Шб'Я
A.A. Шилин
B.A. Пшеничный
Д.В. Картузов
ЖЖсиление
^КЕПЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИЦИОННЫМИ
МАТЕРИАЛАМИ
Лидский колледж БИБЛИОТЕКА
г.Лида, ул.Ссветсная, 18
МОСКВА ОАО «ИЗДАТЕЛЬСТВО «СТРОЙИЗДАТ» 2004
УДК 624 ьБК 38.683
IIJ 58
Рецензент ы
Проф докт гехн наук В В. Козлов, зав. кафедрой «Строительные материалы» Московскою государственного строительного университета, проф докт гехн наук В А. Клевцов, зав. лабораторией железобетонных конструкций и контроля качества НИИЖБ
Шилии А.А. и др. Усиление железобетонных конструкций композиционными магериаламим / А.А. Шилин. В А Пшеничный, Д.В. Карту юв. М ОАО «Издательство «С1ройизда1». 2004	144 с.: ил.
ISBN 5-274-01909-9
Изложены основы проектирования и технологии усиления железобетонных конструкций современными композиционными материалами на основе углеродных, арамидных и стекловолокон. Даны основные положения г.о проектированию усиления изгибаемых железобетонных конструкций по первой и второй группам предельных состояний. Приведена технология усиления железобетонных копстру к-ций композиционными материалами нового поколения Рассмотрены вопросы качества выполнения работ, требования к исходным материалам и условиям проведения работ по усилению, а также требования по обязательному мониторингу усиливаемой конструкции Проанализирован опыт работы ЗАО «Трид та-Холдинг» пс усилению железобетонных конструкций композиционными материалами.
Для специалистов в области проектирования ремонта и реконструкции зданий и инженерных сооружений.
ББК 38.683
ISBN 5-274-01909-9
© ОАО «Издательство «Стройиздат», 2064 ©А.А. Шилин, В.А. Пшеничный,
Д.В. Картузов. 2004
Шилш Андрей Александрович — доктор технических наук, профессор кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» Московского государственного горного университета (МГТУ), генеральный дцэектор ЗАО «Триада-Холдинг».
Пикми-мый Валерий Александрович — кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» МТУ, главный специалист ЗАО «Триада-Холдинг».
Картузов Дмитрий Валерьевич — кандидат технических наук, главный инженер проектов ЗАО «Триада-Холдинг»
ПРЕДИСЛОВИЕ
Надежность и долговечность инженерных сооружений во многом определяются условиями их эксплуатации, своевременным и качественным проведением работ по ремонту и усилению. В процессе эксплуатации строительных конструкций нередко возникает их деформация из-за снижения несущей способности сечения конструкции вследствие коррозии арматуры и разрушения бетона. Помимо восстановления первоначальной несущей способности, может возникнуть необходимость увеличения нагрузки на действующее сооружение или изменения его расчетной схемы. Потребность в ремонтных работах постоянно возрастает. Достаточно сказать, что в настоящее время в развитых странах инвестиции в новое строительство и ремонт зданий и сооружений (зачастую связанный с восстановлением первоначальной несущей способности конструкции или ее усилением) сопоставимы по объему.
Основными способами усиления конструкций являлись увеличение их сечения за счет присоединения к ним новых элементов, разгрузка конструкций, введение затяжек и шпренгелей с созданием предварительного напряжения и устройство дублирующих элементов. В середине XX века распространенным способом усиления железобетонных конструкций стало присоединение к ним стальных пластин в зоне растягивающих напряжений. Крепление их осуществлялось с помощью анкерных устройств или приклеивания. Несмотря на все кажущиеся достоинства этого способа усиления по сравнению с традиционными ему были присущи такие недостатки, как большой вес конструкции усиления, трудоемкость монтажа, особенно необходимость поддержания стальной пластины во время приклеивания и набирания клеящим составом необходимой прочности, практическая невозможность усиления сложных составных поверхностей.
Предисловие
5
Вместе с тем, параллельно, в течение многих десятилетий, в аэрокосмической и авиационной промышленности применялись компо-шционные материалы, армированные углеродным, арамидным, поли эфирным и стекловолокнами. Их несомненными преимуществами являются высокие прочность и модуль упругости, малый вес, технологичность, невосприимчивость к агрессивным внешним факторам, способность повторять практически любые формы конструкции, выносливость и другие факт оры.
Таким образом, композиционные материалы обладают теми дос-юинствами, которых лишены стальные пластины. В строительстве они имели ограниченную область применения, главным образом в конструкциях, эксплуатируемых в условиях прямого воздействия агрессивной среды. В восьмидесятые годы в мировой практике компо-шционные материалы стали применяться и для усиления строительных конструкций, что сразу же выявило их преимущество по сравнению со стальными пластинами. Достоинствами композиционных материалов являются также легкость транспортировки и изготовления усиливающих элементов необходимых размеров на месте выполнения работ, возможность усиления поверхностей с различной криви гной, непрерывн<х?гь эксплуатации сооружения во время проведения работ по усилению, что особенно важно для мостовых и других конст рукций, испытывающих постоянные технологические нагрузки, поскольку даже временные перерывы в процессе их эксплуатации приводят к серьезным финансовым потерям.
В целях усиления конструкций в строительстве композиционные материалы стати применяться в основном в виде ламинатов (полос материала определенной длины, ширины и толщины) и холстовых материалов различного плетения. Все эти материалы также выпускаются на основе углеродных, арамидных, полиэфирных и стекловолоконных нитей (фибры).
В настоящее время композиционные материагы с фиброй (КМФ) широко используются в мировой практике для усиления и ремонта строительных конструкций зданий и инженерных сооружений, мостовых конструкций, обделок тоннелей, памятников архитектуры.
В России начиная с 2000 г. ЗАО «Триада - Холдинг» с помощью КМФ были выполнены работы по ремонту и усилению железобетонных конструкций причала N9 Новороссийского морского тортовою порта, ферм покрытия цеха домостроения Подольского
6
Усиление Железобетонных конструкции композициошыми материалами
ДСК, ребристых плит ДСК 1 и коллекторного тоннеля по улице Ве-лозаводской, конструкций путепровода через МОЖД по улице Шарикоподшипниковской г. Москва, восстановлению связей Собора Василия Блаженного, ремонт и усиление других строительных объектов.
Накопленный мировой и отечественный опыт применения композиционных материалов для усиления строительных конструкций показывает, что во всех случаях усиленные конструкции находятся в эксплуатационном состоянии и отказа внешней арматуры из КМФ не наблюдается. Это вызывает быстрый рост применения композиционных материалов для ремонта и усиления строительных конструкций различных инженерных сооружений.
К сожалению, отсутствуют государственные нормы и правила проектирования усиления строительных конструкций композиционными материалами и производства работ с ними не только в России, но и за рубежом. Количество независимых рекомендаций по этой тематике также незначительно. Так как спектр применения композиционных материалов для усиления очень велик, в данной работе рассмотрены вопросы проектирования усиления только железобетонных конструкций как наиболее распространенных в строительстве.
Необходимо отметить, что капитальный ремонт и усиление железобетонных конструкций невозможно проводить без тщательной диагностики существующего сооружения или его отдельных узлов, выполнения предварительного и детального обследования. Причем в случае усиления конструкции композиционными материалами ее диагностика и последующий анализ напряженно-деформированного состояния играют ключевую роль при принятии решения об усилении. Выполнение диагностики необходимо для определения реальных геометрических параметров конструкции, фактических свойств ее материалов и их распределения по сечению. Диагностика железобетонной конструкции позволяет не только выявить степень се износа, но и определить причины этого явления. Все это возможно выполнить с помощью современных приборов для диагностики и неразрушающего контроля строительных материгитов и конструкций.
На современном этапе развития науки и техники ведущей концепцией повышения надежности строительных конструкций является системный подход, охватывающий весь жизненный цикл любого инженерного сооружения: проектирование, строительство, эксп
Предисловие
7
луатация, включая мониторинг его текущего состояния, проведение диагностических исследований перед усилением (ремонтом), выполнение проектных работ по ремонту, собственно технологические операции по ремонту и усилению с последующим контролем качества выполненных работ.
Комплекс диагностических обследований железобетонных конструкций позволяет провести анализ их эксплуатационного состояния и несущей способности, выяснить время ремонта и оценить ожидаемый срок службы конструкции без ремонта и принять обоснованное решение о ее ремонте и усилении. При этом диагностика строительной конструкции и проектирование ее ремонта или усиления тесно взаимосвязаны и должны рассматриваться как элементы единой системы обеспечения надежности ее дальнейшей эксплуатации. Перед началом обследования инженер-проектировщик должен указать, какие именно свойства конструкции и в каком именно ее месте необходимы ему для разработки проектных решений. В процессе проектирования может возникнуть необходимость в уточнении или проведении более детальных диагностических исследований по установлению какого-либо специального показателя свойств шемента конструкции, чтобы в дальнейшем исключить возможность отказа усиленной конструкции из-за ошибок проектирования.
В процессе производства ремонтных работ диагностика должна контролировать прочность и качество строительной конструкции, адгезию к ней композиционного материала усиления, температурно-влажностный режим и многие другие параметры.
В последние годы проблеме обеспечения надежности строитель-шах конструкций и связанными с этим вопросами их диагностики и усиления уделяется значительное внимание как российскими, так и ««рубежными исследователями. Вместе с тем в отечественной литературе до настоящего времени практически нет обобщающих пуб-шкаций по усилению строительных конструкций высококачественными композиционными материалами нового поколения. В настоящей книге авторами изложено их мнение, основанное на обширной практике по проектированию и технологии усиления железобетонных конструкций современными композиционными материалами.
Книга написана под редакцией А.А. Шилина. Глава 1 написана А.А. Шилиным, главы 2 и 4 — В.А. Пшеничным, глава 3 — Д.В. Картузовым при участии В.А. Пшеничного, глава 5 — А.А. Шипи-ным и Д.В. Картузовым.
II. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ УСИЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
1.1.	СПОСОБЫ УСИЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ
Под усилением строительной конструкции понимается комплекс мероприятий, направленных на повышение ее несущей способности, жесткости, трсщиностойкости и других показателей качества. необходимых по условиям ее дальнейшей эксплуатации. Потребность в усилении строительных конструкций может быть вызвана следующими основными факторами:
•	увеличением расчетных нагрузок на конструкцию, вызванным модернизацией технологии производства, изменением функционального назначения помещений здания или инженерного сооружения. увеличением пропускной способности, а следовательно, и подвижной временной нагрузки, например, на мостовую конструкцию;
•	потерей несущей способности конструкции или ее эксплуатационных качеств вследствие аварии, физического износа, коррозии арматуры или агрессивного воздействия внешней среды;
•	изменением габаритов зданий и сооружений, внутренних помещений, пролетов, высот, шага колонн и т. д.;
•	необходимостью увеличения несущей способности конструкции дополнительным армированием вследствие ошибок при ее проектировании, изготовлении, транспортировке, монтаже и эксплуатации,
•	выявлением при обследовании и диазностике неблагоприятных качеств материалов конструкции или изменением ее расчетной схемы и условий эксплуатации по сравнению с проектными;
•	особыми условиями эксплуатации: сейсмические природные и техногенные воздействия (землетрясения, пожары, катастрофы, взрывы и т. д.).
I. Оснооные положения усиления Железобетонных конструкций
9
Как следует из перечисленного, в большинстве случаев усиление конструкции сопровождается ее предварительным ремонтом. Основные способы усиления строительных конструкции достаточно подробно описаны в научно-технической литературе [1 5] Наиболее распространенными в мировой практике способами уси-(сния являются: увеличение площади поперечного сечения элемен-ia конструкции, применение полимербетонных композиционных материалов, предварительное напряжение наружными прядями, установка дублирующих элементов, изменение расчетных и геометрических схем конструкций и установка стальных пластин, имеющих сцепление с бетоном
Увеличение площади поперечного сечения желе-зобе тонного элемента является одним из известных старейших методов усиления строительных конструкций. Суть ею заключается в присоединении дополнительного количества железобетона к несущему элементу конструкции, уже находящейся в эксплуатации. Добавленный материал должен иметь зребусмое сцепление со старым бетоном для образования единой несущей системы Для увеличения сечения конструкции на небольшую толщину используются специальный строительный раствор или торкретбетон, наносимые на усиливаемую поверхность вручную либо методом набрызга Наиболее широкое применение данный способ нашел в теплоэнергетике, гидроэнергетике, а также транспортном строительст ве при восстановительном ремонте и усилении плит дорожного покрытия мостов Причем ощутимая выгода от увеличения высоты сечения при укладке поверх имеющейся плиты дорожного полотна дополнительного слоя износа возможна только в случае совместной работы этих слоев как единого целого вплоть до достижения предельного состояния Хорошее сцепление между слоями позволяет воспринимать сдвшающие нагрузки между ними в течение заданного срока службы
Метод увеличения площади поперечного сечения элемента относительно прост и экономичен Кроме того он в любом случае повышает жесткость усиливаемой конструкции и. следовательно, снижает гибкость, что для сжатых и сжато-изогнутых элементов имеет немаловажное значение Недостатком этог о метода является остающаяся возможность дальнейшей коррозии арматуры и ра зру-шения бе гона Старый и новый бетоны обладают различными свойствами. в том числе деформационными характеристиками (в новом
10
Усиление Железобетонных конструкций композицис*«ыми материалами
бетоне протекают процессы ползучести и усадки) В условиях oipa-пичения свободы деформаций это вызывает дополнительные растягивающие напряжения, приводящие к образованию и развитию трещин в новом бетоне Данное обстоятельство может привести к отслоению нового бетона от существующей конструкции
Усиление строиieявных конструкций полимербетонными композиционными материалами в сущности, также основано на увеличении площади поперечного сечения элемента. Впервые он был применен в 1953 г. для усиления дорожтюг о полотна в г. Сакраменто (Калифорния) Полимербетонныс композиционные материалы можно классифицировать следующим образом
•	полимерцементный бетон, изготавливаемый путем добавления полимеров или мономера в обычный свежеприготовленный цемент в процессе перемешивания;
•	бегонопотимер. изготавливаемый путем пропитки полимером или мономером затвердевшего бетона на основе цемента,
•	полимербетон, изготавпиваемыи путем смешивания полимерной смолы или мономера, выполняющих функции вяжущего, с заполнителем.
Полимербетонныс композиционные материалы широко применяются для ремонт и усиления железобетонных конструкций, особенно в условиях агрессивной внешней среды. Это объясняется их сравнительно высокой прочностью, низкой проницаемостью, изно-стойкостыо и стойкостью к воздействию многих химических факторов. К недостаткам полимербстонных композиционных материалов можно отнести' низкую огнестойкость; изменение свойств при воздействии ультрафиолетового излучения; возможное трешинообра-зовапие при изменении объема в условиях ограничения свободы те-формаций. Физико-механические свойства mix материалов восприимчивы к температурным колебаниям. При высоких температурах они развивают значительные деформации гюзгзучести.
Предварительное напряжение наружными прядями использовалось в строительной практике уже в 50-х годах прошлого столетия В настоящее время этот способ широко применяется для усиления железобетонных конструкций в России США, Швейцарии, Японии и других странах Особенно эффективно применение предварительного напряжения наружными прядями для уменьшения недопустимых прогибов конструкции.
। СХновнь»е положения усиления Железобетонных конструкции
11
Данный способ усиления может применяться как на внутренней поверхности балок коробчатого сечения, гак и на внешней pact янутой стороне двутавровых балок мостовых конструкции Он повышает несущую способность конструкции и препятствует тре-щинообразованию
К достоинствам способа усиления предвари тельным напряжением наружными прядями можно отнести
•	простую технологию производства работ по усилению.
•	возможность замены напрягаемых пучков или прядей в любой момент времени;
•	возможность последующего мониторинга усиленной конструкции в течение всего периода эксплуатации с помощью неразрушающих методов контроля
К недостаткам способа следует отнести
•	коррозию металла наружных прядей;
•	низкую огнестойкость;
•	незащищенность от актов вандали зма.
Защита предварительно напряженных наружных прядей от агрессивного воздействия внешней среды и огня обычно осущест вляется нанесением защитной оболочки из торкретбетона
Суть усиления строительных конструкций постановкой полирующих элементов заключается в их установке рядом или в промежутке между существующими конструкциями. Дублирующие элементы разгружают несущие и воспринимают всю или часть расчетной нагрузки При этом необходимо предусмотрен» мероприятия по включению их в работу совместно с усиливаемой конструкцией. Обычно это достигается установкой дополнительных связей ил и поддомкрачиванием пли г перекрытия с заведением в зазоры между плитами гг дублирующими элементами клиновых прокладок, через которые после снятия домкратов передаются нагрузки от плит перекрытия Достоинствами данно! о способа усиления являются его простота и включение в работу непосредственно после выполнения работ. Недостатком является ограниченная область применения.
Изменение расчетных и геометрических схем конструкций г'Ычно используется для превращения однопролстных схем в многопролетные. Зак. ряд однопролетных подкрановых балок можно соединить на опорах накладками и создать неразрезные балки, рас
1 2
Усиление Железобетонных консг^эукц,—। композиции ь ылли материала ми
четные усилия в которых от тех же криновых нагрузок будут меньше на 30 40 % Этот способ целесообразно применять при замене кранов на более мощные и недостаточной несущей способности однопролетных подкрановых балок.
Способ усиления железобетонных конструкций с помощью стальных плас। ин, имеющих сцепление с бетоном, был разработан в начале О0-х годов XX в в Германии и Швейцарии. Стальные пластины прикрепляются к бетонной поверхности с помощью эпоксидного клеящего состава, за счет чего создается трехкомпонентная система «бет он клеящий состав стальная пластина».
Стальные пластины, приклеиваемые к растянутой грани железобетонных элементов, увеличивают их сопротивление изгибу и повышают изгибную жесткость балок, что приводит к уменьшению прогибов. Эффективность усиления стальными пластинами методом приклеивания зависит от соблюдения трех важных условий.
•	склеиваемые поверхности должны находиться в чистом, хороню подготовленном, ровном состоянии;
•	адгезив должен обладать как минимум такой же прочностью на растяжение и сдвиг, как и бетон (возможное разрушение конструкции должно происходить по бетону) и быть пригодным к эксплуатации в преобладающих для данного объекта условиях окружающей среды,
•	для предог врат пения хру пкого разрушения пластины и ее отслоения от усиливаемой конструкции пластины должны быть тонкими и длинными.
Для усиления используются пластины из низкоуглеродистой стали, хотя по своим свойствам она подвержена опасности коррозии. Это обстоятельство гребует дополнительного эксплуатационного ухода и текущего ремонта конструкции
По принципу действия усиление стальными пластинами схоже с усилением железобетонных конструкций композиционными материалами, полому сравнительные достоинства и недостатки этих способов будут рассмотрены далее.
В конце 80-х годов XX в. в мировой практике широкое распространение получил способ усиления строительных конструкций внешним армированием с применением полимерных композиционных материапов на основе углеродных, арамидных, полиэфирных и стекловолокон Усиление строительных конструкций ком
1. Основные положения усиления Железобетонных конструкции
13
позиционными материалами заключается в приклеивании последних на специально подготовленную поверхность железобетонных конструкций, что придает им необходимую прочность практически без увеличения веса. Но, как справедливо замечено в [I], разработка любого усиления инженерных конструкций сопряжена с трудностями, отсутствующими при новом строительстве. Уже говорилось о недостаточной разработанности инструктивно-нормативной документации по проектированию и производству работ по усилению строительных конструкций. Возможны несоответствия физико-механических свойств и типоразмеров усиливаемых kohciрукций, из1 отовленных ранее и применяемых в настоящее время. Имеется определенная стесненность выполнения работ по усилению конструкций, иногда сложно обеспечить безопасность выполнения работ.
В общем виде блок-схема комплексного выполнения работ по диагностике, ремонту и усилению железобетонных конструкций представлена на рис 1.1. Ключевым пунктом блок-схемы является принятие решения об усилении конструкции на основании детальною инженерною анализа ее текущего эксплуатационного состояния На этом этапе инженеру-проектировщику необходимо ответить на следующие основные вопросы:
•	Действительно ли произошло значительное снижение несущей способности конструкции вследствие коррозии арматуры и деструкции бет она9
•	Предполагается ли существенное увеличение nai рузки на существующую строительную конструкцию?
•	Каков возраст строительной конструкции и имеет ли она историческую ценность?
•	Существенен ли остаточный срок службы конструкции и предполагается ли его увеличение после ремонта и усиления?
•	Насколько значительными будут затраты на ремонт и усиление конструкции по сравнению с ее полной заменой в изменяющихся условиях эксплуатации?
•	Возможно ли применение других технических решений по обеспечению эксплуатационной надежности строительной конст-Р> кции?
Основными факторами, влияющими на принятие решения об усилении, являются причины и степень коррозионного поврежде-
14
Усиление Железобетонных конструкций композиционными материалами
1. Основные положения усиления Железобетонных конструкции
1 5
нпя материала конструкции, выявленные в процессе се обследования н '.иагностики. распределение этих повреждений по объему конструкции. Анализ этих факторов предонрегслясг нсрвоочсрс т-ные меры по защите и лечению элементов строительной конструкции с целью последующего проведения работ по ее усилению
Все решения по ремонту и усилению конструкций в каждом конкретном случае являются индивидуальными, имеющими свою специфику Однако существуют и общие, обычно используемые рекомендации по ремонту и усилению. Так, ремонт обычно включает в себя ннъек г ирование трещин в бетоне, очис тку поврежденных участков конструкции, защиту арматурного каркаса, нанесение праймера на бетон и арматуру, нанесение ремон г него состава и т. д Все эти работы направлены на восстановление первоначальной или сохранение существующей несущей способности конструкции. Только после качественного выполнения ремонтных работ можно производить усиление конструкции
Основными областями усиления железобетонных тлементов композиционными материалами на основе фибры (КМФ) по условиям работы конструкции являются
•	увеличение несущей способности изгибаемой железобетонной балки или плиты путем приклеивания композиционного материала в растянугой зоне сечения;
•	увеличение несущей способности сечения балок на действие поперечной силы установкой КМФ на приопорных участках конструкции, где cymeciвуег риск возникновения и развития наклон пых трещин.
•	увеличение несущей способности внецситренно сжатых колонн приклеиванием КМФ по периметру конструкции (охватывающее усиление).
Как уже отмечалось, наиболее близким по области и условиям применения усилению композиционными материалами является широко и успешно применяемое уже более полувека усиление железобетонных конструкций стальными пластинами В пой связи целесообразно рассмотреть преимущества и недостатки каждого из этих способов усиления.
Композиционные материалы на основе углеродных (КМФУ), арамидных (КМФА) и стекловолокон (КМФС) имеют гораздо более высокую прочность на растяжение, чем применяемая арматур-
16
Усиление Железобетонных конструкции композиционными материалами
а. ГПа ।
6 ф
КМФ<
КМФУ
КМФЛ
Хрхитрния cia и.
Рис 12 Диаграмме «идпряжс-нис-деформация» для различных пшов КМФ и
армазурпой стали
ная сталь (рис I 2). причем их удельный вес в 4- 5 раз меньше, чем у стали Октода вытекает немаловажное .для практических целей преимущество КМФ над стальными пластинами по соотношению «прочность/вес». Низкий вес композиционного материала делает его установку и присоединение к усиливаемой конструкции гораздо более прост ым и легким по сравнению со стальными пластинами. Это особенно важно при усилении железобетонных конструкции в стесненных условиях например, в подземных сооружениях, технических помещениях зданий и на большой высоте (трубы, градирни, мостовые фермы) 11ри усилении нижних частей пролетных строении мостов, а также главных и второстепенных балок зданий и сооружении стальными пластинами последние необходимо поддерживать довольно длительное время во время приклеивания и набирания клеящим составом проектной прочност и во и збежание их преждевременного отслоения от усиливаемой конструкции Этот процесс является весьма трудоемким, требующим использования различных приспособлений и дополнительных конструкций. Во время его выполнения также ухудшается безопасность строительных работ Все ли сложности преодолимы при использовании КМФ В большинстве случаев не требуется применение специальных анкерных устройств для поддержания усиливающей конструкции во время монтажа, что способствует сохранению прочности се сечения При этом нс повреждаются бетон и арматура существующей конструкции.
1. Основные положения усиления Железобетонных конструкций
1 7
Композиционные материалы изготавливаются и используются в практике усиления строительных конструкций в виде гент или холстов любой требуемой длины, а длина стальных пластин из-за сложности выполнения монтажных работ в основном ограничена 6 м. Возможность использования материала усиления большой длины и 1 ибкости приводит к упрощению технологии работ и имеет следующие преимущества:
I)	композиционные материалы легко поддаются преднапря-жению;
2)	отпадает необходимость в дополнительных местах соедине-
ния материала усиления
3)	материал можно использовать для усиления любых по форме железобетонных конструкций, так как в силу своей гибкости он будет повторять их очертание;
4)	композиционные материалы можно применять для усиления конструкций с любым радиусом кривизны, вплоть до круглых;
5)	технологический процесс допускает установку композици-<• ониою материала без остановки жсплуатации усиливаемого со-
У ору жсния,
6)	малая толщина полос композиционного материала (до 1.5 -2.0 мм) позволяет устанавливать их одновременно в двух направлениях для увеличения несущей способности конструкции
Составляющие композиционною материала (волокна и отверждающий полимер) являются долговечными и обладают хорошей выносливост ыо. В процессе эксплуатации они не требуют дополнит ель-пых мероприятии по защите от воздействия агрессивной внешней среды. В случае возникновения непредвиденной эксплуатационной ситуации они легко ремонтируются и усиливаются установкой еще
одного дополнительного слоя композиционного материала
Учитывая все эти факторы, можно сказать, что усиление строительных конструкций композиционными материалами является
менее трудоемким и энергозатрат ным процессом по сравнению со всеми другими аналогичными способами усиления Эю обстоя-
тельегво имеет немаловажное значение при ремонте и усилении многих конст рукций. например, мостовых на автодорожных и желе знодорожггых магистралях, когда их отказ (временное прекращение эксплуатации) во время проведения ремонтных работ приводит к значительны
2-5211
Всем
БИБЛИОТЕКА f Лида, ул.Советская, 18
этим можно
18
Усиление Железобетонных конструкции композиционными материалами
объяснить расширяющийся объем применения усиления строительных конструкции композиционными материалами в мире Австрии Бельгии. Великобритании, Германии, Канаде. Польше. США. Франции. Чехии. Японии и других странах. В Швейцарии они применяются уже в более чем ХО % случаев усиления всех строительных конструкций
Основными недостатками внешнего усиления строительным конструкций КМФ являются возможные риски отказа oi пожара, вандализма и случайных повреждений незащищенной! конструкции Потому при проектировании усиления необходимо учитывать, чго наиболее благоприятным случаем зкеплуагации конструкции после усиления будет восприятие усиливающим элементом из КМФ всей временной нагрузки (кратковременной и длительной). а постоянную нагрузку, особенно от собственного веса, будет воспринимать усиливаемая конструкция Эго положение играет важную роль при усилении мостовых конструкций. Композиционные материалы можно защищать как от вандализма, так и от пожара нанесением специальных покрытий Одним из таких покрытий может быть состав «Барьер», разработанный НИИЖБ и ЗАО « Гриада -Холдин!». Он обладает высокой прочностью на сжатие до 9Х МПа, обеспечивает защиту от пожара, хорошо поддается заглаживанию и отделке.
Опыт длительной эксплуатации строительных конструкций., усиленных КМФ, пока невелик (чуть более 30 лет), что также необходимо учитывать при проектировании усиления конструкций с дли тельным сроком службы. Вместе с тем, конструкции, усиленные стальными пластинами, в том числе в подводных условиях, успешно эксплуатируются уже более 40 лет. Это, несомненно, говорит о долговечности как самих ма^риалов, так и клеящих составов, с помощью которых они присоединяются к усиливаемой конец рукции. В идеале срок службы системы усиления (композиционный материал + клеящий состав) должен равняться остаточному сроку службы усиливаемого здания и ли сооружения В настоящее время можно с уверенностью сказать, что при усилении инженерных сооружений с остаточным сроком службы 30 40 лет композиционные материалы обеспечат требуемую долговечность конструкции
Открытым остается вопрос о долговременном мошпорише эксплуатационной надежности инженерных сооружении, усиленных
1. Основные положения усиления Железобетонных конструкции
19
композиционными материалами, с длительным сроком службы  -мостов, транспортных тоннелей, атомных станций В этом случае последующий мониторинг эксплуатационного состояния уси тонной КМФ строи тельной конструкции в течение всею срока службы яв-тяется неотъемлемой составной частью системы усиления. Проведение периодических осмотров и оценка эксплуатационною состояния и содержания мостовых конструкции давно являются обя затель-ными [6, 7]. В зарубежной практике системы непрерывного мониторинга за усиленными КМФ мостовыми конструкциями внедрены на многих сооружениях — мосты «Барнс» в Манчестере и «Джон Харт» в Британской Колумбии и многих других В настоящее время в Швейцарии разработана и с успехом начала применяться система контроля, обеспечивающая непрерывный мониторинг конструкций, усиленных композиционными материалами. О необходимости мониторит а за эксплуатационным состоянием других инженерных сооружений в последние годы говорят многие отечественные и зарубежные ученые и специалисты [8 12].
Относите тьным недостатком используемых в настоящее время композиционных материалов яв, тяется их более высокая стоимость по сравнению с теми же стальными пластинами, но этот недостаток нивелируется с расширением рынка КМФ, Если же принять во внимание весь комплекс проведения работ по усилению и учесть стоимость дальнейшей эксплуатации конструкции то во многих случаях уже сейчас использование для усиления строительных конструкций КМФ с экономической точки зрения выглядит более предпочти тельным
Факторы, влияющие на стоимость работ по усилению строительных конструкций как с применением композиционных материалов, гак и другими способами, очень разнообра ты И если прямые инвестиционные затраты можно определить достаточно точно, то дальнейшие эксплуатационные расходы можно оценить весьма приблизительно. Особенно сложно подсчитать ущерб, вызванный временным прекращением эксплуатации инженерного сооружения во время его ремонта и усиления По данным английской железнодорожной ассоциации усиление мостовых конструкций композиционными материалами дешевле усиления стальными пластинами на 30 %. О примерно таком же удешевлении общей стоимости работ по усилению с использованием КМФ свидетельству
2*
20
Усиление Железобетонных конструкции композиционными материалами
ют и другие зарубежные источники [13, 14]. При составлении сметы на усиление строительных конструкций необходимо также учитывать высокую производительность выполнения работ с использованием композиционных материалов Так, в Японии усиление трубы высотой 100 м композиционными материалами (охватывающее усиление холстами с углеродными волокнами) было выполнено в течение одного месяца Применение для этих целей стальных полос потребовало бы примерно полугола.
При учете стоимости ремонтных работ и работ по усилению необходимо учитывать количество и стоимость будущих ремонтов в течение всего предполагаемого оставшегося срока эксплуатации здания или сооружения, а также капиталовложения в альтернативные способы ремонта и усиления, включая будущие эксплуатационные затраты и расходы, связанные С возможным отказом сооружения,
Одним из основных факторов правильного выбора системы усиления является уровень усиления, то есть во сколько раз можно увеличить несущую способность существующей строительной конструкции Необходимо учитывать, что усиление, препятствующее развитию одного вида разрушения конструкции (например, от действия изгибающего момента) может повысить вероятность появления разрушения от действия других силовых воздействий в конструкции (например, от действия поперечной силы или касательных напряжений) Этот вопрос должен решаться на стадии проектирования усиления существующей строительной конструкции Необходимо принимать во внимание и возможный риск частичного или полного разрушения усиливающего элемента из композиционных материапов В силу сравнительно небольшого опыта долговременной эксплуатации строительных конструкций, усиленных КМФ. одним из основных подходов к минимализании риска проектных решений следует признать использование увеличенных коэффициентов надежное!и по материалам усиления Общим подходом при проектировании усиления является и то, что даже при разрушении композиционного материала строительная конструкция какое-то время должна сохранять свои эксплуатационные качества Поэтому многие зарубежные исследователи рекомендуют не более чем двукратное увеличение несущей способности конструкции при ее усилении при изгибе [15, 16, 17].
1. Основные положения усиления Железобетонных конструкции
21
1.2.	ПРИМЕНЯЕМЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ СВОЙСТВА
Выбор композиционного материала для различных систем усиления является одним из наиболее важных вопросов, решаемых при проектировании усиления стротельных конструкций.
Композиционные материалы с фиброй (волокнами) изготавливаются из собственно волокон (углеродных, полиэфирных, арамидных и других), омоноличенных (ламинированных) в полимере в виде жестких полос или пластин, непосредственно приклеиваемых на специально подготовленную поверхность усиливаемой конструкции (рис. 1.3). Общепринятое название таких композиционных материалов ламинаты Вторым распространенным типом композиционных материалов являются холсты, представляющие собой гибкую ткань с одно- или двунаправленным расположением волокон (фибры) При установке на конструкции они утапливаются в полимерный клей мат рицу. обеспечивающую их плотное прилегание к поверхности усиливаемой конструкции (рис 1 4) Такой способ применения композиционных материалов называется «но месту». Фи-знко-мсханические свойст ва композиционных материалов определяются типом и количеством применяемых волокон, их ориентацией и распределением в поперечном сечении ленты. Роль полимера сводится к передаче действующих напряжений между волокнами, а также их защите от внешних воздействий.
Рис. ] 3 Усиление железобст онных конструкций полосами ламината
22
Усиление же леэоиетон ых конструкции *лон<позиционнЬ1пли материалами
Рис. 1.4 Усиление колонн холстовы-ми материалами
Полимеры для омоноличи-вания волокон (изготовления матрицы) могут быть различного типа, но чаще всего применяются термос гвержденные полимеры. Отверждающая матрица (полимер) определяет некоторые механические свойства композиционных материалов прочность и модуль упругости в поперечном направлении, сопротивление сдвигу и характер поведения материала при сжатии Для отверждения волокон чаще всею используются эпоксидные. винип- и полиэстерные составы. Все они обладают хорошей сопротивляемостью различным химическим воздействиям. Эпоксидные составы обладают лучшими механическими свойствами, а полиэстерные составы более дешевы. Основные физико-механические свойства применяемых для отверждения волокон полимеров приведены в табл. 1.1.
Наиболее распространенными типами применяемой фибры (волокон) являются углерод, арамид и стекло. Основные физикомеханические свойства фибры приведены в табл. 1 2. В таблице приводятся именно свойства фибры (волокон), а не самого композиционного материала. При этом свойства фибры могут несколько отличаться от приведенных в табл. 1.2 и окончательно устанавливаются фирмой — производителем. Все приведенные в таблице типы фибры имеют линейную диаграмму «напряжение деформация» вплоть до разрушения без какой-либо пластической зоны (диаграмма была приведена на рис. 1.2).
Волокна в сечении изготавливаются продолговатой и сплюснутой формы. Для усиления строительных конструкций наибольшее распространение получили волокна продолговатой формы, имеющие в поперечнике диаметр 5—20 мкм. Стекловолокна, предназна-
1 Основные положения усиления Железобетонных конструкций
23
Таблица 1.1. Свойства отверждающих полимеров
Физике -механические свойства полимеров	Фирмы-производители				
	МВТ	SBD	DML composite	Sika	Sumitomo
Прочность на растяжение, МПа	50	17	81	30	29
Прочность при изгиба МПа	120	28	—	—	—
Модуль упрут ости при изгибе, ГПа	3	5	—	3,8	2,5
Температура стеклования, СС	55	60, 80	59	53	55
Таблица 1.2. 'Типичные свойства применяемой фибры
Тип фибры	Прочность на растяжение, МПа	Модуль упругости, ГПа	Деформация удлинения. %	Плотность, т/м3
У[ лерод с высокой прочностью* У1 лерод с высоким модулем упругости* Углерод с высоким модулем упругости** Арамид*** Стекло	4300-4900	230-	240	1,9	2,1	1,8 2740 - 5490	294	329	0,7	1,9	1,78-1.81 2600^1020	540	640	0.4	0.8	1,91 2,12 3200--3600 124 130	2,4	1.44 2400—3500	70 85	3,5- -4,7	2,6			
* На полиакринизриловой матрице
** На полимерной матрице из эпоксидной смолы
*** Арамид может иметь ту же прочность с меньшим модулем упругости
ценные для внешнего армирования, подразделяются на три типа: F-стекловолокно, А-стекловолокно и AR-стскловолокно, имеющее высокую сопротивляемость щелочным воздействиям. Е-стеклово-локно содержит большое количество борной кислоты и алюмина-ia и плохо сопротивляется щелочной агрессии. А-стекловолокно является более прочным, но практически не выдерживает щелочных воздействий. В AR-стекловолокно для предотвращения нега-। ивных воздействий щелочной агрессии на контакте с усиливаемой железобетонной конструкцией вводится значительное количество циркония. Прочностные и деформационные свойства этого стек-юволокна сопоставимы с Е-стекловолокном. Достоинством всех
с юклоеолокон является их небольшая стоимость.
Арамидные волокна применяются начиная е 1971 г. и выпускаются различными производителями под разными торговыми мар
24
Усиление Железобетонных конструкций композиционными материалами
ками. Одной из самых известных является марка Kevlar®. Эти волокна анизотропны по своей структуре и по сравнению с другими имеют более высокие прочность и модуль упругости в поперечном направлении. Их диаметр составляет приблизительно 12 мкм. Они более пластичны при действии растягивающих нагрузок, но при сжатии остаются упругими вплоть до разрушения. Арамидные волокна обладают хорошими выносливостью и жесткостью.
Углеродные волокна изготавливаются на основе исходных смолы или полиакрилонитрила (PAN). Первый тип волокон изготавливается из очищенных нефти или угля, пропускаемых под большим давлением через очень тонкое сопло и впоследствии отверждаемых термопроцессом. Полиакрилонитриловые волокна изготавливаются из полиакрилонитрила путем его карбонизации под воздействием высокой температуры. Диаметр волокон при этом способе их получения меньше и составляет 5—8 мкм. Структура волокон определяется степенью их карбонизации и ориентацией кристаллов.
Выбор типа фибры для использования в системе усиления строительных конструкций зависит от многих факторов: типа усиливаемой конструкции и условий ее работы; ожидаемой нагрузки после усиления, вида и степени воздействия агрессивных внешних факторов и т. д. Рассмотрим кратко основные свойства фибры, учитываемые при выборе системы усиления.
Стойкость к химическим воздействиям. Углеродные и арамидные волокна хорошо сопротивляются многим химическим воздействиям: щелочам, кислотам, хлоридам, сульфатам, нитратам и другим. Многие типы стекловолокон подвержены щелочной коррозии (при pH > 11), но мало поддаются воздействию солей. Арамид по сравнению с другими волокнами обладает большей водопроницаемостью. Большая концентрация солей может привести к изменению кристаллической решетки у всех типов волокон, а следовательно, к их разрушению.
Сопротивление ультрафиолетовому излучению. Стекло- и углеродные волокна не подвержены воздействию ультрафиолетового излучения. Арамидные волокна меняют цвет, и снижается их прочность на растяжение. Однако при ламинировании волокон в полимерную матрицу эти изменения носят локальный характер, концентрируются вблизи внешней поверхности композиционного мате
1. Основные положения усиления Железобетонных конструкций
25
риала и поэтому не оказывают существенного влияния на его свойства в целом. Прямое воздействие солнечных лучей повышает хрупкость матрицы и других защитных покрытий.
Электропроводимость. Арамидные и стекловолокна являются диэлектриками и могут быть использованы для защиты линий электропередач и инженерных коммуникаций. Углеродные волокна проводят электрический ток, но и они могут быть использованы для усиления строительных конструкций, имеющих косвенное отношение к действию электрического тока (например, железнодорожные мосты с электровозным транспортом). Они должны быть хорошо изолированы от стальной арматуры, являющейся проводником электрического тока. Эта защита необходима только при нанесении холстов на основе углеродного волокна «по мес-। у» от токопроводящих элементов.
Прочность на сжатие. Углеродные и стекловолокна имеют прочность на сжатие, сопоставимую с прочностью на растяжение. У арамидных волокон прочность на сжатие значительно меньше.
Жесткость. Модуль упругости углеродного волокна сопоставим или значительно выше модуля упругости арматурной стали (см. табл. 1.2). Модуль упругости арамидных волокон меньше, а с гекловолокон значительно меньше, чем у стали.
Сопротивление ударным нагрузкам. Поведение волокон во время приложения ударной нагрузки определяется полученной ими шсргией при упругом деформировании. Волокна, сочетающие высокую прочность на растяжение (более 3500 МПа) и значительное о I носительное удлинение (более 2%), являются благоприятным материалом для восприятия ударной нагрузки. Этим требованиям (нвечают многие типы углеродных, арамидных и стекловолокон.
Воздействие огня. Стекловолокна сохраняют свою прочность вплоть до точки плавления (более 1000 °C), тогда как углеродные волокна окисляются на воздухе при температуре около 650 °C. Арамидные волокна не могут использоваться при температуре свыше 200 °C. Все типы волокон не поддерживают горение. В компо-шционных материалах при пожаре определяющим будет поведение отверждающего полимера, при возгорании которою могут выделяться токсичные вещества.
Безопасность и санитария. Все типы волокон не представляют опасности для здоровья в условиях нормальной эксплуатации.
26
Усиление >келезобето*-ых конструкции композиционными материалами
При непосредственном выполнении работ по усилению отдельные части фибры могут привести к раздражению кожи, глаз и слизистых оболочек. Поэтому при выполнении работ с ними необходимо пользоваться индивидуальными средствами защиты. В некоторых статьях [18] высказывается предположение о канцерогенности углеродных волокон. Однако Всемирной организацией здравоохранения углерод не отнесен к канцерогенным материалам. Проведенные на животных опыты показали его безопасность, а вредное воздействие углеродных волокон на человека на порядок меньше, чем асбеста. Арамидные, углеродные и стекловолокна являются инертными материалами, не содержащими токсических веществ. Они не содержат вредных примесей, способных загрязнять воздух или проникать в почву при их применении для усиления подземных сооружений.
Изготавливаются два основных типа композиционных материалов:
•	холстовые материалы обычно с однонаправленным расположением волокон, хотя возможно и дву- и трехнаправленное расположение;
•	предварительно изготовленные в заводских условиях полосы или пластины чаще с однонаправленным расположением волокон (ламинаты).
В общем случае композиционный материал состоит из волокон (фибры), отвержденных в эпоксидном полимере. В зависимости от типа примененного волокна они подразделяются на композиционные материалы с арамидными волокнами КМФА, углеродными КМФУ и стекловолокнами КМФС. Объемное содержание волокон колеблется от 25—35 % в холстах до 50—70 % в полосах. Волокна являются основным элементом композиционного материала, воспринимающим внешние силовые воздействия, а отверждающий полимер (матрица) перераспределяет нагрузку между ними и предохраняет от агрессивного воздействия внешней среды.
Композиционные материалы изготавливаются различными способами, наиболее распространенными из которых являются:
•	автоматический, заключающийся в продолжительном процессе вытягивания углеродных ровницы, пеков или прядей, пропитанных смолой, между высокотемпературными матрицами до их формования и застывания (pultrusion);
1. Основные положения усиления Железобетонных конструкций
27
•	прессовочный, при котором пропитанные полимером пряли или нити находятся длительное время в плоской форме при очень низкой температуре для более позднего изготовления с помощью грессформы (prepreg);
•	ручное формование в виде необходимого профиля Застывшая часть формируемой массы композиционного материала разрезается по длине на отдельные полосы
Физико-механические свойства композиционного материала определяются свойст вами его составляющих (волокон и полимера) и их объемным соотношением в композите. Модуль упругости композиционного материала Ес и его прочность на растяжение R определяются по формулам:
£< = £/-|7+£»Д»-	чп
=	(1.2)
где Е? R,. Vf соответственно, модуль упругости, прочность на растяжение и объемное соотношение в композите волокон (арамидных, углеродных или стекловолокон); Ет, Rm, Vm — го же самое, для О1верждающего полимера. При этом Vj + Vm = 1.
Поведение композиционных материалов под нагрузкой определяется микромеханическими процессами деформирования и разрушения, зависящими от диаметра волокна, его распределения в матрице и параллельности волокон, местных дефектов материала и объемным соотношением волокон и полимера.
В случае предварительно изготовленных полос композиционного материала их свойства зависят от площади поперечного сече ния, принимаемой при расчете. При изготовлении композиционных материалов на месте (холсты, утапливаемые в клей-матрицу) конечная толщина КМФ и содержание волокон по площади материала являются переменными величинами и изменяются в широких пределах.
В силу того, что модуль упругости и прочность волокон (фибры) много больше модуля упругости и прочности отверждающего полимера, механические свойства композиционного материала определяются свойствами волокон и площадью поперечного сечения не всего материала, а только площадью в сечении одних волокон. Когда свойства композиционного материала основаны на его полной площади поперечного сечения, включая волокна и поли-
28
Усиление Железобетонных конструкций коллпоэиционныпли материалами
Таблица 1.3. Механические свойства композиционного материала в зависимости от процентного содержания волокон (фибры)
Физико-механические свойства входящих в композиционный материал компонентов: Ef= 220 ГПа, Rf = 4000 МПа, Ет - 3 ГПа, Rm = 80 МПа								
Площадь поперечного сечения, мм2			Свойства КМФ				Разрушающая нагрузка	
Л	Ат		Г, %	£г> МПа	R , МПа	Предельная деформация. ег, %	кН	%
70	0	70	100	220000	4000	1,818	280,0	100
70	30	100	70	154900	2844	1,823	282,4	100,9
70	70	140	50	111500	2040	1.830	285,6	102,0
* При использовании ленты шириной 100 мм ее толщина составит соответственно 0,7 мм; 1,0 мм и 1,4 мм								
мер, то по сравнению со свойствами самих волокон, приведенными в табл. 1.2, модуль упругости и прочность всего материала будут меньше. Очевидно, что механические свойства композиционного материала не изменятся из-за увеличения площади его поперечного сечения по сравнению с сечением входящих в его состав волокон. Существует строгое соответствие между количеством волокон в композиционном материале и его механическими свойствами. Это положение отражено в табл. 1.3 и проиллюстрировано на рис. 1.5.
Рис. 1.5. Диаграмма «напряжение-деформация» при различном процентном содержании волокон в КМФ
I. Основною положения усиления Железобетонных конструкций	29
Как видно из таблицы, при постоянном количестве волокна в композиционном материале (в данном случае площадь его поперечного сечения остается неизменной А = 70 мм2) разрушающая нагрузка и предельная деформация отличаются всего на несколько процентов из-за возрастания площади поперечного сечения отверждающего полимера. Это обстоятельство особенно важно учитывать при проектировании усиления композиционными материалами непосредственно на месте производства работ. При расчете параметров усиления принимаются во внимание только площадь поперечного сечения и механические свойства волокон, а не всей системы в целом.
Выбор типа композиционного материала для усиления определяется условиями эксплуатации и назначением усиливаемой конструкции. Прочностные и деформационные свойства холстовых композиционных материалов определяются типом применяемого волокна и его расположением в материале — одно- или двунаправленным. При двунаправленном расположении обычно 70% волокон располагаются в направлении, в котором предполагается действие основного внешнего усилия, и 30 % поперечном направлении. При этом прочность такого материала в основном направлении значительно снижается. Толщина холстовых материалов составляет около 0,1 мм, а ширина 300 мм и более. Сравнительная характеристика холстовых материалов различных фирм-производителей приведена в табл. 1.4.
В продольном направлении достигаются высокие прочность и жесткость композиционного материа ла, примерно, до 65 % от величин. приведенных в табл. 1.2. В ламинатах подавляющее количество волокон располагается в продольном направлении, а в поперечном направлении прочность материала значительно меньше. Полосы и л отав диваются толщиной 1 2 мм и шириной обычно 50—150 мм. ( равкительная характеристика ламинатов приведена в табл. 1.5.
Так как отвердение волокон в полимере является длительным процессом, то возможно изг отовление лент ламинат а большой длины Они формуются в бухты диаметром около одного метра и в iaком виде доставляются на стройплощадку, где легко режутся на ленты необходимой дтины.
Полосы могут изготавливаться и из полуфабрикатов композиционных материалов. Этот способ широко распространен в аэро-
30
Усиление Железобетонных конструкций коллпозициормялли материалами
Таблица 1.4. Сравнительные характеристики холстовых материалов
Торговая марка	Тип волокна	Прочность на растяжение, МПа	Модуль упругости, ГПа	Вес 1 м2, г/м2	Толщина*, мм	1 Ширина, мм
S&P С Sheet 240	углерод	3800	240	200, 300 0,117, 0,176		150, 300
S&P С Sheet 640	углерод	2650	640	400	0,19, 0,235	300
S&P A Sheet 120	арамид	2900	120	300	0,2	
S&P G Sheet AR	стекло	1700	65	350	0,135	320
Sika Wrap Hex 230C	углерод	3500	230	230	0,13	610
Sika Wrap Hex 100G	стекло	2250	70	840	1270	—
Torayca UT70-20	углерод	4090	230	200	0,111	100, 250, 500, 1000
Torayca UT70-30	углерод	4220	235	300	0,167	100, 250, 500, 1000
Replark	углерод	3400	• 230	200	0,111, 0,167	250, 330, 500
Replark	углерод	2900	390	300	0,165	250,330, 500
Replark	углерод	1900	640	300	0,143	250, 330, 500
Mbrace Tow Sheet	углерод	3550	235	300	0,11,0,165	500
Mbrace Tow Sheet	углерод	3000	380	300	0.165	500
Mbrace Tow Sheet	стекло	1550	74	915	0,118	500
DML Composites	углерод	4900	230	150, 300, 900		300, 500, 1500
DML Composites	стекло	3400	70	200, 250 1200	—	350, 500
DML Composites	арамид	2800	115	200, 300	340	—
Kevlar® SRS	арамид	2100	120	280, 420 0,193, 0.286 100, 300,		
						500
Fosroc C 120	углерод	2300	230	200	0,111	—
Fosroc C 530	углерод	2300	375	300	0.166	—
Tyfo SCH-41	углерод	3803	227,7	750	0,417	—
Россия	углерод	1200— 1400	100— 140	230,450 0,13,0,25		—
* Толщина холста рекомендуемая для проектирования						
1. Оснооые положения усиления Железобетонных конструкций
31
Таблица 1.5. Сравнительные характеристики углеродных композиционных материалов (ламинатов)
Торговая марка	Прочность на растяжение, МПа	Модуль упругости. ГПа	Толщина, мм	Ширина, мм
S&P Clever Reinforcement	2600 •	150	1,2, 1,4	50, 80, 100
S&P Clever Reinforcement	2600	200	1.4	10, 50, 80, 100, 120
Sika Carbodur S	3050	165	1.2, 1,4	50,60,80,90,100,120, 150
Sika Carbodur M	2900	210	1,4	60.90, 100
Sika Carbodur 11	1450	300	1,4	50
Enforce	2200 -2500	165	1,2, 1,4, 2,1	10, 50, 80, 90, 100, 120
Enforce	2200-2500	210	1,2, 1,4. 2.1	50,80,90, 100, 120, 150
Tyfo C-H	2281	200	1,4	
DML Composites	2100	140	до 30	до 1400
DML Composites	1400	360	До 30	до 1400
Mapei Carboplate E 170	3100	170	1.4	50, 100, 150
Mapei Carboplate E250	2500	250	1,4	50, 100, 150
космической и автомобильной промышленностях. Такие полосы обычно содержат около 55 % волокон в продольном направлении и 10% волокон, расположенных под углом 45° к продольной оси. 11олосы изготавливаются длиной до 12 м, шириной до 1,25 м и толщиной до 30 мм.
В Германии и Дании [19] изготавливаются полосы композиционного материала L-образной формы для повышения несущей способности железобетонных конструкций на действие поперечной силы и для анкеровки усиливающих элементов.
Важным компонентом системы усиления внешним армированием при помощи композиционных материалов является адгезив или клеящий состав. Основным его назначением помимо собственно приклеивания является восприятие сдвиговых и отрывающих усилий между соединяемыми поверхностями. Для приклеивания композиционного материала к бетонной поверхности чаще всего используются эпоксидные двукомпонентные клеящие составы, способные схватываться при окружающей температуре. Наиболее распространенные клеящие составы приведены в табл. 1.6.
32
Усиление Железобетонных конструкции композиционными материалами
Таблица 1.6. Клеящие составы от фирм производителей
Свойства	Поставщик и торговая марка				
	Exchem	МВТ	SBD	Sika	Resiplast
	Resifix 31	Mbrace adhesive	Epoxy Plus	Sikadur	Epicol U
Прочность на растяжение, МПа	24	30	19	30	50
Прочность на изгиб, МПа	55	100	35	—	—
Прочность на сдвиг, МПа	22	—	18	—	—
Модуль при изгибе, ГПа	6,5	3,5	9,8	12,8	—
Модуль сдвига, ГПа	3,8	—	—	—	—
Температура стеклования, Tg (°C	60	56	60,8	—	60
В небольшом объеме применяются адгезивы и на другой основе. Однако им присущ целый ряд недостатков, ограничивающих область применения:
•	адгезивы на основе полиэстера имеют большие усадочные деформации и высокий коэффициент температурного расширения. Они подвержены щелочной агрессии и быстро затвердевают;
•	адгезивы на основе виниловых полиэфиров также имеют большие усадочные деформации и в условиях повышенной влажности не могут обеспечить качественного сцепления соединяемых поверхностей;
•	полиуретановые адгезивы обладают теми же недостатками, что и полиэфирные и с трудом обеспечивают необходимое сцепление между поверхностями.
Выбор типа эпоксидного адгезива зависит от особенностей его применения и определяется такими факторами как температурновлажностный режим окружающей среды и склеиваемых поверхностей, а также требуемой скоростью твердения. Адгезивы должны выдерживать температуру до 50 °C во время эксплуатации и иметь температуру стеклования от 50 °C до 65 °C. В некоторых случаях, например, при усилении верхних элементов мостовых конструкций, находящихся под прямым воздействием солнечных лучей, температура стеклования адгезива должна быть значительно выше. В этих условиях используются специальные клеящие составы. Одним из требований к адгезивам, особенно применяемым для усиления конструкций, расположенных в замкнутом пространстве (тонне
1. Основные положения усиления Железобетонных конструкций
33
ли), в котором возникновение пожара является особо значимым фактором, является недопущение значительного выделения токсичных веществ при их возгорании.
Большинство адгезивов используется для соединения сухих поверхностей. Для склеивания влажных поверхностей и для соединения конструкций, находящихся в воде, разработаны специальные клеящие составы, как правило, на эпоксидной основе.
Перед усилением конструкции при использовании для выравнивания поверхности бетона специального праймерного состава его физико-механические свойства должны быть с одной стороны совместимы со свойствами старого бетона, а с другой стороны - со свойствами применяемого адгезива. Только учет этого обстоятельства при выборе системы усиления позволит обеспечить эффективную совместную работу усиливаемой строительной конструкции с усиливающим композиционным материалом. Для достижения требуемого по качеству сцепления композиционного материала с поверхностью бетона немаловажными факторами являются темпера-|урно-влажностные условия в месте проведения работ и качество подготовки поверхности усиливаемой конструкции. Загрязненная, а тем более неровная поверхность не сможет обеспечить требуемого но качеству сцепления с композиционным материалом. В процессе । вердения в адгезиве происходят химические процессы, резко замедляющиеся при температуре менее 10 °C. Поэтому в большинстве случаев во время производства работ по усилению окружающая температура должна быть свыше 10 °C.
Однако имеется опыт применения композиционных материалов и в условиях более низких температур окружающей среды, в гом числе и в зимнее время. Для этого используются различные системы повышения температуры в адгезиве между усиливаемым бетонным элементом и композиционным материалом: нагревание с помощью электрического тока; системы инфракрасного нагревания; утепляющие покрытия. Пример такой системы при использовании композиционного материала на основе углеродных волокон приведен на рис. 1.6. Эта система основывается на хорошей электропроводимости углеродных волокон. При пропускании электрического тока через полосу ламината во время приклеивания последняя нагревается до нужной температуры. Специальные температурные датчики позволяют контролировать нагревание. Быстрое
1 Ь211
34
Усиление Железобетонных конструкций композиционными материалами
Рис. 1.6. Устройство нагрева при приклеивании ламината
контролируемое нагревание полосы ламината (температура 70 °C может быть достигнута за 3 часа) позволяет не только сократить время выполнения работ по усилению, но и увеличить температуру стеклования адгезива.
1.3.	ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫЕ КОМПОЗИЦИОННЬЕ МАТЕРИАЛЫ
В некоторых случаях для усиления железобетонных конструкций возможно использование предварительно напряженных композиционных материалов. Теоретическая база для их применения была разработана Т.С. Triantafillou, М. Deuring и другими зарубежными учеными [20, 21]. Применение предварительно напряженных полос композиционного материала имеет следующие преимущества:
•	обеспечивается более жесткое поведение бетона сжатой зоны сечения непосредственно после усиления, что увеличивает момент сопротивления сечения усиливаемой конструкции;
•	замедляется образование наклонных трешин в приопорной части усиленной конструкции, а в случае образования трещин уменьшается величина их раскрытия. Данное обстоятельство играет существенную роль для обеспечения качественного сцепления композиционного материала с бетоном;
1. Основные положения усиления Желеэо6етом>1х конструкций
35
•	улучшается эксплуатационное состояние усиливаемой конструкции благодаря меньшему трещинообразованию;
•	обеспечивается экономия материала, так как необходимая степень усиления конструкции достигается применением лент композиционного материала меньшей площади поперечного сечения по сравнению с ненапряженными материалами;
•	повышается качество проведения работ, поскольку при соответствующей анкеровке концевых участков приклеенного пред-напряженного композиционного материала можно избежать его отслоения от усиливаемой конструкции из-за возникновения наклонных трещин на приопорных участках;
•	повышается эффективность работы сечения конструкции, так как в случае применения преднапряженных композиционных материалов нейтральная ось сечения элемента будет располагаться ниже;
•	значительно увеличивается допустимая нагрузка на железобетонную конструкцию, при которой внутренняя рабочая арматура начинает испытывать пластические деформации.
К недостаткам применения преднапряженных композиционных материалов можно отнести:
•	увеличение стоимости и трудоемкости работ по усилению из-ja усложнения технологии работ и применения дополнительного оборудования;
•	увеличение продолжительности работ по усилению строительных конструкций, в том числе и из-за того, что натяжение полосы композиционного материала должно осуществляться до тех пор, пока клеящий состав не наберет достаточной прочности.
Схема процесса усиления железобетонной конструкции преднап-ряженными полосами композиционного материала приведена на рис. 1.7, а сама установка для натяжения полос КМФ — на рис. 1.8.
Необходимо отметить, что высокая степень преднапряжения приклеиваемого композиционного материала может привести к шачительным сдвиговым напряжениям в бетоне, особенно на уча-сгках, расположенных над концами КМФ. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании системы усиления. Проведенные испытания [20] показали, что разрушение бетона под концевыми участками КМФ происходит уже при уровне преднапряжения 5—6 % от прочности композиционного материала на растяжение. В то же время и с технической, и с экономической точек зре-3’
36
Усиление Железобетогмях конструкций компоэициотылли материалами
Рис. 1.7. Схема применения преднапряжен-ных полос КМФ: а — преднапряжение; б — приклеивание; в — анкеровка
ния для получения преимуществ, связанных с использованием преднапряженных композиционных материалов, уровень их натяжения должен составлять примерно 50 % прочности на растяжение, то есть быть на порядок выше. Такой уровень преднапряже-ния КМФ без разрушения бетона над концевыми участками композиционного материала может быть достигнут только при использовании специальных способов анкеровки, заключающихся в вертикальном охватывании приклеенной полосы КМФ холстовы-ми композиционными материалами.
Университетом г. Фрибург (Швейцария) были проведены сравнительные испытания четырех типов железобетонных балок пролетом 6 м, шириной 1 м и высотой 0,22 м. Все балки были армированы в растянутой зоне 6-ю продольными стержнями диаметром
Рис. 1.8. Установка для натяжения полос композиционного материала
1. Основные положения усиления Железобетонных конструкций
37
12 мм, хомуты поперечной арматуры диаметром 8мм устанавливались с шагом 150 мм. Схема испытаний образцов и их геометрические параметры представлены на рис. 1.9. Первый образец (сопос-
тавительный) представлял собой обыкновенную железобетонную балку. Три следующих образца были усилены по всей длине двумя
полосами ламината CFK 150/2000 фирмы «S&P». Ширина полосы
ламината h(, = 80 мм, толщина г = 1,2 мм. При этом 2-й образец был усилен ненапряженными полосами, 3-й был прсднапряжен напряжениями 640 Ml la с удлине-
нием 4,0 %о и 4-й напряжениями 960 МПа с удлинением 6,0 %о. Результаты испытаний образцов представлены в табл. 1.7 и приведены на рис. 1.10.
Как следует из таблицы, применение для усиления балки лаже непредна пряженного ламината увеличило ее несущую способность на 32 %, а исполъ-
Таблица 1.7. Результаты испытаний балок на изг иб
№ образца	Разрушающая нагрузка. кН	Разрушающий момент	
		кН м	%
LC1	16,4	82,6	100
LC2 CFK	24.0	109.4	132
LP3 CFK	35,3	150,1	182
LP4 CFK 6°/вд	37.9	159 4	193
зование преднапряженных полос ламината с различной степенью преднапряжения позволило увеличить разрушающий изгибающий момент на 82 % и 93 % соответственно. Использование преднапряженных композиционных материалов для усиления железобетонных элементов уменьшает прогибы конструкции (рис. 1.10) и повы шает ее
Прогиб, мм
Рис. 1.10. Результаты испытаний балок
38
Усиление Железобетонных конструкций коллпоэиционк>1лли материалами
трещиностойкость. Применение преднапряженных композиционных материалов особенно эффективно для усиления большепролетных мостовых конструкций при возрастании интенсивности движения или коррозии существующих бетона или арматуры.
Преднапряжение композиционного материала при усилении колонн (активное охватывающее усиление с созданием объемного напряженного состояния в материале усиливаемой конструкции) достигается путем натяжения его на упоры в процессе обматывания колонны или применением обычных обойм композиционных материалов в сочетании с использованием расширяющегося строительного раствора или эпоксида, нагнетаемых в пространство между колонной и обоймой.
1.4.	УСТАНОВКА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
В ПАЗАХ
Одним из перспективных направлений использования композиционных материалов для усиления строительных конструкций является не приклеивание их к поверхности бетона, а установка полос ламината в специально подготовленные щели или пазы (рис. 1.11). Blaschko М. и Zilch К. [22] были проведены исследования работающих на изгиб балок, усиленных таким образом. Использование полос ламината в пазах значительно увеличивает их сцепление с бетоном по сравнению с приклеиванием КМФ к бетон-
Рис. 1.11 Усиление железобетонных колонн установкой КМФУ в пазы
1. Основные положения усиления Железобетонных конструкций
39
Рис. 1.12. Сравнительные сечения испытуемых балок
150
ной поверхности. Возрастают растягивающие напряжения в ламинате и более полно используется работа бетона сжатой зоны. По
мимо этого, в пазах композиционные материалы защищены от внешних воздействий.
На рис. 1.12 приведены сечения балок, усиленных полосами ламината, при их испытаниях на изгиб, а на рис. 1.13 — результаты испытаний. Длина каждой балки составляла 2,5 м, каждая балка загружалась сосредоточенной силой, приложенной в середине пролета. Для усиления балок использовался композиционный материал на основе углеродных волокон КМФУ шириной Ьс - 50 мм и толщиной tc = 1,2 мм (площадь КМФУ составляет А(. = = 50-1,2 = 60 мм2). Для того чтобы площадь композиционного материала остава
Прогиб в середине пролета, мм
Рис. 1.13. Сравнительные результаты испытаний балок серий А и В
40
Усиление Лелеэобето»**>|х конструкции композиционными материалами
лась неизменной при его использовании в пазах, он разрезался по длине на две полосы шириной 25 мм каждая, которые и закреплялись в сформированных полостях.
При испытаниях балок А1 и В1 (полоса КМФУ приклеена к внешней поверхности бетона) разрушение конструкции наступало вследствие отслоения ламината от бетона. При испытании балки А2 разрушение ламината произошло в щели под действием растягивающих напряжений. В балке В2 из-за незначительного поперечного армирования разрушение бетона произошло под воздействием поперечных сил.
По результатам испытаний балок серии А (рис. 1.13, а) можно сделать вывод, что при расположении ламината в пазах разрушающая нагрузка увеличивается более чем в два раза (с 12 кН м до 26 кН м). В первую очередь это вызвано более полным использованием прочности композиционного материала на растяжение. Испытания балок серии В (рис. 1.13, б) показывают аналогичную картину деформирования под нагрузкой. Разрушающая нагрузка составила 52 кН м.
2.	ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСИЛЕНИЯ ИЗГИБАЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
2.1.	ОСНОВНЬЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Проектирование всех строительных конструкций, а также машин, механизмов, любых технических систем связано в первую очередь с обеспечением их надежности [23, 24], определяемой нормативными документами как их способность сохранять заданные эксплуатационные качества в течение определенного срока службы. Строительные конструкции следует рассчитывать по методу предельных состояний, основные положения которого должны быть направлены на обеспечение безотказной работы конструкций с учетом изменчивости свойств материалов, нагрузок и воздействий, геометрических характеристик конструкций, условий их работы, а также степени ответственности проектируемых (ремонтируемых) объектов, определяемой материальным и социальным ущербом при нарушении их работоспособности [23].
Однако количество аварийных и катастрофических ситуаций, просто отказов при эксплуатации промышленных и гражданских щаний, инженерных сооружений, мостов и тоннелей, подземных сооружений различного назначения продолжает увеличиваться. Возрастает количество объектов, подлежащих незапланированному, преждевременному ремонту. Такую ситуацию можно объяснить или ошибками при проектировании, или идеализацией исходных предпосылок расчета и расчетных схем, часто слабо отражающих действительные условия эксплуатации сооружения, или нарушениями (схнологии строительства.
В отечественных нормативных документах по проектированию шроительных конструкций из различных материалов, а также инженерных сооружений многопрофильного назначения [25—35] термины «надежность», «долговечность», «работоспособное состоя
42
Усиление Железобетонных конструкций композиционными материалами
ние» упоминаются лишь один или несколько раз в начале общих указаний без их связи с последующими разделами норм [8].
Вместе с тем ведущей концепцией, на основе которой должна решаться задача повышения надежности строительных конструкций на современном этапе их развития, является системность. Системы обеспечения надежности, составляя важнейшую часть системы обеспечения качества, охватывают весь жизненный цикл любого инженерного сооружения от получения исходных данных для проектирования, разработки соответствующих методик проектирования, собственно проектирования сооружения и отдельных его частей, строительства и эксплуатации. Однако накопление статистических данных об отказах различных инженерных сооружений показало, что отказы происходят как в период назначенного срока службы, так и за его пределами.
Таким образом, в данной работе понятие «система» рассматривается двояко. Во -первых, система как ряд последовательно сменяющих и вытекающих друг из друга этапов сущест вования инженерного сооружения (проектирование — строительство эксплуатация — диагностика — проектирование ремонта или усиления — ремонт и усиление — дальнейшая эксплуатация с мониторингом состояния конструкции). Все эти этаны существования инженерного сооружения тесно взаимосвязаны во времени.
Во-вторых, система представляет собой множество взаимосвязанных компонентов, функционирующих для достижения какой-либо цели. В общем случае мы имеем природно-искусственную систему «окружающая (внешняя среда), включающая в себя изменяющиеся во времени силовые нагрузки и воздействия, агрессивное воздействие на строительные конструкции, температурно-влажностный режим бетон и арматура имеющейся конструкции ремонтный состав — адгезив — материал усиления». Эти взаимосвязанные компоненты обладают общими свойствами системы:
•	свойства и поведение каждого компонента оказывают воздействие на свойства и поведение всей системы в целом;
•	свойства и поведение каждого компонента зависят от свойств и поведения, по крайней мере, еще одного компонента данной системы;
•	каждое возможное подмножество компонентов системы обладает двумя свойствами, приведенными выше. Компоненты нельзя подразделить на независимые подмножества.
2. Цюекгпцэование усиления изгибаемых Желеэобеток-ых конструкций
43
Перечисленные выше свойства являются гарантией того, что множество компонентов, образующих систему, всегда обладает некоей характеристикой, которой не обладает ни одно из входящих в него подмножеств. Даже когда каждый элемент системы функционирует практически идеально, вся система в целом может функционировать далеко не в оптимальном режиме. Это положение отражает тот факт, что суммарное функционирование отдельных компонентов системы редко оказывается равным функционированию системы в целом. То есть в системе целое представляет собой нечто большее, чем просто сумму входящих в нее компонентов.
Поэтому наблюдается устойчиво растущая потребность в разработке методов системного обслуживания каждого конкретного строительного объекта по его фактическому состоянию. Фирма «Боинг» считает обслуживание по фактическому состоянию технологией XXI в. 136].
Использование системного подхода необходимо для успешной разработки технологии и выбора материала для ремонта и усиления строительной конструкции. Вне зависимости от выбранных технологии и материала усиления одним из основных требований, предъявляемых к многокомпонентной системе, является ее способность функционировать как одно целое в течение заданного промежутка времени. Этого можно добиться только в случае обеспечения достаточного сцепления между находящимся в эксплуатации бетоном, ремонтным составом и внешней арматурой усиления из композиционного материала Получаемая составная конструкция должна функционировать как единое целое.
Примером такого системного подхода к диагностике, проек-шрованию ремонта и усиления строительных конструкций, выполнению работ по ремонту и усилению, а также последующему мониторингу за фактическим состоянием строительной конструкции ь период эксплуатации может служить блок-схема, приведенная на рис. 2.1.
Старейшим методом теории надежности, несмодря на все его несовершенства, остается конструктивный выбор статистических запасов прочности различных конструкций, основанный на использовании параметрической модели «прочность—нагрузка». Как уже отмечалось, не существует национальных или междуна-
44
Усиление Железобетонных конструкций композиционными материалами
Рис. 2.1. Общий порядок выполнения комплекса работ по усилению (ремонту) строительных конструкций композиционными материалами
родных стандартов, определяющих специфику проектирования внешнего усиления железобетонных элементов, хотя отдельные руководства по проектированию внешнего усиления железобетонных
2. Проектирование усиления изгибаемых Железобетонных конструкций
45
конструкций композиционными материалами и стальными плас-। инами разработаны в Великобритании, Германии, США, Швейцарии и других странах.
Общим дтя всех руководств является расчет строительных кон-счрукций по двум группам предельных состояний. Невыполнение условий первой группы предельных состояний ведет к полной непригодности к эксплуатации конструкции (зданий или сооружений 1 целом) или к их полной (частичной) потере несущей способности.
Вторая группа включает в себя предельные состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию конструкций или уменьшающие долговечность зданий или сооружений по сравнению с предусматриваемым сроком службы.
Предельные состояния первой группы характеризуются:
•	разрушением любого характера (пластическим, хрупким, усталостным);
•	потерей устойчивости формы, приводящей к полной нспри-। одности к эксплуатации;
•	потерей устойчивости положения;
•	переходом в изменяемую систему;
•	качественным изменением конфитурации;
•	другими явлениями, при которых возникает необходимость прекращения эксплуатации (чрезмерные деформации в результаге ползучести, пластичности, сдвига в соединениях, раскрытия трещин, а также образованием трещин).
Предельные состояния второй группы характеризуются:
•	достижением предельных деформаций конструкций (предельных прогибов, поворот ов) или предельных деформаций основания;
•	достижением предельных уровней колебаний конструкций;
•	образованием трещин.
•	достижением предельных раскрытий или длин трещин;
•	потерей устойчивости формы, приводящей к затруднению нормальной эксплуатации;
•	другими явлениями, при которых возникает необходимость временного ограничения эксплуатации здания или сооружения из-ia неприемлемого снижения срока их службы (например, коррозионные повреждения).
Расчет по предельным состояниям конструкции в целом, а такие отдельных ее элементов и частей выполняют для всех этапов:
46
Усиление >келеэобето«*ых конструкций коллпоэиииокчыми материалами
изготовления, транспортирования, монтажа, эксплуатации, ремонта, усиления и дальнейшей эксплуатации.
При расчете по первой группе предельных состояний структура нормативных расчетных формул имеет вид:
> V,) s	1/т„ 1/т„).	(2.1)
По второй группе предельных состояний:
Д</,	(2-2)
где 5— внутренние усилия (изгибающие и крутящие моменты, нормальные и поперечные силы) как функции нагрузок и силовых воздействий; Pnj внешние нормативные нагрузки и воздействия;
коэффициенты надежности по нагрузкам; — коэффициент сочетаний нагрузок; Ф — несущая способность в виде предельно допустимых внутренних усилий как функций физико-механических свойств материалов, составляющих конструкцию (включая композиционные материалы усиления) и геометрических характеристик сечений; Rnj — нормативные физико-механические характеристики материалов, включая материалы усиления; Л(. — геометрические характеристики сечений; уи7 — коэффициенты условий работы конструкций; у( — коэффициенты надежности по материалу (в т. ч. по композиционному материалу усиления); уп — коэффициент надежности по назначению здания или сооружения; Д — перемещения (прогибы, осадки, углы поворота, колебания, раскрытия трещин и т. п.) как функции нагрузок и воздействий, деформационных характеристик материалов и геометрических характеристик сечений; f — предельные нормативные величины перемещений, осадок, углов поворота и образования или раскрытия трещин [25— 35]; X — знак суммы по индексу i [37, 38].
При определении нагрузок на железобетонные конструкции необходимо пользоваться нормами и правилами, изложенными в [25, 26, 27]. При ремонте и усилении строительных конструкций особое внимание необходимо обратить на указания по расчету и конструированию железобетонных конструкций при реконструкции зданий и сооружений, изложенные в [25].
При проектировании усиливаемых железобетонных конструкций необходимо обеспечить включение в работу элементов усиления и совместную их работу с усиливаемой конструкцией. Для
2. Проектирование усиления изгибаемых Железобетонных конструкции
47
сильно поврежденных конструкций (при разрушении 50 % и более сечения бетона или 50 % и более площади сечения рабочей арматуры) элементы усиления следует рассчитывать на полную нагрузку, при этом усиливаемая конструкция в расчете не учитывается.
Площадь поперечного сечения арматуры усиливаемой конструкции следует определять с учетом фактического уменьшения в результате коррозии. Арматура из высокопрочной проволоки в расчетах не учитывается при наличии язвенной или питтинговой коррозии, а также, если коррозия вызвана хлоридами.
2.2.	НОРМАТИВНЬЕ И РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
При расчете параметров ремонта и усиления железобетонных конструкций важную роль играют нормативные и расчетные сопротивления составляющих конструкцию элементов — бетона, стальной арматуры и композиционного материала усиления. И если по поводу бетона и арматуры существуют четкие указания в нормативной литературе, то данные по композиционным материалам хоть немного, но различаются.
Нормативные и расчетные сопротивления бетона и арматуры усиливаемых железобетонных конструкций следует назначать в соответствии с указаниями раздела 2 и пп. 6.13 — 6.21 СНиП 2.03.01-84* [25].
Так как композиционные материалы (ламинаты и холсты) являются упругими материалами с высокой прочностью на растяжение и без выраженной пластической зоны, то многие фирмы-про-п родители в своей документации указывают предельно допустимые и рекомендуемые к применению при проектировании деформации материала.
Например, фирма-производитель S&P предлагает при проектировании усиления железобетонных конструкций своими ламина-П1ми использовать величины деформаций 0,6—0,8 %. При этом используемая в расчетах прочность на растяжение в зависимости о| типа ламината будет составлять 1000—1600 МПа. Учитывая, что внутренняя арматура при расчете по второй группе предельных состояний не должна испытывать пластических деформаций, то на практике деформация ламината не должна превышать деформаций
48
Усиление Железобетонных конструкций композициотылли материалами
внутренней арматуры. Согласно немецкому стандарту эта величина не должна превышать 0,5 %, евростандарту — 1,0 %.
По рекомендациям этой же фирмы деформации холстовых композиционных материалов, используемые при проектировании, не должны превышать 50 % от предельно допустимых, и зависят от назначения усиления конструкции (на действие поперечной силы, изгибающего момента, охватывающее усиление колонн). При усилении железобстонных конструкций холстами на основе углеродных волокон фирмой рекомендуются следующие их предельные деформации при проектировании:
•	усиление на действие поперечной силы и сдвиг 0,2—0,3 %;
•	охватывающее армирование колонн 0,4—0,6 %;
•	усиление изгибаемых элементов 0,0—0,8 %.
При ручном способе усиления холстами ввиду возможного неравномерного расположения углеродных волокон в клеевой композиции фирмой рекомендуется коэффициент надежности по материалу для модуля упругости у(.е =1,2 — 1,5.
Британскими правилами проектирования внешнего усиления железобетонных конструкций композиционными материалами приняты следующие положения по определению нормативных и расчетных сопротивлений композиционных материалов.
Rc= Кс>1/Ус Упгп Усе’	<23>
I де расчетное сопротивление композиционного материала растяжению; А, сопротивление композиционного мат ериала растяжению по данным фирм-производителей (условно нормативное сопротивление); у — коэффициент надежности по композиционному материалу; уп1П - коэффициент надежности по способу нанесения композиционного материала.
То есть в этом варианте расчетное сопротивление композиционного материала, используемое при расчете по первой группе предельных состояний, получается делением нормативного сопротивления на три коэффициента надежности по материалу, что дает больший запас прочности. Надо отметить, что нормативное значение прочности композиционного материала на растяжение берется при его предельно допустимой деформации, определяемой фирмами-производителями.
В табл. 2.1 приведены коэффициенты надежности по материалу и по модулю упругости в зависимости от типа материала, а в
2. Проектирование усиления изгибаемых Железобетонных конструкций
49
табл. 2.2 — коэффициенты надежности в зависимости от способа изготовления и нанесения композиционного материала.
Другие фирмы-производители предлагают свои коэффициенты надежности для компо-•иционных материалов. Топеп Porca Towsheet 3,0; Replark system 2,25.
В работе [39] предлагается определять расчетные проектные деформации композиционного материала по зависимости:
Ес =	(2-4)
|де е( г| предельные деформации композиционного материала по данным фирм-производителей; к — коэффициент, определяемый экспериментально по зависимости к = 89.3(£) "°-5;
толщина композиционного материала, мм.
Анализируя различные подходы к определению коэффициента надежности композицион-
Таблица 2.1. Коэффициенты надежности по композиционному материалу и модулю упругости
Композиционный материал	%	
Углерод КМФ	1.4	1,1
Арамид КМФ	1,5	1,1
Стекло КМФ	3,5	1,8
Таблица 2.2. Коэффициенты надежное! и в зависимост и о  способа нанесения композиционного материала
Тип системы, метод изготовления или применения	Коэффициент надежности по способу изготовления или нанесения утп
Метод изготовления	
полосы ламинатов:	
Piiltrudcd	1,1
Prepieg	1,1
Preformed	1,2
Способ нанесения	
холстовых материалов:	
Машинный	1,1
Вакуумный	1.2
Ручной	1.4
пых материалов, можно ска-
1.1ть, что наиболее обоснованными из них являются подходы фирмы S&P Clever Reinforcement Company и Британского руководства по проектированию усиления бетонных элементов композиционными материалами. В любом случае необходимы согласование с конкретной фирмой-производителем композиционно! о материала и учет национальных норм и правил проектирования строительных конструкций.
При проектировании усиления изгибаемых железобетонных »лементов важным параметром является предельная деформация крайне сжатого волокна бетона перед разрушением, по Euro Code 2
4-5211
50
Усиление Железобетонных конструкций композиционными материалами
она принимается Ehu = 0,0035. По данным В.Н. Байкова и Э.Е. Ситалова, в сжатой зоне изгибаемых элементов наблюдается предельная сжимаемость, зависящая от формы поперечного сечения и относительной величины сжатой зоны Eh[l - 0,0027—0,0045. То есть цифры являются вполне сопоставимыми. При уменьшении ширины поперечного сечения к низу и в тавровых сечениях ЕЬи уменьшается, а при уменьшении относительной высот ы сжатой зоны - увеличивается. Также эта величина зависит от насыщения сечения продольной арматурой.
При проектировании усиливаемых конструкций следует, как правило, предусматривать, чтобы нагрузка во время усиления не превышала 65 % расчетной величины. При сложности или невозможности достижения требуемой степени разгрузки допускается выполнять усиление под большей нагрузкой. В этом случае расчетные характеристики композиционных материалов усиления умножаются на коэффициент условий работы ус1 = 0,9 В любом случае степень разгрузки конструкций следует выбирать из условия обеспечения безопасного ведения работ по ремонту и усилению.
Хотя площадь поперечного сечения ламинатов невелика (обычно не более 140 мм2), при проектировании усиления по возможности следует не допускать переармирования сечения и соблюдать условие При добавлении к растянутой зоне сечения приклеенного композиционного материала разрушение усиливаемо! о железобетонного элемента может произойти в следующих случаях: в арматуре растянутой зоны; в бетоне сжатой зоны сечения; при преждевременном отслоении ламината и при хрупком разрушении самого композиционного материала. С точки зрения меньшей аварийности создавшейся ситуации более прецпочтительным будет именно хрупкое разрушение КМФУ.
Если усиливаемая конструкция относится к 1 -й или 2-й категориям по трещиност ойкости, когда или не допускается раскрытие трещин, или допускается ограниченное по ширине непродолжительное раскрытие трещин при условии их последующего надежного закрытия, то расчет по второй группе предельных состояний может быть определяющим по выбору типа и количества композиционного материала, необходимого для надежного усиления конструкции.
2. Проектцхмзание усиления изгибаемых Железобетонных конструкций
51
Во всех случаях проектирования ремонта и усиления железобетонных конструкций необходимо соблюдать методические рекомендации по расчету их огнестойкости и огнесохранност и [40].
Различные системы внешнего усиления, возможные к применению, зависят от многих факторов: типа КМФ и адгезива, метода нанесения материала, условий проведения работ, пожароопасности здания или сооружения, качества выполнения ремонта и применяемых ремонтных сост авов,‘подготовки поверхности усиливаемой конструкции, квалификации персонала и многих других факторов. Все это должно учитываться проектировщиком при разработке проекта ремонта и усиления железобетонной конструкции. Обязательным условием успешного выполнения работ является использование апробированных системных материалов.
Наиболее распространенными изгибаемыми элементами желе-юбетоппых конструкций являются плиты и балки. Из них образуют многие железобетонные конструкции, чаще других плоские перекрытия и покрытия. Плиты и балки могут быть однопролет-чыми и многопролетными. Такие плиты деформируются подобно балочным конструкциям при различного типа нагрузках, если значение последних не изменяется в направлении, перпендикулярном пролету. Также на изгиб работаю) различные элементы мостовых конструкций, ригели и многие другие инженерные сооружения.
Железобетонные конструкции могут быть усилены при работе на изгиб внешним армированием композиционными материалами, приклеиванием последних в растянутой зоне конструкции с расположением направления фибры параллельно максимальным растягивающим усилиям (продольно оси конструкции). Этот принцип проиллюстрирован на рис. 2.2. Согласно общим нормативным положениям расчета изгибаемых железобетонных элементов усиленные композиционным материалом конструкции должны рассчитываться по прочности сечений, нормальных к продольной оси элемента; по прочности сечений, наклонных к продольной оси элемента, включая расчеты на действие поперечной силы по наклонной полосе между наклонными трещинами, на действие поперечной силы по наклонной трещине и на действие изгибающего момента по наклонной трещине; по образованию и раскрытию нормальных и наклонных трещин; по определению прогибов и углов поворота.
4"
52
Усиление Яселезобетоиых конструкции композиции»* или материалами
Усиление на действие поперечной силы
Усиление при изгибе
Рис. 2.2. Усиление изгибаемых железобетонных элементов
Помимо этого при расположении композиционных материалов в растянутой зоне сечения усиливаемых элементов необходимо осуществлять проверку возможности отслоения концевых участков КМФ под действием поперечных и сдвиговых сил. а также оценивать возможность потери сцепления между композиционным материалом и старым бетоном или ремонтным составом.
Предельные усилия в сечении, нормальном к продольной оси элемента, определяются исходя из следующих допущений:
•	сечение, плоское до приложения нагрузки, остается таким же и после ее приложения (гипотеза плоских сечений);
•	сопротивление бетона растянутой зоны принимается равным нулю;
•	сопротивление бетона сжатию представляется напряжениями, равными Rb и равномерно распределенными по сжатой зоне бетона;
•	деформации (напряжения) в арматуре определяются в зависимости от высоты сжатой зоны бетона;
•	растягивающие напряжения в армату ре принимаются не более расчетного сопротивления растяжению R,;,
•	сжимающие напряжения в арматуре принимаются не более расчетного сопротивления сжатию Rsc, но не более 400 МПа;
2. Проектирование усиления изгибаемых Железобетонных конструкций
53
•	композиционный материал усиления имеет линейную диаграмму деформирования вплоть до разрушения;
•	исключается сдвиг по поверхности между бетоном и композиционным материалом (это допущение вполне обоснованно для наиболее часто применяемых адгезивов толщиной до 1,0—1,5 мм, деформирующихся вязко-упруго, а деформации сдвиговой ползучести и усадки которых незначительны).
В результате расчета определяются необходимые площадь поперечного сечения и тип композиционного материала усиления. Так как прочность эпоксидной смолы (матрицы) очень мала, то в расчете учитывается только площадь поперечного сечения углеродных волокон. На первом этапе проектирования необходимо оценить эффект начальной нагрузки на конструкцию перед и во время ее непосредственного усиления.
2.3.	АНАЛИЗ ИСХОДНОЙ СИТУАЦИИ ПЕРЕД УСИЛЕНИЕМ КОНСТРУКЦИИ
Исходные данные для анализа начальной ситуации (расчетная схема конструкции, действующие нагрузки, размеры конструкции и степень повреждения бетона и арматуры) определяются в результате проведения диагностического обследования подлежащей усилению железобетонной конструкции. Определение начального максимального изгибающего момента М() производится как для второй группы предельных состояний без учета коэффициентов надежности по нагрузке и по материалу. На этом этапе производится определение распределения деформаций по сечению конструкции исходя из ее работы в упругой стадии. По сути, анализ начальной ситуации производится по допускаемым напряжениям.
Если начальный максимальный изгибающий момент М больше момента трещинообразования сечения М то расчет производится как для сечения с трещинами, приведенного на рис. 2.3. В случае если Мо < Мсп„ его влиянием при дальнейшем расчете усиливаемой конструкции можно пренебречь.
Высота сжатой зоны сечения хо находится из условия, что статический момент приведенного сечения относительно нейтральной оси равен нулю:
5г«/=6хо2/2 + аЛДго—°')	'U = 0’	<2-5)
54
Усиление Железобетонных конструкции коллпозициотылли материалами
где b ширина сечения прямоугольного элемента, мм; а = EJEb отношение модулей упругости арматурной стали и бетона; А' - площадь поперечного сечения сжатой арматуры, мм2; -
7	/
площадь поперечного сечения растянутой арматуры, мм , а расстояние от оси, нормальной к плоскости изгиба и проходящей через центр тяжести сечения сжатой арматуры, до внешнего сжатого края сечения элемента, мм; ho - - рабочая (полезная) высота сечения, мм; h() = А а, где h полная высота сечения, а расстояние от оси, нормальной к плоскости изгиба и проходящей через центр тяжести сечения растянутой арматуры, до внешнего растянутого края сечения.
Момент инерции приведенного сечения Ircd определяется как: hed = Ьх^ 1 3 + «А ~ Хо)2 +	~ °')2'
Максимальная деформация бетона крайне сжатого волокна определяется из выражения:
Исходя из принципа неразрывности деформаций и их линейного распределения по нормальному сечению, максимальные деформации крайне растянутого волокна бетона составят:
Рис. 2.3. Начальное напряженно-деформированное состояние элемента перед усилением
2. Проектирование усиления изгибаемых Железобетонных конструкций
55
Определение начальной деформации крайне растянутого волокна бетона, к которому в дальнейшем будет приклеен композиционный материал усиления, необходимо для дальнейших расче-юв фактических деформаций КМФ при внешнем усилении.
2.4.	ПРОЧНОСТЬ УСИЛЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ
ПО НОРМАЛЬНЫМ СЕЧЕНИЯМ
По действующим строительным нормам [25], расчет прочности изгибаемых железобетонных элементов любого профиля по нормальным сечениям, согласно первой группе предельных состояний, выполняется из той предпосылки, что конструкция находится в III сгадии напряженного состояния (стадии разрушения).
1 ] ри этом наиболее вероятными типами разрушения будут разрушение или бетона сжатой зоны, или разрыв растянутой арматуры Расчетная схема усилий, напряжений и деформаций, действующих в сечении элемента, приведена на рис. 2.4. При эт ом композиционный материал, приклеенный к растянутой грани элемента, ос-1ается неповрежденным. Арматура в сжатой зоне сечения может достигнуть своего предельного значения сопротивлению сжатия /?дг или испытывать напряжения <j'f = £де’, особенно если ксполь-
Рис. 2.4. Напряженно-дефсрмированное состояние усиленного КМФ железобетонного элемента при изгибе: а — поперечное сечение; б — распределение («формаций; в — распределение сил
56
Усиление Железобетонных конструкций композиционными материалами
зуется смешанная арматура. Полное использование механических свойств ненапрягаемой арматуры возможно лишь в плитах и редко в балках с малым содержанием арматуры [38].
Положение нейтральной оси усиленной конструкции должно удовлетворять условию х <^R  ho, где величина определяется согласно рекомендациям [25] как для не усиленной конструкции. Само положение нейтральной оси определяется исходя из равенства проекций нормальных сил, действующих в сечении элемента, исходя из формулы:
Rh-b- х + А'  Es  е/ = Rs + Ас  Ес  ес Исходя из непрерывности деформаций:
,	х - а'
— * Ли
X
А-х
* с ~ 4и	1 Ь,о'
X
(2-9)
(2.11)
Несущая способность сечения конструкции по изгибающему моменту составит:
Ms = Rhb-x (h0	0,5х) + Es • е/  As'(he — ci) +
4 A(- E( -ec-ci.	(2.12)
Несущая способность сечения должна быть больше или равна максимальному изгибающему моменту М, действующему в конструкции о г всех внешних сил’ М > М.
Из равенства этих моментов легко определяется необходимая для усиления площадь композиционного материала А
Для того, чтобы приведенные выше соотношения имели смысл и не произошли недопустимые деформации растянутых арматуры и композиционного материала, необходимо соблюдение следующих условий:
Деформации в растянутой арматуре следует определять как:
h -х Rs
es=Ehu-—<^-.	(2J 3)
Деформации в композиционном материале определяются по зависимости
А-х
4=4и------^ed-	(2.14)
2. Г^оекпжфование усиления изгибаемых Железобетонных конструкций
57
Деформации растянутой арматуры и композиционного материала не должны превышать предельных расчетных значений.
Если допустить, что предельные состояния наступают сразу во всех четырех составляющих конструкции (бетоне, сжатой и растянутой арматуре и композиционном материале), то в формулы 2.9 и 2.12 вместо значений • е/ и Ес  е( надо подставлять значения 7? и Rc соответственно, хотя вероятность наступления такой ситуации ничтожно мала.
2.5. ПРОЧНОСТЬ УСИЛЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ
ПО НАКЛОННЫЙ СЕЧЕНИЯМ
Экспериментальными исследованиями установлено, что на приопориых участках изгибаемых элементов под воздействием поперечной силы Q и изгибающих моментов М в сечениях, наклонных к оси, формируется напряженно-деформированное состояние, которое может привести к образованию наклонных трещин. Главные растягивающие напряжения от1 и главные сжимающие сте действуют под некоторым углом 0 к продольной оси элемента. Если птавные растягивающие напряжения превысят прочность бетона на растяжение Rb то возникают наклонные трещины, и усилия, действующие в элементе, передаются на арматуру, в т.ч. и внешнюю из композиционного материала. Место образования трещин, их наклон, раскрытие и развитие по высоте зависят от вида нагрузок, формы сечения элемента, вида армирования (в т.ч. и внешнего армирования КМФ) и других факторов.
Образование наклонной трещины приводит к разделению железобетонного элемента на две части, связанные между собой в сжатой зоне бетоном над наклонной трещиной, а в растянутой зоне продольной арматурой из арматурной стали и полосой КМФ, поперечной арматурой из стали и КМФ. пересекающими наклонную трещину.
Разрушение изгибаемого элемента по наклонному сечению может происходить по одному из трех возможных случаев [45].
Случай 1 - разрушение бетона стенки по наклонной полосе между наклонными трещинами от главных сжимающих напряжений:
ат. = -0,5а д - у!(0,5а t ) +т2 > Rb.	(2.15)
58
Усиление Железобетонных конструкции композиционными материалами
Такое разрушение возможно только при малой ширине b сечения элемента или применении бетонов низкой прочности. В данном случае применение композиционных материалов для усиления конструкции возможно после изменения геометрических характеристик элемента в соответствии с рекомендациями нормативов [25].
Случай 2 излом по наклонному сечению от доминирующего действия изгибающего момента Под воздействием возрастающего изгибающего момента главные растягивающие напряжения, определяемые как:
к	, )2 + Т - > Rhl,жг,	(2.16)
преодолеваю! сопротивление бетона на осевое растяжение, и образуется наклонная трещина с максимальным раскрытием в растянутой зоне. Бетон растянутой зоны в наклонном сечении выключает ся из работы и все растягивающие усилия передаются в продольную и поперечную арматуру из стали и композиционного материала.
Прочность наклонных сечений на действие изгибающего момента М надежно обеспечивается простыми конструкшвными решениями, подробно описанными в научной литературе [38, 45].
Случай 3 внутренние усилия в бетоне сжатой зоны над наклонной трещиной и осевые усилия в арматуре, пересекаемой наклонной трещиной, приводят к сдвигу по наклонному сечению от доминирующего действия поперечной силы. Образование наклонной трещины начинается в середине боковых граней. В этом месте касательные напряжения т от поперечной силы достигают максимума:
TmK=amt=QI(bho)>2,5Rb„	(2.17)
где <5П1Г - главные растягивающие напряжения на уровне нулевой линии элементов без напрягаемой арматуры.
Вследствие неупругих свойств бетона касательные напряжения равномерно распределяются по сечению и наклонная трещина раскрывается примерно одинаково по всей длине. Происходит взаимное смещение частей элемента по вертикали. В результате совместного действия сжимающих и срезающих усилий разрушается бетон сжатой зоны. Этот случай ра (рушения является наиболее общим и распространенным.
2. Проектцюоание усиления изгибаемых Железобетонных конструкций
59
Экспериментальные исследования, проведенные Е.А Король [46] для грехслойных железобетонных конструкций (наружные слои более прочный ксрамзитобетон, внутренний слой полис! иролбетон), показали, •но для всех испытанных образцов характерно образование нескольких ча-сго расположенных наклонных трещин в среднем (менее прочном) слое приопорных зон. Более прочные наружные слои создавали сопротивление развитию образовавшихся наклонных трещин» что приводило к появлению новых трещин и увеличению
Ориентация волокон КМ относительно действующей силы р
Рис. 2.5. Качественная зависимость модуля упругости КМФ от ориентации волокон фибры в материале
их количества в пределах среднего слоя, в результате чего несущая способность трехслойных элементов возрастала. На несущую способность наклонной сжатой полосы существенно влияет поперечная арматура, расположенная под наклоном к продольной оси элемента. Не претендуя на количественные характеристики, полученные автором, можно предположить, что качественная картина деформирования и разрушения железобетонного элемента, усиленного внешним армированием композиционными материалами, будет аналогичной.
Использование композиционного материала для усиления из-। нбаемых элементов по наклонным сечениям наиболее эффективно при направлении его волокон (фибры) максимально параллельным действию растягивающих напряжений. Это положение иллюстрирует приведенная на рис. 2.5 зависимость между модулем упругости КМФ и ориентацией составляющих его волокон относительно направления действия растягивающих напряжений.
В прнопорной части конструкции главные растягивающие и главные сжимающие напряжения действуют на площадках, расположенных под углом близким к 45° относительно оси усиливаемого ыемента. На практике расположение элементов внешнего усиления КМФ осуществляется с направлением волокон перпендикулярно оси усиливаемой конструкции или с некоторым углом к ней (рис. 2.6). 11а этом же рисунке приведены различные схемы армирования.
60
Усиление Железобетонных конструкции ко№позициот>1ми материалами
Рис. 2 6. Схемы усиления колонн и балок композиционными материалами: а усиление колонны; б усиление балки U-образным КМФ, в— усиление балки по сторонам, г охватывающее по всему сечению усиление прямоугольной формы, д - вертикальные ленты; е — наклонные ленты; ж усиление по длине
Исследования по усилению железобетонных элементов КМФ на действие поперечной силы по наклонному ссчснию предполагали, что композиционный материал в этом случае ведет себя подобно внутренней поперечной стальной арматуре. Несущая способность внешних «хомутов» из КМФ определялась их прочностью на растяжение или предельной допускаемой деформацией Последние исследования в этой области [47] позволили установить, что разрушение бетона, усиленного композиционным материалом бетонного элемента, начинается раньше достижения полосами или хомутами КМФ предельных значений прочности на растяжение и деформаций. Эта деформация фактического разрушения zcf определяется увеличением модуля упругости волокон композиционного материала в направлении действия растягивающих напряжений. Величину фактической разрушающей деформации практически невозможно определить точными методами механики сплошной среды и трудно определить, используя экспериментальные методы. Основным моментом при определении фактической деформации разрушения КМФ в этом случае остается вопрос о его поведении и роли при исчерпывании несущей способности железобетонного элемента под действием поперечной силы. Непреложным остается только тот факт (многократно подтвержденный экспериментально), что разрушение бетона на приопорном участке всегда про
2. Проектирование усиления изгибаемых Желеэобетоьнях конструкций
61
исходит в виде образования и развития диагональной наклонной трещины как при наличии композиционного материала усиления, так и в его отсутствие.
На рис. 2.7 приведена качественная картина разрушения. Оно может произойти или из-за преждевременного отслоения КМФ, или из-за его значительного растяжения, превышающего предельное значение. В этом случае разрушение композиционного материала
Рис. 2 7. Характер разрушения усиленного элемента под воздействием поперечной силы. 1 — разрушение бетона или отслоение КМФ; 2 разрушение бетона или КМФ, 3 разрушение бетона; 4 — разрушение КМФ
происходит в первоначальный момент от действия максимальной нагрузки (постоянной и временной) и в дальнейшем может развиваться и от действия меньшей нагрузки благодаря перераспределению напряжений вблизи наклонной трещины.
При расчетах по первому предельному состоянию необходимо
принимать во внимание риск разрушения поверхности контакта между бегоном и композиционным материалом. Хотя одновременное проявление двух видов разрушения — отслоения КМФ от бегона и потери целостности самого композиционного материала от действия растягивающих напряжений, маловероятно. Это объясняется различной деформативностью КМФ и бетона, еще более возрастающей после образования трещин в бетоне и перераспределения напряжений в усиленной конструкции. Фактическая деформация композиционного материала зависит от длины полосы или холста КМФ. длины анкеровки и длины КМФ, необходимой для достижения им прочности на растяжение перед возможным отслоением. На величину сцепления влияют тщательность подготовки и обработки соединяемых материатов, тип применяемых праймера и адгезива, температурно-влажностные условия в месте проведения работ по усилению и другие факторы. В результате экспериментальных исследований [47] установлено, что величина е(. прямо пропорциональна величине относительной жесткости композиционного материала Е • и обратно пропорциональна прочности бетона на растяжение Rbc
6)2	Усиление Железобетонных конструкции композиционными материалами
Расчет железобетонных элементов с поперечной арматурой на действие поперечной силы для обеспечения прочности по наклонной трещине производится по наиболее опасному наклонному сечению из условия:
+ + + <218)
В это условие, в отличие от известного [25], добавилось еще одно слагаемое Q , представляющее собой поперечное усилие, воспринимаемое композиционным материалом.
В работе [2] приводятся зависимости для определения геометрических и прочностных характеристик поверхностно-оклеечного стеклопластика при усилении:
q =	(219)
Л,с„
где h — рабочая высота сечения стеклопластика; ho — рабочая высота сечения усиливаемой конструкции; Со длина проекции наклонного сечения на продольную ось элемента, определяемая для усиливаемой конструкции согласно [25]; пс — количество слоев стеклопластика; Рс — прочность на растяжение 1 см стеклопластика, Н/см.
Геометрические параметры поверхностно-оклеечного стеклопластика, полученные по зависимости 2.19, должны обеспечивать требуемую площадь приклейки стеклоткани к бетону усиливаемой конструкции и удовлетворять условию:
С2 Qx<\^RblAc,	(2.20)
где и Q-, соответственно поперечные силы от внешних нагрузок до усиления и после усиления; А(. - 2СО • hco площадь поверхностно-оклеечного стеклопластика.
В первом приближении эти формулы могут быть использованы и для предварительного определения необходимого для усиления количества композиционного материала.
Поперечное усилие, воспринимаемое композиционным материалом, Qc согласно европейским нормам проектирования и исследованием, проведенным Triantafillou Т.С и Taljslen В., можно определить по формуле 2.21, а расчетная схема усиления КМФ представлена на рис. 2.8:
2. Проектирование усиления изгибаемых Железобетонных конструкции
63
Рис. 2.8. Схемы к определению эффективной ширины полосы КМФ- а при усилении С-образной обоймой КМФ; б — при боковом усилении
Q, =—1—Д sina(cotO + cota)—, VY™ '
(2.21)
где А(. = It  sce — площадь поперечного сечения КМФ; / толщина одного слоя композиционного материала, определяемая теоретически как частное от отношения веса холста (г/м2) к его плотности (г/м3); sce — эффективная ширина композиционного материала, являющаяся функцией угла раскрытия наклонной трещины к оси элемента и схемы усиления. sce - (hro - Le) при использовании для усиления U-образной обоймы и sce = (hcl) 2Le) при приклеивании КМФ по бокам усиливаемого элемента (рис. 2.8). Полученная экспериментально величина Le зависит от толщины композиционного материала и его модуля упругости; L(, = 461,3 / (/ • Е(.)0-58; е — допустимая величина деформаций композиционного материала, е < е^; a — угол между главной ориентацией волокон в композиционном материале и продольной осью элемента; 0 угол между наклонной трещиной и осью элемента. В общем случае определяется как arctg h(i ICo, । де ho ^Co< 2h°, hco — рабочая высота сечение КМФ, обычно равняется ho для прямоугольных элементов и определяется как
64
Усиление Железобетонных конструкции композиционными материалами
(Ло - hj) для элементов таврового сечения; s — расстояние между полосами композиционного материала по осям по длине элемента. При наклеивании КМФ по всему усиливаемому элементу 5 = sce.
При расположении композиционного материала волокнами перпендикулярно оси элемента (а = 90°) и наиболее ожидаемом направлении развития наклонной трещины под углом 45° (0 = 45°) выражение 2.21 упрощается:
(2.22)
Q _Ac Ec El.l, hi.u
Значение фактической деформации, при которой наступает разрушение композиционного материала, различными исследователями оценивается в достаточно широком диапазоне от 0,002 до 0,006.
В исследовании [47] приводятся эмпирические зависимости для определения
при полном охватывании прямоугольного элемента холстом из КМФУ:
(2.23)
(2-24)
о0-67
=0.17(-А -Г К-
при усилении балок U-образной обоймой из КМФУ принимается меньшее из значений, соответствующих или разрушению самого КМФУ (зависимость 2.23), или его отслоению от бетона. В этом случае фактическая деформация КМФУ определяется по зависимости:
р0.67
г . = 0.65(-——)о'56 -1О 3, £( рг
где ц(	коэффициент поперечного армирования конструкции ком-
позиционными материалами.
Определяется как; Ц(. = (2tlb)  (bcls) - для полос композиционного материала шириной b ; ц(. = 2tlb — при армировании элемента по всей длине.
В данном случае под b понимается минимальная ширина усиливаемого элемента по его рабочей высоте сечения.
В зависимостях 2.23 и 2.247?л имеет размерность МПа, а Ес— ГПа.
Другим вариантом определения величины является принятие ее значения по данным фирм-производителей. Например, фирма S&P Clever Reinforcement при усилении наклонного сечения из
2. Проектирование усиления изгибаемых Желеэобеток-ых конструкций
65
гибаемой конструкции предлагает принимать для своей продукции Е(, = 0,002 0,003.
Допустимую величину деформации композиционного материала е , используемую при проектировании, можно определять или используя коэффициент надежности по деформациям при действии поперечной силы yd = 0,8, или по степенной эмпирической зависимости [48]:
£еР =	 X '[0,5622(pf  £(.)2 — 1,2188(р,.  Е(.) + 0,778].	(2.25)
В данной формуле модуль упругости композиционного материала также подставляется в ГПа.
Так как зависимость 2.25 эмпирическая, полученная при испытаниях коротких балок, усиленных углеродным композиционным материалом, то к ее перенесению на большие конструкции необходимо подходить с осторожностью. Кроме того, область ее применения ограничена значением pt. • Е(. < 1,1 МПа.
Охватывающее усиление железобетонного элемента по всему периметру конструкции всегда предпочтительнее. В этом случае маловероятна возможность отслоения КМФ от поверхности бетона даже в случаях применения композиционного материала небольшой толщины при усилении приопорных участков балок больших размеров. В случае, когда охватывающее усиление конструкции замкнутой обоймой осуществить по каким-либо причинам невозможно, то риск потери сцепления между бетоном и КМФ возрастает. В этой ситуации для определения допустимой величины деформации композиционных материалов на основе углерода можно рекомендовать следующую зависимость [48, 49]:
е(/, = 0,0042[(0,835/?)0’67 • 5J/[(Er  Г)0’58- h J,	(2.26)
где К кубиковая прочность бетона на сжатие, МПа; Ес, ГПа; S , /, Л , мм.
Анализ формул 2.23 —2.26 показывает, что каждая из них имеет ограниченную область применения, и данные, получаемые по ним, достаточно противоречивы. Поэтому можно рекомендовать к использованию меньшее из полученных значений, а также принимать гг/< 0,003.
Аналогично определению расстояния между стальными хомутами внутренней армировки расстояние между осями полос внеш
5-5211
ьь
Усиление Железобетонных конструкций коллпозициогыми материалами
него усиления КМФ s должно быть таким, чтобы не допустить образования трещины между ними. Это достигаегся соблюдением следующих условий:
для прямоугольных элементов .v < (0,9/го- й(./2);
для элементов таврового сечения 5 < (ho~h^ bjl).
2.6. ОСНОВНЬЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА УСИЛЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПО ВТОРОЙ ГРУППЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ
По второй группе предельных состояний проверяются трещи-ностойкость и перемещения железобетонных элементов. Трещино-стойкость элементов это их сопротивление образованию трещин в первой стадии деформирования или сопротивление раскрытию трещин во второй стадии. Трещиностойкость элементов проверяется расчетом в сечениях, нормальных к продольной оси, а при наличии поперечных сил также и в сечениях, наклонных к продольной оси элемента [38].
Наличие композиционного материала усиления незначительно влияет на величину момента внутренних усилий в сечении перед образованием трещин Мт (момент трещинообразования) в силу малой жесткости композиционного материала из-за его малой толщины (t < 1,4 мм).
Так, по действующим нормам [25] Л/ /(. определяется по способу ядровых сечений. При этом для изгибаемых без предварительного напряжения элементов значение Мт, определяется по формуле:
= <2'27>
где Rhl scr — расчетное сопротивление бетона для предельных состояний второй группы [25]; № — упругопластический момент сопротивления железобетонного сечения по растянутой зоне в предположении, что продольная сила отсутствует.
При усилении элемента КМФ
IV 7/ = 2(jb" +CXlm +CCI-W + +sbi,	(2.28)
r'	h-x
где ibo, i iS(), ic — моменты инерции относительно нейтральной оси площадей сечения бетона сжатой зоны, арматуры обеих зон и
2. Проектирование усиления изгибаемых Железобетонных конструкции	67
композиционного материала; Shu статический момент относительно той же оси площади сечения бетона растянутой зоны; (h-x) расстояние от центральной оси до края растянутой зоны
Положение нейгральной оси усиленного элемента определяется из условия:
Sbl, + aSw-aSa, - fiSc = (/' ~*)Ahl ,	(2.29)
где Sho, Sw, Sw, S(.—статические моменты относительно нейтральной оси площадей сечения бетона сжатой зоны, арматуры обеих зон и композиционного материала; Abt — площадь сечения бетона растянутой зоны.
Как показывают расчеты, в большинстве случаев влияние композиционного материала на образование трещин в железобетонной конструкции не превышает 1 % по сравнению с не усиленной конструкцией, и этой величиной, исключая расчеты прямоугольных балок небольшого поперечного сечения, можно пренебречь.
После образования трешин в растянутых зонах железобетонных элементов при дальнейшем увеличении нагрузки происходит их раскрытие. В общем виде ширина раскрытия трещин, нормальных к продольной оси элемента, представляет собой разность удлинений арматуры и растянутого бетона на участке между трещинами длиной 1сгс, т.е.
acrc ~ Е5 hrc ~ ^btm h rc'	(2.30)
Средней деформацией растянутого бетона ввиду ее малости обычно пренебрегают и принимают ат. = es • 1(ГС.
В случае усиления железобетонной конструкции композиционными материалами ширина раскрытия трещин будет определяться разностью удлинений арматуры и композиционного материала на участке между трещинами
“еп =£s lerc-£, lcrc	(2-31)
Помимо этого наличие в сечении композиционного материала повлияет и на длину грещин / .
в‘
68
Усиление Железобетонных конструкции композиционными материалами
Строительные нормы [25] рекомендуют определять ширину раскрытия трещин, нормальных к продольной оси элемента, на уровне оси растянутой арматуры по известной эмпирической формуле, полученной при анализе и обобщении многочисленных экспериментальных исследований.
Для определения ширины раскрытия трещин можно воспользоваться экспериментальными исследованиями и их обработкой, выполненными в работах [66, 67].
Ширина раскрытия трещин при наличии композиционного материала определяется по эмпирической формуле:
о.	м
a<rc = 2-> тг-т-------П4-П- .>	(2.32)
где М — максимальный изгибающий момент от эксплуатационных нагрузок, учитываемых при расчете железобетонных конструкций по образованию и раскрытию трещин, принимаемый co-
д.,
гласно [25];	=---- коэффициент части площади бетона,
hh
работающей на растяжение; Abt — площадь части бетона, работающей на растяжение. Принимается меньшее из двух значений Е
4+4- ‘
Е
Аы - 2,5(Л - ho)b или (Л л)Л/3;	=-------------суммарный
b-h„
коэффициент армирования сечения железобетонного элемента стальной растянутой арматурой и композиционным материалом; us и ис периметры стальной арматуры и композиционного материала (ввиду малой толщины КМФ и прилегания его к бетону одной стороной принимается и(. = Ьс).
Подставляя в выражение 2.32 допустимую ширину раскрытия трещин в зависимости от категории конструкции по трещиностой-кости, можно получить требуемую ширину композиционного материала. Например, при допустимой ширине раскрытия трещин а с2 ~ 0’3 мм требуемая ширина композиционного материала составит:
М
6С >10,1)1.,-—------1,44и5.	(2.33)
Esh0-\isum
2. Проектирование усиления изгибаеллых Железобетонных конструкций
69
Из выражения 2.32 следует, что ширина раскрытия трещин будет меньше при большой ширине и небольшой толщине композиционного материала. При использовании КМФ для высоких балок может случиться, что требуемая ширина КМФ будет больше ширины самой балки. В этом случае по возможности следует применить КМФ большей толщины и с большим модулем упругости, что позволит увеличить значение ц и гем самым снизить ширину раскрытия трещин или уменьшить требуемую толщину КМФ. Возможно также применение одновременно более одной полос ламината, наклеиваемых одна на другую. Однако в этом случае ухудшается суммарная работоспособность каждой полосы из-за наличия дополнительных клеевых соединений.
Небольшое количество КМФ может значительно увеличить несущую способность конструкции. Однако маленькая площадь поперечного сечения КМФ и в ряде случаев более низкий по сравнению со сталью модуль упругости (композиционные материалы на основе стекловолокна и арамида) дают в результате его небольшую жесткость Е -At Такая жесткость во многих случаях не позволяет значительно уменьшить кривизну железобетонного элемента и его прогиб. Поэтому для уменьшения кривизны и прогибов наряду с КМФ необходимо использовать другие способы усиления.
При эксплуатационных нагрузках для предотвращения чрезмерной ползучести бетона, текучести арматуры и разрушения КМФ требуются ограничения на напряжения в бетоне, стальной арматуре и композиционном материале. При присоединении в растянутой зоне внешнего армирования из КМФ из условий равновесия вытекает, что сжимающие силы возрастут эквивалентно растягивающим. Поэтому значительное изменение может наблюдаться в сжимающих напряжениях в бетоне. Для недопущения значительного сжатия бетона, развития трещин и необратимых деформаций бетона вводятся следующие ограничения на напряжения в бетоне оЛ:
<	0,6 Rh от действия кратковременной нагрузки;
<	0,45 Rh от действия длительной нагрузки.
Напряжения в бетоне определяются для крайне сжатого волокна отдельно от действия каждой из нагрузок, взятых с коэффициентом надежности по нагрузке, равным 1.
70
Усиление Железобетонных конструкции комоозиционшми материалами
= Еь • eb-
где £.h определяется аналогично начальному состоянию с учетом усиления.
Ограничение по напряжениям в стальной арматуре от действия кратковременной нагрузки имеет вид:
h — v = еЛ -^<0,8R, Х(
где л положение нейтральной оси при статическом прочностном расчете по второй группе предельных состояний с учетом усиления композиционными материалами.
Ограничение по напряжениям в КМФ от действия длительной нагрузки имеет вид:
О, = Е Uь ~—— “ Чи,) П Д , Хе
где q < 1 коэффициент, ограничивающий напряжения в композиционном материале и зависящий от его типа. Основываясь на экспериментальных исследованиях [681, можно рекомендовать: Г| = 0,8 для КМФУ; 0,6 для КМФА и 0,3 для КМФС.
Дополнительно также проверяется возможность нарушения поверхностей раздела в системе «бетон адгезив композиционный материал» Максимальные концентрации напряжений в этой системе наблюдаются на концах приклеенного к бетону композиционного материала и в местах дислокации трещин. При эксплуатационных нагрузках начальный процесс нарушения поверхности из-за уменьшения сцепления композиционного материала может быть предотвращен. Для этого должно соблюдаться следующее условие: при длительной нагрузке по второй i руппе предельных состояний максимальное напряжение сдвига на конце полосы ламината КМФ т определенное в рамках теории упругости, должно быть меньше, чем Rbtser- В случае дополнительной анкеровки конца полосы КМФ эта проверка не является необходимой. Один из вариантов к определения Tf приведен в работе [70]:
Ga У-мх=а
Ec-tt. ta
tL(h-xe) bed
(2.34)
где Ga и t — модуль сдвига и толщина адгезива между поверхнос-
2. Проектирование усиления изгибаемых Яселеэобетоншх конструкции
71
Рис. 2.9. Блок-схема проектирования усиления железобетонных конструкций композиционными материалами
тями бетона и композиционного материала; Qx _ 0 и Мх _ 0 — поперечная сила и изгибающий момент, действующие в сечении, соответствующем концу полосы КМФ.
72
Усиление Железобетонных конструкций коллпозициожылли материалами
Локальное разрушение сцепления с образованием трещин может происходить и при расчетах по первому предельному состоянию. Однако при действии только эксплуатационных нагрузок этого вида разрушения можно избежать. Локальное разрушение может произойти, если перемещение поверхностей относительно друг друга будет больше величины sch. Исследования же, выполненные в работе [69], показали, что продольное перемещение sef) составляет 0,224 мм, что соответствует ширине раскрытия трещины Isch =0,45 мм, в то время как категориями требований по трещи-ностойкости допускается максимальное раскрытие трещин 0,4 мм. Из этого следует, что такой тип разрушения маловероятен.
Завершая эту главу, приводим блок-схему проектирования усиления изгибаемых железобетонных конструкций композиционными материалами (рис. 2.9).
3.	ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ УСИЛЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
В ПРЕДЕЛЬНОМ СОСТОЯНИИ
3.1.	МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ УСИЛЕННОЙ
КОНСТРУКЦИИ
Причины разрушения изгибаемых железобетонных элементов, усиленных внешним армированием композиционными материалами, могут быть разбиты на две основные группы:
работоспособность усиленной конструкции сохраняется вплоть до начала разрушения бетона сжатой зоны или разрушения растянутого КМФ (такой характер разрушения можно назвать «классическим»);
разрушение конструкции наступает ранее из-за отслоения композиционного материала от бетона.
Общее разрушение конструкции может наступить в следующих случаях:
•	пластическое разрушение арматуры растянутой зоны при достижении напряжениями в стержневой арматуре физического (условного) предела текучести с дальнейшим разрушением бетона сжатой зоны. Если конструкция армирована высокопрочной проволокой с малым относительным удлинением при разрыве (около 4 %), то одновременно с разрывом проволоки происходит раздробление бетона сжатой зоны. Разрушение в этом случае носит хрупкий характер. Композиционный материал при этом не разрушается;
•	хрупкое разрушение бетона сжатой зоны в элементах с избыточным содержанием растянутой стальной арматуры и растянутого композиционного материала. Применение внешнего усиления конструкции КМФ в данном случае малоэффективно;
•	пластическое разрушение арматуры растянутой зоны при небольшом проценте армирования композиционными материалами.
74
Усиление Железобетонных конструкции композиционными материалами
что в первую очередь приводит к их разрыву и перераспределению нагрузки на внутреннюю стальную арматуру, из-за чего начинается ее разрушение.
Местное разрушение усиленной внешним армированием КМФ железобетонной конструкции может произойти из-за потери сцепления между бетоном и композиционным материалом, а также из-за разрушения контактов слоев Хорошая адгезия между КМФ и бетоном прежде всего необходима для передачи действующих усилий с бетона на композиционный материал усиления Нарушение сцепления между поверхностью бетона и композиционным материалом под действием нормальных и касательных напряжений приводит к местному разрушению конструкции, что необходимо учитывать при определении ее несущей способности с внешним армированием КМФ Первоначально такой вид разрушения обычно происходит на участке с трещиной. При распространении разрушения на другие участки внешний КМФ теряет способность воспринимать нагрузки и происходит его отслоение от бетона. Если при этом отсутствует возможность перераспределения напряжений с внешней арматуры из композиционного материала на внутреннюю стальную, то отслоение может носить хрупкий характер и происходить внетапно.
R общем случае в результате ремонта и усиления железобетонной конструкции внешним армированием композиционными материалами ее сечение представляег собой как бы слоеный пирог (рис. 3.1). Разрушение конструкции возможно по следующим пяти поверхностям'
•	разрушение в старом бетоне непосредственно у склеиваемой поверхности или возле внутренней растянутой арматуры. В случае выполнения ремонтных работ этот тип разрушения относится и к используемому ремонтному составу. Отсюда вытекает требование к нормативной прочности на растяжение бетона или ремонтного состава в пределах 1,5 —3,0 МПа;
•	разрушение на границе между бетоном и ремонтным составом. Для предотвращения этого вида разрушения необходимо использовать системный ремонтный состав, обладающий высокой адгезией и с деформационными свойствами, близкими к деформационным свойствам существующего бетона, что обеспечит их совместную работу. Адгезия клеевой композиции к бетону в этом спучае должна находиться в пределах 2,0—2,5 МПа;
3. Прогнозиропание разрушения усиленных конструкций о предельном состоянии
75
Рис. 3 I. Возможные поверхности разрушения усиливаемой (ремонтируемой) железобетонной конструкции
•	разрушение в клеящем составе, Прочность на растяжение системного клеящего состава (см. табл. 16) обычно выше, чем у бет она, и поэтому разрушение происходит в бетоне. Разрушение по этой поверхности может произойти только при высокой температуре или при очень большой прочности бетона на растяжение Па-ропроницаемость усиливаемой строительной конструкции обеспечивается использованием системной паропроницаемой адгезионной системы (праймер, смола и покрытие PLJ);
•	разрушение по контакту между бетоном и клеящим составом или между клеящим составом и полосой КМФ. Этот вид разрушения возможен только при некачественной подготовке бетонной поверхности в процессе приклеивания полосы композиционного материала. Во всех случаях адгезия между слоями должна быть не менее 2,0 2,5 МПа;
•	разрушение собственно композиционного материала. В принципе такой вид разрушения возможен, так как КМФУ состоит из двух составляющих: углеродного волокна и отверждающего полимера. Однако на практике это возможно только при некачественной обработке поверхности, при неправильном проектировании усиления и при превышении действующих на конструкцию нагрузок предельных величин, принятых при проектировании.
Поведение контактного слоя между бетоном и приклеенным КМФ экспериментально исследовалось Bizindavyi L. и Neale K.W. [41]. Испытания проводились ь условиях чистого сдвига. КМФУ
76
Усиление Железобетонных конструкций композиционными материалами
Рис 3.2. Зависимость «напряжения сдвига перемещение» для различных
типов арматуры
шириной 50 мм и толщиной 1,2 мм был приклеен к бетонной поверхности на длине 250 мм. Исследовалась величина напряжений сдвига по длине соединения в зависимост и от уровня прилагаемой сдвиговой нагрузки. При небольшом уровне нагрузки сдвиговые напряжения в основном сконцентрированы у конца элемента, к которому приложена сдвиговая нагрузка. При возрастании нагрузки максимальные напряжения сдвига перемещаются по направлению к незагруженному концу соединения. Данное исследование не позволяет в полной мере оценить поведение контакта между внешним приклеенным КМФУ и бетоном, так как в нем не учитываются нормальные напряжения, перпендикулярные площадке сдвига и вызванные действием изгибающего момента.
Поведение поверхности сцепления между бетоном и внешней и внутренней арматурой может быть охарактеризовано зависимостью «напряжение сдвига перемещение». Эта зависимость для различных видов арматуры исследовалась в работе [42], Графики зависимости «напряжение сдвига — перемещение» для различных типов арматуры приведены на рис. 3.2. На этих графиках сцепление с бетоном внешней арматуры из КМФУ толщиной 1,2 мм (кривая /) сравнивается со сцеплением с бетоном внутренней арматуры периодического профиля (кривая 2) и гладкой (кривая 3) стальной арматурой диаметром 12 мм. Как видно из графиков, потенциальная энергия сцепления КМФУ (площадь под кривой 1) много мень-
3. Прогнозирование разрушения усиленных конструкций о предельном состоянии
77
Рис. 3.3. Типы разрушения железобетонной конструкции, усиленной КМФУ
ше потенциальной энергии, которой обладает сцепление с бетоном внутренней арматуры. Эта разница в потенциальных энергиях сцепления является фактором, оказывающим существенное влияние на распределение растягивающих усилий, передающихся на внутреннюю и внешнюю арматуры. Данное положение может быть использовано для расчета усилий анкеровки композиционного материала и расчета по образованию и раскрытию трещин.
При испыт аниях образцов с внешним армированием КМФУ на изгиб наиболее часто разрушение происходит в результате отслоения полосы композиционного материала от поверхности бетона. При этом наиболее слабым местом сцепления между полосой КМФУ и бетоном является бетон, расположенный вблизи поверхности соединения В зависимости от начальной точки процесса разрушения выделяются следующие типы разрушения, представленные на рис. 3.3 [43]:
Тип 1. Разрушение начинается в ненарушенной трещинами зоне анкеровки. Композиционный материал может отслоиться в этой оне в результате излома бетона под действием сдвигающих напряжений на контакте слоев.
Тип 2. Отслоение КМФУ происходит в результате образования 1рещин изгиба от действия внешней нагрузки. Трещины изгиба в бетоне, первоначально нормальные к продольной оси элемента, могут далее распространяться горизонтально. В этом случае отслоение полосы композиционного материала произойдет в центральной части конструкции в отдалении от зон анкеровки.
Тип 3. Отслоение КМФУ в результате образования наклонных трещин, которые образуются в результате совместного действия
78
Усиление Железобетонных конструкции композиционными материалами
нормальных и касательных напряжений и могут быть доминантными при отслоении полосы композиционного материала. Однако, в конструкциях с достаточным внутренним и внешним поперечным армированием образование таких трещин маловероятно и отслоение композиционного материала возможно только при недостаточном поперечном армировании;
Тип 4. Отслоение композиционного материала может быть вызвано и неровностями поверхности бетона. Неровность и шероховатость бетонной поверхности могут служить причиной начальной местной потери сцепления полосы КМФУ с бетоном, которая может распространиться далее и стать причиной отслоения
Экспериментальные исследования, проведенные Jansze W. [44], показывают, что в случае расположения концов ленты КМФУ на некотором расстоянии от опоры L (наиболее типичный случай) в этом месте может образоваться вертикальная трещина, которая в дальнейшем может развиваться наклонно, как от действия поперечной силы (рис. 3.4, левая трещина). Однако, в случае достаточного внутреннего поперечного армирования развитие этой трещины в вертикальном направлении останавливается и она начинает развиваться горизонтально параллельно внутренней продольной арматуре. В результате приклеенная полоса композиционного материала вместе с бетоном отделяется от основной конструкции на уровне продольной арматуры в виде скалывания (рис. 3.4, правая трещина). Такой характер разрушения называется отрывом бетона. Оба этих механизма разрушения могут быть реализованы только в том случае, когда максимальная поперечная сила, действующая на расстоянии L от опоры, превысит допустимое значение.
3. Прогнозцэование разрушения усиленных конструкции в предельном состоянии
79
3.2.	ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОЯВЛЕНИЯ ОТСЛОЕНИЙ В КОНЦЕ ЗОНЫ АНКЕРОВКИ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА И В ЗОНЕ ТРЕЩИН ИЗГИБА
Появление наклонных трещин обусловлено развитием горизонтальных и вертикальных деформаций и происходит вследствие суммарного их воздействия. Отслоение КМ может произойти из-за раскрытия горизонтальных трещин Однако и вертикальное раскрытие трещин может также явиться результатом отслоения КМ, так как происходит по причине появления растягивающих напряжений в защитном слое бетона между материалом усиления и внутренней продольной рабочей арматурой. На появление отслоений между КМ и бетоном влияют следующие парамегры: а) вертикальное раскрытие трещин; б) жесткость материала усиления; с) прочность на растяжение бетона.
Возникновение отслоения КМ под воздействием изгибающих нагрузок можно описать количественно при помоши модели Deuring [71], которая является наиболее полной, но очень сложна в практическом применении. Модель, разработанная Blashchko [72], прогнозирует, что появление отслоений в зоне трещин сдвига можно предотвратить ограничением действующей силы сдвига сопротивлением сдвига Qh элементов без поперечного армирования со следующим изменением характеристики прочности бетона на сдвиг Rs/l и эквивалентно коэффициенту армирования ц :
Rxh = 0,\5R™,	(3.1)
4+А ~
^sum= b~h0	’	(3-2)
где Ло рабочая высота сечения, мм; As площадь поперечного сечения стальной арматуры, мм2; b ширина поперечного сечения элемента, мм; Ас - площадь поперечного сечения композиционного материала, мм2; Е расчетный модуль упругости композиционного материала, МПа; Е — модуль упругости стальной арматуры, МПа.
В случае снижения проектной несущей способности на сдвиг ниже требуемой расчетной величины возникает необходимость
80
Усиление Железобетонных конструкции композиционными материалами
усиления конструкции на поперечную силу. На основании экспериментальных данных установлено выражение для определения несущей способности на поперечную силу Qb = R.  b • d, co значением прочности на сдвиг xRp - 0,38 + 151
Прогноз появления отслоения в конце зоны анкеровки КМФ и в зоне возникновения трещин изгиба может быть сделан различными способами, которые кратко описываются в данной главе.
Одним из вариантов, обеспечивающим предотвращение отслаивания КМФ, является ограничение растягивающих деформаций до определенного значения. В дополнение к этому, прочность концевой анкеровки КМФ должна быть обоснована с использованием методов, основанных на механике разрушения и на соотношениях «напряжение сцепления сдвиг». Принцип ограничения деформаций объединен несколькими правилами проектирования и технических инструкций с ограничением деформаций в диапазоне от 0,0065 до 0,0085.
Результаты тестов показали, что когда КМФ подвергается растягивающим деформациям, появление отслоения зависит от большого числа параметров, таких как свойст ва материала усиления и бет она, типа нагрузки, ширины раскрытия т рещин и т.д. Решение задач разных типов не может определяться только ограничением деформаций. Например, ограничение деформаций в некоторых случаях ведет к неэкономичному использованию КМФ, особенно при усилении большепролетных конструкций.
В качестве примера для проверки усилия анкеровки может быть представлена модель Holzenkampfer [66] с дальнейшим ее развитием Neubauer и Rostasy [69]. Эта модель, основанная на законе сцепления, даст максимальное значение усилия анкеровки Л',,, niav,H, и максимальную длину зоны анкеровки I, тах мм:
Nan,mm =а-е кс-b-kh-	’	(3-3)
Ectc
1 =J D ’	(3-4)
an,mm \C2Rf,tn
где a — понижающий коэффициент, приблизительно равный 0,9, который учитывает влияние наклонных трещин на прочность сцеп
3. Прогнозирование разрушения усиленных конструкции о предельном состоянии
81
ления (а = I в балках со значительным внутренним и внешним армированием и в плитах); kt коэффициент, учитывающий плотность бетона (кс может быть равен 1, но для применяемого материала усиления для бетонных поверхностей с низкой плотностью, т.е. для поверхностей, не имеющих контакта с опалубкой во время отливки, ке = 0,67); кь — коэффициент, учитывающий геометрию конструкции.
Этот коэффициент определяется как:
Агл = 1,06
(3.5)
где hj b> 0,33; b ширина прямоугольного сечения; ширина ребра таврового и двутаврового сечений; ширина одной из сторон прямоугольной колонны; Ьс ширина ленты композиционного материала.
Значения Ь, Ье и tc измеряются в мм, а Ес и Rhtn в МПа. Значения С| и с2 могут быть получены по результатом тестов, для КМФ они эквивалентны 0,64 и 2 соответственно. При соотношении сцепляющих длин 1ап < 1т тах предельная сцепляющая сила вычисляется по формуле Holzenkampfer [66]:
W = 7V , ан an 9 шах .
1 ап, max
• 2--^-
ап,так
(3.6)
Более детальный подход для предотвращения отслаивания от грещин изгиба в случае кратковременной статической нагрузки предложен Niedermeier [73]. Целью этого подхода является вычисление максимально возможного увеличения растягивающих деформаций в пределах КМФ, которые могут передаваться посредством напряжения сцепления между двумя соседними трещинами. Это увеличение должно быть учтено при проектировании системы «бетон адгезив — КМФ» (рис. 3.5). Результаты тестов показывают, что потеря сцепления и отслоение инициируются трещинами изгиба, когда растягивающее напряжение в КМФ превышает значение, которое может быть передано напряжениями сцепления.
в-5211
82
Усиление Железобетонных конструкции композиционными материалами
Рис. 3.5. Проектирование усиления конструкций с использованием огибающих линий: As — площадь поперечного сечения стальной арматуры, мм2; Ас — площадь поперечного сечения КМФ; N — действующие усилия в конструкции, Н; Nc - несущая способность конструкции, Н; 1ап — длина анкеровки; I — расстояние между трещинами
Поэтому решение задачи по предотвращению отслаивания КМФ можно разделить на три этапа:
1.	Определение самого неблагоприятного раскрытия трещин изгиба;
2.	Определение растягивающего усилия в пределах КМ между двумя соседними трещинами согласно проектированию при изгибе,;
3.	Определение максимально возможного увеличения растягивающих напряжений в КМ на участке между трещинами.
Рассмотрим эти этапы решения задачи:
1.	Расстояние между двумя соседними трещинами 1сгс эквивалентно передаточной длине lt и вычисляется при условии неизменности напряжений внутренней и внешней арматуры. Значение сцепляющего напряжения тда? определяется по формуле (3.7). Передаточная длина вычисляется по формулам (3.8)—(3.11), где Мсгс — момент трещинообразования. В выражении (3.10) коэффициент к принимается в расчет с большим значением прочности на растяже
3. Прогнозирование разрушения усиленных конструкции о предельном состоянии
83
ние при изгибе Rbli по сравнению с осевой прочностью на растяжение КМФ или прочностью на растяжение бетона. В этом случае значение к принимается равным 2,0. Значение плеча zm определяется при учете осевой жесткости различных слоев арматуры и композиционного материала (3.13). Для упрощения вычислений может быть принято неизменное расстояние между трещинами по длине конструкции. Сцепляющие напряжения, которые передаются в не трещиноватую зону бетона, ограничены посредством энергии разрушения. Большое расстояние между трещинами является неблагоприятным. Расстояние между трещинами должно соответствовать 2 длинам передаточной зоны напряжений.
т.1т= 1,85	(3.7)
гсп= 0,44  Rbl,	(3.8)
I — О . / — Э .	1
(3.10)
(3.11)
где — величина сцепления внутренней арматуры, МПа; — величина сцепления композиционного материала, МПа; I расстояние между трещинами в растянутой зоне, мм; М — момент, воспринимаемый сечением нормальным к продольной оси элемента при образовании трещин, Н мм; Es модуль упругости стальной арматуры, МПа; Е(. — расчетный модуль упругости композиционного материала, МПа.
2.	Определение растягивающего усилия в пределах КМФ между двумя соседними трещинами производится с учетом внутреннего силового равновесия и деформационной совместимости элементов системы.
3.	Известно, что увеличение растягивающих напряжений между двумя соседними трещинами не должно превышать максимальных, вычисляемых по правилам проектирования изгибаемых кон-
6*
84
Усиление Железобетонных конструкции компоэициожыми материалами
Внутренняя арматура
Рис. 3.6. Разделение анкеровки на грани-це возникновения трещин: Nb — усилие, воспринимаемое бетоном сжатой зоны; N - усилие, воспринимаемое внутренней стальной арматурой; Ne усилие, воспринимаемое композиционным материалом; Q — поперечная сила от действующей нагрузки; Ra - опорная реакция
Граница появления трещин изгиба
струкций. Это должно быть сделано для областей, где появляются трещины от изгиба, так же как и для зоны анкеровки.
Максимально растягивающее усилие, передающееся от КМФ к бетону посредством действия напряжений сцепления в зоне анкеровки (рис. 3.6), вычисляется по Niedermeier [73] по эмпирическим формулам (3.12}—(3.14).
с. IЕ • -J Rh  Rh,„
		1	( у ПН ntn га.max__________i
V E
(3.12)
где Rbll и Rbtt] соответственно нормативные сопротивления бетона сжатию и растяжению; С| = 0,23.
Максимально возможное напряжение имеет связь с эффективной зоной анкеровки lon max, мм:
[ Eltc
\	’ ЕЫп ’
(3-13)
где с2 - 1,44.
3. Прогнозирование разрушения усилеьыых конструкции в предельном состоянии
85
Рис. 3.7. Изменение растягивающих напряжений в КМФ по длине анкеровки
Увеличение длины зоны анкеровки / не приводит к увеличению сопротивления растягивающим напряжениям. Это происходит вследствие ограничения работы разрушения, что отмечается многими исследователями [66, 69].
Для длин анкеровки меньших, чем lanmaV максимальные растягивающие напряжения описываются выражением (3.14) (рис. 3.7).

ан 2 _ ап ^ип так	^т. max
I <1 an an,max
(3.14)
^co.max
Анализ работы материала усиления учитывает простейшие соотношения «напряжение сцепления сдвиг» и приводи! к выражениям, которые могут быть использованы для вычисления максимального увеличения растягивающих напряжений (max Ас, 7) в элементе между двумя трещинами. Определение <5)(/ основано на деформационной совместимости и силовом равновесии в сечении (рис. 3.8).
На рис. 3.9 показано максимально возможное увеличение max Асу^, зависящее от специфических особенностей расстояний между трещинами.
Точки А, В и С, показанные на диаграмме, могут быть оценены с использованием следующих выражений. На рис. 3.9 точка А соответствует условиям на концах анкеровки, где Дос = 0.
Сопоставление максимального увеличения в напряжениях или, в этом случае, максимального растягивающего напряжения анке-
86
Усиление Железобетонных конструкции композиционными материалами
Рис. 3.9. Диаграмма для определения максимально-возможного увеличения растягивающих напряжений (max Agc)
ровки max ДсИ может быть оценено из выражений (3.12} (3.14). Значение а® можно вычислить по выражению (3.15), и оно относится к максимальному увеличению max До(в, определяемому из выражения (3.16):
ios=£iA_C4.7^7^;.i..	плз)
* сгс	**
3. Г^юеноэцюоание разрушения усилемшх конструкции о предельном состоянии
87
max Асу/ = —  [J' Е '	+ (о У-а “
Гь, У tc
(3.16)
где с3 = 0,185 и с4 = 0,285. Линейное снижение напряжений между точками А и В может определяться из выражения (3.17):
(. А	л в\
max Дет -max До, I ----- —в-----стс	(3 17)
Кривая между точками В и С определяется выражением (3.18):
max До (2) = — Ybt
(3.18)
Для максимальных растягивающих напряжений верхний предел увеличения напряжений определяется прочностью КМФ из выражения (3.19):
тахДо/3> = Rc -о,. •	(3.19)
В формулах (3.12)—(3.18) единицами измерений являются МПа для напряжений и модуля упругости и мм для линейных величин 1(ГС, t,.-
Предлагаемые коэффициенты cj, с2, с3, с4 и к получены калибровкой (линейным регрессионным анализом) модели сцепления. Они относятся к соотношению «напряжение сцепления —- сдвиг», и их можно определить из соотношений:
- 4 '	' ^htn
максимальное касательное напряжение
сцепления;
2 , зсп —	- ci / f4 - перемещение сдвига между поверхностями
КМФ и бетона при нарушении сцепления между ними.
Потенциальная энергия разрушения бетона на границе с композиционным материалом 6(. составит:
88
Усиление Железобетонных конструкции композиционными материалами
2
Gc = 0,5 • т„.  = 0,5 • Rh„  Rbl„ .
У hl
Проверка зоны анкеровки и силы сцепления между материалом усиления и бетоном включает в себя 2 этапа. Первый этап включает проверку анкеровки. На втором этапе должно быть проверено ограничение сдвигового напряжения ih на границе «материал усиления бетон», которое является результатом изменения растягивающей силы вдоль материала усиления. Рассматривая два поперечных сечения на расстоянии Ах, где действуют изгибающие моменты M(ln M(l + &Md, касательные напряжения в бетоне ^определяются из выражения:
ДА.
4 =
(3.20)
где &Nr изменение нормального усилия в материале усиления между двумя участками.
При проверке по первой группе предельных состояний напряжение сдвига 1Ь должно быть меньше прочности бетона на сдвиг Rdt. Принимая во внимание критерий разрушения Мора-Кулона в случае нулевых нормальных напряжений, прочность сцепления в 1,8 раза больше прочности на растяжение:
^=1,8-^-.
Выражение (3.21) может допускать, что А - M/znt и N = Nc + Ns. В зависимости от того, «потекла» ли внутренняя арматура или нет, N и ДАС могут быть аппроксимированы выражениями:
(3.21)
Ay-Eszs
Ае Есес ЬМ или ДАГ =----—
1 +
ev<e>(Z; N =N.
= Af- 1 + ^
4
As  Es АСЕС
(3.22 а)
e.v - N =NC + As  Ry иди ДА(. =
ДЛ/
(3.22 b)
П1
3. Прогнозирование разрушения усиленных конструкции о предельном состоянии
89
Из выражения для проектируемой поперечной силы
Q ~ ЬМ / Дх и условия z,„ = (z, + z,)/ 2 - 0,95 • Ло имеем следующие неравенства.
Е'<£^; ---------7 А f\~R*
0,95 /ц,	1+ Г' ,	(3.23 а)
л, Ее
е. >е, -; -—----< R.
yd 0,95ЛЛ		(3.23 b)
В формуле (3.22 а) принято, что ед / Е(. ~ 1. Благодаря значительной ширине сцепляющей поверхности, проверка выражения (3.23 а) не является определяющей. Проблемы со сцеплением могут возникнуть в случае достижения внутренней арматурой предела текучести или развития больших сдвиговых сил.
Ключевым допущением этого решения является условие, что приведенные выражения при проверке от возникновения трещин изгиба описывают постоянную микротрещиноватость на границе «материал усиления бетон» и местные отслоения, которые не приведут к потере сцепления.
3.3. ПОТЕРЯ СЦЕПЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА УСИЛЕНИЯ С БЕТОНОМ ПРИ ДЕЙСТВИИ СДВИГОВЫХ УСИЛИЙ
Необходимость оценки сдвиговых усилий в приопорной части железобетонной конструкции обусловлена наличием поперечных сил. В том случае, когда внутреннее армирование конструкции и прочность бетона не обеспечивают несущую способность на поперечную силу, требуется усиление конструкции с учетом анкеровки композиционных материалов.
Одним из подходов является гипотетическая концепция сдвига (Jansze [44]), применяемая для подсчета сопротивления балок на воздействие поперечной силы (см. рис. 3.10).
Окончательные выражения приведены ниже:
Q<Qh = Rsh-hh0,	(3.24)
КаЛ = 0,15

(3.25)
90
Усиление Железобетонных конструкции композиционными материалами
Рис. .3 10. Концепция потери сцепления материала усиления с железобетонной конструкцией от действия сдвиговых усилий: pf коэффициент армирования конструкции композиционным материалом; Ц коэффициент армирования конструкции стальной арматурой, h высота сечения конструкции; L расстояние от опоры до ленты композиционного материала; aL расстояние от опоры до верхней i раницы крайней к опоре наклонной трещины; а — расстояние оз точки приложения силы до опоры
а > L + Ао, я, < а,
(3.26)
(3.27)
где L расстояние от конца КМФ до опоры, мм; а половина длины балки между опорами, мм, р =——	коэффициент арми-
b-he
рования.
Гипотет ическая концепция сдвига дает упрощенное инженерное решение, предназначенное для npoi ноза появлений отслоений на конце КМФ, включая отрыв бетона по внутренней стальной продольной арматуре. В любом случае для надежного прогноза появлений отслоений ламината, а также выбора типа их анкеровки требуется проведение большого количества испытаний усиленных железобетонных конструкций в лабораторных условиях.
14. УСИЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ОБОЙМАМИ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
4.1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСИЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ОБОЙМАМИ
ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Усиление железобетонных конструкций, особенно колонн зданий, инженерных и мостовых сооружений, с целью повышения их несущей способности обычно производится в случае предполагаемого увеличения нагрузки на несущие конструкции, повышения их жесткости, восприятия дополнительною изгибающего момента или для защиты от землетрясений. Традиционно в этих случаях применяются следующие способы усиления:
охватывание колонны стальными обоймами или обручами;
увеличение поперечного сечения колонны присоединением бетонного или железобетонного элемента.
Усиление стальными обоймами по периметру колонн повышает прочность бетона и его деформативность, что предотвращает проскальзывание и изгиб внутренней продольной арматуры. Усиление колонн обоймами из композиционных материалов получило развитие сравнительно недавно в середине 90-х годов XX в. Аналитические и экспериментальные исследования по усилению железобетонных колонн композиционными материалами достаточно полно отражены в работах [51 57].
Композиционный материал, в отличие от стали, создающей постоянное радиальное давление на усиливаемый элемент после достижения пластичности, упруго деформируется вплоть до разрушения и поэтому оказывает возрастающее пассивное радиальное давление на бетонный образец, находящийся под осевой нагрузкой. Из рис 4 1 следует, что начало осевой деформации бетона проис-
92
Усиление Железобеток-ых конструкции композиционными материалами
Рис. 4 1 Сравнительные графики усиления обоймами из стали и композиционных материалов
ходит после достижения стальной обоймой предела текучести и не сопровождается увеличением радиального давления ог на бетонный образец. В отличие от этого обойма из композиционного материала вызывает постоянно возрастающее радиальное давление на образец.
Эффективность усиления обоймами из КМФ за
висит от боковой дилатансии бетона, которая в свою очередь является функцией бокового давления. Таким образом, модели усиленного композиционным материалом бетонного образца основываются на взаимодействии радиального расширения бетона и обоймы КМФ. Получаемые при испытании таких моделей эмпирические зависимости по определению прочности на сжатие и деформаций бетона, усиленного обоймой из КМФ, также учитывают особенности деформирования системы «бетон-обойма КМФ» под осевой нт рузкой.
Предельные деформации бетона, усиленного обоймой из КМФ, находятся в функциональной зависимости с расчетными предельными деформациями композиционного материала, принятого для усиления. Экспериментальные исследования показывают, чтоташенци-альные разрушающие деформации обычно имеют меньшие значения, чем разрушающие деформации, получаемые при стандартных испытаниях холстов КМФ на растяжение. Снижение величин разрушающих, деформаций можно объяснить несколькими факторами:
• Трехосным напряженным состоянием охватывающего бетон композиционного материала. Как показано на рис. 4.2, обойма из композиционного материала совместно с бетоном воспринимает сжимающие напряжения, пассивный отпор бетона и растягивающие напряжения от бокового расширения. Их величина зависит от
типа композиционного материала и состояния соединяемых поверхностей, которое в свою очередь зависит от целого ряда факторов (жесткость адгезива между обоймой КМФ и бетоном, тщатель-
4. Усиление- Железобепхлмьсх консшрукии. обьимами из композ зционни.л «атериалоо
93
Радиальные напряжения от действия обоймы из КМФ
Рис. 4.2. Распределение напряжений в железобетонном элементе при его уси-гении обоймами из КМФ
ность и условия подготовки соединяемых поверхностей и т. д.). В случае неполного воздействия обоймы на бетон, она подвергается только передающимся на нее сжимающим напряжениям и деформациям и поэтому разуплотняется в зоне расширения или из-за разрушения КМФ, или из-за отслоения между обоймой и бетоном. Тангенциальные деформации обоймы ер немного меньше предельных деформаций композиционного материала с()и, так как 1ради-ент напряжений в обойме благодаря радиальному давлению о( влияет на предел прочности КМФ. В случае полного прилегания обоймы КМФ к бетону, композиционный материал усиления подвергается как собственным продольным деформациям, так и продольным деформациям, передаваемым ему бетоном. Предельные напряжения и деформации снижаются из-за развития отслоений и микроизгиба на отдельных участках. Разрушение происходи! даже при меньших тангенциальных деформациях, чем в случае неполного соединения слоев;
•	Качеством выполнения подготовки поверхности бетона. Если волокна композиционного материала в некоторых местах расположены неэффективно из-за наличия пустот или некачественной подготовки поверхности, то часть энергии тангенциальной деформации приходится на вытягивание волокон. КМФ также может быть поврежден неправильно закругленными краями холста или местными неровностями;
•	Искривленным видом обоймы из композиционного материала, особенно в колоннах с малым радиусом закругления углов;
94
Усиление Железобетонных конструкции коллпозиционнылли материалами
•	Наличием масштабного эффекта при применении для создания обоймы нескольких слоев композиционных материалов.
Обозначим предельные тангенциальные деформации обоймы
из композиционных материалов с учетом всех вышеперечисленных требований как е Истинные проектные величины для предельной тангенциальной деформации обоймы еом могут рассматриваться как текущие и зависящие от уровня действующих нагрузок. Так
как величина е ( используется при проектировании усиления колонн, то ее истинное значение должно приниматься по данным фирм-производителей или устанавливаться опытным путем.
Бетон в колоннах, охваченных обоймами из композиционного материала, ведет себя как билинейный материал, диаграмма «о е» которого представлена на рис 4.3. На начальной стадии деформирования его поведение подобно поведению не усиленного бетона до тех пор, пока обойма из КМФ не начинает вызывать радиальные напряжения в бетоне. При возрастании осевой нагрузки скорость развития радиальных деформаций в бетоне также увеличивается, что является результатом сопутствующего снижения жесткости бетона. 1Три достижении бетоном предельных деформаций сжатия в материале начинают образовываться трещины и охватывающая обойма из композиционного материала полностью вступает в работу. На этой стадии деформирования диаграмма «напряжение-деформация» становится линейной с углом наклона, про-
Рис. 4.3. Идеализированная диаграмма «о—е» для бетона, усиленного обоймой из КМФ: Еь иЕр— начальный и текущий модули деформации бетона, МПа
порниональным жесткости обоймы КМФ.
Большинство исследований, посвященных деформированию под нагрузкой бетона, усиленного стальными обоймами или обоймами из композиционного материала, базируются на одной из первых фундаментальных работ [50], в которой исследуется поведение бетона в трехосном напряженном состоянии. В стабилометре в цилиндрическом бетонном образце
4. Усиление Железобегтютых конструкции обоймами из композиционных материалов
95
поддерживалось заданное гидростатическое давление. При этом прочность и жесткость образца возрастали с увеличением бокового гидростатического давления. Анализ экспериментальных данных позволил получить следующую эмпирическую зависимость:
^ = ^ + 4,1аг,	(4.1)
где Rh) — прочность на сжатие усиленного обоймой бетона; Rh расчетная прочность бетона на сжатие; сг радиальное боковое давление, вызываемое обоймой.
В этих экспериментах образцы были подвержены активному гидростатическому давлению, остающемуся постоянным в течение всего времени проведения испытаний. Однако, когда стальная обойма достигает стадии пассивного обжатия бетона, радиальные напряжения развиваются только в результате бокового расширения бетона. В этом случае радиальные напряжения являются неоднородными и непостоянными. Тем не менее, большинство исследуемых экспериментальных моделей поведения заключенного в обойму бетонного образца описываются уравнением, приведенным в [51]:
= 2,254 /1 + 7,94— -2^--1.254.
Ъ	(42)
Для одноосно нагруженного бетонного цилиндрического образца, охваченного стальной обоймой, эффективное боковое радиальное давление (рис. 4.4) определяется как функция коэффициента армирования бетона стальной обоймой рл и пределом текучести стали Rs:
-р, К,,	(4.3)
4Л5
где Ц, = ——— ; ке	коэффициент, зависящий от формы усиливае-
О 
мого элемента и площади его усиления обоймой. Для круглой формы бетонной конструкции, усиленной обоймой по всей длине, ке = 1; A s — площадь поперечного сечения стальной обоймы; 5 — высота обойм; ds — диаметр стальной обоймы.
Усиление железобетонных колонн стальными обоймами имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, наружное расположе-
96
Усиление Железобетонных конструкции коллпозиционньглли материалами
Рис. 4.4. Радиальное давление на железобетонный элемент, вызванное охватывающим усилением обоймой: аг радиальные напряжения в конструкции, вызываемые обоймой из композиционного материала; G„afo) напряжения в стальной обойме (обойме из композиционною материала)
ние стальных обойм, особенно в условиях агрессивной внешней среды, способствует их коррозии и снижению вследствие этого усиливающего эффекта. Во-вторых, имеет место несовместимость деформационных характеристик (модуля упругости и коэффициента Пуассона) стали и бетона. В связи с этим альтернативой усилению колонн стальными обоймами является их усиление композиционными материалами.
Для случая усиления бетонного цилиндра сплошной обоймой из композиционного материала с направлением расположения волокон по касательной к поверхности ци
линдра охватывающее радиальное давление по аналогии с выражением 4.3 можно записать в виде:
=	£„ •£<,	<4-4)
4/
где =-/— — коэффициент армирования колонны обоймой из композиционного материала; t() толщина обоймы из КМФ; d() — диаметр обоймы из КМФ, d() ~ dK (диаметр колонны); напряжения в обойме из КМФ; Е() модуль упругости обоймы из композиционного материала; ео — тангенциальные деформации обоймы из КМФ (равные боковым деформациям бетона).
Радиальное напряжение ог, вызванное обоймой из композиционного материала, подсчитывается на основе текущего напряжения в обойме & = Ео  го < са/ = Ео  гои, пока оно не достигнет предельной величины о( и соответствующей предельной тангенциальной деформации обоймы Ео = Е()и.
Отсюда предельное расчетное значение радиальных напряжений:
<^ = 1^ Ео-гои.	(4.5)
4. Усиление Железобетонных конструкции обоймами из композиционных материалов
97
Для определения прочности на сжатие усиленного бетона существуют различные мнения. Подробный анализ различных моделей напряженно-деформированного состояния усиленного обоймой бетона приводится в работе [74]. Так, одни исследователи допускают применение модели Mander J.B. [51], основанной на теоретических исследованиях Popovics S. [58]. В основу модели положено то обстоятельство, что максимальные напряжения, определяемые в результате охватывающего радиального давления, рассматриваются как одноосная реакция системы «бетон-усиливающая оболочка» на вертикальное давление. Основная трудность при использовании этой модели заключается в том, что в нее заложено постоянное значение охватывающего бокового давления в течение всего времени нагружения конструкции. В реальности это давление возрастает после того, как начинается боковое расширение бетона, и величина давления зависит от законов деформирования охватывающей обоймы.
Сравнительный анализ теоретических результатов и опытных данных показал, что когда предлагаемые модели достаточно хорошо соотносятся с предполагаемой нагрузкой, они плохо коррелируются с предельными деформациями. Отсюда вытекают существенные различия между теоретическими и опытными данными в части описания кривой деформирования системы «бетон — усиливающая обойма из КМФ»
Для преодоления этого противоречия были проведены испытания круглого бетонного образца, усиленного обоймой из композиционного материала на основе стекловолокна КМФС [52]. Образец был подвергнут осевой нагрузке с максимальным эксцентриситетом е = 0,05£> (D — диаметр образца). В работе предполагается, что обеспечение эффективной жесткости композиционного материала достигается при (2to / D) EC > 977 МПа с расположением волокон в холсте 90°. Обработка результатов испытаний позволила получить авторам (Lillistone D. и Jolly С.К.) следующую зависимость, связывающую прочность усиленного бетона и деформационные характеристики системы:
1 + [Е5и(Ел-Ep)/R, J	р ha’	(46)
где уЬ( = 1,5 коэффициент надежности по бетону при сжатии;
7-5211
98
Усиление Лелезобетомэвх конструкций композиционными материалами
гЬа — осевая деформация бетона, усиленного обоймой из КМФ; Eh — начальный модуль упругости бетона, определяемый по эмпирической зависимости Еь = 21500[(R + 8)/10],/3; R кубиковая прочность бетона, МПа; Е/; — модуль деформации бетона после усиления его обоймой из КМФ перед разрушением; Ер - 1,282 D)  Ес; Rb = R(Eh— Е ) / (Еь— Ех); Ех — модуль деформации не усиленного бетона, Е] = (R + 8УеЛ|г, где гЬи - =0,0027—0,0045.
На зависимость 4.6 структурно похожа зависимость, полученная Arduini М. [53], основанная на экспериментальных работах Miyauchi К.:
(0,75/Ь<)-(Е„-Ер)-£^
{l + [efcu(E„-E/))/R/J"},/" р	(4’7)
где Е — секущий модуль деформации бетона, ГПа; Ео = 9,5(R/ik + + 8), RhK =0,85 R — цилиндрическая прочность не усиленного бетона, МПа; п = 8 — эмпирический показатель степени;
<48>
где Rh = Rh +4,1- O,85Rt. • tjr — характеристика прочности бетона, усиленного обоймой из КМФ; г — радиус колонны; — предельная осевая деформация бетона, усиленного обоймой из КМФ.
Предельная осевая деформация гЬаи определяется как:
Ml + -JR/, r/R. Г„],	(4.9)
где v = 0,2 — начальный коэффициент Пуассона для бетона.
На рис. 4.5 представлены графики деформирования бетона, усиленного обоймами из углеродного композиционного материала, рассчитанные по зависимостям 4.6 и 4.7. Как видно из графиков, они дают вполне сопоставимые результаты, хорошо согласующиеся и с данными других исследователей [59].
Зависимости 4.6 —4.9 являются эмпирическими, полученными в результате обработки экспериментальных данных. В расчетах использовалась кубиковая прочность бетона на сжатие. Поэтому авторы сочли нужным оставить все коэффициенты, входящие в эти формулы, без изменений для сохранения целостности выражений и рекомендовать величину коэффициента надежности по бетону при сжатии yhc = 1,5.
4. Усиление Железобетоншх конструкций обоймами из композициоеных материалоо
99
Следует отметить, что эти зависимости были получены при испытаниях цилиндрических образцов на осевое сжатие. Колонны в составе мостовых конструкций могут испытывать и горизонтальные нагрузки от столкновения с ними транспортных средств. В этом случае они испытывают комбинированную нагрузку от действия осевого сжатия и изгибающего момента. В работе [60]
Деформация хЮ 4
Рис. 4.5. Сравнительные диаграммы «напряжение-деформация» (у = 0,2, ВЗО, г - 250 мм, t0 = 1 мм, R(.n = = 3430 МПа, Е(„ = 1,5%)
исследовались на действие изгибающего момента цилиндрические бетонные колонны, усиленные обоймой из арамидного композиционного материала КМФА. Обойма состояла из 2-х слоев однонаправленных холстов с R = = 2360 МПа и Есп = 104 ГПа, радиус колонны г = 250 мм. кубиковая прочность бетона R = 40 МПа. Арамидное волокно в качестве усиления было принято по той причине, что его свойства являются средними между углеродным волокном и стекловолокном, а также оно хорошо сопротивляется ударным нагрузкам. В работе принято предположительное увеличение кубиковой прочности усиленного бетона и линейное изменение предельных деформаций бетона с 0,0035 при прочности R до значения 0,01 при 1,5/?. Эти исходные данные и данные эксперимента были проанализированы с помощью модели, описываемой выражением 4.6. Теоретические и экспериментальные исследования показали их хорошую сходимость. Модель деформирования, разработанная Spoelstra-Monti [55] и базирующаяся на теоретических исследованиях Popovics S. [58], предполагает, что напряжения в бетоне определяются по зависимости:
r-1 + x
(4.10)
Чо	L Rb
(4.11)
100
Усиление Железобетожых конструкций композиционными материалами
где Еь — осевая деформация бетона под сжимающей нагрузкой; ЕЛо деформация сжатия бетона при его максимальной прочности после усиления обоймой из композиционного материала. Rb определяется по формуле 4.2 при значениях радиальных напряжений в бетоне ar < вги, при которых может наступать разрушение обоймы композиционного материала; ЕЬи предельная деформация не усиленного бетона при максимальном напряжении сжатия. По данным фирмы S&P Clever Reinforcement, e/(I/ = 0,002;
£ _ £ ; sec e
^b '-'sec	Cb„
(4-12)
где E секущий модуль деформации бетона.
При рассмотрении особенностей поведения КМФ в работе [55] были приняты следующие допущения, основанные на экспериментальных исследованиях [61]:
o/j=Esec(er) Efc; £sec(er) = ^|^,	(4.13)
где Р — константа, зависящая от свойств бетона и его прочности на сжатие в не усиленном состоянии Rb, МПа:
₽=^-5<Ю,
ег — радиальные деформации бетона;
(4.14)
ег(ел,ог) =
Е, ел-оДелог) 2роЛ(ЕЛ,ог)
(4.15)
Величина Е, определяется из выражения 4.15. Деформация обоймы из композиционного материала (ео = ег из условия совместности деформаций для случая предельно загруженного бетонного цилиндра) может быть определена через текущее напряжение в обойме = Ео • е Величина <зо может быть использована для нового вычисления ег по зависимости 4.15. Эта итерационная процедура может повторяться несколько раз до тех пор, пока величина <5() не достигнет требуемого проектного значения, при этом Е°- ем<. Вся процедура повторяется при различных значениях деформаций бетона при сжатии еь на полной кривой «напряжение-деформа
4, Усиление Железобетонных конструкций обоймами ш композиционных материалов 101
ция». Результирующая кривая может рассматриваться как кривая, пересекающая множество кривых (Popovics S.), каждая из которых соответствует уровню бокового давления, подсчитанного по зависимости 4.2 и текущим боковым деформациям, определенным согласно [61].
Поведение под нагрузкой бетонного образца, охваченного обоймой из КМФ, согласно рассмотренной выше модели в сопоставлении с его поведением в стальной обойме приведено на рис. 4.6. На рис. 4.6, а приведены зависимости осевых деформаций от осевых напряжений. На первоначальном участке графики деформирования бетона в стальной обойме и обойме из КМФ практически совпадают. После достижения сталью деформаций порядка 2,5 приведенных осевых деформаций кривая деформирования становится более крутой. Кривая деформирования обоймы из стекловолокна КМФС на первом этапе совпадает с кривой деформирования не усиленного бетона. После точки деформирова
ния, в которой происходит разрушение не усиленного бетонного образца, кривая КМФС имеет меньший наклон и вызывает большие осевые деформации.
Рис. 4.6. Поведение под нагрузкой бетонного элемента, усиленного обоймами из стали, КМФУ, КМФС: а— соотношение между радиальными деформациями и напряжениями; б— соотношение между радиальными и тангенциальными деформациями; в соотношение между радиальной и объемной деформациями
102
Усиление Железобетонных конструкции коллпозиционными материалами
На рис. 4.6, б приведена зависимость между осевыми и радиальными деформациями. Как можно заметить из графиков, наклон различных кривых зависит от типа и материала усиления. В начале КМФС имеет более крутой наклон, что означает более высокое начальное расширение бетона, остающееся постоянным вплоть до разрушения обоймы. Обойма из углеродного композиционного материала претерпевает меньшие радиальные деформации, так как обойма из КМФУ имеет меньшую предельную деформацию е^.
На рис. 4.6, в приведены графики зависимостей объемных деформаций от осевых. Для обоймы из углеродного композиционного материала объемная деформация вначале уменьшается, затем возвращается к первоначальному значению и далее на определенном уровне осевой деформации постепенно возрастает в силу увеличения бокового давления, уменьшает объемное расширение и меняет свое направление.
Разрушение бетонного образца, охваченного обоймой из композиционного материала, может наступить при выполнении условия:
Чги=*ои,	<416>
когда предельные радиальные боковые деформации бетона гЬги достигнут предельных допустимых деформаций обоймы из КМФ. Величины предельных усилий и деформаций бетона прогнозируются на основании рассмотренных выше моделей. Величина ЕЬги определяется по формуле 4.15 подстановкой в нее вместо <зь ее максимальной величины, находимой по зависимости 4.6 и равной предельной расчетной прочности обоймы из КМФ.
Основой проектирования усиления колонн обоймами из композиционных материалов может служить каждая из рассмотренных выше моделей. Им присущи свои достоинства и недостатки.
Усиление обоймами железобетонных колонн (или более простых конструкций, например, труб) значительно увеличивает требования к осевой нагрузке, изгибу, поперечным силам, действующим в конструкции, так как из-за возрастания прочности бетона на сжатие увеличиваются поперечные силы и повышается сопротивление изгибу сжатой стальной арматуры. В случае усиления колонн оболочкой (стальной или из КМФ) последняя можег располагаться по внешнему периметру колонны или формироваться посредством опалубки.
4. Усиление Железобетонных конструкций обоймами ш композиционных материалов
103
Основными предпосылками для усиления колонн внешними обоймами из КМФ являются:
•	предотвращение разрушения защитного слоя бетона;
•	обеспечение боковой устойчивости продольных стержней арматуры;
•	повышение несущей способности и деформативиости бетона.
В случае круглых колонн эти цели достигаются путем применения внешних холстов композиционного материала или непрерывно по всей длине колонны или в виде отдельных обручей, устраиваемых через определенные промежутки.
В случае усиления прямоугольных или квадратных колонн в зависимости от типа применяемых холстов их углы должны быть скруглены радиусами 15—25 мм. Усиление внешними обоймами прямоугольных колонн менее эффективно, чем круглых, так как концентрация напряжений локализуется в углах конструкции и основная толщина оболочки должна быть между углами для ограничения бокового расширения и исключения недопустимого изгиба колонны.
Углеродные композиционные материалы предпочтительнее в случае предполагаемого увеличения нагрузки на колонну, а арамидные или стекловолокна — в случае изменения гибкости конструкции. Обойма КМФ может состоять из активных или пассивных слоев или их комбинации. Подобно стальным обоймам пассивные обоймы из КМФ обеспечивают восприятие пассивного бокового давления. При использовании активных (преднапряженных) оболочек боковое охватывающее давление обеспечивается раньше, чем в случае пассивного отпора, вызванного радиальным расширением бетона колонны при его сжатии.
В зависимости от формы колонны и расположения композиционного материала усиления распределение радиальных давлений в колонне будет неравномерным. Выделяются четыре основных случая усиления:
•	усиление обоймой из КМФ цилиндрической колонны по всей ее длине с расположением волокон композиционного материала перпендикулярно продольной оси колонны;
•	частичное усиление колонны кольцами из КМФ;
•	усиление обоймой из КМФ с произвольным расположением волокон относительно продольной оси колонны;
104
Усиление Железобетонклх конструкции коллтюэицио+^ьыли материалами
•	усиление колонн не круглой формы поперечного сечения.
Все усиленные элементы проверяются по следующим критериям:
•	разрыв композиционного материала обоймы под действием растягивающих напряжений;
•	разрушение обоймы из КМФ в местах соединения слоев внахлестку;
•	разрушение колонны под действием поперечных сил;
•	соответствие условиям по второй группе предельных состояний: осевые и радиальные деформации колонны, разрушения от усталости и ползучести материала.
4.2.	УСИЛЕНИЕ КОЛОНН КРУГЛОЙ ФОРМЫ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ
В случае одноосной нагрузки на цилиндрическую колонну, усиленную обоймой из КМФ по всей длине с расположением волокон композиционного материала перпендикулярно продольной оси колонны (рис. 4.7, а), для определения прочности на сжаше и предельных деформаций усиленного бетона можно воспользовазься рассмотренными выше моделями.
Так, в работе [55] предлагается следующий алгоритм вычислений.
1.	Максимальное радиальное давление, создаваемое обоймой из КМФ, определяется по зависимости:
юги	J
2.	Далее согласно модели Mander J.B. [51] по формуле 4.2 с подстановкой в нее вместо сг <3П1 определяется максимальная прочность бетона на сжатие Rh() и по формуле 4.11 предельная осевая деформация сжатия бетона при его максимальной прочности на сжатие.
3.	Предельный секущий модуль деформации бетона определяется по зависимости:
(4.17)
(4.18)
£ = ____________
secu 1 + 2рЛои/£о
где константа [3 определяется по зависимости 4.14.
4.	Пересечение наклонной прямой линии и на рис. 4.8 с кривой, полученной Popovics S., позволяет определить предельные сжимающие напряжения Rbu и деформации гЬи в бетоне:
4. Усиление Железобетонных конструкций обоймами ш композиционных материалов
Е
105
Рис. 4.7. Радиальное давление, вызываемое обоймой из КМФ: а — полное усиление по длине колонны; б — частичное усиление по длине колонны; D — диаметр колонны; Ь(. ширина ленты композиционного материала; t —толщина обоймы из композиционного материала; of — радиальные напряжения в конструкции, вызываемые обоймой из КМФ;.? расстояние между осями лент усиления КМФ; s’ расстояние между лентами усиления КМФ; о(, — расчетные растягивающие напряжения в КМФ
Радиальная деформация
Рис. 4.8. Определение предельных сжимающих напряжений и деформаций

Ebb(Eh Esec.u)


Еьи Еж и £Ьи,
(4.19)
г — где bbh-
106
Усиление Железобетонных конструкций коллпозициои-ыми материалами
5.	Подставляя выражение (4.18) в (4.19) получаем окончательно:
р _ р (2ft • Еоц • Ebh J еьь1еь ________________F.
^bu t'bcS
1 + 2₽ Е<ш
(4.20)
Еь ^ьь
Этими же авторами [55] приводятся упрощенные формулы для определения Rbtl и efa(. Они основаны на наблюдении, что в экспериментальных исследованиях предельные прочности и деформации бетона имеют прямую зависимость с предельными деформациями обоймы из КМФ р , максимальным охватывающим давлением о’ и модулем упругости бетона Еь и обратную зависимость от прочности не усиленного бетона Rb. Регрессивный анализ экспериментальных данных позволил авторам получить две эмпирические зависимости:
^=Лл(0,2 + з7о7).
(4.21)
«л«=£ли(2+ 1.25ЕЛ-Е„и-7ог„),
(4.22)
— ГТ	—- F
гдео,и=-^ и л,, кь
Во всех приведенных выше формулах по определению предельной прочности усиленного обоймой бетона не рассматриваются случаи с низким содержанием композиционного материала в обойме или с низкой »ффективностью применения усиления (квадратное или прямоугольное сечение колонн, частичное усиление поверхности колонны). Экспериментальные результаты и теоретические модели показывают, что кривая «напряжение-деформация» имеет нисходящую ветвь после достижения предельного состояния. В этом случае результирующая бокового давления от внешней обоймы будет пренебрежительно мала, и поэтому прочность бетона после усиления Rbo практически не будет отличаться от прочности бетона до усиления Rb.
Другое эмпирическое уравнение для определения предельной деформации бетона приводится в работе [54]:
=0,004+,	(4.23)
Kbv
где величина Rbo находится по зависимости 4.2.
4. Усиление Железобетонных конструкций обоймами из композиционных материалоо 107
Используя зависимость 4.23 и формулы дтя определения (из зависимости 4.4), можно получить выражение для определения необходимой толщины композиционного материала обоймы t(), требуемого для усиления колонны:
0,1^-0,004) D Rh0
--------.	(4.24)
С'ои
В отличие от данного подхода, в литературе [52] высказывается предположение, что критерий разрушения обоймы из КМФ ба жируется более на жесткости обоймы, чем на создаваемом ею давлении. В ней приняты следующие допущения: критерий разрушения не должен быть приоритетным и требовать дополнительных знаний по радиальному расширению бетонного ядра; в отличие от прочности на растяжение КМФ модуль упругост и волокон в меньшей мере зависит от механических повреждений материала, возникающих во время производства работ по усилению.
Исходя из этих положений они рекомендуют следующую зависимость для расчетной прочности бетона, усиленного композиционным материалом на основе стекловолокна:
К = 0,67А / уЛг + 0.05 E,(2tJD).	(4.25)
Сравнительные исследования, приведенные Lillistone D. [62], показали хорошую сходимость формулы 4.25 с результатами экспериментальных исследований [59], и он рекомендует ее для расчета прочности на сжатие бетона, усиленного обоймой и из других композиционных материалов. Так как эта зависимость также основана на кубиковой прочности бетона, то он рекомендует принимать коэффициент надежности по бетону = 1,5.
Усиление обоймами КМФ железобетонных колонн увеличивает их прочность на изгиб, что является его дополнительным преимуществом. Одной из основных проблем проектирования в данном случае является определение толщины КМФ to, для того чтобы она могла сопротивляться как изгибающему моменту, так и сжимающей нагрузке на колонну. Усиление обоймами бетона увеличивает его прочность на сжатие и способность сопротивляться деформациям. Поэтому при проектировании очень важно улучшить эффективность усиления увеличением деформаций, которые может воспри-ня гь КМФ. А так как композиционные материалы хуже работают
108
Усиление Железобетонных конструкции композиционными материалами
на сжатие, чем на растяжение, то в данном случае особенно важны требования к их жесткости. В противном случае возможен риск отслоения КМФ от поверхности бетона или разрушение анкеровки. Наблюдения, проведенные Cuninghame LR. [60], позволили установить, что для круглых колонн, вне зависимости от типа волокон и адгезива, жесткость обоймы должна быть более 320 МПа.
В работе [2] приведенную призменную прочность бетона колонны, усиленной поверхностно-оклеечным стеклопластиком, предлагается определять по формуле:
=2?л(1 + О,5 °' ),	(4.26)
где Rfu прочность бетона на осевое растяжение; бг дополнительное напряжение в бетоне, вызванное работой поверхностио-ок-леечного стеклопластика, определяемое по формуле:
ъ, = (2п} -Pf)lh,	(4 27)
где количество слоев стеклоткани в стеклопластике; Pf — расчетная прочность на растяжение 1 см стеклопластика из одного слоя стеклоткани, b ширина усиливаемой колонны.
Как видно, по своей структуре формула 4 26 аналогична формуле 4 I, а формула 4.27 выражению 4 4.
В работе [63] при расчете трубобетонных ст оек вводится коэффициент kh, учитывающий повышение прочности заключенного в обойму бетона. Для бетона В20 к^ ~ 1,92, а для бетона класса В30Лл = 1,55.
В случае частичного усиления железобетонной колонны по ее длине (рис. 4.7, б) из-за наличия усиленной и не усиленной областей эффективность усиления снижается. В этом случае коэффициент А?е из выражения 4.3 меньше 1.
Величина коэффициента эффективности усиления рассчитывается из предпосылки, что эффективность усиления (наличие радиальных напряжений в бетоне) достигается в полной мере на не усиленном j частке, где действует арочный эффект. Как показано на рис. 4.7, б, арочный эффект действует на участке междх лентами усиления и имеет форму параболы с начальным углом наклона около 45°. Между двумя лентами усиления плошадъ эффективно усиленного бетонного ядра Аое составит:
4. Усиление Железобетонных конструкций обоймами ш композиционных материала)
109
л‘=7(п~?)2’	(428)
где s =(s — b() — расстояние между лентами усиления.
Величина ке определяется соотношением А ое /АЛ, где Ah = (A As) площадь поперечного сечения бетона конструкции за вычетом площади продольной арматуры Af:
(1-—)2
Л^—^- = (1-^)2,	’	(4.29)
1-ц	2£)
где р — коэффициент армирования конструкции продольной стальной арматурой.
Как видно из выражения 4.29, величина ке всегда меньше 1, обратно пропорциональна / и ц, и прямо пропорциональна диаметру колонны.
При применении для усиления колонн холстов, располагаемых по спирали к поверхности колонны, эффект усиления снижается и радиальные деформации бетона будут меньше. Величина растягивающих усилий в композиционном материале Nc, принимается постоянной. Радиальные напряжения в бетоне по высоте колонны при устройстве обоймы по спирали составят:
(4.30)
где 7? кривизна спирали композиционного материала, определяемая по формуле:
где к - Р12п (Р шаг спирали, г — радиус).
В случае охватывания композиционным материалом круглой железобетонной колонны боковое давление на единицу ее длины составит:
Or‘=ftt-r	(4-32)
Используя для расчета коэффициента усиления ке зависимое!и 4.30 4.32, получим:
110
Усиление Железобетонных конструкции композиционными материалами
4.3.	УСИЛЕНИЕ КОЛОНН НЕ КРУГЛОЙ ФОРМЫ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ
В случае колонн прямоугольного поперечного сечения с размерами сторон b х d (рис. 4.9) и с углами, закругленными радиусами гс = 15 25 мм, часть бетона не испытывает эффекта усиления и только в части площади поперечного сечения образуется ядро бетона, испытывающего повышенные радиальные напряжения. Как и в случае усиления колонн отдельными полосами композиционного материала по их длине, не усиленные области бетона ограничены арками с углом наклона 45° к грани колонны (рис. 4 9). Полная площадь сечения бетона, не охваченного усилением, определяется как:
 2	.2
л Ь
Аьи =----.	(4.34)
Учитывая соотношение (Аь Я коэффициент тффектив-ности усиления составит:
.2	.2
,	, b +d
к„ = 1----
ЗЛ(1-р)
Величины радиальных напряжений по осям рассчитываются как:
-Е(4.36)
где и — коэффициенты армирования бетона обоймой из КМФ соответственно относительно сторон bud прямоугольника _2bc t„ 2brt
О Г • В<«/
(4.35)
(4.37)
Рис. 4-.9. Эффективная область усиления обоймами из КМФ прямоугольных железобетонных колот тн: Ь и d — размеры сторон прямоугольной колонны; b и d — размерь; частей колонн, не охваченных усилением; г — радиус закругления
4. Усиление Железобетоны* конструкций обоймами из композициоьгах материале»
111
В случае, когда прямоугольное сечение, теряя свою форму, становится близким к овальному, обойма из КМФ будет иметь изменяющийся радиус кривизны и различные направления передачи нагрузок. В качест ве эквивалента обоймы круглой формы может быть взят средний диаметр овала по разным направлениям т аким образом, чтобы при подсчете толщины обоймы to этот диамет р был равен эквивалентному диаметру круглых колонн. В этих случаях эффективное радиальное давление ог будет равным боковому давлению, оказываемому обоймой круглой формы о. и определяемому по зависимости 4,4, а максимальная величина радиальных напряжений ct величине сп1, определяемой по зависимости 4.5.
В работе [64] приводится несколько другой подход к проектированию усиления прямоугольных колонн композиционными материалами. Он используется в своей проектной деятельности фирмой-производителем композиционных материалов «S&P Clever Reinforcement» и аналогичен подходу, изложенному в [54] для усиления круглых колонн. Необходимо отметить, что в некоторых экспериментальных исследованиях усиления прямоугольных колонн КМФ по сравнению с усилением круглых колонн такого же поперечного сечения, были получены результаты, показывающие, что гибкость колонн возрастает примерно вдвое меньше.
Максимальная деформация сжатия бетона определяется по формуле, аналогичной 4.23:
= 0,004+	' ™
(4.38)

Коэффициент армирования определяется по формуле
(4.39) nd
где Ли d — размеры сторон.
Из этих двух выражений вытекает зависимость лля определе-
ния толщины слоя композиционного материала:
t ^и.4^,-0,004)/?,,, b d ^еои b + d '
(4.40)
Подводя итоги изложенных положений по усилению квадратных и прямоугольных колонн композиционными материалами, можно сделать следующие основные выводы:
112
Усиление Желеэобетоньых конструкций компожщионьылли материалами
На колонну круглого поперечного сечения диаметром 300 мм предполагается увеличение нагрузки с 4МПа до 7МПа, коэффициент надежности по нагрузке -1,75, по материалу - 1,2
Требуемая величина напряжений ту, МПа
4с = 1,75-3,0 МПа = 5,25 МПа
1 слой S&P С Sheet 240 (200г/м') = 4 МПа => требуется 2 слоя
e.*EJx	= 1200МПа
д4о, МПа
500
Диаметр колонны, мм
Рис. 4.10. Пример определения необходимого количества холстов для усиления колонны под новую нагрузку (Фирма «S&P Clever Reinforcement»)
t = вес1м'холста/пдотность холста = 200(г/м2)/1,7(г/см3)-0,117 мм
2 слоя /„= 20,117=0,234 мм
1000
•	на практике сложно добиться значительного увеличения несущей способности и гибкости колонн на действие центрально приложенной нагрузки;
•	увеличение прочности на изгиб квадратных колонн вполне достижимо, но все предлагаемые проектные решения должны быть проверены экспериментальными исследованиями;
•	наибольший эффект при усилении колонн не круглого сечения достигается с целью повышения их несущей способности на действие поперечных сил.
Один из примеров проектирования усиления колонн круглого поперечного сечения композиционными материалами на основе углерода представлен на рис. 4.10.
Разрушение соединения слоев в результате потери сцепления между ними может произойти из-за недостаточной длины их соединения. Этот вид разрушения является хрупким, что весьма нежелательно во время эксплуатации усиленной конструкции. Кроме того, возросшая нагрузка на колонну передается со стальной арматуры на бетон и вызывает появление в последнем микротрещин. Это, в свою очередь, уменьшает сцепление между арматурой и бетоном. Применение же обойм из композиционных материалов, особенно преднапряженных, повышает сцепление между сталью и
4. Усиление Железобетонных конструкций обоимами из композиционных материалов
113
бетоном. Однако из-за недостаточной длины соединения слоев КМФ в обойме в условиях повышенной нагрузки на колонну и pa I-виткя трещин может произойти ее хрупкое разрушение.
Длина соединения для различных систем усиления и композиционных материалов обычно указывается фирмами-производи гелями, но в случае необходимости должна проверяться на практике. Общим правилом является то, что когда для усиления колонны применяются два или более слоев КМФ, то места соединения слоев должны располагаться на противоположных концах колонны. Минимальная длина соединения 200 мм.
Применение обоймы из композиционных материалов позволяет увеличить несущую способность колонн на действие поперечной силы. Расчет несущей способности железобетонных конструкций на действие поперечной силы был приведен в гл. 2. Сопротивление бетона и стальной арматуры рассчитывается согласно требованиям СНиП 2.03 01 -84*. Сопротивление на действие поперечной силы круглых обойм из КМФ определяется по формуле:
Qc = (nl2)t„d Ес ес,	(4 41)
где d расстояние между внешним краем обоймы из КМФ и центром растянутой арматуры; г < 0,004—расчетная деформация КМФ.
Такое ограничение поперечной деформации связано с тем, что композиционные материалы имеют линейную диаграмму деформирования вплоть до разрушения, и в данном случае ее значение адаптировано к деформированию внутренней стальной арматуры.
В результате усиления колонн обоймой из композиционных материалов их жесткость на изгиб увеличивается, из-за чего возрастают действующие в них внутренние усилия. Это обстоятельстве» должно приниматься во внимание при проектировании. Увеличение действующих в колонне внутренних усилий зависит от принятого метода усиления, характеристик композиционного материала и формы колонны. В табл. 4 1 представлено увеличение действующих в колонне усилий в % к ранее действующим усилиям в зависимости от принятого способа усиления.
Как видно из табл. 4.1, во всех случаях применение тля усиления колонн обойм из композиционных материалов вы зывает меньшие увеличения нагрузок по сравнению с остальными способами усиления
8-5211
114
Усиление Железобетонных конструкций композиционными материалами
Во время эксплуатации под действием нагрузки происходит укорочение колонн, а также реализуются радиальные деформации, что может привести к снижению эффективности усиления. Кроме того конструкции (например, мостовые) могут испытывать многократно повторяющиеся нагрузки, а также возможен разрыв композиционных материалов при длительном приложении полной постоянной и временной нагрузок.
Осевое укорочение длины колонны под действующими на нее нагрузками возрастает под действием радиальных деформаций от сжатых элементов. Эти деформации при достижении значительных величин могут создать проблемы при эксплуатации конструкции и даже привести к ее хрупкому разрушению. Эксплуатационные нагрузки, вызывающие максимальные деформации сжатия в бетоне, не должны быть чрезмерными, так как в противном случае из-за непредвиденных обстоятельств (пожар, землетрясение, вандализм и т.д.) может произойти разрушение колонны, так как бетон вследствие объемных деформаций становится трещиноватым. Для предотвращения возможности возникновения этой ситуации рекомендуется при проектировании ограничивать осевую деформацию сжатия бетона от действия эксплуатационных нагрузок величиной 0.0035.
Расчет железобетонных колонн, усиленных обоймой из КМФ на выносливость должен производиться в соответствии с указаниями пунктов 3.47 3.49 строительных норм и правил [25]. При этом напряжения, действующие в композиционных материалах, должны быть лимитированы. Их значения должны быть равными: для КМФУ — 80 %, КМФА 70 %, КМФС 30 % от предельных Rc.
Разрушение композиционного материала может произойти под длительным действием полных эксплуатационных нагрузок. Этого типа разрушения можно избежать, лимитируя уровень напряжений в КМФ. Поэтому уровень напряжений в КМФ рекомендуется прини-
Таблица 4.1. Сравни телыюе увеличение действующих в колонне усилий, %
Форма колонны	Увеличение усилия	Стальная обойма	Наращивание бетона	Обойма из КМФ
Круглая	Продольная сила	10—20	20-50	0 5
	Поперечная сила	20—40	25—75	0—5
Прямоугольная	Продольная сила	20—40	20 50	0 10
	Поперечная сила	40—70	25—75	0—5
4. Усиление Железобетонных конструкции обоймами из композиционных материалоо
115
мать в '/о от их предельных значений Rc; для КМФУ — 65 %, КМФА — 40 %, КМФС — 55 %. Приведенные ограничения напряжений в композиционных материалах взяты из литературных источников [65].
4.4. СРАВНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ УСИЛЕНИЯ КОЛОНН
Сравнение по различным критериям способов усиления приведено в табл. 4.2.
Результаты табл. 4.2 наглядно демонстрируют преимущества усиления колонн обоймами из композиционного материала по сравнению с другими способами. Большим преимуществом применения обойм из КМФ является минимальное увеличение изгибающих усилий. несмотря на резервы в улучшении гибкости конструкции. В результате усиления колонн обоймами КМФ они не подвергаются действию дополнительных внутренних усилий, и этим предотвращается их преждевременное разрушение. При использовании для усиления преднапряженных композиционных материалов (особенно на основе арамида) в конструкции быстро устанавливается трехосное напряженное состояние. Благодаря этому в бетоне увеличиваются сжимающие напряжения без проявления больших осевых деформаций.
Применение усиления железобетонных колонн композиционными материалами технологично. Время простоя сооружения (это особенно важно для мостовых конструкций) значительно уменьшается. К тому же обоймы из КМФ имеют небольшую толщину и требуют меньше времени для вступления во взаимодействие с остальными, расположенными вблизи строительными конструкциями инженерного сооружения.
Таблица 4.2. Сравнение способов усиления колонн
Способ усиления	Увеличение веса конструкции	Изменение размеров конструкции	Радиальное давление	Увеличение изгибающих усилий	Трудоемкость применения	Коррозия
Стальная обойма	-	-	-	-	—	—
Наращивание бетона	-	-	-	—	--	0
Обойма из КМФ	+	+	+ +	+	+	+ +
Условные обозначения:	 + + очень хорошо		очень плохо:	плохо; 0 — отсутствует; + -				хорошо;
в*
15. ТЕХНОЛОГИЯ УСИЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
5.1.	УСТАНОВКА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ПОВЕРХНОСТЬ УСИЛИВАЕМОЙ КОНСТРУКЦИИ И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ
Усиление конструкций инженерных сооружений является частью общего процесса по их восстановлению (рис. 5.1). Усиление строительных конструкций сооружений необходимо производить, если они не удовлетворяют поверочным расчетам по несущей способности или требованиям нормальной эксплуатации. После проведения поверочных расчеюв необходимо выбрать способ усиления, который удовлетворял бы требованиям безопасной эксплуатации сооружения, обеспечивал технологичность монтажа элементов усиления и осуществлялся без остановки производственного процесса. Композиционные материалы на основе углеволокон отвечают вышеперечисленным требованиям.
Предлагаемая технология усиления определяет порядок и условия выполнения работ при усилении композиционными материалами железобетонных строительных конструкций с целью перераспределения напряжений в элементах конструкции.
Технология выполнения работ по усилению строительных конструкций и контролю качества приведена на рис. 5.2. Она включает:
•	подготовку поверхности конструкции;
•	монтаж листового материала;
•	контроль качества производства работ
•	нанесение защитного слоя от воздействия окружающей среды;
•	промывку оборудования
Применяемые материалы соответствуют требованиям — ISO 9001-9002 и российским стандартам ГОСТ 40.9001-88, ГОСТ 40.9002-88.
5. Технология усиления конструкции композиционными материал ми
117
Рис. 5.1. Технологический маршрут ремонта конструкций с сильной степенью повреждений (коррозия 16,5—40%)
Данная технология усиления строительных конструкций представляет часть общего технологического процесса по ремонту конструкции (рис. 5.1) и разработана с учетом исправности гидроизоляционной системы в сооружении.
118
Усиление Железобетонных конструкции композиционными материалами
Рис. 5.2. Технология усиления конструкций инженерных сооружений с применением композиционных материалов
Усиление композиционными материалами начинается с подготовки поверхности конструкции.
Поверхность конструкции в местах наклейки листовых матери-
5. Технология усиления конструкций композиционными материалами
119
Рис. 5.3. Проверка ровности поверхности усиливаемой конструкции
алов подвергают очистке, чаще всего пескоструйной обработке, что позволяет вскрывать поровую структуру бетона.
Затем обработанную поверхность шлифуют абразивным инструментом для придания ровности и шероховатости, выступающие острые кромки скругляют до радиуса 1—3 см. Конструкционная прочность поверхностного слоя бетона должна быть не менее 1,0 МПа для холстовых материалов КМФ и не менее 1.5 МПа.
После выравнивания поверхность обеспыливают с помощью промышленного пылесоса.
Чтобы исключить концентрацию напряжений в углепластиковых листах или ламинатах и обеспечить равномерность распределения растягивающих напряжений, следует проверить ровность поверхности с помощью 1-метровой рейки (рис. 5.3). При этом допускается максимальное отклонение 1 мм на полосе длиной 30 см.
Если данное требование не соблюдается, то необходимо вы-ровнить поверхность с помощью специального выравнивающего состава. Приготавливают выравнивающий состав на основе эпоксидной смолы и кварцевого песка с модулем крупности Мк = — 0.5—0,8 мм, исходя из следующих соотношений:
компонент А (эпоксидная смола) — 2 весовых части;
компонент В (отвердитель) — 1 весовая часть;
компонент С (кварцевый песок) — 3 весовые части.
Для приготовления выравнивающего состава используют миксер со скоростью вращения 400—600 об/мин. Состав приготовляется в следующей последовательности:
•	в емкость помещают отдозированное (рассчитанное и взвешенное) количество компонента А;
•	при постоянном перемешивании добавляют рассчитанное и взвешенное количество компонента С до получения однородной консистенции;
120
Усиление Железобетонах конструкций композиционными материалами
•	к полученному составу добавляю! рассчитанное и взвешенное количество компонента В и перемешивают в т ечение 3—5 мин.
Допускается выполнение указанной операции вручную, если количество приготавливаемого состава менее 1 кг.
После смешивания поверхность выравнивают приготовленным составом с помощью шпателя и терки. Расход состава = 2 кг/м2. После выравнивания поверхности устраивают технологический перерыв не менее 7—12 час., необходимый для отверждения состава.
После выравнивания поверхности осуществляют подготовку технологической оснастки и оборудования для производства работ по усилению. Для обеспечения равномерного разматывания композиционного материала согласно техническому описанию собирают станину для размещения рулона КМФ-ламината. Рулон ламината помещают в станину и фиксируют с помощью обжимных роликов и ограничительных штанг.
Подготовка КМФ-ламината включает в себя следующие операции. Его разматывают из рулона и помещают на монтажный стол. Далее проводят разметку отрезков ламината требуемой длины согласно проектной документации. Нарезание ламината проводят с помощью отрезной машинки, используя диск по металлу. Для обезжиривания КМФ-ламината используют органический растворитель — ацетон с расходом 0,4 л/м2 поверхности. При этом одновременно удаляется графитовая пыль.
Обезжиренные ламинаты складывают на монтажном столе перед установкой для нанесения клеевого состава. Нанесение клеевого состава осуществляют с использованием специального устройства. Равномерное нанесение клеевого состава на материал усиления обеспечивается регулировкой ширины лотка устройства под ширину используемого ламината и величину проходного зазора (рис. 5.4).
Монтаж КМФ-ламинатов осуществляется с применением клеевого состава на основе эпоксидной смолы, который готовится исходя из следующего соотношения:
компонент А (эпоксидная смола) — 2 весовых части
компонент В (отвредитель) — 1 весовая часть.
Клеевой состав готовят в подходящей емкости, используя миксер со скоростью вращения 400—600 об/мин. Далее в емкость помещают отдозированные (рассчитанные и взвешенные) количества
5. Технология усиления конструкций композиционными материалами
121
Рис. 5.4. Нанесение клеевого состава на поверхность КМФ-ламината
компонентов А н В и перемешивают в течение 3—5 минут до получения однородной консистенции.
На поверхность конструкции в местах наклейки ламинатов с помощью шпателя наносят слой клея толщиной 1—1,5 мм. Расход клея составляет 2—3 кг/м2. Заправляют подготовленный отрезок ламината в установку для нанесения клея так, чтобы край ламината выступал за пределы формующей пластины на 5—10 мм. Далее выкладывают в устройство поверх ламината клей и равномерно распределяют с помощью мастерка или шпателя. Продвигая ламинат через установку для нанесения клея и удерживая продвинутый ламинат с клеем в одной плоскости, добавля
ют по мере необходимости новые порции клея в установку.
Проводят монтаж КМФ-ламината с нанесенным клеем в рабочее положение с одного края к другому или от центра к краям. Затем его плотно поджимают к поверхности конструкции, прокатывая твердым резиновым валиком (рис. 5.5). На время отверждения клеевого и защитного составов (= 12 час.) обеспечивают защиту смонтированных ламинатов от любых механических воздействий.
Чистку оборудования от остатков выравнивающего, клеевого или защитного составов выполняют с помощью шпателя и ветоши. После этого оборудование и инструмент протирают ветошью, смоченной в растворителе. Операции выполняют сразу после использования приготовленной порции состава, остатки составов утилизируют в специальные емкости.
До начала производства работ определяют по ISO 4624/ CENITC 125 когезию поверхностного слоя бетона конструкции с помощью прибора DYNA Z15 и комплекта штампов Ж50.
Когезионная плотность поверхностного слоя бетона в месте монтажа ламинатов должна быть не менее 1,0 МПа (10 кг/см2).
Перед началом выполнения работ определяют следующие параметры окружающей среды:
•	температуру воздуха;
122
Усиление Желеэобетожых конструкций коллпшицион«>ш.и материалами
•	температуру поверхности конструкции;
•	влажность воздуха;
•	влажность конструкции;
•	температуру точки росы.
Значения измеряемых параметров должны быть;
•	температура окружающего воздуха > +10 °C;
•	влажное1! ь бетона < 4 %;
•	температура поверхности бетона min на 3 °C выше температуры точки росы
Габаритные размеры монтируемого листового материала на соответствие требованиям проектной документации контролируют с помощью измерительного инструмента.
Качество монтажа листового материала проверяют инструментально — по толщине наносимых слоев, или аналитически — по расходу клеевого материала и обрабатываемой площади, величину перехлеста - инструментально
5.2.	ОПЫТ ЗАО «ТРИАДА - ХОЛДИНГ» ПО УСИЛЕНИЮ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ композкдионньми МАТЕРИАЛАМИ
Фирмой «Триада-Холдинг» за последние годы работы накоплен опыт по проектированию и использованию ламинатов для усиления и ремонта железобетонных конструкций на многих объектах различного назначения.
5. Технология усиления конструкции коллпоэициотыми материалами
123
Рис. 5.6. Усиление и ремонт конструкций верхнего строения причала № 9 Новороссийского морского торгового порта
Усиление и ремонт конструкций верхнего строения причала № 9 Новороссийского морского торгового порта (рис. 5.6) были выполнены с устройством несъемной опалубки с применением углеволоконных материалов в качестве несущей арматуры.
Предложенное решение свело к минимуму объемы работ, производимых с воды под причалом. Па берегу, до постановки рам кондукторов (РКМ) в проектное положение, нижняя поверхность двутавров РКМ была защищена путем приклеивания фасонных элементов малой толщины, армированных щелочестойкой стекло-сеткой. Для восприятия динамических воздействий при забивке свай, фасонные элементы, имеющие ограниченную длину, были приклеены на эпоксидный адгезив. Следует отметить, что обработка поверхностей двутавров эпоксидом при наклеивании фасонных элементов уже обеспечивает коррозионную защиту металла. После защиты двутавров РКМ устанавливали в проектное положение.
Несъемная опалубка представляет собой бетонные плиты, которые изготавливаются в заводских условиях из бетона с применением специальных добавок. Плиты имеют внешнее армирование
124
Усиление Желеэобетог+ых конструкций композицио^ыми материалами
Рис. 5,7. Усиление конструкций стропильных ферм покрытия цеха домостроения Подольско! о ДСК
арматурой из углепластика. Специальный сослав бетона в сочетании с гидроизоляционными пепетрирующими материалами позволил уменьшить толщину опалубочных плит. В предлагаемом решении опалубочные плиты укладывали сверху на нижние полки двутавров с проклеиванием всей опорной зоны. Это обеспечило герметичность отсеков балочной клетки РКМ на период монтажа арматуры и последующего бетонирования и, что особо важно, исключило необходимость ведения работ по уплотнению ст ыков с воды.
Усиление конструкций стропильных ферм покрытия цеха домостроения Подольского ДСК (рис. 5.7). Из-за низкой коррозионной стойкости стальных конструкций усиления при традиционном методе производства работ и необходимости периодического проведения профилактических мероприятий, включая диагностику повреждений стали, ремонт и устройство коррозионной защиты, а также ввиду значительной трудоемкости выполнения работ по усилению, было реализовано усиление ферм высокоэффективными композиционными неметаллическими материалами на основе углеволокон, стойких к воздействию коррозионной среды. Усиление нижних по
5. Технология усиления конструкции композиционными материалами
125
ясов ферм произведено путем приклеивания на боковые поверхности элементов усиления — ламинатов. Совместную работу железобетонного пояса фермы и ламинатов обеспечили специальные конструктивные устройства поверхностные листовые материалы на основе однонаправленных углеродных волокон, устанавливаемые в опорных частях ферм.
Верх колонн, имеющих коррозионные повреждения, был уси лен путем устройства новых консолей.
Усиление конструкций ребристых плиз коллекторного тоннеля по улице Велозаводской. Это первый в России опыт усиления конструкций с помощью напряженных yi J ^пластиковых холстов. I Таряду с традиционными методами усиления (колоннами, двутавровой балкой, стальной полосой), которые в условиях коллекторного тоннеля не только дополнительно загромождают свободное пространство, но и трудоемки, зачастую сложны и связаны с большим расходом материалов, рассматривался вариант усиления плит перекрытий с применением композиционных материалов на основе углеволокон.
На выбор технологии усиления повлияло размещение самих плит перекрытия коллекторного тоннеля, а также важный параметр, необходимый для приклеивания у гл свол оконных холстов, — прочность бетона на отрыв, которая составила более 2,5 МПа.
Выборочно была произведена оценка эффективности обработки поверхности на когезионную прочность бетона различными способами. Более предпочтительными оказались способы обеспы-левания и обработка стальными щетками. Из-за наличия качественного бетона в кессоннной части плит перекрытия, усиление углепластиком производилось путем его приклеивания в растянутую зону конструкции, что обеспечило увеличение несущей способности плиты перекрытия на 20—25 % (рис. 5.8).
Усиление железобетонных конструкций путепровода через МОЖД по улице Шарикоподшипниковской (рис. 5.9).
Опыт применения высокопрочных композиционных материалов на основе углеволокон при реконструкции и усилении строительных конструкций пополнился за счет реализации проекта по усилению Шарикоподшипниковского путепровода в г. Москве. Усиление балок, колонн и ригелей производилось фирмой ЗАО «Триада-Холдинг».
Весной 2001 г. были проведены работы по усилению железобе-
126
Усиление Железобетонных конструкций композиционными материалами
Рис. 5.8. Усилениепяитперекрытий тоннеля инженерных коммуникаций композиционными материалами
тонных конструкций путепровода, входящие в состав мер по подготовке и осуществлению доставки из Германии проходческого щита для строительства Лефортовских тоннелей Третьего транспортного кольца.
Заказчиком работ по усилению путепровода выступал ООО «Организатор»; генподрядчиками — Корпорация Трансстрой, ОАО «Мостоотряд-19»; заказчиком проектных работ ООО «Проект грансстрой». Проект был разработан и реализован подрядчиком ЗАО «Триада-Холдинг».
Усиление конструкции путепровода проводилось с целью обеспечения несущей способности при транспортировке элементов проходческого щита — двадцати грузов с массой до 252 т.
Путепровод соединяет ул. Шарикоподшипниковскую с Южнопортовой и пересекает железнодорожные пути Окружной железной дорот и. Он был построен в 1968 г и рассчитан на временную нормативную натрузку НК-80. Длина путепровода составляет 169,12 м, ширина — 37,2 м. Балки пролетных строений имеют длину 24,0 м и 16,75 м — унифицированные, сборные из предварительно напряженного бетона.
Для выявления реального состояния конструкций было проведено обследование моста и выполнены проверочные расчеты. Для точного учета работы балок был выполнен пространственный расчет методом конечных элементов по программе «BASYS».
В основу методики расчета был положен анализ напряженно-деформированного состояния балок пролетных строений, ригелей и стоек опор.
5. Технология усиления конструкций композиционными материалами
127
Рис. 5.9. Усиление железобетонных конструкций путепровода через МОЖД по улице Шарикоподшипниковской
При проведении расчетов в качестве исследуемой нагрузки был принят автопоезд с элементом проходческого щита. Полная масса автопоезда при транспортировке самого тяжелого элемента щита составляет 252 т.
Расчет показал, что при пропуске сверхнормативной временной нагрузки имеется превышение изгибающего момента, т. е. прочность сечения в середине пролетного строения длиной 24 м не обеспечена.
В качестве материала усиления балок и ригелей принят ламинат швейцарской фирмы «S&P Clever Reinforcement Company» на основании соотношения «стоимость материала качество».
Ламинат фирмы «S&P Clever Reinforcement Company» обладает следующими характеристиками: прочностью на растяжение в 4 раза большей, чем прочность стали; массой в 7 раз меньшей массы стали и модулем упругости, соответствующим модулю упругости стали.
Для устройства хомутов по балкам и ригелям, а также для усиления колонн применялись специальные высокопрочные листовые материалы из углепластика (рис. 5.10).
128
Усиление Железобетонных конструкций композиционными материалами
S&P laminate CFK 150/2000
1500	21060	1500
S&P С sheet 640, 300*1700 mm
Рис. 5.10 Нижняя поверхность усиливаемых балок пролетных строений Шарикоподшипниковского путепровода
Рассматривались два варианта усиления балок: с преднапряже-нием ламинатов перед приклеиванием и без преднапряжения ламинатов.
По первому варианту для обеспечения несущей способности сооружения при прохождении груза требовалось усиление балки четырьмя предварительно напряженными полосами из углепластика сечением 80x1,4 мм. Усилие натяжения каждой полосы ламината равнялось 10 т. По второму варианту для обеспечения несущей способности требовалось усиление балки ламинатами без предварительного напряжения, но с увеличением количества материала вдвое, т.е. 8-ю полосами того же сечения.
В результате сравнения вариантов усиления было принято решение усилить балки пролетных строений по второму варианту — 8-ю полосами углепластика без предварительного напряжения. От первого варианта пришлось отказаться в связи с необходимостью выполнения работ в минимальные сроки, так как на работы по ремонту конструкций и их усилению было отведено всего 25 дней.
Правильность принятого решения была подтверждена специалистами швейцарских фирм «S&P Clever Reinforcement» и «BBR Systems ltd.» специализирующихся в области усиления строительных конструкций.
Выполнение работ проводилось по стандартной технологии, включающей подготовку поверхности железобетонных конструкций, контроль качества подготовки поверхности, установку ламинатов и хомутов, контроль качества установки.
Все работы выполняли с лесов и специально сконструированных и смонтированных подвесных подмостей (рис. 5.11). Общая площадь поверхности настила лесов и подмостей составила более 600 м2. Ус-
5. Технология усиления конструкций компохщиожыми материалами
129
Рис. 5.11. Подвесные подмости, специально сконструированные для ведения работ по усилению балок пролетных строений Шарикоподшипниковского путепровода
тройство большого количества лесов и подмостей под всеми усиливаемыми конструкциями позволило уложиться в отведенные сроки за счет ведения работ параллельно на различных участках.
Установка специальных подмостей обеспечила возможность проводить работы над железной дорогой без остановки движения поездов.
Использование пескоструйной обработки поверхности с передвижной установки позволило провести очистку большей части конструкций еще до сооружения лесов, что также значительно сэкономило время.
Особенностью технологии являлась необходимость доступа к конструкции по всей ее длине. Так как установка ламинатов осуществляется на специальный эпоксидный клей, наносимый непосредственно на них перед установкой в проектное положение, то время отвердения клея определяло сроки установки отдельного элемента усиления и темпы работ. Это условие требовало строгой организации процесса.
Четкая организация процесса установки ламинатов при усилении конструкций Шарикоподшипниковского путепровода позволила бригаде в составе 12 рабочих установить более 1200 м.п. ламинатов за 4 дня при минимальных потерях клея. По данным фирмы — производителя материалов, осуществлявшей контроль, та-
9-5211
130
Усиление Железобетонных конструкций композиционными материалами
кие показатели свидетельствуют об очень высоком уровне организации работ.
Для усиления конструкций путепровода листовыми материалами из углепластика была применена технология «мокрой» установки, которая носит такое название из-за того, что в этом процессе используется эпоксидный клей без добавления каких либо наполнителей, более жидкий по сравнению с клеем, включающим наполнитель Технология «мокрой» установки усложняет процесс приклеивания. Необходимо выдерживать холсты, пропитанные в клее перед установкой с целью его загус гения, а после монт ажа их на конструкциях следить за тем, чтобы тяжелые от клея холсты не провисали. Использование клея без наполнителя обеспечивает большую прочность и лучшие деформационные свойства полимерному композиту «углепластиковые холсты — матрица (эпоксидный клей)», а следовательно повышает эффективность усиления.
Испытания на железобетонных конструкциях Шарикоподшипниковского путепровода производила лаборатория «Контроль строительства и эксплуатации инженерных сооружений ЗЛО «Триада Холдинг». Качество приклеивания материалов испытывали методом отрыва по методике, принятой в мировой практике для этих целей.
Все работы по контролю качества проводились в присутствии заказчика, генподрядчика и эксплуатирующей организации ГУП «Гормост».
Результаты испытаний показали, что значения прочности бетона на отрыв в 1,9 раза превышают требования нормативов по усилению железобетонных конструкций.
Испытание путепровода под нагрузкой произвели сотрудники ОТН ГУП «Гормост». Оно заключалось в загружении пролетного строения временной статической нагрузкой. В качестве испытательной нагрузки использовали 2 автосамосвала весом по 45 т каждый.
В процессе испытания были измерены: прогибы всех балок одного пролетного строения в середине пролета; относительные деформации (нормальные напряжения) в поясах балок и в элементах усиления.
Результаты статических испытаний путепровода показали, что совместная работа материала усиления S&P laminate CFK 150/2000 с железобетоном балок пролетного строения обеспечена. Снижение растягивающих напряжений под испытательной нагрузкой в усилен
5. Технология усиления конструкций композиционными материалами
131
ной балке составляет 20 % по сравнению с неусиленной. После проведения работ было подтверждено, что Шарикоподшипниковский путепровод обладает достаточной жесткостью и прочностью для пропуска по нему автопоездов с тяжеловесной нагрузкой.
Работы по сопровождению сверхнормативной и тяжеловесной на1рузки выполнялись сотрудниками ООО «Сервис-Мост». При визуальном инспектировании в процессе и после прохождения ее по Шарикоподшипниковскому путепроводу никаких дефектов не обнаружено. Деформации конструкций сооружения не выходили за допустимые значения.
В результате выполненных работ по усилению конструкций путепровода обеспечена их несущая способность в целях успешной транспортировки крупнотоннажных грузов.
Этот метод может быть широко применен при усилении различных типов конструкций и сооружений. Длительный зарубежный опыт доказывает его перспективность.
Следует отметить, что усиление не смогло бы завершаться каче-ственно и своевременно без взаимопонимания и взаимной поддержки всех организаций, принимающих участие в выполнении работ.
Усиление балок пролетного строения моста через р. Химка на Волоколамском шоссе в составе транспортной развязки на пересечении с каналом им. Москвы (рис. 5.12). При ремонте железобетонных балок была использована предварительно напряженная арматура в виде углепластиковых полос.
Контролируемое усилие натяжения каждой полосы ламината составило N — 8,0 тс. Оно обеспечивало компенсацию потерь напряжений от ретаксации углепластиковых полос при смещении под анкерными пластинами, от трения в устройствах для натяжения полос и в домкрате, от времени выдержки натянутых полос при этих усилиях.
У силение металлических тяжей кирпичных сводов Храма Василия Блаженного (рис. 5.13). В результате воздействия агрессивных факторов окружающей среды у ряда тяжей произошло уменьшение поперечного сечения, отдельные металлические тяжи прокор-родировали по сечению на 100 %. В связи с этим самым оптимальным вариантом восстановления их работоспособности явилась анкеровка тяжей с применением углепластика. Впервые в отечественной практике были изготовлены вильчатые анкеры из углепласти-
9*
132
Усиление Железобетонных конструкции компохщиорьыми материалами
Рис. 5.12. Усиление балок пролетного строения моста через р. Химка на Волоколамском шоссе в составе транспортной развязки на пересечении с каналом им. Москвы
Рис. 5.13. Усиление металлических тяжей кирпичных сводов Храма Василия Блаженного
5. Технология усиления конструкций комгюзициоигыми материалами
133
ка, которые устанавливались в кирпичную кладку с последующим сцеплением по металлическим тяжам Это обеспечило восстановление несущей способности тяжей.
Накопленный опыт применения ламинатов для усиления строительных конструкций в целом является безусловно положительным, то есть вс всех случаях усиленные конструкции находятся в эксплуатационном состоянии без признаков деформирования и разру шения.
Опыт применения композиционных материалов для усиления строительных конструкций фирмой ЗАО «Триада-Холдинг» и анализ мирового опыта применения этих материалов для внешнего усиления железобетонных конструкций показал, что каждый проект усиления имеет свои особенности, свою специфику и является по своему уникальным.
Повышение надежности и долговечности железобетонных конструкций путем их усиления композиционными материалами может быть достигнуто только с использованием системного подхода. Учитывая комплексность работ по усилению, требования к качеству выполнения работ и используемых материалов, эти работы целесообразно выполнять силами специализированных организаций, использующих соответствующие материальную и научную базы.
। ОСНОВНЫЕ БУКВЕННЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Внешние нагрузки и воздействия и усилия от них в поперечном сечении элемента
М — изгибающий момент;
Мв — изгибающий момент перед усилением конструкции;
М. — несущая способность изгибаемого железобетонного элемента,
Лг продольная сила,
NCii продольная сила, действующая в обойме из КМ:
Nml — растягивающее усилие, действующее в анкеровке;
N ~ максимальное растягивающее усилие в анкеровке.
F внешняя нагрузка от сосредоточенной силы;
Q поперечная сила;
Qh поперечное усилие, воспринимаемое бетоном;
Qe — поперечное усилие, воспринимаемое композиционным материалом, Qs.inc~ поперечное усилие, воспринимаемое от гибами;
Qsw — поперечное усилие, воспринимаемое хомутами,
</ — равномерно распределенная внешняя нагрузка.
Прочностные характеристики материалов
R кубиковая прочность бетона на сжатие;
Rb. Rbser расчетные сопротивления бетона осевому сжатию для предельных состояний соответственно первой и второй групп;
Rhl хг расчетные сопротивления бетона осевому растяжению для предельных состояний соответственно первой и второй групп,
—	расчетное сопротивление бетона сжатию при изгибе;
—	расчетное сопротивление сжатию бетона, усиленного обоймой из КМ;
Rft sh - расчетное сопротивление бетона сдвигу;
Л/)и - предельное сопротивление сжатию бетона, усиленного обоймой из КМ;
Rc расчетная прочность на растяжение композиционного материала;
Rm прочность на растяжение композиционного материала по данным фирм-производителей;
Rf - прочность на растяжение фибры (волокон) композиционного материага;
-- прочность на растяжение отверждающей полимерной матрицы;
Rmi - расчетная прочность на растяжение обоймы из композиционного материала;
Rs ser — расчетные сопротивления стальной арматуры растяжению для предельных состояний соответственно первой и второй групп;
Rsl — расчетное сопротивление стальной арматуры сжатию дтя предельных состояний первой группы;
Основные буквенные обозначения
135
Деформационные характеристики
Е/: начальный модуль упругости бетона при сжатии и растяжении;
Е( — расчетный модуль упругости композиционного материала;
Ecrj модуль упругости композиционного материала по данным фирм-прои зводителей;
модуль упругости фибры (волокон) композиционного материала;
Ет модуль упругости отверждающей полимерной матрицы, Ео — модуль упругости обоймы из композиционных материалов;
Ег - модуль деформации бетона после усиления его обоймой из КМ перед разрушением;
Ev — модуль упругости стальной арматуры;
Е№(. — секущий модуль деформации бетона;
£’lw и предельный секущий модуль деформации бетона;
£| модуль деформации не усиленного бетона;
Ga — модуль сдвига адгезива;
Gc — потенциальная энергия разрушения бетона на границе с КМ;
eh - деформация крайне сжатого волокна бетона;
£fto — осевая деформация бетона, усиленного обоймой из КМ;
— предельная осевая деформация бетона, усиленного обоймой из КМ;
ЕЬс0 — максимальная деформация крайне сжатого волокна бетона перед усилением,
Efto деформация сжатия бетона при ею максимальной прочности на сжатие R^ после усиления обоймой из КМ;
efcrb тангенциальная деформация бетона в предельном состоянии;
Eh, — деформация крайне растянутого волокна бетона;
еЛмн — средняя деформация крайне растянутого волокна бетона;
ebiv ~ максимальная деформация крайне растянутого волокна бетона перед усилением;
Ehu — предельная деформация сжатия бетона;
Е Ьи предельная деформация сжатия бетона после усиления обоймой из КМ;
Е(. — деформация растяжения композиционного материала;
Е .(/ расчетная проектная деформация растяжения композиционного материала;
E(j— фактическая деформация композиционного материала при его разрушении от действия поперечных сил;
Есп — предельная деформация растяжения композиционного материала по данным фирм-производителей;
Еср — предельно допустимая деформация композиционного материала от действия поперечных сил;
Ео — тангенциальная деформация обоймы из КМ;
Е(Л( — предельная тангенциальная деформация обоймы из КМ,
Ег — радиальные деформации;
Es — деформация растяжения стальной арматуры;
e's - деформация сжатия стальной арматуры;
V-— коэффициент Пуассона для бетона.
136
Усиление Железобетонных конструкции коллпоэициотыми материалами
Напряжении, действующие в сечении элемента
—	напряжения в бетоне;
ас расчетные растягивающие напряжения в КМ;
О(и — расчетное значение растягивающих напряжений в КМ на конце анкеровки;
max максимальное расчетное значение растягивающих напряжений в КМ на конце анкеровки;
—	растягивающие напряжения в КМ;
max максимальные растягивающие напряжения в КМ, допускающие анкеровку;
<зпи, amt — соответственно главные сжимающие и растягивающие напряжения в бетоне;
о„ напряжения в обойме из композиционного материала;
°о« предельные напряжения в обойме из композиционного материала;
ог радиальные напряжения в конструкции, вызываемые обоймой из КМ;
oru — максимальные радиальные напряжения, вызываемые обоймой из КМ;
о5 напряжения в стальной арматуре;
о5(0 — напряжения в стальной обойме;
max Ао( — расчетное значение максимально возможного увеличения растягивающих напряжений в КМ на участке между двумя соседними трещинами;
т - касательные напряжения, вызываемые действием поперечных сил;
ть — касательные напряжения в бетоне;
тс - максимальное напряжение сдвига на конце полосы КМ;
— максимально допустимое касательное напряжение на поверхности сцепления бетона и КМ;
Геометрические характеристики
b — ширина прямоугольного сечения; ширина ребра таврового и двутаврового сечений; ширина одной из сторон прямоугольной колонны;
Ь(. ширина ленты композиционного материала;
d - ширина стороны прямоугольной колонны; номинальный диаметр стержней арматурной стали;
d0 диаметр обоймы из композиционного материала;
h — высота прямоугольного, таврового и двутаврового сечений;
hco - рабочая высота таврового сечения при его усилении КМ по боковым поверхностям ребер;
h'^ высота полки таврового сечения в сжатой зоне;
а, а' — расстояния от равнодействующей усилий в продольной растянутой и сжатой стальной арматуре до ближайшей грани сечения;
асгс — ширина раскрытия трещин;
aL - расстояние от опоры до верхней границы крайней к опоре наклонной трещины;
/сгс — расстояние между трещинами в растянутой зоне бетона;
hu - h - а — рабочая высота сечения, г — радиус колонны;
Основные буквенные обозначения
137
s — расстояние между осями лент усиления КМ;
s' — расстояние между лентами усиления КМ
s — эффективная ширина композиционного материала;
sc/) — перемещение поверхностей композиционного материала и бетона относительно друг друга, t — теоретическая толшина одного слоя холстовиго композиционного материала;
I толщина адгезива,
t — толщина ленты композиционного материала,
/ — толщина обоймы из композиционного материала, и — периметр ленты композиционного материала, us — периметр стальной арматуры,
х высота сжатой зоны бетона после усиления конструкции КМ,
х положение нейтральной оси при статическом расчете по второй группе предельных состояний с учетом усиления конструкции КМ,
х - высота сжатой зоны бетона перед усилением консгрукции КМ,
Е = xlho — относительная высота сжатой зоны бетона;
А — /1,, (As + А') площадь всего бетона в поперечном сечении элемента;
Аь — площадь сечения сжатой зоны бетона;
А , — площадь сечения растянутой зоны бетона,
А полная площадь сечения бетона, неохваченного усилением обоймой,
А гглощадь сечения композиционного материала;
А, площадь эффективно усиленного бетонного ядра при усилении колонн. А = Ьх 11 полная площадь сечения прямоугольного элемента, Лт/ — площадь приведенного сечения элемента;
A' A's площади сечения ненапрягаемой арматуры соответственно растянутой и сжатой;
D диаметр колонны.
L расстояние от опоры до ленты КМ,
Р — шаг спирали из композиционного материала;
/? кривизна спирали из композиционного материала
S’, , Sbo — статические моменты площадей сечения соответственно сжатой и растянутой зон бетона относительно нулевой линии;
S — статический момент площади сечения КМ относительно нулевой линии;
S - статический момент приведенного сечения элемента относительно его центра тяжести,
S\f — статические моменты площадей сечения соответственно сжатой и растянутой стальной арматуры относительно нулевой линии;
1:	момент инерции площади сечения сжатой зоны бетона относительно
нулевой линии;
I — момент инерции площади сечения КМ относительно нулевой линии;
7, d — момент инерции приведенного сечения элемента относительно его центра тяжести;
/ / } — моменты инерции площадей сечения соответственно сжатой и растянутой стальной армат уры относительно нулевой линии,
138
Усиление Желеэобетоншх конагрукции кол поэииионшми материалами
Wpl — момент сопротивления приведенного сечения элемента для крайне растянутого волокна с учетом неупругих деформации растянутою бетона, Wred — момент сопротивления приведенного сечения элемента для крайне растянутого волокна определяй 1ый как для упругого материала;
Л/т. момент, воспринимаемый сечением нормальным к продольной оси элемента при образовании трешин.
Коэффициенты и соо тношении
а = EJEh отношение модулей упругости стальной арматуры и бетона, р = EJEh отношение модулей упругости КМ и бетона, у/)(. - коэффициент надежности по бетону при его работе на сжатие;
— коэффициент надежности по бетону при его работе на растяжение;
у - коэффициент надежности по композиционному материалу;
усе коэффициент надежности по материалу для модуля упругости КМ, утп коэффициент надежности по способу нанесения КМ, ц — коэффициент армирования конструкции стальной арматурой;
Ц/); =	отношение площади бетона, работающей на растяжение, ко
всей площади сечения;
Ц(. — коэффициент армирования конструкции композиционным материалом.
Ц„ коэффициент армирования круглой колонны обоймой из композиционною материала.
pofc — коэффициент армирования колонны относительно стороны h: ци(/ — коэффициент армирования колонны относительно стороны А р4. — коэффициент армирования бетона стальной арматурой;
р4НМ суммарный коэффициент армирования конструкции в растянутой зоне стальной армат урон и композиционным материалом,
т| — коэффициент ограничения уровня напряжений в композиционном материале.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Калинин А.А. Обследование, расчет и усиление зданий и сооружений: Учеб, пособие.— М. Издательство АСВ 2002	160 с.
2.	Рекомендации по восстановлению и усилению полносборных зданий полимерра-створами / ТбилЗНИИЭП. — М Стройиздат. 1990	160 с
3	Онуфриев Н.М. Усиление железобетонных промышленных зданий и сооружений. Л. М , 1965 — 159 с.
4	Рекомендации по усилению железобетонных конструкций зданий и сооружений / Харьковский ПромстройНИИпроект Харьков, 1985
5	Рекомендации но обеспечению долговечности и належноши строительных конструкций |раждянских зданий из камня и бетона с помощью композиционных материалов/НИ ЛЭП ОИСИ — М Стройиздат, 1988. — 160 с.
6	Положение по оценке состояния и содержания искусственных сооружений на железных лормах Союза ССР. У гв. МПС 1709.901'. —М Транспорт, 1991.	28с.
7.	Инструкция но проведению осмотров мостов и труб на автомобильных дорогах. ВСН4 81. Угв. МАД 31 03.81. М 1990 - 35с.
8.	Круi.iOB В.М., Устинов В.П., Бобылев К.Б.. Бокарев С.А. Обеспечение надежности инженерных сооружений. //Транспортное строительство, №1, 2003. С 13-14.
9.	Шилин А. А. Стратегия ремонта железобетонных конструкций подземных сооружений с учетом их состояния и требуемого уровня надежности // Научное обоснование подземно! о строительства Избранные труды ученых МГТУ М : Изд-во Академии гсрных наук. 2001. С. 301 -344.
10	Шилин А.А., Павлов О.Н., Кириленко А.М. Эксплуатация и ремонт несущих кон струкций тоннелей инженерных коммуникаций в г. Москве. В кн. Проблемы строительной гсотехнологии. Строительство и эксплуатация подземных сооружений и шахт. — М . МГТУ, 2000. — С. 102 116
11.	Капур К., Ламберсон Л. Надежность и проектирование систем. М.: Мир, 1980
12,	Shilin А.А., Kirilenko А.М., Pavlov O.N. (1998). Reliability-based maintenance of reinforced concrete structures in urban tunnels. Proc. 2ml Intern. Conf. «Concrete under severe conditions — CONSEC -98» June 1998. Tromso Norway, vol. 2, E&FN Spon London, NY., 1241 1250.
13	Kliger, H. Repair of parkiny structures, FRP International, Vol. IV, Issue 4, autumn 1996, pp 3 4.
14.	Alexander, J.G.S. and Cheng. J.J.R. Field application and studies of using CFRP sheets to strengthen concrete bridge gliders In F.l-Badry M Advanced composite materials in bridges and structures. Canad.an Society for Civil Fngmeering, Montreal, 1996, pp. 46 -472.
140
Усиление Железобетонных конструкции композиционными материалами
15	German General Approval for the Strengthening of Reinforced Concrete Members by Externally Bonded CFRP laminates and also on the guidelines in the Rules for the Strengthening of Reinforced Concrete Members via External Bonding of Unidirectional Carbon Fiber Reinforced Polymer laminates, Draft Sept, 1998.
16.	Van Gemcrt D., Vanden Bosch M. and Ladang C. Design method for strengthening reinforced concrete beams and plates, 2nd edition, 32-ST-17, K.U. Leuven, Belgium, 1990.
17	Meier U. Repair using advanced composites. Keynote lecture. Composite Construction-Conventional and Innovative, IABSE International conference, 16—18 September 1997, Innsbruck, Austria, pp. 113-124.
18.	Bennett, R. Carbon fibre dangers compare with asbestos, New Civil Engineer, 20 July 2000, p. 10.
19.	Mays, G.C. and Hutchinson, A.R. Adhesives in civil engineering, Cambridge, Cambridge University Press, 1992.
20.	Triantafillou, T.C. and Deskovic, N. (1991), Innovative prestressing with FRP sheets: mechanics of short-term behavior. Journal of Engineering Mechanics. ASCE, 117(7), 1652-1672.
21	Triantafillou, T.C., Deskovic, N. and Deuring, M. (1992), Strengthening of concrete structures with prestressed fiber reinforced plastic sheets. AC I Structural Journal, 89(3), pp. 235- 244
22	Blaschko, M. and Zilch, K. (1999), Rehabilitation of concrete structures with CFRP strips glued into slits. In Proceedings of the 12'1' International Conference on Composite Materials, Paris, July 5--9.
23.	ГОСТ 27751-88 (СТ СЭВ 384-87) Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету. — М.: Изд-во стандартов, 1988.	10 с.
24	ГОСТ 27.410-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения — М.. Изд-во стандартов, 1990.	37с.
25.	СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции/Минстрой России. — М.: ГП ЦПП, 1996, —76 с.
26.	СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы /Минстрой России. М. . ГП ЦПП, 1996.	214
с.
27.	СНиП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия. — М.: Строииздат, 1986.
28.	СНиП 11-23 — 81*. Стальные конструкции. — М.. Стройиздат. 1988.
29.	СНиП 2.03.06 — 85. Алюминиевые конструкции. М.: Стройиздат, 1986.
30.	СНиП 11-22 — 81. Каменные и армокаменные конструкции. М.: Стройиздат, 1983.
31	СНиП 11-25 — 80. Деревянные конструкции. — М : Стройиздат, 1981.
32.	СНиП 11-94 — 80. Подземные горные выработки. М.: Стройиздат. 1982.
33.	СНиП 11-40 — 80. Метрополитены. — М.: Стройиздат, 1984.
34.	СНиП 2.06.09-84. Тоннели гидротехнические. - М.: Стройиздат, 1985.
35.	СНиП 32-04-97. Тоннели железнодорожные и автодорожные. М.: Госстрой России, 1997.
36.	Александровская Л.Н., Афанасьев А.П., Лисов А.А. Современные методы обеспечения безотказности сложных технических систем: Учебник М.: Логос, 2001. — 208.: ил.
Список литературы
141
37	Баклашов И.В.. Борисов В.Н. Проектирование и строительство горнотехнических зданий и сооружений Строительные конструкции зданий и сооружений Учеб, для вузов/Под ред И В. Баклашова. — М Недра, 1990	272 с.
38	Байков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции Общий курс Учеб, для вузов М.: Стройиздат, 1991. — 767 с.: ил.
39	Law a De Lorenzis. Brain Miller arid Antonio Nanni. Bond of L iber-Reinforced Polymer Laminates io Concrete AC1 Materials Journal, vol 98 No 3, 2001, pp 256- 264.
40	Методические рекомендации го расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций М ГУП «НИИЖБ», 200(1 — 92 с.
41	Bizindavyi, L. and Neale, K.W. Transfer lengths and bond strengths tor composites bonded to concrete ASCE Journal of Composites for Construction, 3(4), 1999 pp 153 160
42.	Zilch, K., Niedermeier, R. and Blaschko, M. Bencht uber versuclie zum verstarken von betonbauteilen mit CFK (Test report on retrofitting concrete members with CFRP) Versuchsbencht Nr 1310, 1998.
43.	Blascko M„ Nierdermeier R. and Zilch, K. Bond failure mode» of flexural members strengthened with FRP In Proceedings of Second International Conference on Composites in Infrastructures, Saadatmanesh, H. and Ehsani, M R , eds., Tucson Arizona. 1998, pp 315 327
44	Jansze, W. Strengthening of reinforced concrete members in bending by externally bonded steel plates. PhD dissertation. TU Delft. The Netherlands.
45.	Железобетонные и каменные контрукции Учеб, для вузов/Под ред. В.М. Бонда ренко.—М Высшая школа, 2002 — 876с. ип
46.	Король Е.А. 1 рехслойные ограждающие железобеюнные конструкции из легких бетонов и особенности их расчет ов: Моног рафия — М Издательство АС В, 2001 — 256 с
47	Iriantafillou, Т.С. and Antonopoulos, С.Р. (2000), Design of concrete flexural members strengthened in shear with FRP ASCF Journal of Composites for Construction, 4 (4), 198 205
48	Khalifa, A., William. J.. Nanni. A. and Ahdel Aziz, M.I. Contribution of externally bonded FRP to shear capacity of RC flexural members Journal of Composites for Construction, American Society of Civil Engineers, Vol 2, No 4, November 1998, pp. 195 202.
49.	Maeda. T. at al- A study on bond mechanism of carbon fibre sheet. Proceedings of the Third Symposium on Non-Metalhc (FRP) Reinforcement for Concrete Structure' Japan Concrete Institute, 1997, Vol. 1, pp 279 286
50.	Richarl, F.E., Brandtzaeg, A. and Brown, R L. A study of the failure of concrete under combined compressive stresses. Engineering Experimental Station, Bulletin No. 185, 1928. University of Illinois
51.	Manner, J.B., Priestly, M.J.N. snd Park, R. Theoretical stress-strain model for confined concrete. ASCE Journal of Structural Engineering, Vol 114 No 8, 1998, pp. 1804 1826
52.	Lilistone, D. and Jolly. C.K. An innovative form of reinforcement for concrete columns using advanced composites. The Structural Engineer, Vol 78 No 23/24, 5 December 2000.
53.	Arduini, M. et al. Il confinamento passivoo d> elementi compressi in calcetruzzo con fogh di maienale composite, Industrie Itahana del Cemento, 1999.
54.	Seible, F.. Burgueno, R., Abdallah, M.G. and Nuismer, R Advanced composite carbon shell systems for bridge columns under seismic loads, Progress in research and practice. In Proceedings of National Seismic Conference on Bridges and Highways, San Diego, 1995.
142
Усиление Желеэобегткжях конструкций компоэицисяеылли материалами
55.	Spoelstra, M.R. and Monti, G. FRP-confined concrete model. Journal of Composites for Construction. ASCE, 3(3), 1999, pp. 143—150.
56.	Matthys, S. Structural behavior and design of concrete members strengthened with externally bonded FRP reinforcement. Doctoral thesis, Gent University, 2000.
57.	Triantafillou, T.C. Seismic retrofitting of structures using FRPs. Progress in Structural Engineering and Materials, 3(1), 2001.
58.	Popovics, S. Numerical approach to the complete stress-strain relation for concrete. Cement and Concrete Research. Vol. 3(5), 1973, pp. 583—599.
59.	Saafi, M., Houssam, A., Toutanji and Zongjin, L.I. Behavior of concrete columns confined with fibre reinforced polymer tubes. ACI Materials Journal, Vol. 96, no. 4, 1999, pp. 500—509.
60.	Cuninghame, J.R., Jordan, R.W. and Assejev, A. Fibre reinforced plastic strengthening of bridge supports to resist vehicle impact. Project report, Transport Research Laboratory, Crowthorne, 1999.
61.	Pantazopoulou, S.J. and Mills, R.H. Microstructural aspects of the mechanical response of plain concrete. ACI Materials Journal. 92(6), 1995, pp. 605—616.
62.	Lillistone, D. Non-ferrous compositely reinforced concrete columns. PhD Thesis submitted to the University of Southampton, 2000.
63.	Металлические конструкции в 3 т. Т.I.Элементы конструкций: Учеб. Для строит. вузов/В.В. Горев, Б.Ю. Уваров, В.В. Филиппов и др.; Под ред. В.В. Горева. — 2-е изд., перераб. о доп. — М.: Высш, школа, 2001. — 551с.: ил.
64.	M.J.N. Priestley, F. Seible and G.M. Calvi: Seismic design and retrofit of bridges. 1996.
65.	The highways agency. Advise Note BA 30/94, Strengthening of concrete highway bridges using externally bonded plates, London, Department of Transport, 1994.
66.	Holzenkampfer, P. Ingenieurmodelle des verbundes geklebter bewehrung fur betonbauteile. TU Braunschweig, Germany, 1994.
67.	Rostasy, F.S., Holzenkampfer, P. and Hankers, C. Geklebte Bewehrung fur die Verstarkung von Betonbauteilen. In Betonkalender, 1996, II. 547—576.
68.	Yamaguchi, T., Nishimura, T. and Uomoto, T. Creep model of FRP rods based on fibre damaging rate. In Proceedings of 1st International Conference on Durability of Fibre Reinforced Polymer (FRP) Composites for Construction, Eds. B. Benmokrane and H. Rahman, Sherbrooke, Canada, 1998, 427—437.
69.	Neubauer, U. and Rostasy, F. S. Design aspects of concrete structures strengthened with externally bonded CFRP-plates. In Concrete+Composites, Proceedings of the 7th International Conference on Structural Faults and Repair. 1997, 2, 109 118.
70.	Roberts, T.M. Approximate analysis of shear and normal stress concentrations in the adhesive layer of plated RS beams. The Structural Engineer, 1989, 67( 12), 229- 233.
71.	Deuring, M. Strengthening of RC with prestressed fiber reinforced plastic sheets. EMPA Research Report 224, Dubendorf, Switzerland (in German), 1993.
72.	Blaschko, M. Strengthening with CFRP. Munchner Massivbau Seminar, TU Munchen (In German), 1997.
73.	Niedermeier, R. Zugkraftdeckung bei klebearmierten bauteilen (Envelope line of tensile forces while using externally bonded reinforcement). TU Munchen (In German), 2000.
74.	Y.L. Mo, D.C. Wong, and K, Maekawa. Seismic Performance of Hollow Bridge Columns. ACI Structural Journal, V. 100, No.3, May-June 2003.
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ............................................ 4
1.	ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ УСИЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ............................. 8
1.1.	Способы усиления конструкций................... 8
1.2.	Применяемые композиционные материалы и их свойства....................................   21
1.3.	Предварительно напряженные композиционные материалы.. 34
1.4.	Установка композиционных материалов в пазах............................................ 38
2.	ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСИЛЕНИЯ ИЗГИБАЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ............................ 41
2.1.	Основные положения проектирования............. 41
2.2.	Нормативные и расчетные характеристики композиционных материалов.......................... 47
2.3.	Анализ исходной ситуации перед усилением конструкции. 53
2.4.	Прочность усиленной конструкции по нормальным сечениям............................. 55
2.5.	Прочность усиленной конструкции по наклонным сечениям.............................. 57
2.6.	Основные положения расчета усиленных конструкций по второй группе предельных состояний.............. 66
3.	ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ УСИЛЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ПРЕДЕЛЬНОМ СОСТОЯНИИ.................... 73
3.1.	Механизм разрушения усиленной конструкции..... 73
3.2.	Прогнозирование появления отслоений в конце зоны анкеровки композиционного материала и в зоне трещин изгиба .... 79
3.3.	Потеря сцепления материала усиления с бетоном при действии сдвиговых усилий............ 89
144
4.	УСИЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ОБОЙМАМИ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ..... 91
4.1.	Основные положения проектирования усиления конструкций обоймами из композиционных материалов ...	................ 91
4.2.	Усиление колонн круглой формы поперечного сечения.... 104
4.3.	Усиление колонн не круглой формы поперечного сечения. НО
4.4.	Сравнение различных способов усиления колонн.	115
5.	ТЕХНОЛОГИЯ УСИЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ........................ 116
5.1. Установка композиционных материалов на поверхность усиливаемой конструкции и контроль качества
производства работ	... . .................. 116
5.2.	Опыт ЗАО «Триада Холдинг» по усилению строительных конструкций композиционными материалами   ____ 122
ОСНОВНЫЕ БУКВЕННЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ .................... 134
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................ 139
Лидский колледж БИБЛИОТЕКА е.Лчда, ул. Советская, 18
Научное издание
Шилин Андрей Александрович, Пшеничный Валерий Александрович, Картузов Дмитрий Валерьевич
Усиление железобетонных конструкций композиционными материалами
ISEN 5-274-01909-9
9*785274 019095
Редактор М.А. Цветкова
Компьютерная верстка М.Г Севастьяновой
Подписано в печать 27.10.04. Формат 00x90/16
Бумага офсетная. Гарнитура «Таймс». Усл. леч. л. 9,0.
Уч. изд. л. 9,82. Изд № А-5. Заказ № 5211.
ОАО «Издательство «Стройиздат»
127994, Москва, ГСП-4, Долгоруковская ул., 23а
Отпечатано в полном соответствии
с качеством предоставленных диапозитивов в ОАО «Можайский полиграфический комбинат».
143200, г. Можайск, ул. Мира, 93.