Экспериментально-расчетные исследования эффективности усиления железобетонного перекрытия машинного зала ГЭС в результате применения системы внешнего армирования углеродными лентами. Часть II

Введение. В соответствии с Федеральным законом «О безопасности гидротехнических сооружений» необходимо обеспечение длительной безопасности и надежности эксплуатируемых сооружений и конструкций ГЭС. В русловых ГЭС система «напорные стены – перекрытия машинных залов» является основной несущей конструкцией, воспринимающей комплекс внешних нагрузок и нагрузок при эксплуатации в машинном зале ГЭС. С течением времени в железобетонных перекрытиях обследованиями выявлено интенсивное трещинообразование, снижающее их несущую способность. Для обеспечения безопасной эксплуатации и продления жизненного цикла ГЭС необходимо усиление внешним армированием железобетонных перекрытий машинного зала, предпочтительно композитными углеродными лентами, имеющими высокую прочность, незначительный вес, качества диэлектрика и другие положительные характеристики. При этом метод монтажа углеродных лент должен обеспечивать не образование тонкодисперсной токопроводящей пыли, поскольку усилению подлежат железобетонные конструкции машинного зала ГЭС, насыщенного электрическим оборудованием, обеспечивающим работу гидрогенераторов ГЭС. Также необходимо обеспечить контроль работы усиленного железобетонного перекрытия системой внешнего армирования углеродными лентами во времени посредством закладной контрольно-измерительной аппаратуры. Решение поставленных задач в настоящих экспериментально-расчетных исследованиях позволило обосновать эффективность усиления перекрытия внешним армированием на основе применения углеродных лент и реализовать в машинном зале ГЭС. Материалы и методы. В качестве объекта исследований представлено железобетонное перекрытие машинного зала ГЭС, которое в течение эксплуатационного периода времени подвергалось действию внешних нагрузок, а также непроектных нагрузок. Зафиксированное обследованиями трещинообразование и прогибы привели к необходимости проведения экспериментальных исследований в натурных условиях, в том числе с использованием груза массой 150 кН. Определялись напряжения в рабочей металлической растянутой арматуре до и после устройства внешнего армирования углеродными лентами FibArmTape-530/300. Также определялось напряжение в углеродных лентах. Эксперименты моделей фрагментов растянутой зоны железобетонного перекрытия проводились в лабораторных условиях с целью определения эффективности усиления по новому методу устройства углеродных лент на бетонную поверхность. Данные эксперименты проводились с применением разрывной машины на действие растяжения и подтвердили положительный эффект применения нового метода устройства углеродных лент, не допуская образования тонкодисперсной токопроводящей пыли в условиях работающих электроустановок машинных залов ГЭС. При этом получена необходимая прочность усиленных конструкций. С целью определения сформировавшегося напряженно-деформированного состояния железобетонного перекрытия машинного зала были выполнены расчетные исследования с учетом выявленного характера трещинообразования. Определялись напряжения в растянутой рабочей арматуре при различных нагрузках до и после усиления, а также напряжения в углеродных лентах. С использованием выполненных расчетов предложена принципиальная схема усиления железобетонного перекрытия – шаг углеродных лент и количество слоев композитного материала. Результаты. Из результатов экспериментальных исследований моделей фрагментов растянутой зоны железобетонного перекрытия, имеющих характеристики гидротехнических сооружений (бетон класса В15 и В25, низкий коэффициент армирования μs = 0,00445÷0,00692), следует, что получено увеличение прочности в 1,62–1,96 раза усиленных по новому методу (применительно к ГЭС) устройства композитных углеродных лент на бетонную поверхность. В результате усиления железобетонного перекрытия внешним армированием по новому методу (применительно к ГЭС) устройства углеродных лент в результате экспериментальных исследований в машинном зале здания ГЭС установлено перераспределение напряжений между металлической рабочей арматурой и углеродными лентами, которые включались в совместную с перекрытием работу с образованием в лентах растягивающих напряжений. При нагрузке на усиленное перекрытие в 150 кН растягивающие напряжения в металлической арматуре снизились в 1,8–2,9 раза (направления – вдоль потока и поперек потока) с образованием практически эквивалентных напряжений в углеродных лентах внешнего армирования. С целью расчетной оценки изменения напряженно-деформированного состояния перекрытия машинного зала здания ГЭС (с трещинообразованием, с непроектным в ряде мест опиранием при действии непроектных нагрузок) при выполнении усиления внешним армированием углеродными лентами разработана и применена пространственная конечно-элементная модель. Проведенными расчетными исследованиями определен необходимый (с точки зрения обеспечения прочности перекрытия) шаг углеродных лент и количество слоев композитного углеродного материала.