Конструкция разработана и запроектирована АО «Институт «Стройпроект». Подобные изделия завода проходили испытания и ранее, однако потребности интеграции продукции завода в мостостроение выявили необходимость провести испытания балки на прочность, жесткость и деформативность, а также подробно изучить ее действительную работу под нагрузкой. Балку испытывали в состоянии поставки с завода, в то время как на монтаже по таким балкам устраивают монолитную плиту проезжей части. Таким образом в результате создается сборно-монолитная несущая конструкция (рис. 1). Отсюда проистекают определенные сложности по проведению испытаний строго по ГОСТ 8829. Тем не менее, испытания были выполнены с учетом методики, но без введения каких-либо коэффициентов безопасности. Одной из причин являлось то, что при согласовании программы Заказчиком была специально оговорена возможность использования испытанной балки при строительстве. Это обстоятельство было учтено, поскольку оно не противоречило подходу, принятому при испытаниях. Балку предполагалось нагружать до уровня нормативных нагрузок (как, например, при приемочных испытаниях сооружений). И это при том, что в состоянии отгрузки с завода сборная балка не подвергается сколько-нибудь серьезным нагружениям, а только воздействию от собственного веса и усилий пред- варительного напряжения, а также воздействиям нагрузок при транспортировке, складировании и монтаже. Более интенсивно балка нагружается уже в составе пролетного строения, поскольку при монтаже по верхнему поясу сборной балки устраивается монолитная плита проезжей части, работающая совместно со сборной балкой на постоянные и временные нагрузки. В отличие от проектных расчетов, когда на расчетных листах проекта, как правило, большинство сведений относятся именно к работе балки уже в составе пролетного строения, т. е. для конструкции с другой геометрией (другими геометрическими характеристиками сечений, включая их рабочую высоту, а также моменты инерции и сопротивления). Однако нашей задачей было изучение работы балки под нагрузкой именно без монолитной плиты, т. е. фактически – только ребра с небольшими консолями толстостенной верхней полки.
Рис. 1. Взаимосвязь геотехнического мониторинга и технологического регулирования сооружения земляного полотна
При проведении работ, связанных с испытаниями, был принят следующий подход. Первоначально был проведен исследовательский расчет работы балки методом конечных элементов (МКЭ) с целью выявить расчетно-теоретические параметры ее работы под нагрузкой, которые могут фиксироваться (и быть проконтролированы) при проведении испытаний. Затем, в процессе нагружения полученные расчетом параметры по прогибам, сжимающим напряжениям и раскрытию трещин сравнивали с результатами испытаний. В случае, например, близкого соответствия расчетных и экспериментальных (при испытаниях) данных может быть сделан вывод, что балка до нормативных нагрузок работала штатно. Нагружать же балку далее не следует, поскольку в этом случае растянутая зона балки, находящаяся в нормативном состоянии, будет переходить в состояние сверхнормативное, что может препятствовать дальнейшему использованию ее в строительстве.
Соответственно, целью испытаний было не удостовериться в прочностных характеристиках сборной балки, а оценить при нагружении ее до уровня нормативного состояния растянутой зоны, может ли она по своим параметрам работы быть использована в качестве элемента объединенной конструкции в пролетном строении.
Являясь, по сути, ребром в составе сборно-монолитной конструкции, сборная балка при эксплуатации сооружения находится в растянутой зоне сечения. В ходе испытания реализуется нагружение балки до номинального раскрытия трещин.
Параллельно с расчетом по МКЭ была выполнена методическая оценка отличий в параметрах прочности, трещиностойкости и деформативности балки без плиты и с плитой. Эта оценка показала, что по первой группе предельных состояний (по прочности нормальных сечений) соотношение определяется плечом внутренней пары при разрушении (т. е. по рабочей высоте сечения). По второй группе предельных состояний (по трещиностойкости и деформативности) это соотношение определяется геометрическими характеристикам сечения – соответственно моментом сопротивления и моментом инерции.
Предназначенная для испытания балка представляет собой 12-метровый по длине двутавровый железобетонный предварительно напряженный элемент с обычным каркасным армированием и 4 канатными прямолинейными пучками. Балка имеет двутавровое сечение с плавным переходом поясов в стенку, высоту 0,93 м, ширину грани нижнего пояса 0,60 м и верхнего 0,86 м (рис. 2). Толщина ребра в пролете составляет 0,18 м и около опор – 0,36 м. Расчетный пролет балки 11,4 м. По проекту балка выполняется из бетона классов В40, F200 и W8, армирована каркасами с продольной нижней стержневой арматурой класса А400 периодического профиля Ø8 и Ø32 мм из стали 25Г2С и предварительно напряжена 4 арматурными элементами/пучками (по два в двух рядах), каждый из которых состоит из 4 канатов К7 Ø15 мм из высокопрочной проволоки (по ГОСТ Р 53772 [2]). Вертикальные арматурные выпуски из верхней грани балки необходимы для объединения на стадии строительства с устраиваемой поверху балок монолитной плитой проезжей части пролетного строения. Расстояние между осями балок (в компоновках пролетного строения под различные габариты проезда) предусмотрено до 2,45 м. Промежутки между ними перед бетонированием плиты перекрывают опалубкой. Пролетные строения с применением этих балок рассчитаны на временную нагрузку классов А14 и Н14 в соответствии с действующими нормами.
Рис. 2. Конструкция предварительно напряженной железобетонной балки, подвергнутой испытаниям
Предваряющий испытание расчет по МКЭ призван показать зависимость между нагрузкой и прогибом, величину нарастающих относительных деформаций в сжатой и растянутой фибрах сечения, а после образования трещин – величину их раскрытия, что необходимо для контроля процесса нагружения балки. Моделирование железобетонных конструкций с учетом образующихся и раскрывающихся трещин само по себе является нетривиальной расчетной и в определенном смысле – исследовательской задачей. Но именно такой подход необходим для учета изменяющейся жесткости рассчитываемой конструкции в ходе трещино-образования и нарастания напряженно-деформированного состояния в целях составления программы натурного нагружения при испытательном процессе.
Во время самих испытаний, последовательное загружение образца необходимо проводить, постоянно отслеживая состояние балки в ходе этого процесса, контролировать и не допускать раскрытие трещин более 0,15 мм, с тем чтобы избежать излишних (превышающих требования таблицы 7.24 СП 35.13330 [5]) повреждений испытуемой балки. Выполнялось непрерывное сопоставление полученных при испытаниях и по расчетам значений выгиба/ прогиба и относительных деформаций сжатой и растянутой зон. При близком соответствии расчетных (теоретических) значений с экспериментальными (измеренными при испытаниях) можно констатировать, что балка работает штатно и в соответствии с предпосылками, принятыми в расчете по МКЭ. Разумеется, должно быть понимание того, что в случае конструкций, подобных рассматриваемой, проектная организация может иметь определенные сложности с предоставлением контрольных значений испытательных нагрузок. Эта задача ложится на организацию, которая разрабатывает программу испытаний и проводит их.
Создание корректной расчетной модели по МКЭ в целях предиспытательного теоретического прогнозирования работы железобетонной балки в значительной мере отличается от расчетов в целях проектирования. Если задачей такого расчетного анализа является достижение близкого соответствия фактической силовой работе под испытательной нагрузкой, то не следует использовать расчетные прочностные характеристики материалов из СП 35.13330 [5], и даже нормативные их значения могут давать отличающуюся от реальности картину напряженно- деформированного состояния (НДС).
В качестве физико-механических и прочностных свойств материалов в модели исследуемой балки (рис. 3) приняты следующие. Бетон в виде изотропного упруго-пластического материала с трехлинейной диаграммой состояния, с пределом прочности на сжатие 45 МПа и на растяжение 2,1 МПа, с пределом упругости при сжатии 20 МПа, с начальным модулем деформаций 36 ГПа, с предельными относительными деформациями при сжатии 0,0035 и при растяжении 0,0001. Из такого материала была сформирована опалубочная геометрия балки и составлена сетка объемных конечных элементов (КЭ). Сталь для каркасного армирования принята с физическим пределом текучести 400 МПа с функциональной зависимостью Прандтля в качестве диаграммы состояния. Из нее сформированы стержневые КЭ разного диаметра, имеющие узловые связи с бетонной объемной «матрицей» (см. рис. 3).
Рис. 3. Общий вид расчетной модели МКЭ железобетонной балки и стержневое моделирование арматурного каркаса и предварительно напрягаемых пучков в составе расчетной схемы
Напрягаемая арматура замоделирована в двух рядах, как в натурной конструкции, верхние стержневые КЭ не доведены до торца, что моделирует отсутствие сцепления напрягаемых арматурных элементах на концевых участках (по проекту). Сталь для пучков принята с условным пределом текучести 1500 МПа, что близко соответствует реальной характеристике канатных 7-проволочных прядей диаметром 15,2 мм. Пучки канатов подвергнуты в модели натяжению с образованием в них напряжений 850 МПа. Эта величина была принята, основываясь на сведениях из проекта.
Следует понимать, что реальный уровень напряжений в этой (напрягаемой) арматуре в день испытаний не может быть известен точно, можно лишь косвенно и приближенно его оценить по величине выгиба балки относительно начального положения. Адекватно и точно учесть при моделировании процессы потерь предварительного напряжения не представляется возможным, так что этот компонент моделирования имеет некоторую степень условности. Возможно, это повлияло на величины расчетных начального выгиба и деформаций под нагрузкой в моделируемой балке, но картину напряженного состояния и фибровых относительных деформаций радикально не изменило (рис. 4). На этом рисунке в нижней точке центрального сечения достигается предел прочности бетона на растяжение 2,1 МПа, при этом сжатая фибра испытывает 13,3 МПа. При последующем нагружении начинают образовываться трещины.
Рис. 4. Контурная эпюра нормальных напряжений в бетоне в центральной части исследуемой балки при загружении 8 (табл.) перед началом появления трещин в растянутом бетоне по нижней фибре
Особый подход в моделировании был применен к учету такого явления в нагруженном железобетоне как образование и развитие трещин. Использована методика постановки вертикальных интерфейсных элементов в узлах сетки бетонной «матрицы» с возможностью их свободных неограниченных деформаций при достижении предела прочности бетона при растяжении. На каждом этапе нагружения оценивали НДС бетонной матрицы и изменяли сетку с расшивкой узлов. Так моделировали трещино-образование, нарастание повреждений в растянутом бетоне и уменьшение конструкционной жесткости при последовательном нагружении (рис. 5). На рисунке при последовательном приложении нагрузки образующиеся трещины растут по высоте, и рядом образуются новые трещины. Берега трещин, как и в реальной конструкции, перехвачены арматурными стержнями. Показана эпюра нормальных напряжений в бетоне балки с трещинами при расчетном загружении 12. Имелась возможность определять в модели и ширину раскрытия трещин.
Рис. 5. Образование и раскрытие условных трещин в «бетоне» анализируемой модели, которое обеспечивается наличием специальных вертикальных интерфейсных элементов в узлах сетки, раскрывающихся под нагрузкой при достижении напряжений в бетоне, превышающих 2,1 МПа
При расчетах нагрузку к модели прикладывали аналогично тому, как было предусмотрено программой испытаний (см. рис. 6).
По результатам последовательного итерационного статического анализа расчетной модели в физически и геометрически нелинейной постановке задачи под действием постепенно нарастающих внешних распределенных сил от прикладываемого веса нагрузочных плит определены различные внутренние силовые факторы и относительные деформации в бетоне и арматуре. Этапы приложения нагрузки нашли отражение в соответствующих названиях загружений, а полученные результаты сведены в таблицу.
Следует отметить, что расчетная модель МКЭ имела некоторые упрощения и идеализации по сравнению с натурной конструкцией. Среди теоретических допущений можно выделить следующие наиболее важные:
- невозможность учета реальных долговременных процессов в бетоне и потерь предварительного напряжения в пучках; в расчетной схеме принята величина напряжений в пучках 850 МПа с учетом предполагаемых произошедших потерь, реальный же уровень напряжений в этих арматурных элементах на момент испытаний неизвестен, а этот параметр существенно влияет на величину строительного подъема (выгиба) балки и на другие параметры ее работы под нагрузкой;
- идеализация характеристик сцепления арматурных стержней с бетоном, как напрягаемых, так и ненапрягаемых (зоны выключения сцепления напрягаемых пучков верхнего яруса, тем не менее, учтены в соответствии с проектом); фактически в принятой расчетной схеме имеются абсолютные узловые связи арматурных элементов с бетонной матрицей, в том числе в области последующего трещинообразования;
- в модели не учтены стальная рама и ее масса, поскольку о ее наличии и конструкции стало известно накануне испытаний уже после выполнения расчетов;
- учтена объемная масса бетона 2400 кг/м3 и начальный модуль деформации бетона 36 ГПа в соответствии с указаниями норм [5];
- в соответствии с заданием на расчет и данными проекта приняты прочностные показатели бетона и теоретическая трехлинейная диаграмма состояния материала для бетона класса В40, фактические же прочностные и деформационные показатели бетона оказались несколько иными, отличающимися от этих значений.
Подытоживая расчетно-теоретическую часть подготовки испытаний, можно отметить следующее.
Выполненный по модели расчет позволил определить стадии нагружения, при которых происходит декомпрессия бетона, момент образования трещин и величину их раскрытия. Помимо этого, разработанная расчетная методика моделирования самоценна, учитывается не только физическая нелинейность материала, но и конструкционная — образование и развитие трещин.
Расчетно-теоретическая подготовка затрагивает и методические аспекты испытаний, без нее фактически невозможно корректно сопоставить то, что испытывается сборная балка в состоянии отгрузки с завода, а в фазе эксплуатации она будет работать в составе сборно-монолитной конструкции с иными геометрическими характеристиками загружаемого поперечного сечения.
В статье используются материалы из источника:
https://www.service-most.ru/stati/raschetno-teoreticheskoe-obosnovanie-ispytaniya-sbornoj-predvaritelno-napryazhennoj-zhelezobetonnoj-balki-dlinoj-12-m-pod-sborno-monolitnye-proletnye-stroeniya-mostov