- гидрофобизация - при периодическом увлажнении водой или атмосферными осадками, образовании конденсата, в качестве обработки поверхности до нанесения грунтовочного слоя под лакокрасочные покрытия.

Защиту поверхностей надземных и подземных железобетонных конструкций назначают с учетом возможности возобновления защитных покрытий. Для подземных конструкций рекомендуется применять материалы, обеспечивающие защиту конструкций на весь остаточный период эксплуатации. Защита поверхностей подземных конструкций, эксплуатирующихся в газообразных и твердых агрессивных средах, осуществляется, как правило, лакокрасочными материалами - атмосферостойкими или для наружных работ (в том числе химически стойкими) [6, 7]. В жидких органических средах (масла, нефтепродукты, растворители) недопустимо применение лакокрасочных покрытий, рулонных, листовых материалов, а также герметиков на основе битумов. Эффективной защитой железобетонных конструкций от атмосферных осадков может служить их гидрофобизация или флюатирование. В первом случае бетон пропитывается на глубину 2...10 мм гидрофобными (водоотталкивающими) составами на основе кремнийорганических полимерных материалов ГКЖ-94, ГКЖ-10. Составы наносятся кистью или пульверизатором на предварительно очищенную сухую поверхность конструкции. Во втором случае бетон обрабатывается 3...7 %-ным раствором кремнефтористоводородной кислоты (флюат). При этом кремнефтористомагний MgSiF₆ реагирует с ионами кальция, образуя на стенках пор и капилляров цементного камня нерастворимый защитный слой из кристаллов фтористого калия и кремнезема. Флюат наносится на поверхность бетона в 3-4 слоя, обычно с интервалом 4 ч между нанесением слоев.

Подготовка поверхности конструкции - важный этап проведения ремонтно-восстановительных работ. Осуществляют тщательную очистку разрушенных участков от посторонних включений и наслоений вручную и механическим способом с применением вращающихся проволочных щеток или с помощью пескоструйного аппарата.

Образование продуктов химической коррозии на арматуре увеличивает ее объем, вследствие чего бетон защитного слоя механически разрушается. Это выражается в появлении волосяных трещин по направлению арматурного стержня. Со временем трещины раскрываются, бетон защитного слоя отслаивается и корродированная арматура оголяется. Для восстановления эксплуатационных качеств необходимо с помощью металлической щетки или пескоструйного аппарата очистить арматуру от ржавчины и оценить степень ее коррозии. Если коррозией повреждено более 50 % площади сечения арматурного стержня, то поврежденный участок вырезается и производится его замена на новый, равноценный по площади стержень, привариваемый электродуговой сваркой. При площади менее 50 % поврежденный участок не вырезается, а на него наваривается дополнительный стержень усиления, компенсирующий разрушенное сечение.

Хорошей защитой арматуры также является послойное нанесение торкретбетона, приготовленного из смеси цемента и песка, взятых в отношении 1:2 (1:3) и наносимого на поверхность с расстояния 1...1,2 м слоями толщиной 1...1,5 см.

Для защиты железобетонных конструкций, работающих в сильноагрессивных атмосферных и агрессивных жидких средах без механических воздействий в процессе эксплуатации, широко применяются битумные покрытия в виде шпаклевок и плотных штукатурок. Битумы используются разогретыми до 150...200°С, смешанными с наполнителями и растворенными в маслах и углеводородах.

Для защиты покрытий и стен от разрушения парообразной агрессивной средой применяются лаки и эмали. Наиболее часто для этого используют битумно-смоляные эпоксидные эмали, полихлорвиниловые (ПХВ) эмали и лаки, кремнийорганические эмали. В связи с высокой проницаемостью лакокрасочных материалов покрытия выполняются многослойными слоями: от 3 до 8 слоев в зависимости от агрессивности среды. При устройстве защитного покрытия особое внимание уделяется подготовке поверхности: она должна быть чистой, ровной и сухой.

Показатели надежности эксплуатируемых зданий и сооружений. Современные здания и сооружения являются сложными инженерными системами. Поддержание их в работоспособном состоянии требует определенных затрат на техническое обслуживание и ремонт. Техническая эксплуатация зданий и сооружений призвана обеспечить в них непрерывность технологических или функциональных процессов при минимальных затратах на их эксплуатацию. Важность поддержания зданий и сооружений железнодорожного транспорта в работоспособном состоянии усиливается тем, что они определяют надежность функционирования транспортной технологической системы в целом и ее отдельных участков.

Комплексным показателем качества объекта - сооружения, здания, конструкции или их составных частей - является надежность. Определение термина надежность дает Руководство РД 50-650-87.

Надежность - свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. Это свойство комплексное, включающее в себя безотказность, долговечность, ремонтопригодность здания, сооружения в целом и их составных частей.

Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять свою работоспособность в течение заданного промежутка времени или некоторой наработки.

Работоспособность - состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией.

Наработка - продолжительность работы объекта. Наработку объекта от начала эксплуатации или ее возобновления после среднего или капитального ремонта до наступления предельного состояния называют техническим ресурсом или просто ресурсом.

Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов, то есть с возможными перерывами в работе.

Предельные состояния - такие состояния, при которых конструкции перестают удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям или требованиям производства работ.

Нормальная эксплуатация осуществляется без каких-либо ограничений в соответствии с технологическими и бытовыми условиями, предусмотренными в нормах и заданиях на проектирование, учитывающих безопасность работы людей, оборудования и сохранность ограждающих конструкций.

Ремонтопригодность - свойство объекта быть приспособленным к предупреждению, обнаружению и устранению отказов (дефектов, повреждений) путем проведения технического обслуживания и ремонта (ТОиР).

Отказ - событие, заключающееся в полном или частичном нарушении работоспособности объекта или его элемента, важное понятие теории надежности. Отказы делятся на отказы функционирования, при которых объект (или элемент объекта) прекращает выполнение своих функций, и отказы параметрические, при которых некоторые параметры объекта изменяются в недопустимых пределах (например, напряжения превышают расчетное сопротивление или прогиб больше допустимого). В соответствии с причинами появления, характером развития и проявления, отказы делят: на внезапные (разрушение от перегруза, хрупкое разрушение и т. п.); постепенные по развитию и внезапные по проявлению (усталостные разрушения), постепенные (износ, старение, коррозия). Внезапные отказы вследствие своей неожиданности более опасны, чем постепенные. Последние представляют собой выходы параметров элементов за границы допускаемых значений в процессе эксплуатации.

При проектировании и конструировании зданий и сооружений закладывается теоретическая надежность. В процессе изготовления обеспечивается физическая надежность каждого конкретного элемента и здания в целом, что зависит от качества применяемых материалов, сборки и монтажа конструкций, то есть комплекса несовершенств. После изготовления надежность должна обеспечиваться правильной организацией эксплуатации и ремонта. В процессе эксплуатации надежность зданий и сооружений может снижаться под действием природных, главным образом, атмосферных факторов, технологических воздействий, воздействий агрессивной среды, что приводит к постепенному разрушению. В теории надежности строительных конструкций получили распространение такие термины, как дефект, повреждение, авария и катастрофа.

Дефекты конструкций являются следствием ошибок или отступлений от правил производства работ при проектировании, изготовлении и монтаже конструкций. Повреждения конструкций, появляющиеся и развивающиеся во время их эксплуатации, являются, как правило, следствием нарушения правил эксплуатации или просчетов при проектировании; их очагами часто являются дефекты изготовления, транспортно-такелажных операций.

Авария - отказ системы, сопровождающийся обрушением. Катастрофа - отказ, сопровождающийся обрушением с человеческими жертвами. Таким образом, рассмотрена надежность (безотказность) одного элемента. Надежность системы, состоящей из большого числа конструктивных элементов, зависит от надежности каждого ее элемента. Для определения надежности системы, кроме надежности ее элементов, необходимо знать способы их логического соединения. В теории надежности различают два вида соединений -последовательное и параллельное. Последовательным соединением элементов называют такое, когда отказ одного из них вызывает отказ всей системы в целом.

Из приведенных формул и их физического содержания следует, что при последовательном соединении надежность системы ниже надежности самого слабого элемента. Если при отказе одного элемента приходящаяся на него нагрузка передается на другие элементы системы, и она в целом сохраняет эксплуатационные качества, то соединение элементов в этом случае считается параллельным. В строительных конструкциях (в отличие от электронных систем, космических аппаратов и т. п.) параллельное соединение в чистом виде не применяется. Однако во многих случаях параллельным соединением элементов можно считать конструктивное резервирование.

Несмотря на некоторую условность схемы разделения времени эксплуатации на три периода, справедливость ее подтверждается частыми авариями. Из-за снижения качества строительства могут произойти обрушения построенных зданий впервые год-два эксплуатации. Примеров разрушения зданий вследствие значительного износа при низком уровне технической эксплуатации также достаточно.

Оценка технического состояния и эксплуатационных свойств зданий и сооружений. В промышленных зданиях с железобетонным или смешанным каркасом в процессе осмотров следует зафиксировать дефекты, повреждения и отказы, которые могут быть вызваны использованием низкокачественных материалов, неправильным ведением технологического процесса и ошибочно принятыми конструктивными решениями. В железобетонных конструкциях могут быть скрытые дефекты, вызванные смещением положения арматуры, низким качеством сварки стыков арматуры, коррозией арматуры и другими причинами.

В железобетонных конструкциях встречаются следующие изъяны:

- поверхностные неровности глубиной 2-3 см: поверхностные, глубинные и сквозные раковины, которые характерны для густо армированных участков;

- пустоты, возникающие в результате не прохождения бетона на каком-либо участке бетонирования;

- швы и прослойки, являющиеся результатом попадания в массу бетона случайных тел (строительный мусор, щепки и тому подобное).

Основным видом дефектов, повреждений железобетонных конструкций являются трещины, встречающиеся как в монолитных, так и в сборных конструкциях. Трещины могут быть вызваны усадкой бетона, неравномерным нагревом или охлаждением, неравномерностью осадки опор и перенапряжением конструкций. Трещины могут быть стабилизированными или нестабилизированными (прогрессирующими). Причиной появления трещин в сборном железобетоне могут быть нарушения технических правил транспортировки, хранения и монтажа.

Основным критерием оценки трещин в эксплуатируемых сооружениях является степень их опасности для несущих конструкций. Трещины в растянутой зоне шириной до 0,4 мм в обычном железобетоне и до 0,2 мм в преднапряженном можно считать неопасными. При обнаружении необходимо только осуществить их затирку раствором. Раскрытие трещин свыше 0,4 мм свидетельствует о перегрузке конструкции (достижении арматурой состояния пластической деформации, нарушении ее сцепления с бетоном). При наличии трещин с раскрытием свыше 0,4 мм в преднапряженных растянутых и изгибаемых элементах и сквозных трещин с раскрытием от 0,4 до 1 мм в ненапряженных конструкциях, сопровождающихся прогибами, превышающими 1/50 длины пролета, следует усилить элементы конструкции увеличением сечения, инъецированием трещин и другими методами. Раскрытие трещин до размера, измеряемого сантиметрами, свидетельствует о значительных разрушениях конструкции, возможных разрывах арматуры или нарушениях ее анкеровки. В этом случае возникает опасность обрушения.

Образование трещин в сжатых элементах в направлении, параллельном усилию, при одновременном появлении лещадок и отколов бетона приводит к необходимости усиления. Исключение составляют случаи, когда трещины появляются из-за коррозии арматуры. В этом случае требуется защита конструкции от проникновения влаги и действия агрессивной среды. Поперечные трещины в сжатых элементах свидетельствуют о возможном временном появление растяжения и снижают несущую способность конструкции примерно на 15 %.

Продольные трещины в растянутых элементах свидетельствуют о появлении растяжения в поперечном направлении от усадки, обжатия предварительно напряженной арматурой, недостаточности поперечного армирования, коррозии продольной арматуры или ее выдергивании. Последние две причины связаны со снижением несущей способности и требуют мероприятий по усилению.

При освидетельствовании сборных железобетонных конструкций особое внимание следует уделить дефектам монтажа, которые можно объединить в три группы: дефекты стыков; дефекты положения элементов (отклонения от вертикали, перекосы и т. п.); дефекты опирания конструкций. Наиболее опасны дефекты стыков несущих элементов конструкций, так как они могут привести к разрушению, а также дефекты опирания. Неправильное опирание или малая его площадь приводят к нерасчетной работе конструкции, что, в свою очередь, может привести к аварии.

В покрытиях производственных зданий локомотивных, вагонных депо и других железнодорожных зданиях имело место применение железобетонных стропильных балок серии ПК-01-07 и ферм серий ПК-01-27, ПК-01-28. Применялись балки пролетом 12, 15, 18 и 24 м, составленные из блоков, собираемых путем натяжения пучковой арматуры, пропускаемой через каналы в блоках с передачей натяжения на бетон. В стропильных фермах указанного типа использована для нижнего пояса напрягаемая арматура в виде пучков из высокопрочной проволоки диаметром 5 мм, располагаемых в каналах. Долговечность таких балок и ферм зависит от раскрытий трещины в местах заанкеривания рабочей продольной арматуры в предварительно напряженных балках и с обычным армированием считаются наиболее опасными, так как могут привести к внезапному обрушению.

Картина трещин в колоннах зависит от соотношения продольной силы и момента. При малых эксцентриситетах в случае перегруза появляются вертикальные трещины, при больших эксцентриситетах - горизонтальные. Большой шаг поперечной арматуры приводит к потере устойчивости продольных сжатых стержней и соответственно к выколу бетона. Появление трещин в консольной части свидетельствует о недостаточности армирования или перегрузе колонны.

При технических осмотрах несущих железобетонных конструкций наиболее опасные силовые трещины от статических и динамических силовых воздействий фиксируют и затем наблюдают. По их развитию во времени принимается решение о необходимости проведения ремонтно-восстановительных работ или о необходимости усиления конструкции.

При выявлении участков конструкций с повышенным коррозионным износом рекомендуется в первую очередь обращать внимание на следующие элементы и узлы конструкций:

- опорные узлы стропильных и подстропильных ферм, вблизи которых расположены водоприемные воронки внутреннего водостока;

- верхние пояса ферм в узлах присоединения к ним аэрационных фонарей, стоек ветроотбойных щитов;

- верхние пояса подстропильных ферм, вдоль которых расположены ендовы кровель;

- опорные узлы ферм, участки или ветви колонн, находящиеся внутри кирпичных стен;

- верхние части колонн, находящиеся вблизи внутренних водостоков и вдоль ендов;

- участки колонн, расположенные на уровне пола, в особенности при мокрой уборке помещений (гидросмыв);

- участки колонн многоэтажных зданий, проходящие через перекрытие, в особенности при мокрой уборке помещений;

- участки плит покрытия, расположенные вдоль ендов, у воронок внутреннего водостока, у наружного остекления и торцов фонарей, у торцов здания.

Обследование зданий и сооружений. При длительных сроках эксплуатации (более 30-40 лет) возникает необходимость в проведении обследования зданий и сооружений. Обследование конструкций проводится также в следующих случаях [6, 7]:

- при обнаружении в процессе текущих или периодических осмотров существенных дефектов, повреждений, оценки, опасности которых не может дать служба технической эксплуатации предприятия;

- при необходимости реконструкции или технического перевооружения, связанных с изменением объемно-планировочного решения здания, нагрузок или условий эксплуатации;

- при возникновении аварий на аналогичных сооружениях.

Обследование может быть полным или выборочным, в зависимости от состояния конструкций и поставленных задач. При выборочном обследовании достаточно охватить 20 % однотипных конструкций (балок, ферм, колонн и так далее.), находящихся в наиболее неблагоприятных условиях работы, - в зонах повышенной вибрации, агрессивной среды и т. п. Если при выборочном обследовании обнаружены существенные неисправности.

1.2 Методы усиления зоны среза железобетонных балок

Экспериментальная оценка эффективности усиления железобетонных конструкций элементами внешнего армирования из углеволокна приведена в работах [11, 12, 18, 33-42]. В настоящее время в России растет интерес к усилению конструкций, поврежденных в результате механического воздействия. Степень пригодности здания или сооружения может варьироваться в широких пределах от частично работоспособного до аварийного. Повреждения железобетонных конструкций, полученные в результате сейсмического воздействия, представляют особый интерес после того, как по целому ряду регионов России повышаются требования к сейсмостойкости.

Традиционные методы усиления путем наращивания сечений или изменения расчетной схемы порой ухудшают характеристики сейсмостойкости здания, приводят к возникновению дополнительных зон ослаблений и концентраторов напряжений.

Рассмотрим эксперимент по применению элементов внешнего армирования из углеродного волокна, которые закрепляются на конструкции путем приклеивания на высокопрочные эпоксидные клеи. Такой метод монтажа элементов усиления на поврежденной конструкции не противоречит дополнительным мерам по восстановлению сечений, но не приводит к дополнительному повреждению конструкции в местах анкеровки.

Установка элементов внешнего армирования в виде углеродных холстов типа SIKAWRAP (однонаправленный холст с механическими характеристиками: E_carbon=238000 МПа) имела цель не допустить развитие повреждений в виде силовых трещин, полученных в ходе загружения.

Приведенные ниже результаты являются первым этапом в программе исследований, разработанной специалистами НИЦ, ЦНИИ и НИИЖБ, ЦНИИСК [32]. Целью исследований, проведенных на статическом силовом стенде, была оценка влияния элементов внешнего армирования на несущую способность объемного блока (рис.1.1 и 1.2) и на перераспределение усилий в элементах исследуемой конструкции.

Рис. 1.1 Объемный железобетонный блок, предназначенный для испытаний

Рис. 1.2 Размещение моделей в силовом стенде для создания горизонтальной статической нагрузки

Испытания проводились в два этапа.

На первом этапе объемный железобетонный блок нагружался вертикальной равномерно распределенной нагрузкой до получения характерной картины трещин для плиты перекрытия блока, как опертой по контуру, и горизонтальной нагрузкой, создаваемой домкратами в уровне верхней грани, до появления трещин в бетоне конструкции и достижения максимальных значений усилий на домкратах. Схема нагружения условно представлена на рис. 1.3, на рис. 1.4 показано характерное разрушение в виде трещины объемного железобетонного блока после снятия нагрузки.

Образцы фиксировались от опрокидывания в уровне основания специальной траверсой из стального профиля.

Полученные в ходе испытаний формы разрушения носят смешанный характер, поскольку являются результатом наложения двух последовательно прикладываемых систем нагрузок. Образцы перестали воспринимать нагрузку после значительного раскрытия трещин (более 5 мм) и отслоения защитного слоя.

В отличие от традиционного подхода к усилению элементами внешнего армирования, когда до установки элементов усиления восстанавливают сплошность и первоначальные габариты сечения путем инъектирования трещин и заполнения сколов ремонтными растворами, элементы внешнего армирования были установлены непосредственно на образец без какого либо дополнительного ремонта.

Рис. 1.3 Схема нагружения статической нагрузкой объемного железобетонного блока

Рис. 1.4 Характерные повреждения железобетонного блока после достижения максимальных усилий

На втором этапе, после усиления моделей элементами внешнего армирования из углеродного волокна все повторялось (рис.1.5). При этом фиксировались перемещения в выбранных точках блоков и максимальные усилия на домкратах (рис.1.6).

Рис. 1.5 Блоки, усиленные углепластиками, после повторного нагружения

Рис. 1.6 Диаграмма нагружения. По оси ординат - усилия на домкратах, т; по оси абсцисс - горизонтальные перемещения, мм

В результате испытаний было установлено, что использование углепластиковых полотен в качестве элементов усиления является эффективным и позволяет восстанавливать несущую способность поврежденных конструкций практически до первоначальных значений. Усиленный блок способен воспринимать внешнюю нагрузку, составляющую 90% от максимальной, при которой произошло разрушение неповрежденной конструкции.

C использованием базы данных Автоматизированной информационно-аналитической системы управления техническим состоянием искусственных сооружений (АСУ ИССО) в работе [43] был произведен анализ конструкций и технического состояния железобетонных пролетных строений, эксплуатируемых на сети железных дорог России.

По данным АСУ ИССО на 01.11.2007 г., на сети железных дорог России эксплуатируется около 37000 шт. железобетонных пролетных строений, запроектированных под нагрузки 1907, 1925, 1931 (Н7 и Н8), 1962 (С14) гг. На первом месте по распространенности стоят пролетные строения, запроектированные под нагрузку С14 1962 г. (45%), далее расположились пролетные строения под нагрузки Н8 (39%), Н7 (7%), 1907 г. (4%) и 1925 г. (2%) (рис.1.7).

Рис. 1.7 Пролетные строения по расчетным нормам

Нормативный срок эксплуатации железобетонных пролетных строений составляет 70 лет. На сети железных дорог эксплуатируется 18% пролетных строений, срок эксплуатации которых превышает нормативный. Техническое состояние конструкций во многом определяется их сроком и условиями эксплуатации.

Среди показателей условий эксплуатации, отметим: грузонапряженность линии, климатический регион расположения сооружения, возвышение пролета над уровнем земли или межени воды, а также прочие факторы, такие как сейсмичность района, наличие агрессивных сред и другие. Эксплуатация мостов включает в себя следующие основные элементы: постоянные надзор и уход; систему осмотров; технический учет; содержание; планово-предупредительный ремонт (текущий ремонт); капитальный ремонт; реконструкцию; замену мостов; планирование мостовых работ; проектирование ремонтных и строительных работ; систему контроля всех видов проводимых работ.

Пролетные строения имеют дефекты и повреждения, образование и развитие которых обусловлено их конструктивными и технологическими особенностями и условиями эксплуатации. В табл.1.1 приведены данные об основных дефектах и повреждениях несущих конструкций пролетных строений.

Таблица 1.1

Неисправности железобетонных пролетных строений

Как видно из табл.1.1, наибольшее количество неисправностей имеют пролетные строения, запроектированные под нагрузку 1907, 1925 и 1931 гг. (52% пролетных строений от общего количества), что может быть связано в первую очередь с большим сроком их эксплуатации. Самыми распространенными неисправностями пролетных строений являются: выщелачивание цементного камня (8%); трещины, не изменяющие величину раскрытия под нагрузкой (5%); раковины в бетоне (2%); недостаточный или отсутствующий защитный слой рабочей арматуры (2%). Имеющиеся неисправности со временем могут привести к существенному снижению грузоподъемности пролетных строений. С каждым годом грузонапряженность железнодорожных линий увеличивается, в планы компании ГАЖК «ЎТИ» входит введение в эксплуатацию новых локомотивов с нагрузкой на ось, превышающей нормативную нагрузку Н8. В перспективные планы входит и повышение скоростей движения поездов. Встает вопрос о необходимости повышения грузоподъемности поврежденных железобетонных пролетных строений.

Основным способом реконструкции железобетонных мостов старых лет проектировки на сети железных дорог Узбекистана является замена старых пролетных строений на новые. За последние шесть лет было заменено около 1314 пролетных строений, в среднем 219 в год. Результаты анализа технического состояния эксплуатируемых пролетных строений свидетельствуют, что в ближайшие годы может возникнуть необходимость в замене 30% пролетных строений. Основываясь на количественных показателях замен пролетных строений, выполненных в предыдущие годы, можно подсчитать, что на замену всех старых пролетных строений может потребоваться не менее 50 лет. Без сомнений, таким видом реконструкции трудно решить проблему повышения грузоподъемности железобетонных пролетных строений. Одним из способов решения может стать усиление основных несущих конструкций мостов с использованием новых материалов.

На практике усиление железобетонных пролетных строений чаще всего производят путем увеличения их поперечного сечения добавлением нового материала (арматуры, бетона) и реже - путем изменения статической схемы моста, подведением шпренгелей. Небольшое усиление - до 15% по нормальным напряжениям достигается добавлением растянутой арматуры поясов главных балок. Значительно большее усиление железобетонных пролетных строений (до 15-35%) обеспечивается приваркой дополнительного арматурного каркаса, состоящего из продольных и наклонных стержней и коротких хомутов, и увеличением, таким образом, высоты сечения главных балок. Трудоемкость установки арматурного каркаса заключается в сложности обеспечения его связи с существующей арматурой. В случае усиления пролетных строений по главным растягивающим напряжениям балки заключают в железобетонные оболочки с толщиной стенок не менее 5 см, армируя их отогнутыми стержнями и хомутами. Возможность усиления железобетонных пролетных строений изменением их расчетной схемы по сравнению с металлическими пролетными строениями крайне ограничена. Для железобетонных пролетных строений при изменении их статической схемы необходимо обеспечить совпадение знаков эксплуатационных эпюр внутренних усилий до и после усиления. Из всех известных решений этому в наибольшей степени отвечают шпренгельные конструкции усиления. Работы по устройству шпренгельных конструкций сложные и трудоемкие, их должны выполнять рабочие высокой квалификации. Так же есть разработки в направлении усиления железобетонных пролетных строений стальными элементами (листами и прокатами). В этих решениях используется принцип внешнего армирования путем наклейки стальных элементов на поверхность усиливаемого элемента при помощи наклонных и вертикальных тяг.

Можно определить несколько существенных недостатков усиления пролетных строений с использованием арматурного каркаса, железобетонных оболочек и металла. Некоторые из них - это большой собственный вес материалов усиления, плохая связь элементов арматурного каркаса усиления с существующей арматурой балок пролетного строения, неустойчивые к коррозии металл и бетон, возможность затруднения дальнейшей эксплуатации пролетных строений.

Необходимость в усилении опор в основном может возникнуть в связи с неудовлетворительным физическим состоянием их кладки, когда методом капитального ремонта невозможно восстановить прочность опоры до требуемых значений, а также при недостаточной грузоподъемности конструктивных элементов (тела и фундаментов опоры) ограничивающий пропуск более тяжелых нагрузок. На сети железных дорог в основном возводились массивные конструкции промежуточных опор. Как правило, такие конструкции имеют большой запас прочности. Необходимость их усиления или переустройства может возникнуть в крайне редких случаях.

За последние несколько лет в России [23, 43] при усилении железобетонных мостов стали применять композитные (составные) материалы ? искусственные материалы, содержащие различного рода волокна. Основные физико-механические характеристики волокон приведены в табл.1.2.

Таблица 1.2

Характеристики волокон

Есть много преимуществ использования таких систем усиления, некоторые из них - это малый собственный вес, хорошие механические характеристики, коррозионная стойкость. Композитные материалы для строительного усиления доступны в различных геометрических формах от ламинатов, используемых для усиления элементов с плоской ровной поверхностью, до тканевых, которые легко повторяют форму усиливаемых элементов. Композитные материалы так же удобны для применения в случаях, когда необходимо сохранить внешний вид усиливаемых конструкций (памятники архитектуры и истории) или когда традиционные технологии усиления становятся неэффективными.

В строительстве преимущественно применяют композитные материалы, состоящие из стеклянных волокон, угольных волокон, арамидных волокон и волокон РВО (полипарафениловые бензобисокзали). С физической точки зрения при усилении перспективно применять композиты на основе угольных волокон и волокон РВО, так как они наряду с высоким пределом прочности при разрыве имеют модуль упругости не ниже, чем у стальной арматуры (см. табл.2). Суть метода усиления заключается в установке композитных лент или тканей на тщательно подготовленной поверхности усиливаемого элемента при помощи эпоксидных смол. Зарубежный опыт показывает, что усиление пролетных строений с использованием современных композитных материалов экономичнее по сравнению с традиционными методами усиления. Технология проста и не требует использования кранового оборудования и временных опор.

Технико-экономическая эффективность внедрения технологии складывается из экономии средств при применении усиления железобетонных пролетных строений вместо их замены на новые конструкции. Стоимость замены одного железнодорожного пролетного строения составляет 8-16 млн руб. Стоимость усиления одного железобетонного пролетного строения современными композитными полимерными материалами составляет 1-2 млн руб. Экономия средств на одно пролетное строение может составлять 7-14 млн руб. При потребности в замене железобетонных пролетных строений по причине недостаточной грузоподъемности 15-25 шт. в год на одной железной дороге экономический эффект на одной железной дороге может составить 140 млн руб.

Восстановление железобетонных конструкций. На основе анализа изменения характеристик реконструируемых железобетонных конструкций предлагается в работе - методика оценки снижения прочности железобетона. В последние годы остро обозначилась проблема восстановления эксплуатационных параметров железобетонных конструкций, поврежденных в результате природных или техногенных аварий и катастроф, объектов незавершенного строительства, на которые длительное время оказывались климатические воздействия. Эксплуатация железобетонных конструкций в условиях агрессивных сред, температурных воздействий, а также изменения технологии эксплуатации и увеличение полезных нагрузок приводят к уменьшению сроков службы объектов, к увеличению объемов работ по восстановлению и усилению железобетонных конструкций.

В результате усиления конструкций образуется самостоятельный класс железобетонных конструкций - реконструируемый железобетон, который отличают особенности, связанные с измененным состоянием бетона в усиливаемой конструкции. В частности:

- наличие в усиливаемом элементе напряженно-деформируемого состояния, обусловленного предысторией нагружения;

- влияние технологических воздействий при проведении работ по усилению на характеристики бетона и напряженное состояние усиливаемого элемента, а также в целом усиленной конструкции;

- работа в составе конструкций бетонов с различными прочностными деформативными характеристиками, при наличии в одном из бетонов повреждений силового и несилового (температурного, влажностного, коррозионно-агрессивного) характера.

Особую значимость в теории реконструированного железобетона приобретает проблема оценки структурных изменений, прочностных и деформативных параметров бетона с точки зрения предыстории нагружения усиливаемой конструкции [21]. Большое влияние на структурные изменения бетона оказывает уровень длительно приложенной нагрузки. Начало структурных нарушений бетона, а, следовательно, снижение прочности, характеризуется нижней границей микротрещинообразования , а состояние структуры бетона соответствующей длительной прочностью-верхней границей микротрещинообразования .

На основании экспериментальных исследований определены параметры нижней и верхней границ трещинообразования тяжелых бетонов (см. табл. 1.3).

Таблица 1.3

Учитывая, что в подавляющем числе случаев выполняется усиление эксплуатируемых железобетонных конструкций, находящихся под нагрузкой, для практических расчетов, в соответствии с КМК 2.03.01-96, можно рекомендовать следующее: при проектировании усиления конструкций из бетонов классов В10-В20 (при нагрузке 0,5-0,65 расчетной величины) расчетные характеристики бетонов умножаются на коэффициент условия работы gв=0,9; для конструкций из бетонов В25 и выше при нагрузке 0,6-0,75 - gв=0,9. Для конструкций из бетонов В10-В20 при уровне нагрузки 0,6 и более - gв=0,8. Для бетонов В25 и более коэффициент gв=0,8 следует применять при уровне нагрузки 0,75 и выше.

Следующей особенностью реконструированного железобетона является технологическое воздействие на усиливаемую конструкцию при ее увлажнении дополнительно уложенным бетоном усиления [23]. Увлажнение протекает достаточно долго, так как контакт бетонов «закрыт» толщей дополнительно уложенного бетона. Увлажнение бетона приводит к значительным изменениям характеристик. Так, проведенные исследования показали, что через 3…6 суток после увлажнения прочность бетона составила 0,78 от прочности бетона при естественной влажности; через 20 суток - 0,9; через 30 - 1,05; через 60 и более -1,2. Таким образом, при проектировании усиления железобетонных конструкций добетонированием, при длительном увлажнении бетона усиливаемой конструкции, необходимо учитывать технологическое воздействие при проверке ее прочности на нагрузки, действующие в период строительства введением коэффициента работы бетона g_в=0,8.

Надежность конструктивного решения усиления элемента или конструкции зависит от правильности оценки степени коррозионного повреждения железобетона в результате агрессивного воздействия среды. Значительные трудности вызывает оценка степени коррозионного повреждения рабочей арматуры. Одной из косвенных характеристик степени коррозионного повреждения арматуры является наличие и ширина раскрытия трещин в бетоне защитного слоя, ориентированных вдоль арматурных стержней. На основании многочисленных данных, полученных при обследовании строительных конструкций зданий и сооружений различного назначения, для оценки повреждения арматуры можно рекомендовать следующие коэффициенты: для стержней диаметром 25 мм при ширине раскрытия коррозионной трещины 1,0 мм степень повреждения арматуры - 8%, при ширине 2,0 мм - 12%, при ширине 3,0 мм - 15%.

Для оценки степени снижения прочности бетона при коррозионном повреждении под воздействием щелочных растворов, растворов кислот на этапе предварительного обследования объектов и при проведении оценочных расчетов на основании накопленного опыта и исследований [4] можно рекомендовать следующие коэффициенты условия работы бетона при эксплуатации в течение 1 года - 0,7, 2 лет - 0,6, 3 лет - 0,55, 5 лет - 0,4.

В настоящее время в отечественной и зарубежной практике вопросу изучения железобетонных конструкций при действии на них поперечных сил посвящено большое количество экспериментальных и теоретических исследований. Главная причина этого заключается в сложности данной проблемы. В приопорной зоне железобетонная балочная конструкция работает в условиях плоского напряженного состояния, при наличии нормальных и касательных напряжений, не упругих деформаций в арматуре и бетоне, большого количества нормальных и наклонных трещин, влияния поперечных сил в продольной арматуре и сил зацепления, возникающих в наклонной трещине при ее подвижке.

К настоящему времени в отечественной и зарубежной практике накоплено множество различных способов и конструктивных приемов усиления, выбор которых условливается рядом конкретных условий. Обычно выделяют три наиболее важных фактора, влияющих на выбор проекта реконструкции:

1) минимальные сроки производства работ по усилению и, соответственно, минимальные сроки остановки действующего производства;

2) минимум трудозатрат при изготовлении и монтаже усиливающих конструкций;

3) надежность и долговечность усиленной конструкции. Можно выделить два основных направления при производстве усиления конструкций: без разгрузки и с разгружением конструкции. В свою очередь, первое направление можно подразделить на два метода усиления: с изменением расчетной схемы и напряженного состояния конструкции и без изменения расчетной схемы и напряженного состояния конструкции. При производстве работ по усилению с разгружением конструкции условно выделяют: а) способы усиления при полном разгружении с последующим исключением конструкции из работы и ее заменой на новую (этот способ реконструкции скорее следует считать возведением нового строительного объекта либо его конструктивно независимого элемента); б) способы усиления при частичном разгружении конструкции либо ее элемента. Чтобы дать представление о многообразии различных способов и конструктивных приемов усиления, следует перечислить наиболее часто встречающиеся из них, условно разделив их на три группы. Группа 1 - усиление без разгрузки конструкции с изменением расчетной схемы и напряженного состояния: усиление предварительно напряженными распорками, стойками, затяжками, обоймами; установка шарнирно-стержневых цепей, дополнительных жестких и упругих опор; установка предварительно напряженных хомутов; дополнительная горизонтальная или шпренгельная предварительно напряженная арматура (затяжка). Группа 2: усиление без разгрузки конструкции и без изменения расчетной схемы и напряженного состояния:; железобетонная рубашка, обойма, одно и двухстороннее наращивание; торкретирование и набрызгивание бетона (как правило, с добавлением арматуры); местное усиление накладными хомутами, дополнительной поперечной арматурой и продольной; усиление с использованием усиливающих элементов, присоединяемых к основной конструкции на клею либо с помощью высокопрочных болтовых стяжек. Группа 3: усиление с частичным разгружением конструкции: устройство дополнительных металлических и железобетонных балок; установка предварительно напряженных разгружающих ферм и кронштейнов; установка разгружающих систем металлических и железобетонных конструкций и другие. На рис. 1.8 представлена развернутая, обобщающая различные приемы усиления, классификация, основанная на анализе работы конструкции с точки зрения ее напряженно-деформированного состояния, расчетной схемы и требуемого изменения несущей способности.

Рис. 1.8 Классификация способов усиления железобетонных конструкций по виду материала усиления

ЦНИИПС (Москва) [23, 32, 43] были проведены экспериментальные исследования сцепления бетонов разных возрастов и разработана технология, обеспечивающая надежное сращивание старого бетона с новым. Надежность сцепления достигается за счет укладки нового бетона на очищенную шероховатую и увлажненную поверхность старого бетона с обязательным вибрированием. Толщина наращивания должна быть не менее 60 мм (при использовании торкретирования бетона толщина элемента усиления - не менее 30 мм). Эти исследования послужили началом широкого применения железобетонных обойменных конструкций. Обоймы устраиваются замкнутыми, охватывающими элемент со всех сторон. При усадке бетона обойма плотно обжимает усиливаемый элемент и увеличивает надежность связи нового и старого бетонов. В некоторых случаях хомуты усиливающих обойм заменяются спиральной обмоткой.

Анализ существующих методов расчёта прочности железобетонных элементов по наклонным сечениям. Развитие применения железобетона в строительстве стимулировало развитие теории расчёта железобетонных элементов, в частности теории прочности по наклонным сечениям. В процессе исследования напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов при совместном действии изгибающего момента и поперечных сил было выдвинуто большое количество различных предложений по оценке прочности наклонного сечения. Эти предложения отличаются не только их принципиальным воздействием, но и в них используются различные методы расчёта, которые закладывались в нормативные документы [20, 25, 26, 64-70, 84, 99, 100-114] отличающиеся, как по физической основе, так и по конечным результатам. Такое положение объясняется очень сложным характером явления, возникающего в железобетонном элементе при совместном действии изгибающего момента и поперечных сил.

В целом предлагаемые и используемые методы расчёта на совместное действие изгибающего момента и поперечных сил можно разделить на три основные группы.

К первой группе относятся, методы основанные на арочной, [6, 7] ферменной и рамной аналогиях, они применялись и применяются многие десятки лет и широко известны. Поэтому нет необходимости их рассматривать подробно следует лишь отметить, что в настоящее время установилось мнение, что это направление развития теории прочности железобетонных элементов при совместном действии изгибающего момента и поперечных сил, не является достаточно перспективным, так как оно не рассматривает фактическую работу железобетонного элемента в предельном состоянии.

Ко второй группе, относятся методы основные на статическом подходе с помощью эмпирических зависимостей, полученных из статического анализа опытных данных, оцениваются влияние тех или иных по наклонным сечениям [21, 42, 43].

Такое решение задачи с использованием, как правило, планирования эксперимента имеет ряд серьёзных недостатков связанных в первую очередь, с отсутствием необходимой представительной выборки экспериментов, отвечающей необходимым требованиям статической обработки невозможностью создания универсального метода расчёта. Отказ от физических представлений и использование только статического материала не только значительно ограничивают возможности решения задачи, но и требует большого объёма экспериментов. Статические методы являются иногда необходимыми. Современные методы расчёта железобетонных элементов используют, например, для обработки опытных данных, методы математической статистики, которые позволяют установить степень влияния различных факторов на прочность железобетонных элементов по наклонным сечениям для определения целесообразности их ввода в расчётные формулы.

К третьей группе относятся методы расчёта, основанные на рассмотрении условий равновесия внешних и внутренних усилий в наклонном сечении в стадии разрушения. Впервые предложенный и разработанный на этих принципах А.А.Гвозденим и М.С.Боришанским [6, 7] метод расчёта прочности наклонных сечений по сравнению с другими методами явился крупным шагом вперед, так как стало возможным перейти от условных схем и напряжений к фактическим усилиям в наклонном сечении. В дальнейшем этот метод получил широкое развитие в работах отечественных исследователей и за рубежом [20, 25, 26, 64-70, 84, 99, 100-114].

Поэтому дальнейшее развитие теории расчёта железобетонных элементов при совместном действии изгибающего момента и поперечной силы целесообразно продолжить на основе принципа равновесия предельных усилий в наклонном сечении.

Ремонт и усиление строительных конструкций, в том числе и мостовых, в Узбекистане становятся всё более актуальными задачами и требуют значительных материальных вложений. И действительно, число подлежащих восстановлению конструкций промышленных зданий и сооружений исчисляется сотнями тысяч. Это связано с нарастанием их физического износа, который вызван длительным отсутствием ремонта.

Сегодня одной из ведущих концепций в промышленном строительстве является системный подход к повышению надежности строительных конструкций. Он охватывает все этапы жизненного цикла любого инженерного сооружения, в том числе и моста: проектирование, строительство, эксплуатацию, включая мониторинг его текущего состояния, проведение диагностических исследований перед усилением (ремонтом), выполнение проектных работ по ремонту, собственно ремонтные технологические операции с последующим контролем качества выполненных работ. Такой системный подход необходим для успешной разработки технологии и выбора материала для ремонта и усиления мостовых железобетонных конструкций.

Наиболее распространенными в мировой практике способами усиления мостов являются: увеличение площади поперечного сечения элемента конструкции (традиционный подход), а также применение полимербетонных композиционных материалов.

Прежде чем более подробно рассмотреть способ усиления композиционными материалами, попытаемся выяснить, бетоны каких марок используются при производстве мостовых железобетонных конструкций?

Специалисты, производители и поставщики товарного бетона считают, что сегодня потребность дорожно-строительных организаций в бетоне очень велика, так как это основной материал при строительстве мостов, а также временных дорог. Для производства мостовых железобетонных конструкций используются товарные бетоны В10, В20 и выше, и в основном класс зависит от конкретного проекта моста.

Прочностные и качественные характеристики железобетонных конструкций, применяемых в строительстве мостов, зависят от класса бетона по прочности В20 или В30, при средней плотности 2400 кг/м³. При производстве бетона для мостовых железобетонных конструкций используются цементы активности R=40 МПа, R=50 МПа, в зависимости от технологии, применяемой на заводах ЖБИ, так как каждый из них имеет свою технологическую карту.

В последнее время расширилось применение армированных бетонных конструкций в ответственных сооружениях, эксплуатируемых в сильно агрессивных средах, где трудно обеспечить коррозионную стойкость стальной арматуры. Отсюда возникает необходимость обеспечения антимагнитных и диэлектрических свойств некоторых изделий и сооружений. Кроме того, в перспективе необходимо учитывать ограниченность запаса руд, пригодных для удовлетворения непрерывно растущих потребностей в стали и всегда дефицитных легирующих присадках.