Method of selecting 3d configurations for composite reinforcement cage of bridge structure supports

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Современные мостовые сооружения подвержены воздействию повышенных эксплуатационных нагрузок и агрессивных внешних факторов, что усиливает процессы деградации конструкций, особенно в элементах с традиционной стальной арматурой. Коррозия металлических каркасов является одной из основных причин снижения несущей способности и долговечности железобетонных опор.

В этой связи все большее внимание уделяется применению композитных материалов – таких как стеклопластиковая, базальтопластиковая и углепластиковая арматура, обладающих высокой коррозионной стойкостью, низкой массой, диэлектрическими свойствами и значительной прочностью на растяжение. Однако проектирование пространственных схем армирования с использованием композитных материалов требует разработки новых подходов, учитывающих их физико-механические особенности – такие как анизотропия, линейно-упругое поведение до разрушения и отсутствие пластических деформаций.

В статье предлагается системный подход к выбору пространственных схем композитного армокаркаса для опор мостовых сооружений, основанный на многокритериальной оценке и таксономическом анализе. Метод учитывает условия нагружения, механические свойства материалов, технологические и экономические факторы. Результаты исследований демонстрируют эффективность предложенного подхода при практическом проектировании долговечных и надежных мостовых конструкций с использованием современных композитных материалов.

АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ

Армирование является неотъемлемой частью проектирования и строительства железобетонных конструкций, в том числе опор мостов. Основная задача армирования заключается в обеспечении необходимой несущей способности конструкции, сопротивлении растягивающим и сдвиговым усилиям, а также в ограничении образования и раскрытия трещин. Пространственные арматурные каркасы представляют собой трехмерные системы, состоящие из продольных и поперечных арматурных стержней, соединенных между собой вязальной проволокой или сваркой, и обеспечивают эффективное распределение нагрузок в объеме бетонной конструкции.

В практике мостостроения для армирования опорных элементов, таких как стойки опор, быки и фундаменты, широко применяются различные пространственные схемы армирования. Наиболее распространенными являются прямоугольные и квадратные каркасы, которые используются в призматических элементах опор. Такие каркасы формируются из продольных арматурных стержней, располагаемых по углам и вдоль граней элемента, и поперечных хомутов или стержней, устанавливаемых с определенным шагом по высоте. Круглые каркасы применяются в цилиндрических опорах или сваях, где продольные стержни располагаются по окружности и соединяются спиральной арматурой или кольцевыми хомутами. В более сложных случаях могут использоваться комбинированные схемы, сочетающие элементы различных форм для оптимального восприятия действующих нагрузок [1].

Продольная арматура в пространственных каркасах опор мостов принимает на себя основные усилия от изгибающих моментов и осевых сил, действующих вдоль оси элемента. Поперечная арматура, в свою очередь, обеспечивает сопротивление поперечным силам (сдвигу), ограничивает развитие трещин, предотвращает выпучивание продольных стержней и способствует лучшему сцеплению арматуры с бетоном. Таким образом, пространственный арматурный каркас представляет собой сложную систему, обеспечивающую совместную работу бетона и арматуры в опорных элементах мостовых сооружений [2].

Необходимо отметить, что описанные схемы армирования традиционно применяются для стальной арматуры. Применение композитных материалов в качестве арматуры требует учета их специфических свойств, что может обусловить необходимость адаптации существующих схем или разработки новых подходов к пространственному армированию опор мостов [3].

Выбор пространственной схемы композитного армокаркаса для опор мостовых сооружений определяется целым рядом факторов, среди которых ключевыми являются условия нагружения, физико-механические свойства композитных материалов, требования к долговечности, особенности технологии строительства и экономические соображения [4]. Ниже приведены конкретные критерии, по которым оценивается эффективность схем:

1. Условия нагружения

Типы нагрузок:

• Постоянные (вес конструкции);
• Временные (движение транспорта, ветровое и климатическое воздействия);
• Особые (сейсмические, аварийные).

Распределение нагрузки:

• Неравномерное распределение требует увеличения плотности арматуры в зонах максимального напряжения;
• Диаметр и шаг продольных и поперечных стержней корректируются в зависимости от величины изгибающих моментов и поперечных сил.

2. Физико-механические свойства композитных материалов

• Прочность на растяжение: композиты (например, углепластик) демонстрируют прочность до 3000 МПа, что выше, чем у стали, но требует точного расчета для предотвращения хрупкого разрушения;
• Модуль упругости: у композитов ниже, чем у стали (например, стеклопластик – 45–60 ГПа против 200 ГПа для стали), что влияет на жесткость конструкции;
• Анизотропия: свойства зависят от ориентации волокон. Это требует учета направления усилий при проектировании схемы армирования.

3. Требования к долговечности

• Коррозионная стойкость: композиты не подвержены коррозии, что критично для опор в агрессивных средах (морская вода, противогололедные реагенты);
• Толщина защитного слоя бетона: минимальная толщина – 30–50 мм для защиты арматуры и обеспечения анкеровки.

4. Технологические аспекты строительства

• Удобство монтажа: малый вес композитной арматуры (на 75% легче стали) упрощает транспортировку и установку;
• Соединение стержней: используются механические соединители или вязальная проволока (сварка невозможна);
• Адгезия с бетоном: шероховатая поверхность арматуры обеспечивает сцепление с матриксом.

5. Экономические соображения

• Начальные затраты: стоимость композитной арматуры выше, чем стальной (например, углепластик – на 50% дороже), но окупается за счет долговечности;
• Эксплуатационные расходы: снижение затрат на ремонт и обслуживание (отсутствие коррозии увеличивает срок службы до 100 лет).

Применения критериев

Для выбора оптимальной схемы используется метод многокритериальной оптимизации, где каждый параметр (прочность, долговечность, экономичность) имеет весовой коэффициент. Итоговый показатель качества схемы рассчитывается по формуле:

$Q=\sum _{i=1}^n{w}_i\times \frac{x_i}{x_{i\max }}$ (1)

где w_i — весовой коэффициент критерия; x_i — значение критерия для текущей схемы; x_imax — максимальное значение критерия среди всех вариантов.

Также применяется метод таксономического анализа, который ранжирует схемы по близости к эталонному решению. Схема с минимальным расстоянием до эталона (Dj) выбирается как оптимальная.

Предложенные критерии и методы оценки обеспечивают системный подход к выбору пространственной схемы композитного армокаркаса, учитывающий специфику материалов и эксплуатационные условия. Это позволяет повысить надежность мостовых сооружений и снизить затраты на их содержание.

МЕТОД ВЫБОРА ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СХЕМЫ КОМПОЗИТНОГО АРМОКАРКАСА ОПОР МОСТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ

Предлагаемый метод выбора пространственной схемы композитного армокаркаса для опор мостовых сооружений включает следующие последовательные шаги:

Шаг 1. На данном этапе проводится детальный анализ всех действующих на опору нагрузок (постоянных, временных, особых) в соответствии с нормативными документами. Определяются требования к несущей способности, жесткости и устойчивости опорного элемента [1].

Шаг 2. Определяются условия окружающей среды, в которых будет эксплуатироваться мостовое сооружение (температурно-влажностный режим, наличие агрессивных веществ). Устанавливаются требования к долговечности опорного элемента [2].

Шаг 3. На основании требований к прочности, жесткости и долговечности выбирается оптимальный тип композитного материала (стеклопластик, базальтопластик, углепластик) и его класс. При этом учитываются технические характеристики и стоимость различных видов композитной арматуры [5]. Свойства различных видов композитной арматуры представлены в Табл. 1.

 

Таблица 1. Свойства различных видов композитной арматуры

Table 1. Properties of different types of composite reinforcement

Свойство	Стеклопластиковая арматура (GFRP)	Базальтопластиковая арматура (BFRP)	Углепластиковая арматура (CFRP)
Предел прочности на растяжение, МПа	1 000–1 500	1 200–2 000	2 000–3 000
Модуль упругости, ГПа	45–60	50–70	150–200
Плотность, кг/м³	1 900–2 100	1 900–2 200	1 500–1 800
Коррозионная стойкость	Высокая	Высокая	Высокая
Теплопроводность	Низкая	Низкая	Низкая
Стоимость	Средняя	Выше средней	Высокая

 

Шаг 4. Анализ существующих схем армирования опор мостов (стальных и композитных). Проводится обзор применяемых пространственных схем армирования для опор мостов, как с использованием традиционной стальной арматуры, так и с применением композитных материалов. Изучается опыт успешного и неудачного применения различных схем в аналогичных проектах [6].

Шаг 5. Разработка потенциальных пространственных схем композитного армирования. На основе проведенного анализа разрабатываются несколько вариантов пространственных схем армирования с использованием выбранного типа композитной арматуры. Учитываются диаметры и шаги продольных и поперечных стержней, а также способы их соединения [7].

Шаг 6. Выполнение статического расчета и анализа рассматриваемых вариантов схем. Для каждого варианта схемы проводится статический расчет на действие заданных нагрузок с учетом физико-механических свойств композитной арматуры. Анализируются напряжения, деформации и трещиностойкость конструкции [8].

Шаг 7. Проводится комплексная оценка каждого варианта схемы по критериям несущей способности, долговечности, технологичности монтажа и экономичности [9].

Для количественной оценки используется метод многокритериальной оптимизации, учитывающий весовые коэффициенты каждого критерия. Итоговый показатель качества схемы рассчитывается по формуле 1.

Этот подход позволяет ранжировать схемы по комплексному показателю Q, обеспечивая объективный выбор оптимального варианта.

Шаг 8. На основании результатов оценки выбирается схема армирования, которая наилучшим образом соответствует всем предъявляемым требованиям. Для этого применяется метод таксономического анализа, позволяющий ранжировать альтернативные схемы по комплексному показателю близости к эталонному решению.

Эталонный вариант представляет собой гипотетическую схему, обладающую максимальными значениями по всем критериям эффективности: несущей способности, долговечности, технологичности монтажа и экономичности. Поскольку критерии имеют различную размерность и шкалы измерения, перед расчетом расстояния выполняется их безразмерная нормировка.

Для каждого критерия i и варианта схемы j значение нормируется по следующей формуле:

$x_{ij}^{\text{'}}=\frac{x_{ij}}{\max \left(x_i\right)}$ (2)

где x_IJ — значение i-го критерия для j-го варианта; max(xi) — максимальное значение i-го критерия среди всех рассматриваемых вариантов.

Таким образом, все критерии приводятся к безразмерному виду и находятся в диапазоне (0;1).

Расстояние D_j от j-го варианта до эталонного решения (в котором все нормированные критерии равны 1) рассчитывается по формуле 3.

$D_j=\sqrt{\frac{1}{n}\sum _{i=1}^n{(1-x_{ij}^{\text{'}})}^2}$ (3)

где D_j — таксономический показатель (безразмерная величина), характеризующий степень близости j-го варианта к эталону; n — количество учитываемых критериев; x^’_ij — нормированное значение i-го критерия для j-го варианта; 1−x^’_ij — отклонение значения критерия от эталонного значения, равного 1.

Чем ближе нормированные значения критериев к 1, тем меньше величина 1−x^’_ij, и соответственно, тем меньше D_j. Минимальное значение D_j соответствует варианту, наиболее близкому к эталону. При D_j = 0 схема полностью совпадает с эталоном (все критерии достигают максимума). Все операции выполняются с безразмерными величинами, что устраняет проблему несопоставимости размерностей. Схема с минимальным значением D_j выбирается в качестве оптимальной.

Шаг 9. Детализация выбранной схемы армирования. Разрабатываются рабочие чертежи и спецификации на арматурный каркас, включая размеры стержней, шаги их установки, способы соединения и требования к защитному слою бетона [4].

ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ И РАСЧЕТ КОМПОЗИТНЫХ АРМОКАРКАСОВ В ОПОРАХ МОСТОВ

Композитные материалы находят все большее применение в строительстве и реконструкции мостовых сооружений благодаря их уникальным свойствам. Ниже приведен подробный пример реализации композитного армокаркаса в реальном проекте:

Армирование опор моста в Канаде

В Канаде при строительстве балочного моста через реку Святого Лаврентия был применен комбинированный подход к армированию плиты настила. Для повышения несущей способности и долговечности использовались стеклопластиковая и углепластиковая арматура. Конструкция включала:

1. Плиту настила толщиной 250 мм, армированную стеклопластиковыми стержнями диаметром 16 мм с шагом 150 мм.
2. Опорные элементы, усиленные углепластиковой арматурой диаметром 20 мм, обеспечивающей высокую жесткость в зонах максимальных нагрузок.

Результаты мониторинга:

• Через 5 лет эксплуатации трещины отсутствовали, прогиб плиты составил менее 10 мм (в пределах допустимых значений);
• Снижение массы конструкции на 25% по сравнению с традиционной стальной арматурой позволило уменьшить нагрузку на фундамент и сократить стоимость транспортировки на 18%.

Ключевые особенности:

• Коррозионная стойкость: Отсутствие ржавчины в условиях воздействия противогололедных реагентов;
• Экономическая эффективность: Снижение затрат на обслуживание на 40% за счет увеличения срока службы до 75 лет.

Этот пример демонстрирует, как сочетание композитных материалов позволяет оптимизировать прочностные и экономические показатели конструкции [10].

Далее в качестве примера рассмотрим расчет необходимой площади продольной композитной арматуры для прямоугольной опоры моста, подверженной осевой сжимающей нагрузке N и изгибающему моменту M. Расчет производится согласно СП 63.13330.2012. Исходные данные для расчета представлены в Табл. 2.

 

Таблица 2. Исходные данные

Table 2. Initial data

Параметр	Соответствующая переменная	Численное значение
Расчетная осевая нагрузка	N, кН	1 000
Расчетный изгибающий момент (M)	M, кН·м	200
Размеры поперечного сечения опоры	b x h, м	1 x 1,5
Класс бетона	–	В30
Расчетное сопротивление сжатию бетона	Rb, МПа	17
Тип и класс композитной арматуры	–	Стеклопластиковая АКП-400
Расчетное сопротивление растяжению композитной арматуры	Rf, МПа	400

 

Для определения требуемой площади арматуры можно воспользоваться итерационным методом или специальными номограммами. В первом приближении примем, что сжатая зона бетона занимает небольшую часть сечения [11–13]. Тогда можно воспользоваться формулой для внецентренно сжатых элементов:

$A_f=\frac{N\times e}{R_f\times z}$ (4)

где e — эксцентриситет приложения нагрузки (e = M/N = 200/1000 = 0,2 м); z — плечо внутренней пары сил (можно принять равным 0,8h = 1,2 м).

$A_f=\frac{1000\times \mathrm{0,2}}{400\times \mathrm{1,2}}\approx {\mathrm{0,417}}_{}{м}^2\approx {4170}_{}м{м}^2$

Для обеспечения необходимой площади можно использовать, например, 10 стержней стеклопластиковой арматуры диаметром 25 мм (площадь одного стержня ≈ 491 мм², общая площадь ≈ 4910 мм²) [4, 5].

Данные соответствия характеристик композитной арматуры к несущей способности стальной арматуры представлены на Рис. [3].

 

Рис. Возрастание предельного усилия в зависимости от диаметра

Fig. Increase in the ultimate force depending on the diameter

 

Следует отметить, что при замене стальной арматуры на композитную необходимо учитывать принцип равнопрочной замены. Это означает, что замена производится не по диаметру, а по несущей способности [14]. На Рис. представлены данные по равнопрочной замене металлической арматуры класса А-III (A400C) на композитную стеклопластиковую арматуру ОЗКМ (АКС).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложенный метод выбора пространственных схем композитного армокаркаса для опор мостовых сооружений отличается новизной подхода, включающего:

Учет специфических свойств композитных материалов:

В отличие от традиционных методов, разработанных для стальной арматуры, предложенный метод учитывает анизотропию, отсутствие текучести и линейно-упругое поведение композитов до разрушения. Это позволяет избежать хрупких режимов разрушения за счет точного расчета напряжений и контроля трещинообразования.

Интеграцию многокритериальной оптимизации:

Для оценки эффективности схем применяется метод многокритериальной оптимизации, где обобщенный показатель качества рассчитывается на основе весовых коэффициентов критериев (прочность, долговечность, технологичность, экономичность). Такой подход обеспечивает баланс между разными факторами и исключает субъективность выбора.

Применение таксономического анализа:

Для ранжирования схем используется таксономический метод, сравнивающий варианты с эталонным решением (гипотетической схемой с максимальными значениями всех критериев). Этот метод позволяет учитывать комплексные параметры и минимизировать компромиссы между критериями.

Отличие от существующих методов

Традиционные подходы к проектированию армокаркасов разработаны преимущественно для стальной арматуры и не адаптированы к особенностям композитов. Предложенный метод:

• Учитывает анизотропию композитных материалов, что критично для точного расчета напряжений;
• Интегрирует экономические и технологические факторы в единую модель, включая стоимость материалов, трудозатраты и прогнозируемый срок службы;
• Применяет таксономический анализ, впервые адаптированный для выбора пространственных схем армирования в мостостроении.

Дальнейшие исследования в этой области могут быть направлены на более глубокое изучение поведения композитных материалов в составе опор мостов при различных видах нагружений и воздействиях окружающей среды. Разработка усовершенствованных методов расчета и проектирования, а также создание подробных рекомендаций и нормативных документов, будет способствовать более широкому внедрению композитных армокаркасов в практику мостостроения, что, в свою очередь, приведет к созданию более надежной, долговечной и экономически эффективной транспортной инфраструктуры. В конечном итоге, применение инновационных материалов и подходов в строительстве мостов будет способствовать повышению безопасности и комфорта передвижения, а также снижению затрат на эксплуатацию и обслуживание мостовых сооружений в долгосрочной перспективе.

Авторы заявляют что:

1. У них нет конфликта интересов;
2. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

The authors state that:

1. They have no conflict of interest;
2. This article does not contain any studies involving human subjects.

About the authors

Lev S. Makarov

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: makarov.lev04@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1834-5261
SPIN-code: 6220-9265

Postgraduate Student, Institute of Engineering and Construction

Russian Federation, St. Petersburg

Nikolaj A. Ermoshin

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Email: ermonata@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0367-5375
SPIN-code: 6694-8297

Dr. Sci. (Military), Professor, Institute of Engineering and Construction

Russian Federation, St. Petersburg

References

Supplementary files