Введение. Одновременное воздействие на элемент внешних нагрузок, вызывающих изгиб и кручение относительно продольной оси, является весьма сложным для описания напряженно-деформированным состоянием, над корректным описанием которого трудятся многие ученые. Для создания единой теории работы железобетонных элементов требуются многочисленные экспериментальные исследования, позволяющие собрать базу данных результатов для апробирования и верификации разрабатываемых методов расчета. Одним из направлений данной работы является создание многофункциональных испытательных установок [1–2]. Однако, разработчики подобного оборудования зачастую игнорируют некоторые факторы действительной работы самой испытательной рамы (стенда), что приводит к искажению результатов. К таким факторам относятся: изгибная жесткость балочных элементов, крутильная жесткость узлов опирания, высокая деформативность точек приложения нагрузки и весьма условная реализация способов фиксации образцов в деформированном состоянии. Чтобы корректно производить учет данных факторов необходимо провести верификацию испытательного стенда в близких к реальным условиям и зафиксировать перемещения (линейные и угловые) точек основных узлов, при необходимости дополнить это регистрацией деформаций длительных испытаний и рассчитать зависимости деформаций стенда от деформаций образца, чтобы использовать их в качестве поправочных коэффициентов при будущих испытаниях. Данным вопросом занимался сравнительно небольшой круг авторов [2–5], т.к. поправки на деформирование испытательных машин стандартных серий при классическом поперечном изгибе широко известны и не требуют дополнительных исследований. Но при внедрении в работу кручения, на первый план выходят уже не линейные, а угловые деформации [6–8], что усложняет работу. Дополнительным фактором является длительность испытаний: установлено, что вследствие перераспределения усилий и проявления текучести стали отдельных участков сечения [9], а также обмятия кромок болтовых соединений [10] действительное значение зафиксированных в момент окончания роста нагрузки усилий может не совпадать со значением, действующим спустя отрезок времени, т.е. стенд «релаксирует». Следовательно, при назначении параметров испытательного оборудования, а также составления программы испытаний необходимо иметь представление о работе стенда под нагрузкой и вносить соответствующие параметры в протокол.Особую роль при проведении испытаний подобного рода играет этап жизненного цикла здания, при котором совершаются операции с исследуемым конструктивным элементом: на этапе проектирования – расчет и конструирование элемента по 1-ой группе предельных состояний, на этапе возведения – расчет и конструирование элемента по 2-ой группе предельных состояний, на этапе реконструкции – определение параметров усиления. При экспериментальном исследовании усиления, особенно если речь идет о внешнем армировании [11–12], в качестве фактора действительной работы, помимо остальных, появляется технологическая доступность граней элемента для нанесения систем усиления. Поэтому, наравне с жесткостными параметрами, следует также обращать внимание и на громоздкость элементов стенда, и на расстояние от его элементов до образца.Дополнительные ограничения при подобного рода испытаниях создает сложнопрогнозируемая точка начала роста спиралевидной трещины [2–6], а также нелинейная зависимость между уровнем нагружения и соотношением прироста доли напряжения в сечении к приросту изгибающего момента. Если на этапе жизненного цикла здания возникает необходимость в усилении элемента, то определение направления и проектной зоны анкеровки внешнего армирования становится весьма нетривиальной задачей [13–16]. Если при классическом изгибе направление зон растяжения в бетоне вполне легко определить, то работа растянутой зоны при кручении с изгибом, как минимум будет различаться в описании в зависимости от соотношения доли изгибающего и крутящего моментов [17–19].Материалы и методы. В рамках проведения экспериментальных исследований работы железобетонных конструкций с внешним армированием композитными материалами при изгибе с кручением был разработан стенд [1], общий вид которого в момент испытаний показан на рисунке 1. В рамках поставленных задач были доведены до разрушения 4 идентичных образца при 4 различных отношениях крутящего момента к изгибающему. Каждый из образцов после доведения до условного разрушения был зафиксирован в деформированном состоянии путем создания болтового закрепления оголовников к раме стенда. После выдержки в течение 96 часов показания измерительного оборудования снимались повторно, после чего образец доводился до разрушения.Также были проведены предварительные расчеты стенда на статическую нагрузку в виде реакции деформированных образцов при соответствующих уровнях загружения, в т.ч. результатов долговременных испытаний. Работа образцов принималась абсолютно упругой, растяжением и смятием болтовых (фланцевых) соединений пренебрегалось. Степень адекватности поведения стенда под нагрузкой и соответствия полученных результатов по прочности и жесткости ожидаемым оценивалась путем определения относительного отклонения между экспериментальным значением и предварительно рассчитанным по каждой ступени нагружения с вычислением среднего арифметического [20]. Рис. 1. Стенд для испытаний строительных конструкций на изгиб с кручением при статическом длительном и кратковременном воздействииПредставленная установка позволяет провести испытания балок шириной от 100 до 200 мм, высотой от 100 до 300 мм, длиной от 1,0 до 3,0 м. В середине сечения испытываемого образца образуется зона чистого изгиба с чистым кручением, без воздействия поперечной силы. Величина изгибающего момента варьируется передвижением оголовников по длине балки, а величина крутящего момента изменяется перемещением точки передачи нагрузки от распределительной траверсы на оголовник (эксцентриситетом приложения силы). В качестве испытываемых образцов приняты балки сечением 100х200 мм, расчетным пролетом 1.6 м, продольное армирование d10 А500, поперечное d6 А240, бетон В20, армирование и сечение показаны на рисунке 2.Для выявления закономерностей работы вариативным параметром был эксцентриситет, со значениями 0,0 см; 4,0 см (соотношение Т кМ = 0,1); 8,0 см (соотношение Т к М = 0,2) и16,0 см (соотношение Т к М = 0,4). Для описания работы образцов были установлены парные индикаторы часового типа, для определения вертикальных перемещений и углов поворота, схема установки показана на рисунке 3. Ширина раскрытия нормальных трещин фиксировалась на наиболее раскрытой трещине на участке средней трети пролета кручения, т.е. расстояния между оголовниками. Ширина раскрытия наклонных трещин фиксировалась по наиболее раскрытому участку спиралевидной трещины на участке крайних третей пролета кручения. Рис. 2. Сечение и армирование испытываемых балок Рис. 3. Схема установки индикаторов часового типаОсновная часть. Шаг нагружения был выбран принят равным 1 кН, что является ~3% от разрушающей нагрузки для балки без эксцентриситета. Необходимое нагружение обеспечивалось работой гидравлического домкрата и насосной станцией, оттарированных на контрольном металлическом образце. В качестве подвижных опор были использованы домкратные резиновые опоры размером 110×120×160 мм. Данное решение позволило минимизировать сопротивление повороту сечения балок на опоре, с достаточным ограничением вертикальных перемещений. В местах передачи нагрузки от распределительной траверсы на оголовники были установлены домкратные резиновые опоры d110 h50 мм, позволившие сохранить точку приложения нагрузки, при повороте оголовников.Для измерения поворота сечения и прогибов балок попарно были установлены индикаторы часового типа на опорах, оголовниках и в середине сечения (рис. 3). ИЧТ были установлены на отдельные штативы. Они располагались в 50 мм от грани балки. В качестве перемещения каждой точки измерения, принято среднее значение показания двух индикаторов, а из разницы перемещений вычислен угол поворота сечения в каждой точке. Установка индикаторов на опоре вызвана необходимостью исключения деформации резиновой опоры при определении деформации балки.Для фиксации образцов на длительный период действия нагрузки, на опорных балках стенда закреплены пластины. Они позволяют закрепить при помощи болтов каждый оголовник с двух сторон, тем самым фиксируя пространственное положение оголовников (рис. 4), при определенном усилии, которое создается гидравлическим домкратом. Рис. 4. Фиксация положения оголовниковВ качестве рассматриваемых и сравниваемых параметров приняты: прогиб балки в середине сечения, т.е. перемещение середины балки относительно перемещения опор (табл. 1), угол поворота балки между оголовниками (таблица 2); ширина раскрытия нормальных (табл. 3) и наклонных трещин (табл. 4). Также косвенно (без прямого измерения разности) были рассмотрены значения деформаций образцов при фиксации их деформированного состояния при исчерпании резерва упругой работы (20–25 % от разрушающего момента). Фиксация изменения деформаций в неупругой стадии не производилась.В качестве параметра разрушения принято состояние балки, при котором, с последующем увеличением нагрузки, происходят пластические деформации, препятствующие восприятию нагрузки. В качестве допустимой в рамках верификации погрешности разницы результатов предварительного и натурного эксперимента принята величина в 10 %, полученная как среднее возможное отклонение показаний при более ранних испытаниях различных железобетонных элементов при схожих условиях работы. Следует отметить, что частично в выборке присутствуют отклонения, превышающие 10 %, однако средние значения по всем 4 (для угла поворота и наклонных трещин – по 3) образцам укладывается в назначенный предел. Таблица 1Значения прогибов в пролете, их отклонение от ожидаемыхЭксцентриситетНагрузка, кН0 см4 см8 см16 смОжидание, ммФакт, ммΔ, %Ожидание, ммФакт, ммΔ, %Ожидание, ммФакт, ммΔ, %Ожидание, ммФакт, ммΔ, %40,850,883,40,800,790,90,300,3514.30,550,6110,081,751,834,31,801,968,21,201,3913.61,701,8819,5122,702,886,22,953,197,52,252,479.03,003,144,7163,953,891,54,254,464,73,603,571.0––0205,005,142,75,305,676,55,104,874.5––0246,346,261,96,606,924,66,006,639.5––0288,108,021,08,208,513,6––0––0329,609,382,3––0––0––03610,812,4313––0––0––0 Среднее отклонение, %4,1Среднее отклонение, %4Среднее отклонение, %5,8Среднее отклонение, %3,8 Таблица 2Значения углов поворота опорных сечений, их отклонение от ожидаемыхЭксцентриситетНагрузка, кН4 см8 см16 смОжидание, °Факт, °Δ, %Ожидание, °Факт, °Δ, %Ожидание, °Факт, °Δ, %40,060,0714,30,070,0700,160,2020,080,120,1520,00,250,30160,700,767,9120,250,3016,00,500,5121,982,3515,7160,420,445,00,700,649––0200,610,621,01,050,9014––0240,850,938,61,601,758,5––0281,201,118,1––0––0 Среднее отклонение, %10,4Среднее отклонение, %7,1Среднее отклонение, %10,91 Таблица 3Значения ширины раскрытия нормальных трещин, их отклонение от ожидаемыхЭксцентриситетНагрузка, кН0 см4 см8 см16 смОжидание, ммФакт, ммΔ, %Ожидание, ммФакт, ммΔ, %Ожидание, ммФакт, ммΔ, %Ожидание, ммФакт, ммΔ, %80,050,0500,040,05200,060,08250,060,060120,100,1000,060,07140,090,12250,090,090160,150,1500,120,1180,110,1526––0200,200,17150,160,1560,140,1822––0240,250,20200,200,17150,200,3033––0280,300,3000,240,254––0––0320,350,375,4––0––0––0360,40,5020––0––0––0 Среднее отклонение, %7,5Среднее отклонение, %8,4Среднее отклонение, %16Среднее отклонение, %0 Таблица 4Значения ширины раскрытия наклонных трещин, их отклонение от ожидаемыхЭксцентриситетНагрузка, кН4 см8 см16 смОжидание, ммФакт, ммΔ, %Ожидание, ммФакт, ммΔ, %Ожидание, ммФакт, ммΔ, %80000000,070,0812,5120000,040,05200,350,4012,5160,0550,07210,080,0800,850,9813,2200,110,128,30,1180,139,2––0240,1550,153,30,420,5016––0280,180,175,5––0––0 Среднее отклонение, %6,35Среднее отклонение, %7,5Среднее отклонение, %6,36  Обращает на себя вниманием тот факт, что поведение системы «стенд-образец» под нагрузкой немного отличается от классического: экстремумы отклонений ожидаемых значений от опытных не имеют четкого характера распределения по уровням нагружения, тогда как обыкновенно отклонение минимально в упругой стадии работы образца и нарастает по мере приближения к стадии разрушения. Данный аспект можно объяснить сложным напряженно-деформированным состоянием образцов, при котором для расчета прогибов, углов поворота и ширины раскрытия трещин существующих нормативных подходов недостаточно, либо они дают высокий уровень ошибки вследствие неучета одновременности действия нескольких усилий в сечении. Образец с нулевым значением крутящего момента показывает наибольшую сходимость по всем измеряемым факторам. В то же время, следует отметить, что из всех измеряемых факторов ширина раскрытия нормальных трещин получила наибольшие расхождения, что свидетельствует о некорректности модели развития нормальных трещин при наличии крутящего момента в сечении и о взаимном влиянии нормальных и наклонных трещин друг на друга по нижней грани образцов.Выводы.Разработанный стенд и методика испытаний для проведения экспериментальных исследований работы железобетонных конструкций с внешним армированием композитными материалами при изгибе с кручением показали свою работоспособность, подтвердив все теоретические гипотезы, а именно:значения углов поворота балки на оголовниках и на опорах показали примерно равные значения, подтвердив целесообразность применения податливых резиновых опор. величина отклонения ожидаемых углов поворота от полученных опытным путем составила 9,47 % и не превысила первоначально установленного максимума в 10 %;крепление оголовников болтами к опорной части стенда показало свою эффективность. равномерно притягивая оголовники и уменьшая давление в гидравлической системе, опираясь на показания индикаторов часового типа, оголовники были установлены, домкрат исключен из работы, а пространственное положение балки зафиксировано на длительный период. кроме того, установлено, что при работе в упругой стадии роста деформаций между фиксацией деформированного состояния и снятием нагрузки спустя96 часов не наблюдалось. можно сделать косвенный вывод, что при упругопластической стадии работы все же будет наблюдаться релаксация арматуры и ползучесть бетона;величина отклонения ожидаемых прогибов от полученных опытным путем составила4,4 % и не превысила первоначально установленного максимума в 10 %;величина отклонения ширины раскрытия нормальных трещин от полученных опытным путем составила 8 % и не превысила первоначально установленного максимума в 10 %;Величина отклонения ширины раскрытия наклонных трещин от полученных опытным путем составила 6,74 % и не превысила первоначально установленного максимума в 10 %.Оценивая в целом результаты испытаний, следует отметить некоторые результаты, не составляющие основную цель работы:появление кручения, равного 0,1 от изгибающего момента уменьшило несущую способность балки на 11,5 %; 0,2 – 31,5 %; 0,4 – 63,0 %;во всех случаях приложения нагрузки с эксцентриситетом разрушение происходило от постепенного развития спиралевидной трещины, огибающей зону пролета кручения, и развивающейся от нижней грани элемента по боковой грани под углом 40–50° к продольной оси образца.