Усиление бетонных балок мостов CFRP: практическое руководство

Внешне приклеиваемый CFRP усиливает бетонную балку моста двумя разными способами — приклеенные к подошве плиты повышают несущую способность на изгиб, а U-образные обхваты стенки — на сдвиг, — но на реальном мосту адгезия, коэффициенты воздействия среды и детали анкеровки задают потолок задолго до того, как углеродное волокно приближается к своей номинальной прочности. Именно в этом зазоре и заключается вся суть грамотного усиления. Это руководство разбирает практические проектные и монтажные решения для железобетонных и преднапряжённых балок, опираясь на ACI 440.2R-17 и данные полноразмерных испытаний. Если внешне приклеиваемый FRP для вас в новинку, начните со статьи что такое усиление CFRP.

Зачем усиливать бетонные балки мостов?

Доминируют три причины. Во-первых, дефицит грузоподъёмности — повышение легальных нагрузочных ограничений, переоценка грузоподъёмности или проезд по разрешению создают нагрузку, превышающую исходную несущую способность балки. Во-вторых, деградация материала — проникновение хлоридов, карбонизация и циклы замораживания–оттаивания корродируют арматуру и уменьшают сечение. В-третьих, повреждения от удара — транспорт с превышением габарита по высоте бьёт по подошве и стенкам преднапряжённых балок. Внешне приклеиваемый CFRP решает все три проблемы, не добавляя значимой постоянной нагрузки и не уменьшая габарит подмостового пространства, поэтому такие ведомства, как Florida DOT, применяют его на мостах уже более 20 лет. Альтернатива — приклеенная стальная пластина — весит примерно в пять раз больше (сталь 7.9 g/cm³ против CFRP 1.5–1.6 g/cm³, ACI 440.2R, таблица 4.2.1) и заново создаёт ту самую проблему коррозии, которую вы устраняете.

Как CFRP применяется на балке — изгиб против сдвига?

Для изгиба плита CFRP приклеивается к подошве (растянутой грани) через клеевой шов толщиной 2–4 mm; ACI 440.2R применяет коэффициент снижения прочности ψf = 0.85 к вкладу FRP в момент. Для сдвига ткань CFRP оборачивается вокруг стенки. На балке моста плита проезжей части перекрывает верхнюю грань, поэтому настоящий четырёхсторонний обхват возможен редко — получается трёхсторонний U-обхват, для которого коэффициент ψf = 0.85 против 0.95 для полного обхвата (ACI 440.2R, таблица 11.3). Практическое следствие: усиление на сдвиг на балках изначально зависит от анкеровки, поскольку та сторона, которая зафиксировала бы обхват на месте, недоступна.

Почему волокно на мосту никогда не достигает своей номинальной прочности?

Потому что адгезионная связь разрушается первой, а нормативный документ намеренно ограничивает рабочую деформацию значением ниже разрыва. Для изгиба предел деформации отслоения составляет εfd = 0.41√(f′c / (n·Ef·tf)) ≤ 0.9εfu (ACI 440.2R-17, уравнение 10.1.1, откалиброванное Teng et al.), а эффективная расчётная деформация равна εfe = min(εfd, 0.9εfu). Для сдвига полный обхват ограничен значением εfe = 0.004 ≤ 0.75εfu (чтобы сохранить зацепление заполнителя в трещине), а U-обхват — значением εfe = Kv·εfu ≤ 0.004 с коэффициентом снижения адгезии Kv ≤ 0.75. Углеродная ткань, которая рвётся при деформации около 1.8%, поэтому рассчитывается примерно на 0.4% — менее четверти её несущей способности. Данные по 375 балкам однозначны: каждая неанкерованная приклеенная балка разрушилась отслоением (70% — по трещине в пролёте, 30% — по концу), ни одна не дошла до разрыва волокна.

Нужна ли анкеровка U-обхвату на балке моста?

Почти всегда, и данные испытаний это однозначно подтверждают. Неанкерованный, чисто клеевой U-обхват выходит на предел около +25–27% прироста по сдвигу. При добавлении правильно выполненных шиповых анкеров и двунаправленной раскладки полноразмерная преднапряжённая балка AASHTO Type IV достигла +35.8%. Направление ткани важнее количества анкеров: полноразмерные испытания TxDOT показали, что вертикальные полосы только с шиповыми анкерами дают ничтожный прирост предельной несущей способности — +2%, тогда как добавление горизонтальных полос повышает его до +33–36%. Практика устройства шиповых анкеров по данным исследований Флориды: глубина отверстия 6 in. (минимум 4 in.), угол веера 60°, площадь сечения анкера — не менее удвоенной площади волокна полосы. ACI 440.2R также требует анкеровки концов изгибной плиты при Vu > 0.67Vc (п. 14.1.2), а для неразрезных пролётов FRP необходимо продлевать не менее чем на 450 mm за точку перегиба эпюры моментов.

Насколько воздействие среды и усталость снижают расчётные значения?

Снижающие коэффициенты применяются последовательно. Коэффициент воздействия среды CE = 0.85 для углеродного волокна при наружной эксплуатации/эксплуатации на мостах (ACI 440.2R, таблица 9.4) умножает характеристическую прочность и деформацию раньше всех остальных снижений — у углерода нет отдельного штрафа за “агрессивную” среду, в отличие от стекловолокна, у которого коэффициент падает до 0.50. При многократном воздействии нагрузки от грузовиков предел длительного плюс циклического напряжения составляет 0.55 ffu для углерода (таблица 10.2.9), и Florida DOT требует проверять его по усталостному грузовику LRFD. Долгосрочная надёжность углерода опирается на его 50-летний коэффициент длительной прочности при ползучести ~0.90 против ~0.30 у стекловолокна. Ниже — одна честная оговорка.

Почему CFRP, а не приклеенная стальная пластина?

Для моста решающими преимуществами являются вес и долговечность: ламинат толщиной в миллиметры не добавляет значимой постоянной нагрузки, не требует крана и не корродирует. Именно поэтому приклейка стальных пластин во многом уступила место CFRP при усилении по подошве. (Одна оговорка по имеющимся данным: wiki подтверждает качественное утверждение, что CFRP “не прерывает движение и не меняет габарит подмостового пространства,” но для количественной оценки экономии простоя нужен источник по конкретному проекту — поэтому мы оставляем это утверждение качественным.)

Что должно быть обеспечено до начала приклейки?

Качество основания — предпосылка для всех приведённых выше значений. Прочность бетона на отрыв (растяжение) должна быть ≥ 1.4 MPa с разрушением внутри бетона (ASTM C1583; ACI 440.2R, п. 1.2.1.4); собственные технические данные FidStrong требуют более строгого значения ≥ 1.5 MPa. Трещины шире 0.3 mm должны быть проинъецированы эпоксидным составом до нанесения FRP (п. 6.4.1). Углы, которые огибает обхват, нуждаются в скруглении — минимальный радиус по ACI 13 mm, для ткани FidStrong — 20 mm — иначе волокно испытывает концентрацию напряжений на ребре. Если это условие не соблюсти, отслоение произойдёт в самом основании независимо от качества волокна или клея; см. подготовку поверхности для оптимальной адгезии и как нагрузка передаётся в приклеенный CFRP. Сама система — это плита CFRP или ткань с соответствующей пропиточной эпоксидной смолой или клеем для плит.

FAQ

Почему CFRP отслаивается раньше, чем разрывается, на балке моста?

Отслоение — это разрушение по границе раздела, а не разрушение волокна, и уравнение деформации отслоения ACI 440.2R (εfd = 0.41√(f′c/(n·Ef·tf)) ≤ 0.9εfu) почти всегда является определяющим ещё до того, как волокно достигнет разрыва. В базе данных из 375 балок неанкерованные приклеенные балки разрушились на 70% по отслоению у трещины в пролёте и на 30% — по концевому отслоению — 100% отслоились, ни одна не разорвалась. Именно поэтому концевая анкеровка, а не дополнительные слои, является тем рычагом проектирования, который действительно важен.

Нужно ли анкеровать трёхсторонний U-обхват, или достаточно клеевого соединения?

Нужно анкеровать. Неанкерованный клеевой U-обхват выходит на предел около +25–27% прироста по сдвигу; с шиповыми анкерами и двунаправленной раскладкой полноразмерная преднапряжённая балка AASHTO Type IV достигла +35.8%. Руководство по проектированию Florida DOT требует анкеровки трёхсторонних U-обхватов, прежде чем проектировать на деформации, приближающиеся к значениям полного обхвата.

Можно ли просто добавить больше вертикальных полос на сдвиг вместо анкеровки?

Нет. Полноразмерные испытания TxDOT на балках AASHTO Type IV показали, что вертикальные полосы только с шиповыми анкерами дают ничтожный прирост предельной несущей способности на сдвиг — +2%; добавление горизонтальных полос в двунаправленной раскладке повышает его до +33–36%. Определяющей переменной было направление ткани, а не количество анкеров.

Как воздействие среды меняет расчётную прочность CFRP для моста?

ACI 440.2R, таблица 9.4, применяет коэффициент воздействия среды CE = 0.85 для углеродного волокна при наружной эксплуатации/эксплуатации на мостах (против 0.95 в помещении), умножая характеристическую прочность и деформацию раньше других снижающих коэффициентов. В отличие от стекловолокна (коэффициент которого падает до 0.50 в агрессивной среде), у углерода нет дополнительного штрафа за агрессивное воздействие среды.

Есть ли данные по усталости CFRP при многократных нагрузках от грузовиков?

Не в виде кривой S–N. ACI 440.2R даёт предел длительного плюс циклического напряжения 0.55 ffu для углерода (таблица 10.2.9), который Florida DOT проверяет по стандартному усталостному грузовику LRFD, но ни ACI, ни Eurocode 2, приложение J, не определяют валидированную кривую усталостной долговечности приклеиваемого FRP. Рассматривайте усталость как проверку по предельному напряжению и указывайте на этот пробел в данных проектировщику, ответственному за проект.

Чем CFRP лучше приклейки стальной пластины к подошве?

Весом и коррозией. CFRP имеет плотность 1.5–1.6 g/cm³ против 7.9 у стали — примерно в пять раз меньше — поэтому добавляет ничтожную постоянную нагрузку, не требует крана и не меняет габарит подмостового пространства. Кроме того, он не корродирует, избегая того вида разрушения, который вы часто и устраняете, а коэффициент длительной прочности при ползучести углерода за пятьдесят лет ~0.90 обеспечивает долгий срок службы.

FidStrong производит плиту CFRP FSL и углеродную ткань FSC с соответствующими пропиточными эпоксидными смолами и клеями для плит, необходимыми для усиления мостов, в рамках систем ISO 9001, 14001 и 45001. Приведённые здесь расчётные значения соответствуют ACI 440.2R-17; приросты от U-обхвата и анкеровки получены по результатам полноразмерных испытаний балок AASHTO Type IV. Проверяйте каждое значение по действующему нормативному документу и по проекту, выполненному квалифицированным инженером-мостовиком.