ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОПОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЭСТАКАДЫ, УСИЛЕННЫХ СТАЛЕФИБРОБЕТОНОМ

Шарафутдинов Л. А.; Дьячук Е. В.

doi:doi:10.34031/2071-7318-2026-11-3-32-46

Главная / Журналы / Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова / Том 11 Номер 3 / ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОПОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЭСТАКАДЫ, УСИЛЕННЫХ СТАЛЕФИБРОБЕТОНОМ

ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОПОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЭСТАКАДЫ, УСИЛЕННЫХ СТАЛЕФИБРОБЕТОНОМ

Отправить рукопись Скачать PDF
Текст

Цитировать

Цитирований:

ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОПОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЭСТАКАДЫ, УСИЛЕННЫХ СТАЛЕФИБРОБЕТОНОМ

Журнал: ВЕСТНИК БЕЛГОРОДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА ИМ. В.Г. ШУХОВА Том 11 № 3 , 2026

Рубрики: СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА

ВАК 2.1.1 Строительные конструкции, здания и сооружения

УДК 624.072.221 Простые балки, свободно лежащие

Шарафутдинов Л. А. ¹

Дьячук Е. В. ²

Информация об авторах и публикации

Авторы:

1. Казанский государственный энергетический университет

Казань, Республика Татарстан, Россия

2. Казанский государственный энергетический университет (Строительство и архитектура)
аспирант с 01.01.2024 по 01.01.2025

Казань, Россия

Тип:

Статья

DOI:

https://doi.org/10.34031/2071-7318-2026-11-3-32-46

Страницы:

с 32 по 46

Статус:

Опубликован

Получено:

01.08.2025

Одобрено:

15.09.2025

Опубликовано:

10.03.2026

Классификаторы:

ВАК 2.1.1 Строительные конструкции, здания и сооружения
УДК 624.072.221 Простые балки, свободно лежащие

Язык материала:

русский

Ключевые слова:

сталефибробетон, обойма, численный эксперимент, колонна, разрушение

Аннотация и ключевые слова

Аннотация:
В работе рассмотрен перспективный материал, используемый в качестве усиления, сталефибробетон. Он представляет собой композитный материал, обладающий высокой прочностью и устойчивостью к различным воздействиям. Сталефибробетон получил признание благодаря своим улучшенным свойствам, включая повышенную долговечность и повышенную несущую способность. В статье представлены результаты исследования напряженно-деформированного состояния железобетонных опор технологической эстакады, усиленных сталефибробетоном. Исследуемый объект представляет собой железобетонную колонну технологической эстакады, выполненную из бетона класса В25. Приведена методика компьютерного моделирования с использованием программного комплекса «ЛИРА-САПР», а также программа численного эксперимента, включающая варьирование ключевых геометрических, физических, статических и повреждающих факторов. Выявлены зависимости между параметрами конструкции и несущей способностью усиленных сталефибробетоном колонн. Показано, что применение сталефибробетона значительно повышает прочность, пластичность и трещиностойкость конструкций, снижает развитие внутренних напряжений и замедляет процесс разрушения. Определены наиболее устойчивые к разрушению образцы, что позволяет рекомендовать использование сталефибробетонных обойм для усиления железобетонных конструкций в условиях изношенности и коррозии основного бетона.

Ключевые слова:
сталефибробетон, обойма, численный эксперимент, колонна, разрушение

Текст

Текст (PDF): Читать Скачать

Введение. Современное строительство железобетонных конструкций постоянно ищет новые технологии и материалы для улучшения прочности, долговечности и эффективности существующих сооружений [1-4]. Одним из инновационных материалов, привлекающих внимание специалистов в области строительства, является сталефибробетон (СФБ). Сталефибробетон представляет собой композитный материал, обладающий высокой прочностью и устойчивостью к различным воздействиям [5-6].

Целью данного исследования является изучение напряженно-деформированного состояния железобетонных опор технологической эстакады, усиленной сталефибробетоном.

Исследование применения сталефибробетона при строительстве железобетонных конструкций имеет важное практическое значение, поскольку позволяет повысить качество и надежность сооружений, сократить сроки строительства и экономические затраты [7-10]. Анализ эффективности использования сталефибробетона в строительстве может способствовать развитию инновационных подходов в сфере строительной индустрии и повышению устойчивости конструкций к различным воздействиям [11-13]. Особенно важную роль играет введение волокон для модификации бетона [14-16], которое может улучшить механические свойства, способность к деформированию и долговечность бетона [17-19]. В настоящее время железобетон, армированный стальным волокном, является наиболее широко используемым фибробетоном. Было продемонстрировано, что включение стальных волокон полезно для контроля трещин, придавая этому хрупкому материалу более высокую трещиностойкость [20,21]. Между тем, сталефибробетон обладает лучшими свойствами по пластичности после пика деформации и усталостной стойкостью [22,23]. То есть, преимущества использования стальных волокон для модификации бетона в основном проявляются в следующем:

- улучшают пластичность, ударную вязкость, прочность на изгиб и сдвиг при сдвиге цементных материалов [24,25];

- поглощают энергию, устраняют трещины, передают нагрузку и предотвращают расширение и интеграцию трещин при приложении внешних нагрузок к сталефибробетону [26,27];

- уменьшают усадку, ползучесть и проницаемость конструкции [20,28];

- повышают усталостную, ударную взрывостойкость бетона [22,29];

- снижают внутреннее напряжение за счет его более высокой прочности на растяжение для обеспечения передачи нагрузки [21];

Материалы и методы. Для моделирования образцов применена ранее разработанная и верифицированная методика численного эксперимента в ПК Лира-САПР [30]. При этом бетонная часть моделировалась объёмными конечными элементами типа 236 (физически нелинейный пространственный восьми узловой изопараметрический конечный элемент (КЭ), произвольный гексаэдр). Продольная и поперечная арматура моделировалась стержневыми конечными элементами типа 210. Для бетона использована трёхлинейная диаграмма деформирования, для арматуры – двухлинейная диаграмма в соответствии с СП 63.13330. КЭ-модель базового образца с усилением и без показана на рис.1.

а)	б)

Рис. 1. КЭ-модель базового образца в Лира-САПР:
а) усиленная сталефибробетонной обоймой; б) без усиления

Исследуемый объект (базовый образец) представляет собой железобетонную опору эстакады (рис. 2) из бетона класса В25, армированную продольной и поперечной арматурой. Класс арматуры А400. Диаметр продольной арматуры 28 мм, поперечной – 10 мм. Усиление выполнено из сталефибробетонной обоймы толщиной 40 мм, класс бетона матрицы В30. Процент фибрового армирования по объёму равен – μ_fb = 2 %. Эксцентриситет приложения нагрузки – e = 275 мм. Базовый образец смоделирован без дефектов (Таблица 1).

Все образцы были рассчитаны на нагрузки от собственного веса и технологические нагрузки, приложенные с эксцентриситетом. Расчет проводился по шаговому методу, величина одного шага принималась 10% от нагрузки разрушения. Минимальное количество итераций – 300, итерационный метод – автоматический. Разрушение образца фиксировалось при достижении максимальной относительной деформации в бетоне колонны, равной 0,0035. Для базового образца максимальная нагрузка составила P = 1761 кН.

Рис. 2. Геометрические размеры одноярусной колонны, усиленной оболочкой из сталефибробетона

Численный эксперимент железобетонной колонны, усиленной защитным слоем сталефибробетона, при варьировании наиболее значимых геометрических, физических, статических и факторов повреждения в ПК «ЛИРА-САПР»

Основная часть. Программа численного эксперимента представлена в таблице 1 и 2. В качестве варьируемых факторов приняты: глубина разрушения защитного слоя бетона, коррозия арматура, класс бетона колонны, класс арматуры, процент фибрового армирования, эксцентриситет приложения технологической нагрузки, ширина сечения колонны, толщина рубашки усиления, высота колонны, количество и диаметр рабочей арматуры.

Таблица 1

Интервалы варьирования для исследуемых факторов влияния

№ п/п	Фактор	Колонна	Базовый образец
Факторы повреждения
1.	Глубина разрушения защитного слоя бетона а, мм	40; 30; 20; 10; 0	0
2.	Коррозия арматуры, %	40; 30; 20; 10; 0	0
3.	Класс бетона колонны В, МПа	В20; В25; В30	В25
Физические факторы
4.	Класс арматуры А, МПа	А400, А500	А400
5.	Процент фибрового армирования µfb , %	1, 2, 3	2
Статические факторы
6.	Эксцентриситет e, мм	275; 375; 475	275
Геометрические факторы
7.	Ширина сечения колонны h, мм	300, 400, 500	400
8.	Толщина рубашки t, мм	30, 40, 50	40
9.	Высота колонны H, м	2,39 м, 3,39 м, 4,39 м	3,39 м
10.	Количество и диаметр рабочей арматуры, шт., мм	8Æ25, 8Æ28, 8Æ32	8Æ28

Таблица 2

Программа численного эксперимента

Серия	Параметры
	а, мм	В, МПа	А, МПа	µfb , %	e, мм	t, мм	h, мм	H, м	8хÆ, мм	%
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
К-1	0	В25	А400	–	275	–	400	3,39	8Æ28	–
КУ-1	0	В25	А400	2	275	40	400	3,39	8Æ28	0
КУ-2	10	В25	А400	2	275	40	400	3,39	8Æ28	0
КУ-3	20	В25	А400	2	275	40	400	3,39	8Æ28	0
КУ-4	30	В25	А400	2	275	40	400	3,39	8Æ28	0
КУ-5	40	В25	А400	2	275	40	400	3,39	8Æ28	0
КУ-6	0	В20	А400	2	275	40	400	3,39	8Æ28	0
КУ-7	0	В30	А400	2	275	40	400	3,39	8Æ28	0
КУ-8	0	В25	А500	2	275	40	400	3,39	8Æ28	0
КУ-9	0	В25	А400	1	275	40	400	3,39	8Æ28	0
КУ-10	0	В20	А400	3	275	40	400	3,39	8Æ28	0
КУ-11	0	В30	А400	2	375	40	400	3,39	8Æ28	0
КУ-12	0	В25	А500	2	475	40	400	3,39	8Æ28	0
КУ-13	0	В25	А400	2	275	30	400	3,39	8Æ28	0
КУ-14	0	В25	А400	2	275	50	400	3,39	8Æ28	0
КУ-15	0	В25	А400	2	275	40	300	3,39	8Æ28	0
КУ-16	0	В25	А400	2	275	40	500	3,39	8Æ28	0
КУ-17	0	В25	А400	2	275	40	400	2,39	8Æ28	0
КУ-18	0	В25	А400	2	275	40	400	4,39	8Æ28	0
КУ-19	0	В25	А400	2	275	40	400	3,39	8Æ25	0
КУ-20	0	В25	А400	2	275	40	400	3,39	8Æ32	0
КУ-21	0	В25	А400	2	275	40	400	3,39	8Æ28	10
КУ-22	0	В25	А400	2	275	40	400	3,39	8Æ28	20
КУ-23	0	В25	А400	2	275	40	400	3,39	8Æ28	30
КУ-24	0	В25	А400	2	275	40	400	3,39	8Æ38	40

В ходе компьютерного эксперимента все колонны разрушились по нормальному сечению. В таблице 3 показаны основные результаты численного исследования. В качестве контрольных показателей были приняты: напряжение в сжатой зоне бетона σb , относительная деформация в сжатой зоне бетона εb , напряжение в сжатой арматуре σs' , напряжение в растянутой арматуре σs , напряжение в сжатой зоне сталефибробетона σfb , напряжение в растянутой зоне СФБ σfbt , относительная деформация в растянутой зоне обоймы εfbt . Также для каждого образца построены графики «напряжения в сжатой зоне бетона-нагрузка» (рис. 3 – 7 и 10 – 15).

Таблица 3

Результаты численного исследования

Серия	0,7P_ult									P_ult, кН
Серия	σb, МПа	εb	σs', МПа	σs, МПа		σfb, МПа		σfbt, МПа	εfb	P_ult, кН
К-1	-14,3	-0,0016	48,50310		-75,17980		-	-	-	1767
КУ-1	-13,1	-0,00155	43,5073		-71,7846		-19,6	7,08	-0,00168	2210
КУ-2	-14,7	-0,00153	43,4103		-71,2996		-20,3	6,74	-0,00159	2155
КУ-3	-20,1	-0,0016	41,2276		-72,2696		-20,1	8,63	-0,00151	2105
КУ-4	-14,3	-0,00194	38,8025		-72,7546		-19,9	7,98	-0,00145	2060
КУ-5	-14,5	-0,00153	39,7725		-72,7546		-20,1	7,96	-0,00145	1928
КУ-6	-10,4	-0,00151	38,8025		-69,3594		-19	7,92	-0,00117	2193
КУ-7	-15,4	-0,00128	38,3174		-60,6289		-19,8	8,14	-0,00161	2320
КУ-8	-15,1	-0,00151	41,2276		-72,7546		-21,1	8,15	-0,00188	2325
КУ-9	-14,9	-0,00137	40,258		-65,964		-19	8,39	-0,00172	2325
КУ-10	-14,3	-0,00127	38,317		-63,539		-21,4	8,55	-0,00158	2300
КУ-11	-15,1	-0,00142	57,234		-67,904		-20,4	8,59	-0,00182	1767
КУ-12	-14,8	-0,0015	67,904		-67,904		-20,8	9,95	-0,00193	1474
КУ-13	-14,4	-0,00151	40,743		-70,329		-20,9	8,78	-0,00178	2099
КУ-14	-13,6	-0,0012	35,407		-59,174		-19,3	7,06	-0,00157	2371
КУ-15	-13,3	-0,00128	48,503		-74,695		-19,1	8,86	-0,00155	1933
КУ-16	-13,3	-0,0012	33,952		-58,204		-18,7	8,63	-0,0016	2500
КУ-17	-13,9	-0,00126	36,862		-59,659		-19,8	7,89	-0,0016	2235
КУ-18	-14,4	-0,00126	38,454		-59,323		-19,7	8,46	-0,00159	2235
КУ-19	-13,8	-0,0013	40,764		-60,842		-19,7	8,32	-0,0016	2089
КУ-20	-14,7	-0,00146	37,135		-70,557		-20,4	8,27	-0,00183	2572
КУ-21	-14,4	-0,00128	39,351		-64,686		-19,8	8,43	-0,00162	2167
КУ-22	-13,6	-0,00127	40,028		-60,648		-19,7	8,42	-0,00158	2062
КУ-23	-13,2	-0,00127	40,974		-61,113		-19,2	8,03	-0,00158	1950
КУ-24	-12,8	-0,00132	43,197		-61,943		-19,1	8,11	-0,00163	1847

На рисунке 3 представлено сравнение усиленной колонны (КУ-1) и неусиленной колонны (К-1) по напряжениям в сжатой зоне бетона. Образец КУ-1 показывает значительно большую несущую способность (на 25%) по сравнению с К-1 как при предельной, так и при условной эксплуатационной нагрузке (принята равной 0,7P_ult). При этом напряжения и деформации в бетоне у образца КУ-1 меньше, что указывает на более равномерное распределение нагрузки. Дополнительно у КУ-1 наблюдаются меньшие напряжения в растянутой арматуре и большее использование сжатой арматуры, что говорит о более эффективной работе конструкции в целом. На рисунке 3 выделены 3 характерные стадии работы конструкции: упругая, пластическая и стадия разрушения. Переход конструкции между стадиями ярко выражен переломом кривой на графике (рис. 3).

Рис. 3. Напряжение в бетоне в усиленной (КУ-1) и неусиленной (К-1) колонне

Как видно из рисунка 3 – разрушение в базовом образце (К-1) при достижении нагрузки P=1568 кН происходит более интенсивно в сравнении с усиленной колонной. Напряжение в сжатой и растянутой зоне арматуры при одинаковых нагрузках отличается на 15-20 МПа, что говорит о большей прочности железобетонной колонны, усиленной сталефибробетоном, в целом.

При использовании класса бетона В20 у образца КУ-6 несущая способность снизилась на 0,77% (с 2210 кН до 2193 кН). Снижение связано с пониженной прочностью исходного бетона, но эффект компенсировался работой сталефибробетонной обоймы. При увеличении класса бетона до В30 происходит линейный рост несущей способности. Высокий класс бетона позволил лучше распределить нагрузку между бетоном и сталефибробетонной обоймой. Снижение класса бетона (В20) незначительно влияет на прочность благодаря работе сталефибробетонной обоймы, но при этом требует учета в расчетах.

Рис. 4. Напряжение в бетоне σb при изменении фактора «Класс бетона»

Из рис. 5 видно, что образец КУ-1 (усиленная колонна без разрушения защитного слоя) является самым прочным. Увеличение глубины разрушения защитного слоя приводит к постепенному снижению несущей способности (от −2,49% до −12,76%). При увеличении глубины повреждения защитного слоя бетона до 40 мм у образца КУ-5 несущая способность снизилась на 12,76% (до 1928 кН), напряжения в бетоне составили −14,5 МПа. Очевидно, что максимальное повреждение защитного слоя оказало значительное влияние на прочность колонны.

Рис. 5. Напряжение в бетоне σb при изменении фактора «Глубина разрушения защитного слоя бетона»

Из рис. 6 видно, что оба образца демонстрируют линейное возрастание нагрузки до приблизительно −10 МПа. На стадии упругой работы КУ-8 опережает КУ-1: при одинаковых напряжениях в бетоне нагрузка у КУ-8 на 15–20% выше. Один из возможных факторов — повышенная прочность арматуры А500, которая может обеспечивать лучшее сопротивление деформациям.

Повышение класса арматуры с А400 до А500 увеличивает несущую способность на 5,2%. Высокая прочность арматуры А500 позволяет ей работать на больших деформациях без потери несущей способности. Максимальная нагрузка образца КУ-8 составила P=2325 кН . Увеличение напряжения в бетоне у образца
КУ-8 при достижении значения нагрузки в 1395 кН составляет всего 2% до достижения максимальной нагрузки.

Рис. 6. Напряжение в бетоне σb при изменении фактора «Класс арматуры»

Сравнивая три образца с эксцентриситетом 275 мм, 375 и 475, можно сделать вывод, что максимальная нагрузка составляет P=2210 кН у образца КУ-1. Образцы КУ-11 и КУ-12 более подвержены разрушению, так как нагрузка, приложенная в эксцентриситетом, расположена дальше от самой колонны в этих образцах. Это подтверждается на рис. 7, где график образца КУ-12 находится правее остальных, что говорит о том, что разрушение защитного слоя происходит быстрее. Все образцы демонстрируют линейное возрастание нагрузки до приблизительно −10 МПа. На стадии трещинообразования КУ-1 опережает КУ-11 и КУ-12: при одинаковых напряжениях в бетоне нагрузка у КУ-1 на 40–50% выше. КУ-1 выдерживает на 19,9% больше нагрузки, чем КУ-11, и на 33.3% больше, чем КУ-12.

Рис. 7. Напряжение в бетоне σb при изменении фактора «Эксцентриситет»

Изменение коэффициента фибрового армирования выполнено путём изменения диаграмм деформирования сталефибробетона. Как показывает график на рис. 8 – образцы КУ-9 и КУ-10 схожи в характеристиках бетона и арматуры. На начальном этапе различий почти нет, так как начальные напряжения в бетоне одинаковы. Образец КУ-1 является самым слабым на разрушение в сравнении с образцами КУ-9 и
КУ-10, хотя коэффициент фибрового армирования составляет μfv=0,02 , тогда как у двух других образцов 0,01 и 0,03, соответственно. Максимальная нагрузка у образца КУ-1 меньше на 3,9%, чем у образца КУ-10, и на 4,9%, чем у образца КУ-9.

Минимальный коэффициент фибрового армирования обеспечивает оптимальное распределение нагрузки между бетоном и сталефибробетоном. Деформации бетона у образца КУ-9 с μfv=0,01 минимальны (−0,00137), что указывает на высокую эффективность обоймы.

Рис. 8. Напряжение в бетоне σb при изменении фактора «Коэффициент фибрового армирования»

Из рис. 9 видно, что наибольшее сопротивление к разрушению имеет образец КУ-14 с толщиной защитного слоя t=50 мм . Данный образец выдерживает большие нагрузки при меньших напряжениях. Дальше по убыванию идут образцы КУ-1 и КУ-13 с толщиной рубашки 40 и 30 соответственно. Арматура ведет себя таким же образом: в образце КУ-14 она имеет меньшие деформации.

Максимальная нагрузка образца КУ-14 на 6,8% больше максимальной нагрузки базового усиленного образца КУ-1.

Рис. 9. Напряжение в бетоне σb при изменении фактора «Толщина рубашки»

Образец КУ-16 с шириной сечения колонны h=500 мм оказался наиболее прочным на разрушение, а образец КУ-15 с шириной сечения колонны h=300 мм – наименее прочным.

На стадии упругой работы КУ-16 опережает КУ-1 и КУ-15 (рис. 10): при одинаковых напряжениях в бетоне нагрузка у КУ-16 на 20–30% выше. Это связано с увеличением площади поперечного сечения колонны. На стадии предельной нагрузки КУ-16 выдерживает на 13,1% больше нагрузки, чем КУ-1, и на 30% больше, чем КУ-15. Несмотря на меньшие напряжения в бетоне (−13,3 МПа), КУ-16 эффективнее распределяет нагрузку благодаря большей жесткости сечения. Увеличение ширины сечения колонны пропорционально повышает несущую способность.

Рис. 10. Напряжение в бетоне σb при изменении фактора «Ширина сечения колонны»

Сравнивая три образца с высотой колонны 2,39 м, 3,39 м и 4,39 м (рис. 11), можно сделать вывод, что на стадии упругой работы КУ-17 и КУ-18 опережают КУ-1: при одинаковых напряжениях в бетоне нагрузка у КУ-17 и КУ-18 на 10–15% выше. Это связано с меньшей высотой колонны, что снижает момент изгиба и повышает эффективность работы системы. На стадии предельной нагрузки КУ-17 и КУ-18 выдерживают на 1,1% больше нагрузки, чем КУ-1. Снижение высоты колонны повышает несущую способность на 1,1%, но требует учета повышенных напряжений в бетоне.

Рис. 11. Напряжение в бетоне σb при изменении фактора «Высота колонны»

У образца КУ-19 с диаметром рабочей арматуры d=25 мм напряжения в бетоне возросли на 5,3% (до −13,8 МПа), что указывает на повышенную нагрузку на материал при меньшей площади армирования, в сравнении с базовым образцом. Увеличение диаметра арматуры до 32 мм повысило несущую способность на 16,4%. Исходя из результатов, железобетонная колонна, армированная продольными стержнями с диаметром d=32 мм , является самой прочной. Образец КУ-20 выдерживает максимальную нагрузку P=2572 кН .

Защитный слой также у образца КУ-20 менее подвергается разрушениям, чем образцы КУ-1 и КУ-19 (рис. 12).

Рис. 12. Напряжение в бетоне σb при изменении фактора «Диаметр рабочей арматуры»

Наибольшая максимальная нагрузка у образца КУ-1 P=2210 кН с 0% процентом коррозии арматуры, что подтверждает тот факт большего разрушения железобетонной колонны с увеличением коррозии арматуры (рис. 13). Образец КУ-24 (40% коррозии арматуры) опережает остальные образцы только на начальных этапах, но затем его кривая резко снижается. Это связано с потерей прочности арматуры, которая не может компенсировать нагрузку, передаваемую на бетон. Напряжение в бетоне при нагрузке 0,7P_ultотличается в большей степени у образцов КУ-1 и КУ-24 – 11,1%. При этом максимальную нагрузку выдерживает образец, не подвергшийся воздействию коррозии арматуры, - 1547 кН. Каждые 10% коррозии снижают предельную прочность на 2-4%.

Рис. 13. Напряжение в бетоне σb при изменении фактора «Коррозия арматуры»

Выводы

1. Сталефибробетон рекомендуется для изготовления конструкций, в которых наиболее эффективно могут быть использованы следующие его технические преимущества по сравнению с традиционным железобетоном: повышенные трещиностойкость, ударная прочность, вязкость разрушения, износостойкость, морозостойкость, сопротивление кавитации; пониженные усадка и ползучесть; возможность использования более эффективных конструктивных решений; снижение трудозатрат на арматурные работы, повышение степени механизации и автоматизации производства железобетонных конструкций; возможность применения новых, более производительных приемов формования армированных конструкций.

2. Разрушение в базовом образце при достижении нагрузки P=1761 кН происходит более интенсивно в сравнении с усиленной колонной. Напряжение в сжатой и растянутой зоне арматуры при одинаковых нагрузках отличается на 15-20 МПа, что говорит о большей прочности железобетонной колонны, усиленной сталефибробетоном, в целом.

3. У образца КУ-3 глубиной разрушения защитного слоя бетона 20 мм наблюдается большее напряжение в бетоне в течение долгого времени. Это говорит о том, что большая часть нагрузки при разрушении 20 мм сталефибробетона воспринимается бетоном. Увеличение глубины повреждений защитного слоя от 0 до 40 мм привело к линейному снижению несущей способности на 12,76%. Наиболее значительное снижение (−4,75%) зафиксировано при глубине 20 мм, что связано с локальной концентрацией напряжений.

4. Увеличение класса бетона приводит к увеличению предельной прочности конструкции. Максимальная нагрузка составила у образца КУ-7 с бетоном В30, P=2320 кН . Повышение класса бетона с В20 до В30 увеличило предельную прочность незначительно на 4,98%.

5. Арматура класса А500 выдерживает большие нагрузки в зоне растяжения и зоне сжатия, по сравнению с арматурой А400. Напряжение в растянутой зоне защитного слоя у образца КУ-8 больше, чем у образца КУ-1, что объясняется большим вкладом арматуры А500 в прочность всей колонны.

6. Оптимальное значение объемного содержания фибры (μ=0,01) обеспечило максимальное повышение прочности на 5,2% (КУ-9: 2325 кН). Дальнейшее увеличение μ до 0,03 снизило эффективность на 1,1% (КУ-10: 2300 кН), что связано с нарушением гомогенности матрицы.

7. Образцы КУ-11 и КУ-12 более подвержены разрушению, так как вертикальная нагрузка имеет больший эксцентриситет. Это подтверждается на рисунке 7, где график образца КУ-12 находится правее остальных, что говорит о том, что разрушение происходит быстрее. Увеличение эксцентриситета с 275 мм до 475 мм вызвало экспоненциальное снижение прочности на 33,3%. При эксцентриситете 475 мм момент изгиба стал критическим фактором, ограничивающим несущую способность.

8. Наибольшее сопротивление к разрушению среди фактора изменения толщины защитного слоя имеет образец КУ-14 с толщиной защитного слоя t=50 мм . Данный образец выдерживает большие нагрузки при меньших напряжениях. Дальше по убыванию идут образцы КУ-1 и КУ-13 с толщиной рубашки 40 и 30 соответственно. Арматура ведет себя таким же образом: в образце КУ-14 она имеет меньшие деформации.

9. Расширение сечения с 300 мм до 500 мм повысило прочность на 13,1%. При этом удельная эффективность (на единицу площади) снижалась, что требует оптимизации геометрии для экономии материалов.

10. Железобетонная колонна, армированная продольными стержнями с диаметром d=32 мм , является самой прочной. Образец КУ-20 выдерживает максимальную нагрузку P=2572 кН . Увеличение диаметра арматуры с 25 мм до 32 мм повысило прочность на 16,4%

11. Наибольшая максимальная нагрузка у образца КУ-1 P=2210 кН с 0% процентом коррозии арматуры, что подтверждает тот факт большего разрушения железобетонной колонны с увеличением коррозии арматуры.

12. Снижение высоты с 3,39 м до 2,39 м увеличило прочность на 1,1%. Увеличение высоты до 4,39 м не оказало значительного влияния, что объясняется компенсацией потерь за счет работы обоймы.

Список литературы

1. Liew K.M., Akbar A. The recent progress of recycled steel fiber reinforced concrete // Construction and Building Materials. 2020. Т. 232. 117232. DOI:https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.117232

2. Batson G. Steel fiber reinforced concrete // Materials Science and Engineering. 1976. Т. 25. С. 53–58.

3. Banthia N., Sheng J. Fracture toughness of micro-fiber reinforced cement composites // Cement and Concrete Composites. 1996. Т. 18. №. 4. Pp. 251–269.

4. Rossi P. Ultra-high performance fiber-reinforced concretes // Concrete international. 2001. Т. 23. №. 12. Pp. 46–52.

5. Sahmaran M., Yurtseven A., Yaman I. O. Workability of hybrid fiber reinforced self-compacting concrete // Building and Environment. 2005. Т. 40. №. 12. Pp. 1672–1677.

6. Nili M., Afroughsabet V. Combined effect of silica fume and steel fibers on the impact resistance and mechanical properties of concrete // International journal of impact engineering. 2010. Т. 37. №. 8. Pp. 879–886.

7. Spadea S., Farina I., Berardi P.V., Dentale F., Fraternali F. Energy dissipation capacity of concretes reinforced with recycled PET fibers // Ing. Sismica. 2014. Т. 31. №. 2. Pp. 61–70.

8. Mastali M., Ghasemi Naghibdehi M., Naghipour M., Rabiee S.M. Experimental assessment of functionally graded reinforced concrete (FGRC) slabs under drop weight and projectile impacts // Construction and Building Materials. 2015. Т. 95. Pp. 296–311.

9. Mohammadi Y., Singh S.P., Kaushik S.K. Properties of steel fibrous concrete containing mixed fibres in fresh and hardened state // Construction and Building Materials. 2008. Т. 22. №. 5. Pp. 956–965.

10. Sanjay M. R., Madhu P., Jawaid M., Senthamaraikannan P., Senthil S., Pradepp S. Characterization and properties of natural fiber polymer composites: A comprehensive review // Journal of Cleaner Production. 2018. Т. 172. Pp. 566–581.

11. Havlikova I., Merta I., Schneemayer A., Vesely V., Simonova H., Korycanska B., Keršner Z. Effect of fibre type in concrete on crack initiation // Applied Mechanics and Materials. 2015. Т. 769. Pp. 308–311.

12. Pająk M., Ponikiewski T. Flexural behavior of self-compacting concrete reinforced with different types of steel fibers // Construction and Building materials. 2013. Т. 47. Pp. 397–408.

13. Mohammadi Y., Singh S.P., Kaushik S.K. Properties of steel fibrous concrete containing mixed fibres in fresh and hardened state // Construction and Building Materials. 2008. Т. 22. №. 5. Pp. 956–965.

14. Spinella N. Shear strength of full-scale steel fibre-reinforced concrete beams without stirrups // Computers and Concrete. 2013. Т. 11. №. 5. Pp. 365–382.

15. Katzer J. Steel fibers and steel fiber reinforced concrete in civil engineering // Pacific Journal of science and technology. 2006. Т. 7. №. 1. Pp. 53–58.

16. Zhang P., Zhao Y., Liu C., Wang P., Zhang T. Combined effect of nano-SiO2 particles and steel fibers on flexural properties of concrete composite containing fly ash // Science and Engineering of Composite Materials. 2014. Т. 21. №. 4. Pp. 597–605.

17. Amin A., Gilbert R. I. Steel fiber-reinforced concrete beams-part II: strength, ductility, and design // ACI structural journal. 2019. Т. 116. №. 2. Pp. 113–123.

18. Lee S., Park Y., Abolmaali A. Investigation of flexural toughness for steel-and-synthetic-fiber-reinforced concrete pipes // Structures. 2019. Т. 19. Pp. 203–211.

19. Ahmed A.A.M., Jia Y. Effect of using hybrid polypropylene and glass fibre on the mechanical properties and permeability of concrete // Materials. 2019. Т. 12. №. 22. 3786.

20. Lawler J.S., Zampini D., Shah S.P. Permeability of cracked hybrid fiber-reinforced mortar under load // Materials Journal. 2002. Т. 99. №. 4. Pp. 379-385.

21. Kaufmann W. Ali Amin, Beck A., Lee M. Shear transfer across cracks in steel fibre reinforced concrete // Engineering Structures. 2019. Т. 186. Pp. 508–524.

22. Parvez A., Foster S. J. Fatigue behavior of steel-fiber-reinforced concrete beams // Journal of Structural Engineering. 2015. Т. 141. №. 4. 04014117.

23. Mansur M.A., Chin M.S., Wee T.H. Stress-strain relationship of high-strength fiber concrete in compression // Journal of materials in civil engineering. 1999. Т. 11. №. 1. Pp. 21–29.

24. Mansur M.A., Chin M.S., Wee T.H. Stress-strain relationship of high-strength fiber concrete in compression // Journal of materials in civil engineering. 1999. Т. 11. №. 1. Pp. 21–29.

25. He Y., Li Y., Jia J., Xu Q., He K. Effect of seawater dry-wet cycling on the durability of concrete repair materials // Journal of Sustainable Cement-Based Materials. 2024. Т. 13. №. 3. Pp. 402–415. DOI:https://doi.org/10.1080/21650373.2023.2279288

26. Islam S.M., Hussain R.R., Morshed M.A.Z. Fiber-reinforced concrete incorporating locally available natural fibers in normal-and high-strength concrete and a performance analysis with steel fiber-reinforced composite concrete // Journal of composite materials. 2012. Т. 46. №. 1. Pp. 111–122.

27. Abbas Y.M., Iqbal Khan M. Fiber–matrix interactions in fiber-reinforced concrete: A review // Arabian Journal for Science and Engineering. 2016. Т. 41. №. 4. Pp. 1183–1198. DOI:https://doi.org/10.1007/s13369-016-2099-1

28. Serdar M., Baričević A., Rukavina J.M., Pezer M., Bjegović D., Štirmer N. Shrinkage behaviour of fibre reinforced concrete with recycled tyre polymer fibres // International Journal of Polymer Science. 2015. Т. 2015.

29. Chorzepa M.G., Masud M., Yaghoobi A., Jiang H. Impact test: multi-scale fiber-reinforced concrete including polypropylene and steel fibers // ACI Structural Journal. 2017. Т. 114. №. 6. Pp. 1429–1444.

30. Дьячук Е.В. К оценке прочности железобетонной колонны усиленной сталефибробетоном // VIII Международный студенческий строительный форум - 2023: Сборник докладов VIII Международного студенческого строительного форума - 2023, Белгород, 28 ноября 2023 года. Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2023. С. 28–31.

31. СП 63.13330.2018. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Москва: Минстрой России, Стандартинформ, 2019.

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International

Отправить рукопись Скачать PDF
Текст JATS XML

Цитировать

Цитирований:

Подтверждение

Регистрация