ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ УСИЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОЛЁТНЫХ СТРОЕНИЙ МОСТОВ

Металлические пролётные строения мостов в процессе эксплуатации подвергаются различного рода воздействиям, снижающим долговечность, грузоподъёмность, а как следствие и несущую способность.  К ним относят регулярно обращающуюся подвижную нагрузку, перепады температур, агрессивную окружающую среду.

После проведения анализа состояния грузоподъёмности металлических пролётных строений мостов, занесённых в перечень баз данных, таких как АБДМ и АСУ ИССО, было выявлено, что неудовлетворительную балльную оценку состояния по грузоподъёмности имеют:

• на федеральных автомобильных дорогах 8% из общего числа металлических пролётных строений;
• 25 % на автомобильных дорогах Новосибирской области;
• 24 % на Западно-Сибирской железной дороге.

Стоит отметить, что анализ проводился только для металлических пролётных строений, сталежелезобетонные пролётные строения не учитывались.

Так же нужно сказать, что анализ проведён только по части металлических пролётных строений, эксплуатируемых в России, но уже на основе этих данных можно сказать, что проблемные металлические пролётные строения имеются, и они требуют восстановления грузоподъёмности и несущей способности до уровня современных обращающихся нагрузок.

Одним из способов восстановления, а иногда и повышения несущей способности, является усиление, которое может быть произведено различными методами:

• увеличение поперечного сечения элементов с одновременным усилением их прикреплений;
• устройство дополнительных ферм или балок;
• устройство дополнительных временных или постоянных опор;
• переустройство стальных пролётных строений в сталежелезобетонные.

Реализация данных методов усиления требует больших денежных и временных затрат, а также должна проводиться при максимально разгруженных пролётных строениях, что требует не только закрытия движения по мосту, но и дополнительных работ по демонтажу проезжей части.

В последнее время при восстановлении железобетонных пролётных строений мостов широкое распространение получило усиление с помощью полимерных композиционных материалов (далее ПКМ). Большая часть всех теоретических и экспериментальных наработок, связанных с внешним армированием ПКМ, относится к железобетонным сооружениям, а исследования, посвященные проблеме усиления металлических строительных конструкций, на данный момент в России практически отсутствуют.

Перед проведением лабораторных экспериментальных исследований необходимо оценить, как поведёт себя внешнее армирование из углепластика в работе с металлическими образцами. Для этого было выполнено моделирование в программном комплексе Ansys Workbench 17.1.

Первая модель представляет собой металлическую пластину с размерами 450х50х2 мм. Материалом данной пластины является сталь

Вторая модель – представленная выше металлическая пластина, но имеющая усиление в виде наклеенных с двух сторон ламелей. Материал ламелей подобран из того условия, что они должны включиться в работу раньше, чем основная металлическая конструкция. Это обеспечивается большим модулем упругости по сравнению со сталью. Сцепление ламели со сталью принято идеальным.

Рисунок 1. Металлическая пластина, усиленная ПКМ.

В таблице 1 приведены основные прочностные и деформативные характеристики применённых при моделировании материалов.

Модели выполнены из элементов типа Solid, размер ребра элемента сетки не превышает 5 мм. 

Таблица 1.

Основные прочностные и деформативные характеристики материалов

Величина нагрузки принята равной 70% от разрушающей, а именно:

                                           (1)

где  – площадь поперечного сечения металлической пластины;

Рисунок 2. Схема загружения моделей

Результаты нагружения первой модели предсказуемы, не представляют никакого интереса и нужны только для сравнения с результатами, полученными для второй модели.

На рисунках 3 и 4 представлена металлическая пластина, усиленная ПКМ. Результаты расчётов показывают, что после усиления напряжения в металлической пластине снижаются практически в три раза, причём напряжения в ламелях, как и ожидалось, выше, чем в металле пластины.

Рисунок 3. Общий вид усиленной пластины после расчёта

Рисунок 4. Нормальные напряжения в металлической пластине и ламелях

Удлинение усиленной металлической пластины так же уменьшилось практически в три раза по сравнению с не усиленной.

Таблица 2.

Сравнение результатов расчётов

На данный момент, анализируя результаты расчётов, можно сказать, что усиление металлических элементов, работающих на растяжение, с помощью ПКМ в перспективе может оказаться эффективным методом восстановления несущей способности конструкций и стать достойной заменой традиционным методам усиления.

Список литературы:

1. Бокарев С.А., Иванов А.А., Смердов Д.Н., Яшнов А.Н., Жильцов П.Д., Максименков П.Е. Инновационные методы усиления конструкций мостов.
2. Бокарев С.А., Неровных А.А., Бардаев П.П. Руководство по усилению железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов системой внешнего армирования на основе углеродных волокон. Первая редакция. ОАО «Российские железные дороги». М. 2012.60 c.
3. Al-Saidy, A.H, Klaiber, F.W. and Wipf, T.J. (2004), “Repair of Steel Composite Beams with Carbon Fiber-Reinforced Polymer Plates,” ASCE Journal of Composites for Construction, 8, pp. 163-172.