close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Прочность и трещиностойкость изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и стержневым стеклокомпозитным армированием при статическом и кратковременном динамическом нагружении

код для вставкиСкачать
1
На правах рукописи
КУДЯКОВ КОНСТАНТИН ЛЬВОВИЧ
ПРОЧНОСТЬ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ИЗГИБАЕМЫХ
БЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С БАЗАЛЬТОФИБРОВЫМ
И СТЕРЖНЕВЫМ СТЕКЛОКОМПОЗИТНЫМ АРМИРОВАНИЕМ
ПРИ СТАТИЧЕСКОМ И КРАТКОВРЕМЕННОМ ДИНАМИЧЕСКОМ
НАГРУЖЕНИИ
05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Томск – 2018
2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего образования
«Томский государственный архитектурно-строительный университет»
(ФГБОУ ВО ТГАСУ)
Научный
руководитель:
Плевков Василий Сергеевич,
доктор технических наук, профессор.
Официальные
оппоненты:
Адищев Владимир Васильевич,
доктор
технических
наук,
профессор,
профессор кафедры «Строительная механика»
ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный
архитектурно-строительный
университет»
(Сибстрин), г. Новосибирск
Морозов Валерий Иванович,
доктор
технических
наук,
профессор,
чл.-корр. РААСН,
заведующий
кафедрой
«Строительные конструкции», ФГБОУ ВО «СанктПетербургский
государственный
архитектурностроительный университет», г. Санкт-Петербург
Ведущая
организация:
ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский
Московский
государственный
строительный
университет» (НИУ МГСУ), г. Москва
Защита состоится «21» сентября 2018 г. в 10.00 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.265.01 при ФГБОУ ВО «Томский
государственный архитектурно-строительный университет» по адресу:
634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, корп. 2, ауд. 303.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Томского
государственного архитектурно-строительного университета по адресу:
634003, г. Томск, пл. Соляная, 2 и на сайте www.tsuab.ru.
Автореферат разослан «20» июля 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Копаница Н.О.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. В соответствии с концепцией развития
России до 2020 года, Постановлениями Правительства РФ и программами по
развитию материальной и нормативно-правовой базы РФ становятся
востребованными производство и применение альтернативных способов
армирования бетонных строительных конструкций, например базальтовой
фибры и стеклокомпозитной полимерной арматуры. Их применение позволяет
производить бетонные конструкции, не уступающие по эксплуатационным
характеристикам традиционному железобетону.
При строительстве и эксплуатации зданий и сооружений помимо
статических нагрузок могут возникать кратковременные динамические
воздействия на строительные конструкции и их элементы, вызванные
взрывами, авариями и пр. В результате этого может происходить повреждение
или разрушение конструкций, что приводит к возможной гибели людей и
значительным материальным потерям. Учет влияния таких воздействий на
несущую способность строительных конструкций является актуальным.
Методам расчета изгибаемых армированных бетонных элементов при
статическом и кратковременном динамическом нагружении посвящено
значительное количество работ отечественных и зарубежных авторов. В
подавляющем большинстве в качестве объекта исследований рассмотрены
изгибаемые бетонные элементы со стальной стержневой и/или фибровой
арматурой.
Вопросы
прогнозирования
и
оценки
напряженнодеформированного
состояния
изгибаемых
бетонных
элементов,
армированных стеклокомпозитной арматурой и/или базальтовой фиброй, при
кратковременном динамическом нагружении исследованы недостаточно. В
действующих строительных нормах рассмотрены расчеты таких элементов
только при действии статических нагрузок.
Таким образом, разработка и совершенствование методов расчета
изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и стержневым
стеклокомпозитным армированием при кратковременном динамическом
нагружении являются актуальными и имеют важное практическое значение
при проектировании строительных конструкций.
Данная работа выполнена в рамках реализации государственного задания
Минобрнауки РФ по проекту № 9.6814.2017/8.9 «Разработка математических
моделей, создание высокопроизводительного численного алгоритма,
экспериментально-теоретическое исследование свойств перспективных
материалов и конструкций при динамических нагрузках».
Степень разработанности темы. В исследованиях, выполненных
отечественными и зарубежными учеными (А.Б. Антаков, Е.Е. Генина,
С.С. Жаврид, Л.П. Зайцева, Ю.А. Климов, Э.Б. Колбаско, М.П. Леонтьев,
Р.Г. Литвинов, А.Н. Луговой, У.Х. Магдеев, Л.Р. Маилян, Р.Л. Маилян,
К.В. Михайлов,
В.И. Морозов,
Н.А. Мощанский,
В.Ф. Набоков,
Ю.М. Нагевич, Э.К. Опбул, И.В. Подмостко, П.П. Польской, Н.Н. Попов,
Ю.В. Пухаренко, Ф.Н. Рабинович, К.В. Талантова, М.Ф.Э. Тарек, В.В. Тур.,
А.М. Уманский, Д.Г. Уткин, И.И. Фридман, Н.П. Фролов, А.А. Шилин,
A. Abbasi, S.H. Alsayed, A. Belarbi, R. Cusson, F.M. Elgabbas, R. Fico,
M. Goldston, H. Hao, H.A. Toutanji, P. Iain, M.Z. Kabir, J. Krassowska, A. Lapko,
V.C. Li, F. Nanni, T.M. Pham, M.M. Rafi, A. Remennikov, H. Wang и др.),
4
рассмотрены изгибаемые бетонные конструкции с различными вариантами
дисперсного (сталь, полипропилен), стержневого (сталь, стекло-, базальто- и
углекомпозит) и внешнего композитного армирования при статическом
нагружении или при действии динамических воздействий циклического или
ударного характера. Особенности работы изгибаемых бетонных элементов с
базальтофибровым
и
стеклокомпозитным
армированием
при
кратковременном динамическом нагружении изучены недостаточно.
Цель работы. Разработка, экспериментальная проверка и реализация
метода расчета по прочности и трещиностойкости нормальных сечений
изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и обычным или
преднапряженным стержневым стеклокомпозитным армированием при
статическом и кратковременном динамическом нагружениях с учетом
нелинейной работы материалов.
Задачи исследования:

на основе обзора, систематизации и анализа результатов
теоретических и экспериментальных исследований сформулировать
предпосылки, предельные состояния и способы их нормирования для расчета
изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и стержневым
стеклокомпозитным армированием при кратковременном динамическом
нагружении;

провести экспериментальные исследования прочностных и
деформационных характеристик базальтофибробетона при сжатии и
растяжении. Предложить аналитические зависимости нелинейной диаграммы
деформирования базальтофибробетона в зависимости от коэффициента
фибрового армирования, технологии его изготовления и вида нагружения.
Исследовать прочность и деформативность стеклокомпозитной арматуры при
растяжении; изучить особенности деформирования изгибаемых натурных
бетонных конструкций со стеклокомпозитным стержневым армированием;

разработать метод расчета прочности и трещиностойкости
нормальных сечений изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и
стержневым стеклокомпозитным армированием при кратковременном
динамическом нагружении с использованием деформационной модели и
реальных диаграмм деформирования материалов, разработать алгоритм и
программу расчета;

провести экспериментальные исследования влияния параметров
базальтофибрового и преднапряженного стержневого стеклокомпозитного
армирования на прочность и трещиностойкость изгибаемых бетонных
элементов при статическом и кратковременном динамическом нагружении;

выполнить численные исследования изгибаемых бетонных элементов
с базальтофибровым и стержневым стеклокомпозитным армированием при
кратковременном динамическом нагружении;

проанализировать и сопоставить результаты расчетов по
предложенному методу с экспериментальными данными, выполнить оценку
их сходимости.
Объектом исследования являются изгибаемые бетонные элементы
прямоугольного сечения с базальтофибровым и обычным или
преднапряженным стержневым стеклокомпозитным армированием.
5
Предметом исследования являются методы расчета силового
сопротивления по прочности и трещиностойкости нормальных сечений
изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и стержневым
стеклокомпозитным армированием при кратковременном динамическом
нагружении.
Методология и методы исследований. Методологической основой
данной работы являются исследования российских и зарубежных ученых в
области расчета железобетонных конструкций на действие кратковременной
динамической нагрузки. Использованы общенаучные методы исследования:
анализ, систематизация, математическое моделирование, физический
эксперимент и пр. Обработка результатов экспериментальных и
теоретических исследований осуществлялась с применением методов
математической статистики.
Научная новизна работы заключается в получении новых данных о
напряженно-деформированном состоянии изгибаемых бетонных элементов с
базальтофибровым и стержневым стеклокомпозитным армированием при
действии статических и кратковременных динамических нагрузок, а именно:
–
на основе статистической обработки экспериментальных данных
установлены зависимости влияния коэффициента фибрового армирования и
технологии изготовления на прочностные и деформационные характеристики
базальтофибробетона, с учетом которых разработана расчетная нелинейная
диаграмма деформирования базальтофибробетона в зависимости от
коэффициента фибрового армирования и параметров нагружения, применимая
для динамических расчетов прочности и трещиностойкости нормальных
сечений изгибаемых элементов по нелинейной деформационной модели;
–
по результатам численных динамических расчетов получены новые
данные о влиянии параметров базальтофибрового и преднапряженного
стержневого
стеклокомпозитного
армирования
на
прочность
и
трещиностойкость нормальных сечений изгибаемых бетонных элементов с
таким армированием, а также характер их деформирования при
кратковременном динамическом нагружении;
–
получены новые экспериментальные данные о напряженнодеформированном состоянии нормальных сечений таких элементов;
установлено влияние параметров базальтофибрового и преднапряженного
стержневого стеклокомпозитного армирования на характер деформирования,
трещинообразования и разрушения изгибаемых бетонных элементов при
кратковременном динамическом нагружении.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в
получении научно обоснованных результатов, диаграмм и зависимостей,
применимых при динамических расчетах прочности и трещиностойкости
нормальных сечений изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и
стержневым стеклокомпозитным армированием; в разработке основанного на
нелинейной деформационной модели метода расчета по прочности и
трещиностойкости
нормальных
сечений
таких
элементов
при
кратковременном динамическом воздействии; в создании алгоритма расчета и
основанного на нём программного продукта.
Достоверность результатов работы обеспечивается корректным
использованием общепринятых положений теории железобетона,
6
строительной механики, механики деформируемого твердого тела и
предпосылок расчета, установленных на основе обширного анализа
теоретических и экспериментальных исследований поведения материалов и
конструкций при статическом и кратковременном динамическом
нагружении с применением методов математической статистики.
Верификация разработанного метода расчета осуществлялась физическим
экспериментом, проведённым в аккредитованных научно-образовательных
центрах «Испытание строительных материалов и конструкций» и «Стромтест»
ТГАСУ с применением современного аттестованного испытательного
оборудования и поверенных средств измерений. Точность разработанного
метода расчета подтверждается удовлетворительной сходимостью
результатов расчета с экспериментальными данными.
Реализация работы. Полученные результаты теоретических и
экспериментальных исследований были использованы при разработке
проектных решений конструкций, входящих в состав каркаса архитектурностроительной системы «КУПАСС» в рамках выполнения работ по
комплексному проекту № 02.G25.310022 Минобрнауки России «Разработка
и
запуск
в
производство
технологии
строительства
энергоресурсосберегающего жилья экономического класса на основе каркасной
универсальной полносборной архитектурно-строительной системы».
Результаты исследований включены в специальный курс и дипломное
проектирование на кафедре «Железобетонные и каменные конструкции»
ФГБОУ ВО
«Томский
государственный
архитектурно-строительный
университет» при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по
направлениям 08.05.01, 08.03.01 и 08.04.01 «Строительство». Использование
результатов НИР подтверждено справками о внедрении, приведенными в
приложении 2 диссертации.
Личный вклад диссертанта состоит:

в
уточнении
методики
и
проведении
комплексных
экспериментальных исследований технологии изготовления, прочности и
деформативности базальтофибробетона;

в разработке аналитических зависимостей нелинейной диаграммы
деформирования
базальтофибробетона
при
кратковременном
динамическом нагружении;

в разработке методик и проведении экспериментальных исследований
изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и стержневым
стеклокомпозитным армированием при статическом и кратковременном
динамическом нагружениях;

в разработке метода расчета, а также алгоритма и программы для
расчета таких элементов при кратковременном динамическом нагружении;

в выполнении аналитических и численных расчетов изгибаемых
бетонных элементов с базальтофибровым и стержневым стеклокомпозитным
армированием при статическом и кратковременном динамическом
нагружениях.
Положения, выносимые на защиту:

аналитические зависимости расчетной диаграммы нелинейного
деформирования базальтофибробетона при кратковременном динамическом
воздействии;
7

метод расчета прочности и трещиностойкости нормальных сечений
изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и стержневым
стеклокомпозитным армированием при кратковременном динамическом
нагружении, реализующий деформационную модель с учетом реальной
работы бетона, базальтофибробетона, и стеклокомпозитной арматуры;

результаты
численных
исследований
прочности
и
трещиностойкости нормальных сечений изгибаемых бетонных элементов с
базальтофибровым и стержневым стеклокомпозитным армированием при
кратковременном динамическом нагружении;

методики и результаты экспериментальных исследований прочности
и трещиностойкости нормальных сечений изгибаемых бетонных элементов с
базальтофибровым и стержневым стеклокомпозитным армированием при
статическом и кратковременном динамическом нагружениях.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
докладывались и получили одобрение на научных семинарах кафедры
«Железобетонные и каменные конструкции» ТГАСУ (2014–2018 гг.); на
международных Академических чтениях «Безопасность строительного фонда
России. Проблемы и решения» (г. Курск, 2014 г.); на X, XI, XII, XIII, XIV, XV
международных конференциях студентов и молодых ученых «Перспективы
развития фундаментальных наук» (г. Томск, 2013–2018 гг., НИ ТПУ); на I, II,
III и IV международных научных конференциях студентов и молодых ученых
«Молодежь, наука, технологии: новые идеи и перспективы» (г. Томск, 2014 –
2017 гг., ТГАСУ); на VI Всероссийской конференции «Молодая мысль: наука,
технологии, инновации» (г. Братск, 2014 г., БРГУ); на Международной
научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии и
эффективное
использование
местных
ресурсов
в
строительстве
(г. Новосибирск, 2013); на Всероссийской научно-технической конференции
«Энергия молодых – строительному комплексу» (г. Братск, 2013 г., БРГУ). В
полном объеме диссертационная работа была доложена на межкафедральном
научном семинаре ТГАСУ (г. Томск, 2018).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных
работ, включая 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, 4 статьи в
изданиях, индексируемых в Scopus и Web of Science, 2 патента РФ на полезную
модель и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для
ЭВМ.
Объем и структура работы. Диссертация объемом 208 страниц
машинописного текста состоит из введения, пяти глав, заключения, списка
литературы из 233 наименований, списка использованной нормативной
литературы из 35 наименований, двух приложений и содержит 16 таблиц,
77 рисунков.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении приведено обоснование актуальности темы, обозначены цель
и задачи работы, ее научная новизна и практическая значимость.
В первой главе выполнены обзор, систематизация и анализ результатов
теоретических и экспериментальных исследований изгибаемых бетонных
элементов с различными вариантами фибрового и стержневого композитного
армирования.
8
Изгибаемые бетонные элементы со стержневой композитной арматурой
отличаются сниженными показателями эксплуатационных характеристик
(трещиностойкость, жесткость) в сравнении с железобетонными
конструкциями. Известны эффективные способы повышения этих
характеристик путем предварительного натяжения стержневой композитной
арматуры и/или применения фибрового армирования бетона. На основе
анализа исследований физико-механических свойств композитной арматуры и
фибробетонов различных видов установлены достоинства стеклокомпозитной
арматуры и базальтовой фибры для стержневого и фибрового армирования
изгибаемых бетонных конструкций, подверженных статическим и
кратковременным динамическим воздействиям.
В работе показано, что изгибаемые элементы с базальтофибровым и
стеклокомпозитным стержневым армированием при кратковременном
динамическом воздействии изучены недостаточно. В исследованиях,
выполненных отечественными и зарубежными учеными, в основном
рассмотрены иные варианты комбинированного армирования статически
нагруженных изгибаемых элементов (например, базальтокомпозитная
арматура и полипропиленовая фибра). Методы оценки прочности и
трещиностойкости нормальных сечений изгибаемых элементов с фибровым и
стержневым композитным армированием, отраженные в нормативных
документах и имеющихся исследованиях, охватывают только статический
характер их нагружения.
В динамических расчетах изгибаемых армированных бетонных элементов,
в отличие от статических, заложен принцип использования полных запасов
прочности и деформативности материалов и допускается учет работы
конструкций в стадии снижения несущей способности.
Теоретические основы метода расчета железобетонных конструкций по
деформационной модели, который позволяет наиболее полно учитывать запас
прочности материалов, представлены в трудах В.В. Адищева, В.Н. Байкова,
В.М. Бондаренко, А.А. Гвоздева, Г.А. Гениева, Ю.П. Гущи, А.В. Забегаева,
Н.И. Карпенко, С.Н. Карпенко, В.И. Колчунова, С.Б. Крылова, О.Г. Кумпяка,
Д.Н. Лазовского,
В.И. Морозова,
В.М. Митасова,
Т.А. Мухамедиева,
Г.В. Несветаева,
В.С. Плевкова,
Н.Н. Попова,
Б.С. Расторгуева,
М.А. Сапожникова, Г.Н. Ставрова, Н.Н. Трекина, P. Desayi, K. Gerstle,
S. Krisnuan, A.C. Liebenberg, L. Saennz, B. Sinha, L. Tulin и др.
Созданию и совершенствованию методов расчета железобетонных
конструкций при действии кратковременных динамических нагрузок
посвящены
работы
Р.О. Бакирова,
И.К. Белоброва,
Н.Н. Белова,
М.Д. Богданского, В.М. Бондаренко, А.А. Гвоздева, В.И. Жарницкого,
Т.Ж. Жунусова,
А.В. Забегаева,
Н.И. Карпенко,
Д.Г. Копаницы,
В.А. Котляревского,
О.Г. Кумпяка,
Е.Ю. Майорова,
В.С. Плевкова,
Г.И. Попова, Н.Н. Попова, В.И. Пугачева, И.М. Рабиновича, А.В. Радченко,
Б.С. Расторгуева, В.А. Рахманова, В.И. Рыкова, А.Е. Саргсяна, Г.И. Ставрова,
А.Г. Тамразяна, И.Н. Тихонова, Г.П. Тонких, Н.Н. Трекина, Н.Т. Югова,
M. Goldston, H. Hao, T.M. Pham, A. Remennikov и др.
Рассмотренные методы динамических расчетов железобетонных
конструкций легли в основу разработки метода расчета прочности и
трещиностойкости изгибаемых элементов с базальтофибровым и стержневым
9
стеклокомпозитным армированием при кратковременном динамическом
нагружении, реализующего нелинейную деформационную модель.
На
основе
проведенного
анализа
литературных
источников
сформулированы основные направления теоретических и экспериментальных
исследований прочности и трещиностойкости изгибаемых бетонных
элементов с базальтофибровым и стержневым стеклокомпозитным
армированием и определены методики для их реализации.
Вторая глава посвящена предпосылкам расчета изгибаемых бетонных
элементов с базальтофибровым и стержневым стеклокомпозитным
армированием при кратковременном динамическом нагружении.
Применение фибробетонов в строительстве сопровождается трудностями в
обеспечении стабильности их физико-механических свойств. В данной работе
для установления закономерностей деформирования базальтофибробетона
(БФБ) проведены исследования по разработке рациональных состава и
технологии его изготовления, позволяющих обеспечить максимальный
прирост прочностных и деформационных характеристик при высоком
показателе их стабильности.
При разработке составов и технологий изготовления было исследовано 77
вариантов смеси БФБ, при разработке которых варьировались следующие
параметры: коэффициент дисперсного армирования бетона базальтовой
фиброй (µbf, % от массы цемента), способы предварительной подготовки
фибры различными химическими добавками, последовательность введения
компонентов, режимы перемешивания фибробетонной смеси. В
исследованиях использованы методики испытаний и материалы,
соответствующие требованиям национальных стандартов РФ.
С применением рассмотренных вариантов составов БФБ и
технологических приемов его приготовления были изготовлены и испытаны
на сжатие и раскалывание 924 образца БФБ. Исследована микроструктура
поверхностей разрушенных образцов БФБ, в результате чего проведена оценка
качества распределения базальтовых волокон в бетоне для разных составов и
технологий изготовления БФБ; установлен механизм его разрушения,
сопровождающийся разрывом и выдергиванием базальтовых волокон из тела
бетона. Статистическая обработка полученных данных и анализ результатов
исследования микроструктуры БФБ позволили установить рациональные
состав (µbf = 0,5%) и технологию его изготовления, при которых достигается
максимальный прирост прочности БФБ. В соответствии с данной технологией
изготовление смеси БФБ осуществлялось в высокоскоростном роторном
бетоносмесителе с введением базальтовой фибры в затворенную 40 %
проектного объема воды бетонную смесь с последующим добавлением
оставшегося количества воды. Использование рассмотренных в рамках
исследований составов и технологических приемов позволяет обеспечить
прочность БФБ, соответствующую классам бетона по прочности В25 – В45
при удовлетворительных показателях её изменчивости. С учетом полученных
результатов проведены исследования деформационных свойств 24 образцов
бетона и БФБ при сжатии и растяжении.
По результатам исследований предложены аналитические зависимости
E






( kbfb,
0 , kbfb , kbfbt , kbfb,u , kbfbt ,u , kbfb,m и kbfbt ,m соответственно), которые в
зависимости от количества базальтовой фибры µbf позволяют учитывать
10
увеличение модуля упругости БФБ Ebfb,0 до 23 %; прочности БФБ при сжатии
Rbfb до 51,2 % и при растяжении Rbfbt до 28,8 %; его предельных деформаций
при сжатии εbfb,u до 41 % и при растяжении εbfbt,u до 40 %; его максимальных
деформаций при сжатии εbfb,m до 79 % и при растяжении εbfbt,m до 56 % по
сравнению с бетоном без фибры. Для определения прочности БФБ Rbfb,d и Rbfbt,d
при длительности кратковременного динамического нагружения в диапазоне
t = 0,001…1 с предложены коэффициенты его динамического упрочнения при
сжатии kbfb,d и растяжении kbfbt,d, которые получены на основе статистической
обработки экспериментальных данных, представленных в работах
отечественных и зарубежных ученых, с учетом предложений Ю.М. Баженова
(рисунок 1).
Полученные результаты учтены при разработке нелинейной диаграммы
деформирования БФБ при кратковременном динамическом воздействии (см.
рисунок 1), в основу которой заложена дополненная аналитическая
зависимость в виде полинома пятой степени, предложенная В.Н. Байковым,
С.В. Горбатовым и З.А. Димитровым для описания статически нагруженного
бетона.
Рисунок 1 – Диаграмма нелинейного деформирования БФБ при кратковременном
динамическом нагружении с аналитическими зависимостями
11
В работе приведены результаты экспериментальных исследований влияния
базальтофибрового армирования на напряженно-деформированное состояние
9 железобетонных балок. Опытные балки имели длину пролета l0 = 1100 мм,
поперечное сечение шириной 65 мм и высотой 125 мм с арматурным стержнем
1Ø10 А400 в растянутой зоне. Изгибающая статическая нагрузка
прикладывалась в точках, отдаленных от опор на 0,45 l0. В результате
испытаний выявлен положительный эффект от базальтофибрового
армирования железобетонных балок, выраженный в увеличении прочности их
нормальных сечений на 28 % и момента образования трещин на 31 %, в
уменьшении ширины раскрытия нормальных трещин в 2–3 раза. В работе
bfb
предложен коэффициент kcrc
= 0,25 к определению базового расстояния
между трещинами в железобетонных элементах с базальтофибровым
армированием, использование которого значительно повышает точность
расчетов ширины раскрытия нормальных трещин acrc в таких конструкциях.
Экспериментально определены основные прочностные и деформационные
характеристики стеклокомпозитной арматуры (АСК) при растяжении без
учета и с учетом воздействия на них щелочной среды. Величина
сопротивления растяжению АСК составила Rf = 1280 МПа; модуль упругости
Ef = 60,5 ГПа, предельные относительные деформации при растяжении
εf = 0,0212. Сделан вывод об устойчивости АСК к воздействию щелочной
среды. Установлен упругий характер деформирования АСК без образования
пластических деформаций вплоть до её разрушения. На основе анализа
отечественных и зарубежных исследований прочности АСК при разных
скоростях нагружения в работе принят коэффициент динамического
упрочнения АСК при растяжении kf,d =1,15.
В результате статических испытаний 6 натурных изгибаемых бетонных
конструкций (балок, плит многопустотных и сплошных), армированных
стальными или АСК стержнями без предварительного напряжения (μs=4μf),
изучены особенности деформирования таких конструкций. Выявлены
характерные стадии деформирования таких конструкций при статическом
нагружении, которые условно можно описать двухлинейной диаграммой
«изгибающий момент–кривизна». Установлено, что их разрушение
сопровождается образованием зоны пластических деформаций сжатого бетона
в середине пролета и «выпрямлением» кривизны примыкающих к ней
«жестких дисков». По причине повышенных значений прогибов в изгибаемых
конструкциях с АСК рекомендуется повышать их жесткость путем
предварительного натяжения арматуры и модифицирования свойств бетона
(рисунок 2).
Для изгибаемых элементов с базальтофибровым и стержневым
стеклокомпозитным
армированием
(БФБ-АСК
элементов)
при
кратковременном динамическом воздействии уточнены предельные состояния
и способы их нормирования. Предложена расчетная диаграмма
деформирования БФБ-АСК элементов при кратковременном динамическом
воздействии (рисунок 3), которая включает в себя следующие стадии работы
конструкции, ограниченные соответствующими предельными состояниями:
1 – условно упругая стадия без нормальных трещин (предельное состояние 1а);
2 – условно упругая стадия с нормальными трещинами (1а’);
3 – пластическая стадия (1б); 4 – стадия снижения несущей способности (1в).
12
При этом стадии работы 1–4 характеризуются критериями (1) – (4)
соответственно:
M ( t )  M crc ,d ,   crc ,
(1)
M crc ,d  M ( t )  M ult ,d , crc    ult ,
(2)
M ( t )  M ult ,d , ult    max ,
(3)
M ult ,d  M ( t )  M w,d , max     w ,
(4)
а
б
в
Рисунок 2 – Испытания изгибаемых натурных бетонных конструкций с АСК статической
нагрузкой: а – программа испытаний; б – характерная схема деформирования и
трещинообразования; в – характерная схема разрушения конструкции с образованием
зоны пластических деформаций в сжатой зоне бетона
В неравенствах (1) – (4) и на рисунке 3 использованы следующие
обозначения:
χ – деформации, возникающие в БФБ-АСК элементе от действия изгибающего
момента M(t), вызванного внешней динамической нагрузкой, которые могут
быть выражены в виде величины прогибов, кривизн, углов раскрытия в
пластических зонах и пр.;
χcrc – деформации, возникающие в БФБ-АСК элементе от действия
изгибающего момента Mcrc,d при образовании нормальных трещин;
13
χult и χmax – деформации, возникающие в БФБ-АСК элементе от действия
изгибающего момента Mult,d, которым соответствует достижение предельных
εbfb,u и максимальных εbfb,m значений относительных деформаций в сжатой зоне
БФБ (см. рисунок 1);
χw – деформации, возникающие в БФБ-АСК элементе от действия
изгибающего момента Mw,d, соответствующие разрушению элемента.
Рисунок 3 – Расчетная диаграмма деформирования изгибаемых БФБ-АСК
элементов при кратковременном динамическом нагружении
В третьей главе рассмотрены численные и аналитические методы расчета
прочности и трещиностойкости нормальных сечений, а также
деформативности преднапряженных изгибаемых БФБ-АСК элементов при
кратковременном динамическом воздействии.
В работе приведены результаты численных исследований прочности плит
из бетона и БФБ в условиях ударно-волнового динамического нагружения.
Моделирование плит осуществлялось в полной трехмерной постановке в
разработанном Н.Т. Юговым, Н.Н. Беловым, А.А. Юговым программном
комплексе «РАНЕТ-3» (св-во о гос. рег-ции программы для ЭВМ
№ 2010611042) и с учетом установленных характеристик БФБ. В расчетах
использовалась математическая модель разрушения фибробетона при ударноволновом нагружении, где БФБ описывается моделью линейного упругого
тела вплоть до выполнения критерия прочности, а после – материал считается
разрушенным и его дальнейшее поведение описывается в рамках
гранулированной упругопластической среды. По результатам численных
расчетов была подтверждена эффективность применения базальтофибрового
армирования бетона, которая выражена повышенной прочностью и
энергопоглощением БФБ в сравнении с обычным бетоном при ударноволновом динамическом нагружении.
В работе также проведены численные динамические расчеты изгибаемых
БФБ-АСК элементов, выполненные методом конечных элементов в
трехмерной волновой постановке с применением программы «EFES 1.0»
(св-во № 2011615952), разработанной А.В. Радченко, П.А. Радченко и
С.П. Батуевым Данная программа позволяет проводить подробную оценку
14
напряженно-деформированного состояния сложных гетерогенных систем при
кратковременном динамическом нагружении с учетом анизотропных свойств
материалов. При описании поведения материалов в расчетах использована
математическая модель, учитывающая пластичность и разрушение
материалов.
Численная
модель
соответствовала
конструкции
экспериментальных балок (рисунок 4) и содержала 3,6×106 узлов и 15,3×106
конечных элементов тетраэдрической формы. Моделирование БФБ и АСК
проводилось с учетом установленных ранее зависимостей и характеристик.
Кратковременное динамическое воздействие принималось аналогичным
закону изменения нагрузки во времени, полученному при экспериментальных
исследованиях БФБ-АСК балок. Сравнение результатов эксперимента и
расчетов показало качественное сходство в схемах деформирования,
трещинообразования и разрушения балок, а также количественное совпадение
вычисленных и опытных величин их перемещений и возникающих в БФБ и
АСК элемента напряжений с разницей в пределах 15 %. Это свидетельствует
о возможности применения программы «EFES 1.0» для оценки напряженнодеформированного состояния нормальных сечений изгибаемых БФБ-АСК
элементов при кратковременном динамическом нагружении при решении
научно-исследовательских задач и прямых задач проектирования.
В диссертации рассмотрен аналитический метод расчета преднапряженной
БФБ-АСК балки при постепенно нарастающем и убывающем
кратковременном динамическом нагружении с применением положений
упругопластического расчета, с учетом рекомендаций Н.Н. Попова,
Б.С. Расторгуева, А.В. Забегаева и предложенной в работе диаграммы
деформирования изгибаемого БФБ-АСК элемента (см. рисунок 3).
Согласно данному методу для всех стадий работы БФБ-АСК элемента (см.
рисунок 3) рассматриваются уравнения его движения. Переход от стадии i к
i+1 осуществляется с учётом начальных условий, полученных из равенства
количества движения в конце стадии i и в начале стадии i+1 (i=1, 2, 3). В
стадиях 1 и 2 решение уравнений движения БФБ-АСК элемента проводится с
применением вариационного метода Бубнова – Галеркина. При этом
определяются искомые величины возникающих в элементе прогибов, кривизн,
деформаций, ускорений, скоростей и соответствующих им изгибающих
моментов от действия внешней кратковременной динамической нагрузки. В
стадиях 3 и 4 решение уравнений движения элемента производится
кинематическим методом предельного равновесия, в результате чего
определяются значения его максимальных прогибов, деформаций БФБ и АСК,
углов раскрытия пластических зон, которые сравниваются с предельными
значениями.
Проверка выполнения условий трещиностойкости (предельное состояние
1а) и прочности (1а’) нормальных сечений изгибаемых БФБ-АСК элементов
осуществляется путем сопоставления вычисленных в результате
аналитического расчета значений изгибающих моментов M(t) от действия
внешней динамической нагрузки, соответственно с величинами Mcrc,d и Mult,d,
полученными в результате расчета элемента по нелинейной деформационной
модели с учетом динамического упрочнения материалов.
В диссертационной работе рассмотрен метод расчета, реализующий
нелинейную деформационную модель и основанный на использовании
15
поверхностей относительного сопротивления нормальных сечений БФБ-АСК
элемента по трещиностойкости и прочности. Согласно данному методу
нормальное сечение разбивается по высоте на заданное количество слоев.
Процесс вычислений, охватывающий весь диапазон работы элемента,
разбивается на заданное количество этапов, на каждом из которых
вычисляются усредненные по слоям значения деформаций БФБ по всей
высоте нормального сечения элемента. Для каждого слоя по вычисленным
деформациям определяются соответствующие им усредненные напряжения на
основании принятых диаграмм деформирования БФБ и АСК и проводится их
послойное суммирование. В результате расчета определяются предельные
значения продольных усилий и изгибающих моментов, которые могут быть
восприняты нормальным сечением БФБ-АСК элемента во всем диапазоне его
работы. Данные усилия являются координатами, образующими границы
поверхностей сопротивления нормального сечения элемента
по
трещиностойкости и прочности во времени, которые могут быть представлены
в абсолютных или относительных значениях.
В работе используется описание продольных усилий N(t) и изгибающих
моментов M(t) в относительных величинах. За единичные параметры
назначены соответственно несущая способность нормального сечения бетона
или БФБ при сжатии и изгибе относительно его центра тяжести.
Условие трещиностойкости нормального сечения преднапряженного
изгибаемого АСК-БФБ элемента при кратковременном динамическом
воздействии, выраженное в относительных величинах, имеет вид
 m (t )   md ,crc ,
(6)
а условие прочности
 m (t )   md ,ult ,
(7)
 m (t )  8M (t ) / ( Rbfb, d bh 2 ) – относительный изгибающий момент,
где:
возникающий в нормальном сечении БФБ-АСК элемента от внешней
динамической нагрузки;
 md ,crc (t )  8M crc , d / ( Rbfb, d bh 2 ) – относительный
изгибающий
момент,
воспринимаемый нормальным сечением при образовании нормальных трещин
и определяемый с учетом теории ядровых моментов (А.А. Гвоздева,
С.А. Димитрова);
 md ,ult  8M ult , d / ( Rbfb, d bh 2 ) – относительный
предельный
изгибающий
момент, воспринимаемый нормальным сечением БФБ-АСК элемента.
Учет условий (6) и (7) позволяет получить границы поверхностей
относительного сопротивления по трещиностойкости и прочности во времени
для нормальных сечений БФБ-АСК элементов. При фиксированном значении
времени действия динамической нагрузки t поверхности сопротивления
принимают вид областей, которые ограничены предельными значениями по
трещиностойкости и прочности нормальных сечений БФБ-АСК элементов в
системе координат  m   n .
Представление внутренних усилий (M(t) и N(t)), возникающих в
нормальном сечении БФБ-АСК элемента от внешних динамических нагрузок,
в виде векторов с координатами во времени  m ,i (t ) и  n ,i (t ) позволяет
16
наглядно проводить оценку прочности и трещиностойкости нормальных
сечений изгибаемых БФБ-АСК элементов. Совместное использование
поверхностей сопротивления нормальных сечений БФБ-АСК элементов по
прочности и трещиностойкости позволяет определить соотношение усилий,
при которых элемент работает без образования нормальных трещин или с
ними. При этом проверка условий трещиностойкости и/или прочности
осуществляется путем наложения полученных векторов усилий от внешних
воздействий на соответствующую поверхность (область) сопротивления
нормального сечения БФБ-АСК элемента. Разность между предельными
значениями усилий (граница поверхности сопротивления) и вектором усилий
от внешней нагрузки является компонентами запаса трещиностойкости и/или
прочности.
Влияние усилий обжатия от предварительного напряжения АСК приводит
к смещению центра системы координат  m   n на величины  mp и  np с
образованием новой системы координат  m1   n1 . Это позволяет наглядно
оценить влияние предварительного обжатия на трещиностойкость
нормального сечения изгибаемого БФБ-АСК элемента и назначать его
величину в зависимости от решаемых задач. Здесь  np  N p / ( Rbfb , d bh) и
 mp  8 np  op – соответственно продольное усилие обжатия элемента,
приложенное на расстоянии  op  eop / h относительно центра тяжести
нормального сечения элемента, и создаваемый им изгибающий момент.
Разработанный метод расчета доведен до алгоритма расчета прочности и
трещиностойкости нормальных сечений обычных и преднапряженных
изгибаемых БФБ-АСК элементов, который реализует нелинейную
деформационную модель с применением областей относительного
сопротивления. Его применение позволяет наглядно проводить оценку
трещиностойкости и несущей способности нормальных сечений изгибаемых
БФБ-АСК элементов и решать практические задачи проектирования.
Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям
прочности, трещиностойкости и деформативности изгибаемых БФБ-АСК
элементов
с
варьированием
параметров
базальтофибрового
и
преднапряженного стержневого стеклокомпозитного армирования при
статическом и кратковременном динамическом нагружении (см. рисунок 4).
Балки с поперечным сечением прямоугольной формы шириной 100 мм и
высотой 200 мм имели длину 2200 мм (пролет 2000 мм) и армировались по
всей длине в растянутой зоне 2 Ø 6 АСК (μf = μfp = 0,28 %). В сжатой зоне
середины пролета балок стержневое армирование отсутствовало; приопорные
зоны балок усиливались вязаными каркасами, выполненными из арматуры
Ø 6 А240 и Ø 4 В500С. Базальтофибровое армирование балок осуществлялось
по всему их объему, при этом использовались предложенные в данной работе
состав (μbf = 0,5 %) и технология изготовления. Предварительное напряжение
АСК величиной 0,3 Rf и 0,45 Rf осуществлялось на специальном стенде по
разработанной методике, которая позволяет задавать необходимую величину
предварительного напряжения АСК и определять её потери.
17
Рисунок 4 – Программа экспериментальных исследований изгибаемых
БФБ-АСК элементов при статической и кратковременной динамической нагрузке
Испытания экспериментальных балок кратковременной динамической
нагрузкой проводились на специальном стенде по схеме однопролетной
шарнирно-опертой балки. Оригинальность конструкции испытательного
стенда и динамометрических опор, входящих в его состав, подтверждена
патентами РФ на полезную модель. Кратковременная динамическая нагрузка
создавалась при помощи свободно падающего груза. Статические испытания
балок проводились по аналогичной схеме, а нагружение создавалось с
применением гидравлического домкрата (рисунок 5). Проводилась
регистрация значений действующей нагрузки и возникающих от нее опорных
реакций, прогибов балок в середине и четвертях пролета, продольных
деформаций АСК и БФБ по высоте нормального сечения в середине пролета
балок, ширины раскрытия нормальных трещин. При статических испытаниях
применялась цифровая оптическая система измерения деформаций VIC-3D, с
помощью
которой
на
основе
анализа
корреляции
цифровых
стереоскопических изображений проведена качественная и количественная
оценка полей деформаций боковой грани БФБ-АСК балок.
а
б
Рисунок 5 – Общие виды испытаний изгибаемых БФБ-АСК элементов
статической нагрузкой (а) и кратковременной динамической нагрузкой на копровой
установке (б)
18
В результате проведенных испытаний установлено, что предварительное
напряжение АСК до 0,3Rf привело к уменьшению значений прогибов в
середине пролета изгибаемых бетонных элементов без фибры на 42 % и
увеличению момента образования нормальных трещин до 3 раз в сравнении с
аналогичными балками без предварительного напряжения.
Базальтофибровое армирование бетонных балок (μbf = 0,5 %) с АСК без
предварительного напряжения в сравнении с балками без фибры позволяет
увеличить значения изгибающего момента образования трещин до 71 % и
предельного изгибающего момента до 31 %; уменьшить значения прогиба в
середине пролета до 30 % и ширину раскрытия трещин до 2 раз.
Совместное
применение
базальтофибрового
(μbf = 0,5 %)
и
преднапряженного стеклокомпозитного армирования (σfp = 0,3Rf) позволяет
существенно увеличить жесткость и трещиностойкость изгибаемых БФБ-АСК
элементов при статическом нагружении. При этом наблюдается увеличение
прочности их нормальных сечений в 1,33 раза и момента образования
нормальных трещин в 3,75 раза; уменьшение ширины раскрытия нормальных
трещин до 2 раз в сравнении с аналогичными элементами без преднапряжения
и дисперсного армирования.
Анализ полученных с помощью VIC-3D изополей деформаций и показаний
тензорезисторов позволил установить, что распределение продольных
деформаций АСК и БФБ по высоте нормального сечения балок имеет вид,
близкий к линейному. Зафиксировано увеличение предельных деформаций
сжатого и растянутого БФБ в составе БФБ-АСК балок в сравнении с обычным
бетоном, что позволяет более эффективно использовать высокую прочность
АСК (рисунок 6).
Деформирование БФБ-АСК балок при кратковременном динамическом
нагружении
носило
колебательный
характер.
Особенности
их
трещинообразования и разрушения были изучены с применением
высокоскоростной камеры.
а
г
б
д
в
е
Рисунок 6 – Характерные изополя развития трещин и продольных деформаций БФБ
половины боковой грани БФБ-АСК балок с предварительным натяжением АСК
σfp = 0 (а – в) и σfp = 0,45 Rf (г – е) при значениях изгибающего момента:
а, г) 8,15 кН·м; б, д) 13,05 кН·м; в, е) 15,49 кН·м
19
Разрушение БФБ-АСК балок происходило по нормальному сечению,
имело хрупкий характер и сопровождалось непродолжительным образованием
участков пластических деформаций БФБ в сжатой зоне нормальных сечений
элемента.
Сопоставление результатов статических и динамических испытаний
показало увеличение прочности нормальных сечений БФБ-АСК балок при
кратковременном динамическом нагружении до 12,4 %, а также сходство
характера их трещинообразования и разрушения (рисунок 7).
а
б
Рисунок 7 – Характерные схемы трещинообразования и разрушения БФБ-АСК балок
при статическом (а) и кратковременном динамическом (б) нагружении
В пятой главе приведены результаты численных исследований прочности
и трещиностойкости нормальных сечений изгибаемых БФБ-АСК элементов
при кратковременном динамическом нагружении, а также проведено их
сопоставление с результатами расчетов по СП 295.1325800.2017 с учетом
динамического упрочнения материалов и экспериментальными данными.
Численные исследования проведены с применением авторской программы
BEAM-FRP-BF (св-во № 2017618522), в основу которой заложен
реализующий нелинейную деформационную модель разработанный алгоритм
расчета прочности и трещиностойкости нормальных сечений изгибаемых
БФБ-АСК элементов при кратковременном динамическом нагружении с
использованием поверхностей относительного сопротивления по прочности и
трещиностойкости. В данной программе для определения значений усилий от
внешней динамической нагрузки, наряду с рассмотренным в работе
аналитическим методом расчета, также могут использоваться результаты
численных динамических расчетов пространственных конечно-элементных
схем зданий и сооружений. При этом программа позволяет решать прямые и
обратные задачи проектирования с выводом результатов расчетов в
графическом или табличном виде.
Всего проведено более 70 численных расчетов для БФБ-АСК балок с
варьированием параметров базальтофибрового армирования μbf = 0…0,5 %,
параметров стержневого АСК армирования μfp = 0…0,78 %, величины
предварительного напряжения АСК σfp = 0…0,8 Rf,n и ее положения по высоте
нормального сечения a / h = 0…0,5. В результате расчетов выявлено влияние
данных параметров на прочность и трещиностойкость нормальных сечений
обычных и преднапряженных изгибаемых БФБ-АСК элементов при
кратковременном динамическом нагружении.
20
Сопоставление экспериментальных данных и результатов расчетов
показало, что метод расчета по нелинейной деформационной модели с учетом
реальных диаграмм деформирования БФБ и АСК позволяет проводить оценку
прочности и трещиностойкости нормальных сечений изгибаемых БФБ-АСК
элементов с расхождением ∆ в пределах 16,5 % в сторону запаса. В сравнении
с результатами расчетов балок по СП 295.1325800.2017 с учетом
динамического упрочнения материалов разработанный метод обладает
лучшей сходимостью результатов (см. таблицу).
Сопоставление результатов расчетов с экспериментальными данными
СП
Эксперимент
Метод автора
Образец
295.1325800.2017
(см. рисунок 4)
эксп
норм
 md ,ult
 md ,ult
 теор
∆, %
∆, %
md , ult
АСК.2.6.0.Б.Д
1,23
0,90
1,04
26,8
15,5
АСК.2.6.30.Б.Д
1,27
0,90
1,06
29,1
16,5
АСК.2.6.0.БФБ.Д
1,09
0,76
0,95
30,3
12,8
АСК.2.6.30.БФБ.Д
1,12
0,76
0,97
32,1
13,4
АСК.2.6.45.БФБ.Д
1,17
0,76
0,99
35,0
15,4
В приложениях к диссертации представлены полученные автором
патенты РФ на полезные модели, свидетельство о государственной
регистрации программы для ЭВМ и документы, подтверждающие внедрение
результатов исследований диссертационной работы.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1.
На основе обзора, систематизации и анализа результатов
теоретических и экспериментальных исследований уточнены предельные
состояния, способы их нормирования и предпосылки для расчета изгибаемых
бетонных элементов с базальтофибровым и стержневым композитным
армированием при кратковременном динамическом нагружении.
2.
Проведена статистическая обработка результатов испытаний 948
базальтофибробетонных образцов и предложены аналитические зависимости
нелинейных
диаграмм
деформирования
базальтофибробетона
при
статическом и кратковременном динамическом нагружении, которые
учитывают влияние процента базальтофибрового армирования и скорости
нагружения на его прочность и деформативность. При этом показано, что
использование разработанных автором технологических приемов для
изготовления базальтофибробетона с процентом базальтофибрового
армирования μbf = 0,5 % в сравнении с бетоном без фибры приводит к
увеличению модуля упругости последнего до 23 %; прочности при сжатии до
51,2 % и при растяжении до 28,8 %; предельных деформаций при сжатии до
41 % и при растяжении до 40 %; максимальных деформаций
базальтофибробетона при сжатии до 79 % и при растяжении до 56 %.
Экспериментально
определены
прочностные
и
деформационные
характеристики стеклокомпозитной арматуры при растяжении, установлен
упругий характер её деформирования во всем диапазоне нагружения.
3.
В результате испытаний натурных изгибаемых бетонных конструкций
(балки, сплошные и многопустотные плиты) со стеклокомпозитной арматурой
21
в растянутой зоне установлено, что их разрушение сопровождается
образованием участка пластических деформаций в сжатой зоне бетона. На
основе полученных в работе данных и обзора литературных источников
предложена расчетная диаграмма деформирования изгибаемых бетонных
элементов с базальтофибровым и стержневым стеклокомпозитным
армированием при кратковременном динамическом нагружении, которая
включает 4 стадии работы элемента: условно упругие стадии до (1) и после (2)
образования нормальных трещин, непродолжительное деформирование
конструкции в пластической стадии 3, а также стадию снижения несущей
способности 4.
4.
На основе нелинейной деформационной модели с использованием
областей относительного сопротивления разработан метод расчета прочности
и трещиностойкости нормальных сечений изгибаемых бетонных элементов с
базальтофибровым и стержневым стеклокомпозитным армированием.
Разработанный метод доведен до алгоритма и реализован в программном
продукте BEAM-FRP-BF, который позволяет с выводом результатов в
численной или графической форме решать прямые и обратные задачи
проектирования с возможностью варьирования формы поперечного сечения
элемента и параметров его фибрового и стержневого армирования. В
результате проведенных с применением программы BEAM-FRP-BF
численных исследований проведена оценка влияния различных вариантов
базальтофибрового и стержневого стеклокомпозитного армирования на
прочность и трещиностойкость изгибаемых бетонных элементов при
статическом и кратковременном динамическом воздействии.
5.
Разработана
программа
экспериментальных
исследований
изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и стержневым
стеклокомпозитным армированием при действии статического и
кратковременного динамического нагружения. Усовершенствована методика
испытаний изгибаемых элементов кратковременной динамической нагрузкой,
при реализации которой были созданы оригинальные конструкции
испытательного стенда и динамометрических опор, новизна которых
подтверждена двумя патентами РФ.
6.
Экспериментально получены новые данные, характеризующие
особенности деформирования, трещинообразования и разрушения таких
элементов в зависимости от величины усилия предварительного обжатия,
параметров базальтофибрового армирования и типа нагружения. Установлено,
что применение базальтофибрового и преднапряженного стеклокомпозитного
армирования позволяет существенно увеличить жесткость изгибаемых
бетонных элементов при статическом нагружении, их несущую способность в
1,33 раза и момент образования трещин в 3,75 раза в сравнении с бетонными
элементами без фибры и преднапряжения стеклокомпозитной арматуры.
Получено увеличение прочности их нормальных сечений при
кратковременном динамическом нагружении до 12,4 % в сравнении со
статическим.
7.
Выполненные
с
применением
разработанного
метода
сопоставительные расчеты опытных бетонных балок с базальтофибровым и
стержневым стеклокомпозитным армированием показали расхождение
результатов расчета в пределах 16,5 % в сторону запаса.
22
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящей работе рассмотрены вопросы оценки прочности и
трещиностойкости нормальных сечений изгибаемых бетонных элементов с
базальтофибровым и стержневым стеклокомпозитным армированием при
статическом
и
кратковременном
динамическом
воздействии.
Экспериментальные исследования изгибаемых бетонных элементов с
различными вариантами базальтофибрового и преднапряженного стержневого
стеклокомпозитного армирования позволили определить особенности их
деформирования, трещинообразования и разрушения при статическом и
кратковременном динамическом воздействии. Установлены физические и
теоретические предпосылки, а также предложен реализующий нелинейную
деформационную модель метод для расчета прочности и трещиностойкости
нормальных сечений изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и
стержневым стеклокомпозитным армированием при кратковременном
динамическом нагружении. Верификация данного метода расчета показала
удовлетворительную сходимость результатов расчета с экспериментальными
данными.
Перспективы дальнейшей разработки темы. Дальнейшее развитие
исследований может быть направлено на совершенствование методов расчета
прочности, трещиностойкости и жесткости изгибаемых бетонных элементов с
различными вариантами формы их поперечного сечения, параметров и видов
дисперсного и стержневого армирования, а также схем приложения
кратковременной динамической нагрузки.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи в журналах, включенных в перечень ВАК
1.
Модель динамического разрушения фибробетона / Н.Н. Белов,
Н.Т. Югов, Д.Г. Копаница, В.С. Плевков, А.А. Югов, В.В. Шашков,
К.Л. Кудяков, А.М. Устинов // Вестник ТГАСУ. – 2014. – №5 (46). – С 63–76.
2.
Совершенствование технологии изготовления базальтофибробетона с
повышенной однородностью / А.И. Кудяков, В.С. Плевков, К.Л. Кудяков,
А.В. Невский, А.С. Ушакова // Строительные материалы. – 2015. – №10 (730).
– С. 44–47.
3.
Плевков, В.С. Расчетные диаграммы нелинейного деформирования
базальтофибробетона при статических и кратковременных динамических
воздействиях / В.С. Плевков, С.Н. Колупаева, К.Л. Кудяков // Вестник
ТГАСУ. – 2016. – №3 (56). – С. 95–110.
4.
Прочность и деформативность арматуры композитной полимерной
при статическом и кратковременном динамическом растяжении и сжатии /
В.С. Плевков, И.В. Балдин, К.Л. Кудяков, А.В. Невский // Вестник ТГАСУ.
– 2016. – №5 (58). – С. 91–101.
Статьи в изданиях, индексируемых в «Web of Science» и «SCOPUS»
5.
Kudyakov, K.L. Strength and deformability of concrete beams reinforced
by non-metallic fiber and composite rebar / K.L. Kudyakov, V.S. Plevkov,
A.V. Nevsky // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2015. Vol. 71.
6 p. DOI:10.1088/1757-899X/71/1/012030.
23
6.
Heavyweight cement concrete with high stability of strength parameters /
K.L. Kudyakov, A.V. Nevsky, I.D. Danke, A.I. Kudyakov, V.A. Kudyakov //AIP
Conference Proceedings. 2016. Vol. 1698. 5 p. DOI:10.1063/1.4937874.
7.
Experimental and numerical investigation of concrete structures with metal
and non-metal reinforcement at impulse loadings / P.A. Radchenko, S.P. Batuev,
A.V. Radchenko, V.S. Plevkov, K.L. Kudyakov // IOP Conf. Series: Journal of
Physics. 2016. Vol. 774. 7 p. DOI:10.1088/1742-6596/774/1/012065.
8.
Mechanical properties of composite rebar under static and short-term
dynamic loading / V.S. Plevkov, I.V. Baldin, K.L. Kudyakov, A.V. Nevskii // AIP
Conference Proceedings. – 2017. – Vol. 1800, 040018. 5 p. DOI: 10.1063/1.4973059.
Патенты на изобретения и полезные модели
9.
Пат. 156561 Российская Федерация. Устройство для измерения
опорных реакций / В.С. Плевков, Г.И. Однокопылов, К.Л. Кудяков,
А.В. Невский, Н.В. Мещеулов, Д.Р. Галяутдинов. – № 2014113500; заявл.
16.06.2015; опубл. 10.11.2015, Бюл. № 31.
10.
Пат. 158496 Российская Федерация. Стенд для динамических
испытаний изгибаемых железобетонных элементов / В.С. Плевков,
Г.И. Однокопылов,
К.Л. Кудяков,
А.В. Невский,
Н.В. Мещеулов,
Д.Р. Галяутдинов. – № 2015134838; заявл. 18.08.2015; опубл. 10.01.2016,
Бюл. № 1.
11.
Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ
№ 2017618522 (RU). Расчет прочности и трещиностойкости нормальных
сечений
преднапряженных
бетонных
конструкций,
армированных
базальтовой фиброй и композитными стержнями, на основе деформационной
модели (BEAM-FRP-BF) / В.С. Плевков, И.В. Балдин, К.Л. Кудяков.
– № 2017615779; заявл. 19.05.2017; опубл. 03.08.2017.
Статьи в других печатных изданиях
12.
Кудяков, К.Л. Технология изготовления конструкционного бетона с
базальтовыми волокнами / К.Л. Кудяков // V Международный семинарконкурс молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих
веществ, бетонов и сухих смесей: сборник докладов. – СПб.: Изд-во
«АлитИнформ», 2015. – С. 108–113.
13.
Прочность и деформативность бетонных конструкций с
неметаллическим дисперсным и композитным стержневым армированием /
В.С. Плевков, И.В. Балдин, П.А. Радченко, К.Л. Кудяков, А.В. Невский //
Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения: материалы
международных академических чтений. – Курск, 2014. – С. 108–113.
14.
Кудяков, К.Л. Исследование прочности и деформативности
изгибаемых
бетонных
элементов,
армированных
стальными
и
стеклопластиковыми стержнями, при статическом нагружении /
К.Л. Кудяков, В.С. Плевков // Перспективные материалы в строительстве и
технике (ПМСТ-2014). Материалы Международной научной конференции
молодых ученых. – Томск: ТГАСУ, 2014. – С. 301–306.
Подписано в печать 06.07.2018. Формат 60×84.
Бумага офсет. Гарнитура Таймс. Уч.-изд. л. 1,15.
Тираж 130 экз. Заказ № 122.
Изд-во ФГБОУ ВО «ТГАСУ», 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2.
Отпечатано с оригинал-макета автора в ООП ФГБОУ ВО «ТГАСУ».
634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа