. Основным вопросом, решаемым в рамках диссертационного исследования, является совершенствование инженерной методики расчета эксплуатируемых железобетонных строений железнодорожных мостов, усиленных композиционными материалами, по прочности и выносливости.

Степень проработанности темы. Научные аспекты диссертационного исследования были сформированы на основе изучения и анализа работ отечественных и зарубежных ученых ведущих научно-исследовательских институтов, высших учебных заведений и производителей систем внешнего армирования.

Проблемами усиления железобетонных пролетных строений мостов занимались П.П. Ефимов, В.В Кондратов, И.Г. Овчинников, Д.Р. Тимофеев и др.

Вопросам применения композиционных материалов в строительстве и усилении железобетонных сооружений посвящены работы Н. Аттари (США), Михуба Ахмада, В. Дерковски (США), Д.В. Картузова, Ата Эль Карим

Шоеаб Солимана, В.П. Устинова, Б.В. Устинова, A.A. Шилина, В. Янсе (Нидерланды) и др.

Проблемами применения систем внешнего армирования на основе углеродного волокна для усиления мостовых конструкций занимались С.А. Бокарев, В.М. Картопольцев, В. Колотти (Италия), А. Нанни (США), Д.Н. Смердов, В.И. Шестериков и др.

Изучением работы усиленных элементов под многократно повторяющимися нагрузками занимались Д.Н. Смердов, Р. Гуссенговен (США), Ж. А.О. Баррос (Португалия), А. Прота (Италия) и др.

Методика расчета железобетонных элементов промышленных и гражданских зданий и сооружений была предложена A.A. Шилиным. Д.Н. Смердовым и В.И. Шестериковым были разработаны методики расчета несущей способности железобетонных пролетных строений автодорожных мостов, усиленных композиционными материалами.

ФГУП «РосДорНИИ», ЗАО «ПреПрег-СКМ», ООО «БАСФ Строительные Системы», ООО «НИИЖБ», ИПЦ «ИнтерАква» и другие организации разработали руководства или СТО по усилению железобетонных конструкций зданий, сооружений и автодорожных мостов композиционными материалами.

Настоящая работа посвящена разработке инженерной методики оценки грузоподъемности железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, усиленных композиционными материалами.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является обеспечение эксплуатационной надежности железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, усиленных композиционными материалами, на основе совершенствования методики расчета таких конструкций.

Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:

— провести экспериментальные исследования свойств композиционных материалов и работы усиленных ими железобетонных конструкций, для нормирования прочностных характеристик холстов и ламелей на основе углеродного волокна, а также выбора наиболее эффективных конструкций усиления главных балок железобетонных пролетных строений;

— усовершенствовать методику определения грузоподъемности эксплуатируемых железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, усиленных композиционными материалами, по прочности и выносливости на основе метода классификации;

- выполнить обследование, усиление и испытание пролетного строения железнодорожного путепровода, а также численное моделирование работы усиленной конструкции и установить соответствие результатов, полученных по предложенной методике, действительной работе конструкции;

- выявить риски, характерные для конструкций, усиленных композиционными материалами, оценить риск разрушения пролетного строения до и после усиления.

Объектом исследования являются разрезные железобетонные балочные пролетные строения под железнодорожную нагрузку с ненапрягаемой арматурой, усиленные композиционными материалами.

Предмет исследования - прочность, деформативность и выносливость изгибаемых железобетонных элементов пролетных строений железнодорожных мостов прямоугольного и таврового сечения, усиленных композиционными материалами.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) уточнена зависимость между схемой усиления композиционным материалом и напряжениями, возникающими в нем в предельном состоянии;

2) установлена зависимость площади поперечного сечения композиционного материала на напряжения в растянутой рабочей арматуре, обоснована необходимость ее учета при расчетах на выносливость;

3) выполнена оценка рисков для эксплуатируемого пролетного строения, усиленного композиционными материалами.

Теоретическая и практическая значимость. Предлагаемая методика позволяет оценивать грузоподъемность усиленных конструкций, а также проектировать усиление композиционными материалами железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов.

На основании результатов проведенных экспериментально-теоретических исследований для ОАО «РЖД» разработано Руководство по усилению железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов системой внешнего армирования на основе углеродного волокна.

Разработанная методика определения грузоподъемности применена при выполнении проекта усиления железнодорожного путепровода через ул. Строителей в г. Новосибирске.

Получен патент на полезную модель «Устройства для усиления железобетонных балок».

Методология и методы исследования. Методологической основой исследования стал системный подход к оценке технического состояния железобетонных пролетных строений, теория вероятностей и математическая статистика к обработке результатов измерений, численное моделирование к оценке точности предлагаемой методики, математические методы моделирования и сравнительного анализа к оценке сходимости результатов эксперимента и расчетных значений. Информационными источниками исследований стали инструкции и нормативные документы (СП 35.13330.2011, СП 79.13330.2012, ЦП-628, Руководство по определению грузоподъемности железобетонных пролетных строений, ГОСТ 25.601-80, ГОСТ 14359-69, ГОСТ 14759-69, ГОСТ 14760-69) по проектированию и содержанию искусственных сооружений на железных дорогах, а также определению характеристик композиционных материалов.

Положения, выносимые на защиту:

1) результаты экспериментальных исследований изгибаемых железобетонных элементов, усиленных композиционными материалами, на прочность, деформативность и выносливость;

2) коэффициент, учитывающий схему усиления при определении предельных значений расчетных напряжений в композиционном материале;

3) коэффициент, учитывающий отличие фактического перераспределения напряжений между растянутой стальной арматурой и композиционным материалом усиления от расчетного;

4) методика определения грузоподъемности по прочности и выносливости железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, усиленных композиционными материалами, по методу классификации;

5) методика оценки рисков для железобетонных пролетных строений, усиленных композиционными материалами.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов обеспечена корректным использованием теоретических и численных методов решения задач прочности, широко применяемых в науке, а также при проектировании и расчетах мостовых конструкций, и подтверждена лабораторными и натурными исследованиями.

Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на:

- VIII научно-технической конференции студентов и аспирантов «Наука и молодежь XXI века» (г. Новосибирск, ноябрь 2011 г.);

- IX научно-технической конференции студентов и аспирантов «Наука и молодежь XXI века» (г. Новосибирск, ноябрь 2012 г.);

- научно-практической конференции РАДОР «Современные технологии ремонта и содержания искусственных сооружений» (г. Уфа, июнь 2012 г.);

- Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию Сибирского государственного университета путей сообщения, «Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе» (г. Новосибирск, ноябрь 2012 г.);

- семинаре «Использование композиционных материалов системы МВгасе немецкого концерна BASF при усилении строительных конструкций» (г. Уфа, апрель 2013 г.);

- Международной научно-технической конференции «Проблемы транспортного строительства и пути их решения» (г. Сочи, апрель 2013 г.);

- семинаре «Применение современных материалов для ремонта и усиления инженерных сооружений» (г. Новосибирск, октябрь 2013 г.);

- объединенном научном семинаре шести кафедр СГУПСа (г. Новосибирск, октябрь 2013 г.);

Личный вклад автора заключается в разработке: программы экспериментальных исследований и обработке их результатов; корректировок формул напряжений в композиционном материале усиления в предельном состоянии и предельного момента для усиленного сечения при расчете на выносливость по арматуре; методики определения грузоподъемности усиленных пролетных строений методом классификации; проекта усиления железобетонного пролетного строения железнодорожного путепровода; методики оценки рисков для усиленных пролетных строений.

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 9 печатных работах общим объемом 4,75 п.л. (в т.ч. авт. 1,60 п.л.), включая 3 публикации объемом 2,51 п.л. (в т.ч. авт. 0,53 п.л.) в ведущих научных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 101 наименование, и трех приложений. Общий объем диссертации составляет 201 страницу печатного текста. Работа содержит 60 рисунков и 37 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации дан обзор конструкций и анализ технического состояния железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, эксплуатируемых на сети железных дорог ОАО «РЖД». Описаны экспериментальные статические и динамические испытания усиленных конструкций, проведенные в России и за рубежом. Кратко приведены положения существующих методик определения несущей способности железобетонных элементов, усиленных композиционными материалами.

Данные обследований мостов, проведенных различными организациями, в том числе НИЛ «Мосты» СГУПСа, показывают, что различные повреждения и дефекты, снижающие грузоподъемность, имеют около 30 % пролетных строений. Наиболее опасным повреждением, резко снижающим грузоподъемность главных балок, является разрушение бетона нижнего пояса балки с разрывом стержней растянутой арматуры, встречающееся, как правило, на путепроводах через автомобильные дороги и вызванное ударом негабаритного транспорта или груза, перевозимого на нем. Данное повреждение зафиксировано на 10 % пролетных строений путепроводов, а около 60 % оставшихся конструкций находятся в «зоне риска», так как их подмостовой габарит составляет менее 5 м, что с большой вероятностью может оказаться недостаточным для пропуска негабаритного автотранспорта. Восстановление или увеличение несущей способности может потребоваться не только поврежденным конструкциям, но и, возможно, некоторым пролетным строениям, запроектированным под старые нагрузки 1907 и 1931 гг. В настоящее время наряду с традиционными методами усиления главных

балок - добавлением арматуры, устройством железобетонной «рубашки», установкой шпренгеля и др. - широкое распространение получает усиление с помощью композиционных материалов на основе углеродного волокна (далее - КМ).

В России и за рубежом выполнено большое количество экспериментально-теоретических исследований изгибаемых железобетонных элементов, усиленных композиционными материалами, которые позволили выявить возможные схемы разрушения таких конструкций, изучить характер изменения их напряженно-деформированного состояния, а также работу под многократно повторяющимися нагрузками. Результаты этих исследований положены в основу существующих методик определения несущей способности усиленных конструкций.

На сегодняшний день отечественными исследователями предложено несколько методик расчета несущей способности изгибаемых железобетонных элементов, усиленных композиционными материалами, которые базируются на положениях зарубежных методов расчета, изложенных в таких нормативных документах, как ACI 440.2R-08, CNR-DT 200/2004 и др. К наиболее интересным разработкам следует отнести работы A.A. Шилина, В.И. Шестерикова, Д.Н. Смердова, а также методику НИИЖБа. Все эти методики основаны на методе предельных состояний, но предназначены для расчета конструкций промышленных и гражданских зданий и сооружений, а также автодорожных мостов. Кроме того, они имеют ряд недостатков, в числе которых: некорректные способы определения расчетных характеристик композиционных материалов, использующие данные производителей или включающие в себя коэффициенты надежности, не учитывающие тип материала или схему усиления; расчетные формулы определения несущей способности сечений, не учитывающие распределение напряжений в композиционном материале, расположенном на боковых гранях балки, отличное от материала, расположенного на нижней грани; отсутствие расчетных формул для определения несущей способности наклонных сечений на действие изгибающего момента; отсутствие расчетов на выносливость.

Во второй главе изложена методика испытаний железобетонных элементов, усиленных композиционными материалами, на прочность и выносливость, а также результаты выполненных в соответствии с ней экспериментальных исследований. В работе использованы результаты экспериментов, выполненных по заказу ЗАО «ПреПрег-СКМ», являющиеся его интеллектуальной собственностью.

Для испытаний были подготовлены две партии железобетонных образцов, отличающихся схемой поперечного и продольного армирования (рисунок 1), что позволило в ходе эксперимента выявить влияние системы внешнего армирования на прочность нормального и наклонного сечений отдельно. Для изготовления образцов использовали бетон марки В30 и арматура классов

две серии образцов, усиленных U-образной обоймой, закрепленной в приопорных участках вертикальными хомутами шириной 100 мм, вошли в четвертую группу; к пятой группе были отнесены 3 серии образцов, усиленных ламелями различной прочности, закрепленными вертикальными хомутами шириной 100 мм; образцы, усиленные U-образной обоймой, наклеенной поверх полосы ламели, вошли в шестую группу; в седьмую и восьмую группы вошли по четыре серии образцов типа «Б», усиленных полосой холста шириной 150 мм на нижней грани, закрепленной соответственно вертикальными или наклонными хомутами различной ширины. Схемы усиления образцов каждой группы, а также параметры конструкции усиления, варьируемые внутри группы (размеры, обозначенные буквами), показаны на рисунке 2. а)

б)

в)

г)

д)

е) ж)

j±f

1

Ж

ж mt

■ft §

§

ко |И.

И

Рисунок 2 - Схемы усиления и варьируемые параметры: а) группы 1; б) группы 2; в) группы 3; г) группы 4; д) группы 5; е) группы 6; ж) группы 7; з) группы 8

ширина полосы КМ, наклеиваемой на нижнюю грань, и высота стенок и-образной обоймы) на несущую способность усиленных образцов. В качестве примера, на рисунке 4 показаны характерный вид разрушения образцов серии А8, усиленных 11-образной обоймой (серия 3), и графики их деформирования.

О 2 б; г / Г Л

-Образец Л°1

-Образец >22

-Образец №3

8 10 12 Ы 16 18 20 22 Прогиб, мм

Рисунок 4 - Результаты испытаний образцов серии А8: а) графики деформирования; б) характерный вид разрушения Испытания на выносливость показали, что усиление композиционными материалами позволяет увеличить не только несущую способность конструкции, но и ее долговечность. По результатам испытаний были построены кривые усталости для растянутой рабочей арматуры усиленных и неусиленных экспериментальных образцов, показанные на рисунке 5.

Циклическая долговечность образцов (количество циклов, которое выдержал образец до момента полного разрушения), усиленных холстом на нижней грани и пологими хомутами на приопорных участках, оказалась в среднем в 8,33 раза больше по сравнению с неусиленными; образцов, усиленных И-образной обоймой с устройством

вертикальных хомутов в

приопорных зонах, - в 14,26 раза; образцов, усиленных ламелью с устройством наклонных хомутов, - в 6,32 раза.

Разрушение образцов

происходило по следующей схеме: после 80...85 % циклов нагружения от их общего числа N происходил разрыв одного или нескольких

\

\

\л л V ••„

♦ Л ш'

*

ч,

N

»Серия ВО ЯСерохВ! Серн*В2 СераяВЗ

Рисунок 5 - Кривые усталости для растянутой рабочей арматуры

усиления. Если значение оу„ превышает 0,9R/„ то к расчету принимается <т/„ = = 0,9 Rfi.

Для оценивания точности предлагаемой методики было выполнено сравнение расчетных данных и результатов экспериментов, проведенных в рамках данного исследования, выполненных Д.Н. Смердовым, М. Ахмадом, а также по заказу ЗАО «ПреПрег-СКМ» (в таблице отмечены буквой П). Расчетные (РЫс) и фактические (Рехр) значения несущей способности экспериментальных образцов приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Результаты расчета несущей способности образцов

Серия Л*, кН Р,„„ кН Откл., % Серия Рг„/г, кН Р,„„ кН Откл., %

АО 70,7 80,15 11,8 А8 203,9 215,13 5,2

А1 103,4 111,83 7,5 А9 173,5 188,35 7,9

А2 135,5 147,44 8,1 А10 (П) 207,2 229,85 9,9

A3 (П) 137,7 150,39 8,4 All 218,1 224,36 2,8

А4 117,3 127,53 8,0 А12 132,9 147,44 9,9

А5(П) 164,4 183,15 10,2 А13 128,2 146,46 12,5

Аб 165,6 186,10 11,0 А14 (П) 174,8 190,61 8,3

А7 189,1 196,20 3,6 А15 176,2 192,57 8,5

Результаты испытаний Д.Н. Смердова

А 61,1 69,0 12,8 д 117,2 130,0 9,4

Б 85,6 93,7 8,6 Е 122,4 130,4 6,1

В 96,7 106,6 9,3 Ж 136,7 151,5 9,8

Г 115,7 127,8 9,5 3 122,4 138,0 11,3

Результаты испытаний М. Ахмада

БУс-1-1 85,8 93,6 8,3 БУ,,-1-1 107,1 120,0 10,8

БУс-1-2 76,9 84,0 8,5 БУ,.-1-1 134,5 140,0 3,9

Примечание. Наименования серий образцов, испытанных Д.Н. Смердовым и М. Ахмадом, приняты такими же, как в работах этих авторов.

Как видно из таблицы 6, отклонение результатов расчета от экспериментальных данных идет в запас прочности и в большинстве случаев не превышает 10 %. Среднее по всем результатам значение отклонения составляет 8,6 %.

Результаты испытаний образцов на выносливость, выполненных по заказу ЗАО «ПреПрег-СКМ», позволили выявить факт перераспределения напряжений между растянутой рабочей арматурой и КМ в усиленных образцах. Для уточнения характера перераспределения напряжений экспериментальные образцы были рассчитаны в программном пакете МаЙ-АВ. Разработанные модели позволили получить значения напряжений в растянутой арматуре усиленных и неусиленных образцов при максимальных нагрузках цикла, равных 6,15 и 7,51 тс. Анализ полученных результатов показал, что величина снижения напряжений в растянутой арматуре различается для расчетных и предполагаемых значений напряжений, вычисленных на основе экспериментальных данных.

Уменьшение расчетных значений напряжений происходит на меньшую величину, чем предполагаемых, что свидетельствует о том, что формулы, учитывающие изменение жесткости конструкции за счет включения

материала усиления, не в полной мере отражают реальную работу конструкции. Это подтверждается разницей между расчетными и фактическими значениями прогибов экспериментальных образцов. Расчетные значения напряжений и прогибов усиленных образцов уменьшились в среднем на 33 %, в то время как для фактических значений эта разница составила 47 %. Для компенсации этого различия предложен коэффициент е„ определяемый по формуле

где - отношение предполагаемых значений напряжений в растянутой стальной арматуре усиленного и неусиленного образца; - отношение расчетных значений напряжений в растянутой стальной арматуре усиленного и неусиленного образца.

Величина коэффициента е, зависит от отношения площади поперечного сечения КМ и растянутой рабочей арматуры в рассматриваемом сечении элемента. Для значений отношения площадей, равных 0,187, 0,297 и 0,375, значения коэффициента е„ приведенные в таблице 6, были определены по результатам испытаний, для остальных значений отношения А// Л5 значения коэффициента были определены по экстраполяции.

Таблица 6 - Значения коэффициента е,

А,/А, 0,000 0,062 0,125 0,187 0,297 0,375

е, 1,000 0,929 0,881 0,849 0,808 0,772

Эффективность конструкций усиления определяли на основании анализа степени увеличения несущей способности и стоимостных показателей различных схем усиления.

Результаты проведенного анализа позволили сделать вывод, что максимальной эффективностью, при необходимости увеличения класса главной балки на малую величину (до одной единицы), обладает схема усиления, образованная полосой холста на нижней грани балки. При проектировании такой конструкции усиления увеличение площади поперечного сечения КМ следует в первую очередь осуществлять за счет увеличения его ширины, а не толщины. В случае, если класс по грузоподъемности необходимо увеличить более чем на одну единицу, следует применять закрепление холста пологими хомутами (рисунок 6, а) или переходить к использованию и-образной обоймы. При проектировании и-образной обоймы следует подбирать оптимальное соотношение высоты ее стенок и толщины материала, из которого она будет выполнена. Для усиления наклонных сечений рекомендуется использовать хомуты из композиционного материала, расположенные перпендикулярно к опасному сечению (рисунок 6, б).

а)

б)

1*"у Композиционный материал/

Рисунок б - Эффективные схемы усиления главных балок: а) для нормальных сечений; б) для наклонных сечений В четвертой главе изложены основные положения методики определения грузоподъемности железобетонных пролетных строений, усиленных композиционными материалами, по методу классификации. Приведена методика оценки рисков пролетного строения железнодорожного путепровода, усиленного композиционными материалами. Результаты натурного обследования и испытания пролетного строения путепровода через ул. Строителей в г. Новосибирске, а также оценки рисков для него. Оценена технико-экономическая эффективность применения композиционных материалов для усиления железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов.

Класс главной балки пролетного строения определяют по формуле

*=——• (3)

где к - допускаемая временная нагрузка на балку, кН/м; р - коэффициент унификации результатов классификации главных балок металлических и железобетонных пролетных строений; кн- эталонная нагрузка, кН/м; (1 +/<) -динамический коэффициент.

Допускаемую временную нагрузку на усиленное пролетное строение при расчетах по прочности, при условии производства работ по усилению без разгрузки конструкции от собственного веса, вычисляют по формуле

V.

5пкет°

(4)

где 5 - предельное усилие в усиленном сечении балки; 5 - предельное усилие в неусиленном сечении балки; - усилие в рассматриваемом сечении балки от постоянных нагрузок; пк = 1,15; ет - доля временной нагрузки, приходящаяся на одну главную балку; О - площадь линии влияния усилия.

Определение предельных усилий для неусиленных сечений, а также усилий, возникающих от постоянной нагрузки, осуществляется по указаниям Руководства по определению грузоподъемности железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов.

строение полной длиной 16,5 м выполнено по типовому проекту Ленгипротрансмоста инв. № 6503 (1954 г.).

По результатам обследования было установлено, что вследствие неоднократных ударов негабаритного автотранспорта у главной балки № 2 разрушен бетон нижнего пояса и выключены из работы (оборваны или продернуты) 16 стержней рабочей арматуры. Толщина балласта на пролетном строении находится в пределах нормы и составляет 39 см; смещение оси пути в начале пролетного строения равно 3 см, в конце — 1 см. Класс пролетного строения по прочности нормального сечения равен 6,47 и является недостаточным для пропуска нагрузок, соответствующих II категории мостов по грузоподъемности. Необходимо поднять класс по прочности нормального сечения минимум до 6,99 для обеспечения бесперебойного и безопасного пропуска нагрузок.

Согласно проекту усиления главной балки, разработанному сотрудниками НИЛ «Мосты» СГУПСа, композиционный материал - холст РШАИМ Таре 530/150 - был наклеен на нижнюю грань без устройства хомутов по краям. Наклеивание материала осуществлялось по схеме, показанной на рисунке 7, после восстановления геометрии нижнего пояса ремонтным составом ЕМАСО Капосге1е 114, выравнивания получившейся поверхности, ее обеспыливания и обезжиривания. Класс пролетного строения по прочности нормального сечения после усиления составил 7,48. Вид усиленной главной балки показан на рисунке 8.

Я200 i 500 |. 3800

■Выключенные из работы арматурные стержни

Восстановленный бетон

Композиционный материал

Рисунок 7 - Схема усиления главной балки пролетного строения Программа и результаты испытания пролетного строения подробно изложены в диссертации. В качестве испытательной нагрузки были использованы два 4-осных полувагона полной массой 92т каждый.

Разработанная в программном пакете Midas FEA конечно-элементная модель усиленного пролетного строения позволила проанализировать результаты расчета по предлагаемой методике определения грузоподъемности. В модели связь между конструктивами считалась идеальной. Свойства материалов задавали с учетом их диаграмм деформирования - линейной для композиционного материала, диаграммы

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в ведущих научных рецензируемых периодических изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России:

1. Бокарев, С. А. Экспериментальные исследования при пониженных и повышенных температурах железобетонных образцов, усиленных полимерными композиционными материалами Z С. А. Бокарев, А. Н. Костенко, Д. Н. Смердов, А. А. Неровных ZZ Интернет-журнал «Науковедение».-2013.-№3 (16).-С. 1-9. (0,56 п.лУ0,13 п.л.).

2. Бокарев, С. А. Коэффициенты надежности для композиционных материалов, применяемых для усиления железобетонных элементов мостовых конструкций Z С. А. Бокарев, Г. М. Власов, А. А. Неровных, Д. Н. Смердов ZZ Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. -2012. -№ 2. - С. 222 - 229. (0,70 п.лУ0,Ю п.л.).

3. Бокарев, С. А. Методика расчета по прочности сечений эксплуатируемых железобетонных пролетных строений, усиленных композитными материалами Z С. А. Бокарев, Д. Н. Смердов, А. А. Неровных ZZ Известия вузов. Строительство. - 2010. - № 2. - С. 63 - 74. (1,25 п.л./0,30 п.л.).

Публикации в журналах и научных сборниках:

4. Бокарев, С. А. Стойкость изгибаемых железобетонных конструкций, усиленных композиционными материалами на основании углеродного волокна, к воздействию отрицательных и положительных температур Z С. А. Бокарев, А. А. Неровных, Д. Н. Смердов ZZ Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе. Международная научно-практическая конференция, посвященная 80-летию Сибирского государственного университета путей сообщения. Тезисы конференции. Ч. I. -Новосибирск : Изд-во СГУПСа, 2012. - С. 127-128. (0,13 п.л70,03 п.л.).

5. Неровных, А. А. Усиление композиционными материалами железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов Z А. А. Неровных ZZ Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе. Международная научно-практическая конференция, посвященная 80-летию Сибирского государственного университета путей сообщения. Тезисы конференции. Ч. I. - Новосибирск : Изд-во СГУПСа, 2012. - С. 127-128. (0,13 п.лУ0,13 п.л.).

6. Бокарев, С. А. Оценка выносливости изгибаемых железобетонных конструкций, усиленных композитными материалами Z С. А. Бокарев, Д. Н. Смердов, А. А. Неровных ZZ Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: международный сборник научных трудов. — 2010. — № 10.-С. 287-294. (0,47 п.л70,15 п.л.).

7. Неровных, А. А. Повышение эффективности усиления изгибаемых железобетонных элементов композитными материалами Z А. А. Неровных ZZ Наука и молодежь XXI века. Материалы IX научно-технической

конференции студентов и аспирантов. Часть I. Технические науки. -Новосибирск : Изд-во СГУПСа, 2010. - С. 83 -84. (0,13 п.л./0,13 п.л.).

8. Неровных, А. А. Датчики малогабаритного измерительного комплекса «Тензор-МС» / А. А. Неровных // Наука и молодежь XXI века. Материалы VIII научно-технической конференции студентов и аспирантов, посвященной 200-летию транспортного ведомства и транспортного образования России. Часть I. Технические науки. - Новосибирск : Изд-во СГУПСа, 2010. - С. 66 -67. (0,13 п.л./0,13 п.л.).

9. Смердов, Д. Н. Методика проведения экспериментальных исследований изгибаемых железобетонных элементов, усиленных композитными материалами / Д. Н. Смердов, А. А. Неровных // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. - Новосибирск : Изд-во СГУПСа, 2009. - Вып. 21. - С. 146-155.(1,25 п.л./0,50 п.л.).

НЕРОВНЫХ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МОСТОВ, УСИЛЕННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

Специальность 05.23.11 - «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей» (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 22.11.2013 г. Объем 1,5 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 2737 Издательство ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» _630049, Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191. Тел./факс (383) 328-03-81_

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Сибирский государственный университет путей сообщения (СГУПС)

На правах рукописи

04201454299

НЕРОВНЫХ Алексей Алексеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МОСТОВ, УСИЛЕННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

Специальность 05.23.11 «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»

(технические науки)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор С.А. Бокарев

Новосибирск 2013

Оглавление

Введение...........................................................................................................................5

1 Железобетонные пролетные строения железнодорожных мостов.................12

1.1 Краткая характеристика эксплуатируемых пролетных строений..................12

1.1.1 Конструкции, особенности работы и расчета главных балок...................12

1.1.2 Техническое состояние и грузоподъемность пролетных строений..........17

1.2 Способы восстановления и увеличения грузоподъемности...........................20

1.2.1 Увеличение площади сечения рабочей арматуры нижнего пояса............20

1.2.2 Устройство железобетонной «рубашки».....................................................21

1.2.3 Установка шпренгеля.....................................................................................22

1.2.4 Установка систем внешнего армирования на основе композиционных материалов................................................................................................................23

1.3 Экспериментальные исследования систем внешнего армирования..............24

1.3.1 Испытания на прочность...............................................................................24

1.3.2 Испытания на выносливость.........................................................................27

1.4 Инженерные методы расчета железобетонных элементов, усиленных композиционными материалами..............................................................................29

1.4.1 Нормативные и расчетные характеристики материалов............................30

1.4.2 Расчет по прочности сечений, нормальных к продольной оси элемента. 32

1.4.3 Расчет по прочности сечений, наклонных к продольной оси элемента...35

1.4.4 Расчет на выносливость по бетону и арматуре...........................................37

1.5 Цель и задачи исследования...............................................................................37

2 Статические и динамические экспериментальные исследования железобетонных элементов, усиленных композиционными материалами ....41

2.1 Статические испытания......................................................................................44

2.1.1 Характеристики опытных образцов.............................................................44

2.1.2 Проведение испытаний..................................................................................50

2.1.3 Результаты испытаний...................................................................................51

2.2 Динамические испытания...................................................................................59

2.2.1 Характеристики опытных образцов.............................................................59

2.2.2 Проведение испытаний..................................................................................60

2.2.3 Результаты испытаний...................................................................................62

2.3 Выводы по разделу..............................................................................................65

3 Обоснование основных расчетных предпосылок метода классификации по грузоподъемности при проектировании усиления железобетонных пролетных строений железенодорожных мостов..................................................67

3.1 Применение метода классификации..................................................................67

3.2 Нормирование прочностных и деформативных характеристик композиционных материалов...................................................................................69

3.3 Предельные значения напряжений в материале усиления.............................75

3.4 Расчет на выносливость......................................................................................82

3.5 Эффективные конструкции усиления главных балок железобетонных пролетных строений..................................................................................................86

3.6 Выводы по разделу..............................................................................................92

4 Методика определения грузоподъемности железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, усиленных композиционными материалами.................................................................................................................94

4.1 Расчет нормальных сечений главной балки по изгибающему моменту.......96

4.2 Расчет наклонных сечений главной балки по поперечной силе и изгибающему моменту..............................................................................................99

4.3 Расчет на выносливость по бетону и арматуре..............................................103

4.4 Усиление и натурное испытание пролетного строения путепровода через ул. Строителей в г. Новосибирске...............................................................................105

4.4.1 Краткие сведения о сооружении.................................................................106

4.4.2 Результаты обследования............................................................................108

4.4.3 Усиление пролетного строения..................................................................110

4.4.4 Испытание усиленного пролетного строения...........................................113

4.4.5 Результаты испытания.................................................................................115

4.4.6 Численное моделирование работы усиленной главной балки пролетного

строения..................................................................................................................118

4.4.7 Выводы по результатам испытаний...........................................................123

4.5 Оценка рисков для железобетонных пролетных строений, усиленных композиционными материалами............................................................................124

4.5.1 Идентификация рисков................................................................................125

4.5.2 Анализ вероятностей....................................................................................126

4.5.3 Анализ последствий и оценка рисков........................................................128

4.5.4 Оценка рисков для пролетного строения путепровода через ул.

Строителей в г. Новосибирске.............................................................................132

4.6 Технико-экономическое обоснование выбора усиления пролетных строений с использованием композиционных материалов для ОАО «РЖД»...................134

4.7 Выводы по разделу............................................................................................135

Заключение.................................................................................................................137

Список литературы...................................................................................................138

Приложение А. Описание характера разрушения образцов, испытанных на

прочность......................................................................................................................152

Приложение Б. Результаты испытаний материалов, входящих в состав систем

внешнего армирования...............................................................................................179

Приложение В. Локальный сметный расчет вариантов усиления главной балки железобетонного пролетного строения железнодорожного моста, изготовленного по типовому проекту Лентранспромпроекта № 6503 (1954 г.)..............................185

Введение

В настоящее время на сети железных дорог ОАО «Российские железные дороги» эксплуатируется более сорока тысяч железобетонных пролетных строений различных конструктивных форм, норм проектировки и годов изготовления. Высокие требования к обеспечению безопасности движения железнодорожного транспорта, вызванные увеличением скорости и интенсивности движения, а также увеличением осевых нагрузок подвижного состава, обуславливают необходимость выполнения работ по ремонту и усилению некоторых сооружений.

Большое количество эксплуатируемых конструкций имеют дефекты и повреждения, прямо или косвенно влияющие на грузоподъемность. К наиболее опасным повреждениям следует отнести разрушение бетона нижнего пояса с разрывом или продергиванием стержней растянутой рабочей арматуры. Это повреждение характерно только для путепроводов через автомобильные дороги и зафиксировано на 170 пролетных строениях. Около 60 % оставшихся конструкций находятся в «зоне риска», так как их подмостовой габарит может оказаться недостаточным для пропуска крупно- или негабаритного автотранспорта.

Применение систем внешнего армирования на основе композиционных материалов - углепластиков - является современной и перспективной технологией в сфере повышения и восстановления несущей способности железобетонных конструкций. Данная технология позволяет значительно сократить стоимость ремонтных работ и время их проведения, однако, ее применение на территории России ограничено отсутствием утвержденных нормативных документов, регламентирующих методику расчета, конструктивные требования, порядок производства работ и методы контроля качества их выполнения.

Актуальность исследования обусловлена необходимостью восстановления несущей способности железобетонных пролетных строений, имеющих

повреждения, или увеличением грузоподъемности неповрежденных конструкций. Основным вопросом, решаемым в рамках диссертационного исследования, является совершенствование инженерной методики расчета эксплуатируемых железобетонных пролетных строений мостов, усиленных композиционными материалами, по прочности и выносливости.

Степень проработанности темы. Научные аспекты диссертационного исследования были сформированы на основе изучения и анализа работ отечественных и зарубежных ученых ведущих научно-исследовательских институтов, высших учебных заведений и производителей систем внешнего армирования.

Проблемами усиления железобетонных пролетных строений мостов занимались П.П. Ефимов, В.В Кондратов, И.Г. Овчинников, Д.Р. Тимофеев и др.

Вопросам применения композиционных материалов в строительстве и усилении железобетонных сооружений посвящены работы Н. Аттари (США), Михуба Ахмада, В. Дерковски (США), Д.В. Картузова, Ата Эль Карим Шоеаб Солимана, В.П. Устинова, Б.В. Устинова, A.A. Шилина, В. Янсе (Нидерланды) и

др.

Проблемами применения систем внешнего армирования на основе углеродного волокна для усиления мостовых конструкций занимались С.А. Бокарев, В.М. Картопольцев, В. Колотти (Италия), А. Нанни (США), Д.Н. Смердов, В.И. Шестериков и др.

Изучением работы усиленных элементов под многократно повторяющимися нагрузками занимались Д.Н. Смердов, Р. Гуссенговен (США), Ж.А.О. Баррос (Португалия), А. Прота (Италия) и др.

Методика расчета железобетонных элементов промышленных и гражданских зданий и сооружений была предложена A.A. Шилиным. Д.Н. Смердовым и В.И. Шестериковым были разработаны методики расчета несущей способности железобетонных пролетных строений автодорожных мостов, усиленных композиционными материалами.

ФГУП «РосДорНИИ», ЗАО «ПреПрег-СКМ», ООО «БАСФ Строительные Системы», ООО НИИЖБ, ИПЦ «ИнтерАква» и другие организации разработали руководства по усилению железобетонных конструкций зданий, сооружений и автодорожных мостов композиционными материалами.

Настоящая работа посвящена разработке инженерной методики оценки грузоподъемности железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, усиленных композиционными материалами.

Объект исследования - разрезные железобетонные балочные пролетные строения под железнодорожную нагрузку с ненапрягаемой арматурой, усиленные композиционными материалами.

Предмет исследования - прочность, деформативность и выносливость изгибаемых железобетонных элементов пролетных строений железнодорожных мостов прямоугольного и таврового сечения, усиленных композиционными материалами.

Цель исследования - обеспечение бесперебойного и безопасного пропуска поездов по усиленным композиционными материалами железобетонным пролетным строениям на основе совершенствования методики расчета таких конструкций.

Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:

1) провести экспериментальные исследования свойств композиционных материалов и работы усиленных ими железобетонных конструкций, для нормирования прочностных характеристик холстов и ламелей на основе углеродного волокна, а также выбора наиболее эффективных конструкций усиления главных балок железобетонных пролетных строений;

2) усовершенствовать методику определения грузоподъемности эксплуатируемых железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, усиленных композиционными материалами, по прочности и выносливости на основе метода классификации;

3) выполнить обследование, усиление и испытание пролетного строения железнодорожного путепровода, а также численное моделирование работы

усиленной конструкции и установить соответствие результатов, полученных по предложенной методике, действительной работе конструкции;

4) выявить риски, характерные для конструкций, усиленных композиционными материалами, оценить риск разрушения пролетного строения до и после усиления.

В первом разделе диссертации рассмотрены конструкции железобетонных пролетных строений, эксплуатируемых на сети дорог ОАО «РЖД», а также анализ их технического состояния. Рассмотрены существующие способы усиления железобетонных пролетных строений. Изучены результаты отечественных и зарубежных испытаний железобетонных конструкций, усиленных композиционными материалами, на прочность и выносливость, а также перечислены главные предпосылки существующих отечественных методик расчета усиленных изгибаемых железобетонных элементов.

Во втором разделе диссертации представлены методика и результаты экспериментальных исследований работы железобетонных образцов под статической и многократно повторяющейся нагрузками. Результаты испытаний показали высокую эффективность систем внешнего армирования при увеличении прочности и долговечности изгибаемых железобетонных элементов. Выявленные по результатам экспериментальных исследований зависимости позволили внести важные корректировки в методику расчета усиленных конструкций по прочности и выносливости, а также выбрать наиболее эффективные конструкции усиления.

В третьем разделе диссертации приведены основные расчетные предпосылки метода классификации по грузоподъемности. Выполнено нормирование прочностных характеристик композиционных материалов на основе углеродного волокна. Изложены предложения по определению напряжений в композиционном материале в предельном состоянии, а также по расчету усиленных конструкций на выносливость по арматуре. Даны рекомендации по выбору наиболее эффективной схемы усиления главных балок железобетонных пролетных строений композиционными материалами.

В четвертом разделе диссертации изложены основные положения методики определения грузоподъемности железобетонных пролетных строений, усиленных композиционными материалами, по прочности и выносливости. Приведены результаты натурного обследования и испытания пролетного строения железнодорожного путепровода, усиленного композиционными материалами, а также численного моделирования работы его главной балки. Выполнены оценка рисков для усиленного пролетного строения и оценка экономической эффективности различных вариантов усиления железобетонного пролетного строения длиной 16,5 м.

Научная новизна работы:

Уточнена зависимость между схемой усиления композиционным материалом и напряжениями, возникающими в нем в предельном состоянии.

Показано влияние площади поперечного сечения композиционного материала на напряжения в растянутой рабочей арматуре. Обоснована необходимость учета этого влияния при расчетах на выносливость.

Выполнена оценка рисков для эксплуатируемого пролетного строения, усиленного композиционными материалами.

Практическая ценность и внедрение:

Предлагаемая методика определения грузоподъемности позволяет проектировать усиление железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов композиционными материалами.

Результаты проведенных исследований легли в основу «Руководства по усилению железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов системой внешнего армирования на основе углеродного волокна» разработанного в НИЛ «Мосты» СГУПС для ОАО «РЖД».

Разработанная методика определения грузоподъемности применена при выполнении проекта усиления железнодорожного путепровода через ул. Строителей в г. Новосибирске.

Получен патент на полезную модель «Устройства для усиления железобетонных балок».

Методология и методы исследования. Методологической основой исследования стал системный подход к оценке технического состояния железобетонных пролетных строений, теория вероятностей и математическая статистика к обработке результатов измерений, численное моделирование к оценке точности предлагаемой методики, математические методы моделирования и сравнительного анализа к оценке сходимости результатов эксперимента и расчетных значений. Информационными источниками исследований стали инструкции и нормативные документы (СП 35.13330.2011, СП 79.13330.2012, ЦП-628, Руководство по определению грузоподъемности железобетонных пролетных строений, ГОСТ 25.601-80, ГОСТ 14359-69, ГОСТ 14759-69, ГОСТ 14760-69) по проектированию и содержанию искусственных сооружений на железных дорогах, а также определению характеристик композиционных материалов.

К защите представляются:

1) Результаты экспериментальны