Экспериментальные исследования железобетонных конструкций системы «бычки ГЭС – напорная стена здания ГЭС», усиленной предварительно напряженной базальтокомпозитной арматурой. Часть I

Рубин О.Д., Антонов А.С., Алмасри А. Экспериментальные исследования железобетонных конструкций системы «бычки ГЭС – напорная стена здания ГЭС», усиленной предварительно напряженной базальтокомпозитной арматурой. Часть I. Нанотехнологии в строительстве. 2026; 18(4):483–494. – EDN: PRJLOE.

Русловые гидроэлектростанции (ГЭС) представляют существенную часть эксплуатируемых ГЭС [1–5]; находясь в руслах рек, входят в состав сооружений напорного фронта.

На рисунке 1 представлен вертикальный разрез вдоль потока напорного руслового здания ГЭС, на котором видны основные несущие напорные конструкции: бычки, верховая стена машзала и др., предназначенные для восприятия нагрузок со стороны верхнего бьефа нагрузки и передачи их на другие несущие конструкции.

В ходе многолетней эксплуатации напорных русловых зданий ГЭС возникают отклонения от проектных предпосылок, которые вызваны непроектными перемещениями и осадками, раскрытием межблочных строительных швов и трещин, изменением состояния бетонных и железобетонных конструкций и их оснований, изменением характера и величины действующих нагрузок и др., что приводит к снижению параметров безопасной эксплуатации.

В период проектирования большинства гидроузлов [6] проводились сейсмические расчеты на основе линейно-спектральной теории согласно СНиПII-А.12-62 [7] и СНиП II-7-81* [8] с использованием карт ОСР-97, применявшихся в тот период. В настоящее время действуют новые нормы СП 14.13330.2018 [9], предусматривающие повышение сейсмичности на 1–2 балла в соответствии с ОСР-2015, а также динамическую теорию расчетов ГТС I-го и II-го классов на основе акселерограмм.

Выполненные при обосновании прочности и устойчивости проектных решений русловых зданий ГЭС расчеты удовлетворяли требованиям нормативных документов.

Однако в ходе многолетней эксплуатации ГЭС основные несущие железобетонные конструкции претерпевают отклонения от проектных предпосылок, в том числе при изменении прочностных и деформационных характеристик, характера действия нагрузок и др.

В этой связи научно-исследовательский и инженерный персонал должен решать проблемы обес-

Рис. 1. Вертикальный разрез вдоль потока напорного руслового здания ГЭС: 1 – бычки; 2 – напорная стена машзала; в сечении А-А показаны: 1 – бычки; 2 – напорная стена машзала; 3 – пазы затворов

Nanotechnologies in construction      2026; 18 (4):

Нанотехнологии в строительстве     483–494

Nanob

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

печения безопасности при эксплуатации ГЭС в условиях снижения запасов надежности, изменения характера действующих нагрузок, включая сейсмичность более высокой интенсивности.

Проблема обоснования нанотехнологии усиления железобетонных сооружений и конструкций широко изучается различными учеными, при этом распространение получили наноматериалы (композитные материалы), позволяющие обеспечить необходимые запасы несущей способности практически без изменения их массогабаритных размеров.

В исследованиях [10] произведена оценка характеристик наноматериала – базальтокомпозитной арматуры (BFRP) – в отличие от углепластиковой (CFRP) и стальной арматуры. Рассмотрены изгибаемые и сжатые модели. При этом определялись и другие характеристики (такие как механические, температурные, химические) образцов BFRP, CFRP и стальной арматуры. Было зафиксировано увеличение предельных напряжений в композитных арматурных стержнях, в сопоставлении со стальной арматурой при одновременном снижении пластичности. Отмечено, что композитные стержни из BFRP и CFRP обладают повышенной устойчивостью к агрессивным воздействиям окружающей среды.

В исследованиях [11] рассмотрена арматура из BFRP на основе волокон из базальта, эпоксидных и полиэфирных смол. Стержень BFRP имеет непрерывное спиральное оребрение, которое образуется базальтовым волокном, чтобы улучшить сцепление с бетоном. Выявлены преимущества арматуры BFRP по сравнению со стальной арматурой:

• -    Прочность на растяжение в два раза больше, чем стальной арматуры;

• -    В отличие от стальной арматуры BFRP не подвержена коррозии;

• -    Вес BFRP на 89% меньше, чем стальной арматуры;

• -    коэффициент температурного расширения близок к бетону;

• -    волокна из базальта не являются проводниками влаги;

• -    является диэлектриком;

• -    не является проводником магнитных полей;

• -    диапазон рабочих температур от –70 °C до +100, в том числе в огнестойких помещениях.

Таким образом, использование наноматериала – базальтокомпозитной арматуры – увеличивает срок службы железобетонных конструкций, что приводит к созданию длительно эксплуатируемых сооружений, к которым относятся сооружения гидроэлектростанций.

В работе [12] рассматриваются характеристики бетонных конструкций, армированных наноматериалом – базальтокомпозитной арматурой (BFRP) – по- сле воздействия циклов замораживания-оттаивания (FT). В результате испытаний на выдергивание после 100 и 200 циклов FT (при этом температура замерзания –20 °C) была зафиксирована практически одинаковая прочность сцепления BFRP с конструкцией, что является важным для ГТС, расположенных в различных климатических поясах.

В ходе испытаний конструкций с использованием наноматериала – базальтовой композитной арматуры (BFRP) – при изгибе [13] была достигнута эффективность применения BFRP при усилении и ремонте длительно эксплуатируемых конструкций в отличие от традиционных методов. При этом отмечалось, что арматура BFRP имела большую прочность и более низкий модуль упругости (по сравнению со стальной арматурой), что согласовывалось с [10].

Статья [14] посвящена изучению изгибаемых бетонных элементов с наноматериалами – стержнями BFRP. Всего было изготовлено и испытано до разрушения восемь бетонных конструкций длиной 3100 мм и сечением 200х300 мм. Шесть конструкций были армированы арматурой BFRP диаметром 8, 12 и 16 мм с ребристой поверхностью, а две контрольные железобетонные конструкции были армированы стальной арматурой 10 М и 15 М. Отмечается, что все конструкции разрушились по сжатой зоне бетона с высокой их деформативностью.

В статье отмечается, что на поведение конструкций из наноматериала BFRP-RC существенно влияет осевая жесткость изгибаемой базальтокомпозитной арматуры (EfAf). Следует отметить, что выполненные эксперименты подтверждают эффективность использования предварительно напряженных стержней BFRP, позволяющей реализовать высокую прочность и деформативность наноматериалов.

Для изучения несущей способности бетонных конструкций, армированных наноматериалом – базальтокомпозитной арматурой [15], – были испытаны 8 моделей с арматурой из BFRP диаметром 10, 13, 16 и 25 мм, имеющих низкий, средний и высокий коэффициенты армирования. Все конструкции разрушались по бетону сжатой зоны, при этом высокий коэффициент армирования в некоторой степени уменьшает прогиб конструкций. Авторами отмечается, что предельные нагрузки, воспринимаемые конструкциями, напрямую зависят от коэффициента армирования. Также в статье представлено сравнение модели прогнозирования с экспериментальными моделями, что подтвердило достоверность исследования.

В статье [16] представлены результаты экспериментов при изгибе предварительно напряженных конструкций, армированных наноматериалом BFRP, в том числе с оценкой потерь предварительного напряжения. Было изготовлено 5 конструкций,

Nanotechnologies in construction      2026; 18 (4):

Нанотехнологии в строительстве     483–494

Nanob

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

из которых три армированы BFRP диаметром 6 мм, предварительно напряженными до 20%, 30% и 40% от предельного уровня предварительного напряжения. Потери предварительного напряжения контролировались с помощью тензометрических датчиков на арматурных стержнях. Кроме того, две контрольные конструкции были армированы напрягаемыми BFRP и стальными стержнями той же площади поперечного сечения, соответственно. Размеры всех образцов составляли 125×200×1900 мм.

По результатам экспериментов конструкций (армированных наноматериалами), испытанных при изгибе до разрушения, представлены следующие выводы:

• -    предварительное напряжение конструкций, армированных BFRP более чем на 30% от предельной прочности стержней на растяжение, улучшило эксплуатационные характеристики конструкций до уровня, превышающего показатели образцов, армированных стальными стержнями;

• -    предельные прогибы предварительно напряженных конструкций зафиксированы ниже по сравнению с ненапряженными конструкциями с BFRP;

• -    образование трещин на поверхности конструкций было замерено для предварительно напряженных конструкций соответственно уровню предварительного напряжения.

Следует отметить, что проведенные исследования не содержат данных по усилению вышеуказанных конструкций системой внешнего армирования.

Целью исследований [17] было изучение при изгибе конструкций, усиленных по технологии NSM (near surface mounted) с использованием наноматериала – базальтокомпозитной арматуры BFRP – для оценки эффективности усиления железобетонных конструкций. Кроме того, рассматривалась нанотехнология усиления предварительным напряжением вблизи поверхности конструкций (PNSM), которая в определенной степени объединяет две известные технологии: «внешнего предварительного напряжения» и «NSM».

В данном исследовании рассматривались:

• -    неусиленные и усиленные образцы;

• -    арматура усиления BFRP и GFRP;

• -    метод NSM и PNSM при усилении;

• -    30%-е и 50%-е уровни преднапряжения (от предельной растяжимости BFRP);

• -    расположение снизу или сбоку композитной арматуры при использовании технологии NSM.

В ходе исследований было выявлено преимущество при использовании наноматериала BFRP для усиления бетонных элементов методами NSM и PNSM, а также преимущество армирования из наноматериала BFRP.

В статье [18] представлены результаты сравнения базальтокомпозитной арматуры (BFRP) и стальной арматуры в части основных характеристик.

Исследовано разрушение при сдвиге бетонных элементов, армированных предварительно напряженной BFRP, при отсутствии в них арматуры хомутов. В статье приводятся результаты численных исследований в рамках вычислительной программы ANSYS, которые хорошо согласовывались с экспериментальными данными. Подтверждено преимущество нанотехнологии усиления железобетонных конструкций в условиях длительной эксплуатации.

В работе [19] представлены результаты экспериментальных исследований бетонных конструкций с предварительно напряженной арматурой.

Результаты экспериментов были проанализированы, созданы расчетные нелинейные модели в программном комплексе ANSYS и получено достаточно хорошее совпадение экспериментов и расчетов в части характера разрушения и численных значений разрушающей нагрузки, а также распределение напряжений.

В статье [20] проанализированы результаты испытаний бетонных конструкций с предварительно напряженной арматурой из наноматериала (базаль-токомпозита), в том числе с внешними хомутами и без них. Отмечается, что проблемным является применение бетонных конструкций со стальной арматурой при действии водной и соленой среды, а также химических веществ по причине интенсивной коррозии, в связи с чем необходимо применение армирования из наноматериала (BFRP). Для предотвращения интенсивного трещинообразования в конструкциях необходимо предварительно преднапрягать арматуру BFRP. Исследовались две неусиленных модели при действии сдвига. Две модели, усиленные внешними стальными хомутами, разрушились от изгиба при текучести арматуры. Таким образом, для обеспечения прочности требуется учитывать совместное действие изгибающего момента и сдвига в пролете конструкции.

Результаты исследований, опубликованные в источниках [10–20], подтверждают, что материалы настоящей статьи несомненно актуальны и необходимы для выполнения нанотехнологичного усиления железобетонных сооружений и конструкций ГЭС, находящихся в условиях длительной эксплуатации, в том числе высокой сейсмической активности.

Композитные арматурные стержни из наноматериала имеют следующие преимущества по сравнению со стальной арматурой:

• -    прочность на растяжение в 2,5–3,0 раза больше;

• -    меньший вес более чем в 4,0 раза;

• -    имеют высокую стойкость к щелочной среде бетона и другим агрессивным средам;

• -    являются диэлектриками.

Nanotechnologies in construction      2026; 18 (4):

Нанотехнологии в строительстве     483–494

Nanob

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Целесообразность применения базальтокомпозитной арматуры обосновывается оптимальными соотношениями прочностных характеристик и стоимости.

Авторами настоящей статьи выполнен комплекс экспериментальных и расчетных исследований для обоснования нанотехнологии усиления в целях повышения несущей способности железобетонных конструкций ГТС.

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

Авторами статьи выполнены экспериментальные исследования опытных железобетонных моделей «бычки ГЭС – напорная стена здания ГЭС», усиленных предварительно напряженной базальтокомпозитной арматурой, в том числе определялись несущая способность, перемещения, ширина раскрытия межблочных строительных швов и трещин, деформации стальной и базальтокомпозитной арматуры в зависимости от способа усиления железобетонных конструкций внешним армированием.

Также были проведены расчеты напряженно-деформированного состояния на действие статических нагрузок и сейсмических воздействий более 8 баллов с целью определения необходимости усиления конструкций здания ГЭС способами, представленными в экспериментальной части исследований.

Этапность работ представляла собой следующую последовательность:

• -    Разработка математической модели руслового здания ГЭС и расчетные исследования НДС в рамках математического комплекса ANSYS при действии статических нагрузок (вес конструкций сооружения и оборудования, гидравлическая нагрузка со стороны верхнего бьефа, вертикальное давление воды на подошву сооружения и др.), температурных и сейсмических воздействий.

• -    Лабораторные испытания опытных моделей ГТС (бычков и напорной стены машзала здания ГЭС) с межблочными строительными швами, с армированием стальной арматурой и внешней предварительно напряженной базальтокомпозитной арматурой.

Для опытных моделей «бычки ГЭС – напорная стена здания ГЭС» использован бетон класса В30, стальная (коэффициент армирования µ < 0,005) и базальтокомпозитная стержневая арматура (табл. 1).

Экспериментальные исследования на физических железобетонных моделях выполнялись в лаборатории филиала АО «Институт Гидропроект» – «НИИЭС» с использованием специализированного силового металлического 100-тонного стенда и гидравлического оборудования:

• 1.    Домкрат гидравлический (создание статической нагрузки) ДГ-50:

• •    создаваемое усилие – 50 тонн;

• •    величина выдвижения штока (длина хода) – 60 мм;

• •    рабочее давление – 45,5 МПа.

• 2.    Гидравлическая насосная станция МР700 ENERPAC:

• •    номинальное давление – 70,0 МПа;

• •    величина выдвижения штока (длина хода) – 26,5 мм.

• 3.    Домкрат гидравлический (создание натяжения арматурных стержней, рис. 2) «CONER» (№ 11920):

• • максимальное давление при натяжении – 400 атм.

Измерительная аппаратура:

• 1.    Тензорезисторы TML FLA-10-11 с базой 10 мм (для арматуры) сопротивлением 120 Ом. Номер в Госреестре средств измерений 79148-20.

• 2.    Тензометрическая станция «НТП Горизонт». Номер в Госреестре средств измерений 79484-20 (табл. 2).

• 3.    Индикаторы часового типа ЗИЧТ. Номер в Госреестре средств измерений 76658-19 (измерение ширины раскрытия межблочных строительных швов и трещин; измерение прогибов). Цена деления – 0,005 мм.

Наибольшая разность погрешностей прямого хода индикатора: в пределах рабочего участка шкалы – 0,005 мм и в пределах нормированного участка шкалы – 0,003 мм.

Таблица 1. Характеристики материалов, используемых для изготовления моделей

№ п.п.	Характеристики	Бетон класса В30, МПа	Арматура, МПа
			Стальная	Базальтокомпозитная
1	Прочность на сжатие	R bn = 22,0	–	–
2	Прочность на растяжение	Rbt = 1,80	Rsn = 390	Rfn = 1000
3	Модуль деформации	Eb = 32 500 (сжатие)	Es = 200 000 (растяжение)	Efn = 50 000 (растяжение)

Nanob

Nanotechnologies in construction      2026; 18 (4):

Нанотехнологии в строительстве     483–494

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Рис. 2. Испытание опытной железобетонной модели (показан процесс натяжения базальтокомпозитной арматуры):

• •    насосная гидросиловая станция «ENERPAC»;

• •    гидравлический домкрат для натяжения базальтокомпозитной арматуры «CONER»;

• •    масляные распределители

Таблица 2

№ п.п.	Характеристики	Тензометрическая станция «НТП Горизонт»
1	Количество измерительных каналов	32
2	Схемы включения тензорезисторов	мост, полумост, четвертьмост
3	Номинальное сопротивление тензорезисторных преобразователей	50–1000 Ом
4	Диапазоны измерений коэффициента преобразования	±5; ±10 мВ/В
5	Пределы допускаемой относительной погрешности измерений частоты колебаний	±510–5
6	Внешние интерфейсы	RS – 485, USB; Bluetooth

Первоначально был выполнен анализ данных проведенных ранее лабораторных исследований для определения потерь предварительного напряжения в АБК, установленной в бетонном элементе, а также для определения прочности бетонной конструкции, армированной преднапряженной АБК [16, 21, 22].

Анализ данных выполненных ранее лабораторных исследований показал, что потери предварительного натяжения стержневой стальной арматуры через 90 часов составили 2,9–4,0%, в то время как потери предварительного напряжения АБК составили 3,4% и остались далее на том же уровне.

Для решения вышеуказанной задачи по обоснованию нанотехнологии усиления железобетонных конструкций системы «бычки ГЭС – напорная стена здания ГЭС», с применением наноматериала – предварительно напряженной базальтокомпозитной арматуры – авторы провели лабораторные испытания опытных моделей, учитывающих характерные признаки гидротехнического железобетона.

Nanotechnologies in construction      2026; 18 (4):

Нанотехнологии в строительстве     483–494

Nanob

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Представленная работа выполнена в продолжение и развитие проведенных ранее исследований [23].

Для экспериментальных исследований были разработаны опытные железобетонные модели «бычки ГЭС – напорная стена здания ГЭС» в масштабе М 1:25 (рис. 3), имеющие межблочные строительные швы (бетонирование моделей производилось тремя блоками с целью создания межблочных швов), армирование стальной арматурой 0 12А4ОО.

После образования трещин в опытных железобетонных моделях в двух направлениях производилось их усиление наноматериалом – предварительно напряженной базальтокомпозитной арматурой (рис. 4). Этапы усиления и испытания опытных моделей представлены на рисунке 5.

В настоящей работе были выполнены расчеты руслового здания ГЭС с применением динамической теории расчета при действии сейсмических нагрузок более 8 баллов.

Рис. 3. Опытная железобетонная модель «бычки ГЭС – напорная стена здания ГЭС» в масштабе М 1:25 с расположением мест действия опытных нагрузок (размеры даны в мм)

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (4): 483–494

Nanob

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Рис. 4. Схемы размещения (вдоль и поперек потока) предварительно напряжённой базальтокомпозитной арматуры усиления опытных моделей

Рис. 5. Этапы усиления и испытания опытных железобетонных моделей

Nanotechnologies in construction      2026; 18 (4):

Нанотехнологии в строительстве     483–494

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Nanob

При этом были получены деформации сооружения и напряжения в его элементах в различные периоды времени (в секундах), отсчитывая от начала сейсмического воздействия.

На рисунке 6а представлено напряженное состояние в конструкциях здания ГЭС при действии статических нагрузок и сейсмических воздействий на основе динамической теории расчета в периоды времени 2,62 сек и 4,94 сек от начала сейсмического воздействия.

В течение процесса сейсмического воздействия происходит перераспределение действующих усилий и, соответственно, напряженного состояния.

Максимальные растягивающие напряжения, достигающие 4,7 МПа, действуют в напорной стене здания ГЭС (рисунок 6а) через 2,62 сек после начала

сейсмического воздействия, а через 4,94 сек в бычках здания ГЭС (рис. 6б) возникают максимальные растягивающие напряжения (до 3,5 МПа).

Под действием растягивающих напряжений, которые превышают прочность бетона при растяжении, происходит образование и раскрытие трещин в межблочных строительных швах и в том числе нарушение контакта «подошва здания ГЭС – основание» (рис. 5), что негативно влияет на устойчивость и прочность здания ГЭС.

На основе представленных результатов выполненных расчетов здания ГЭС в рамках динамической теории при действии сейсмаинтенсивностью более 8 баллов возникает необходимость проведения мероприятий по усилению и повышению сейсмостойкости железобетонных конструкций здания ГЭС.

Рис. 6. Картина распределения главных напряжений, МПа: а) в напорной стене машзала (через 2,62 сек после начала действия сейсма); б) в бычках (через 4,94 сек после начала действия сейсма)

Nanotechnologies in construction      2026; 18 (4):

Нанотехнологии в строительстве     483–494

Nanob

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Рис. 7. Пространственный арматурный каркас железобетонных моделей с устанавливаемой опалубкой 1-го яруса бетонирования

При этом наиболее эффективным представляется использование нанотехнологии усиления.

Опытные модели включали арматурные каркасы из стальной арматуры 0 12 А400 (рис. 7) с оснащением тензорезисторами базой 10 мм. В ходе экспериментальных исследований фиксировались следующие характеристики:

• а)    характер образования трещин (включая их протяженность и ширину раскрытия;

• б)    величина расхождения бычков;

• в)    напряжения в стальной арматуре;

• г)    приращения напряжений в предварительно напряженной базальтокомпозитной арматуре;

• д)    прочность опытных моделей «бычки ГЭС – напорная стена здания ГЭС».

Предварительное напряжение базальтокомпозитной арматуры в опытных моделях М1-2, М1-3, М2-2 и М2-3 составило 300 МПа, определенное как 0,30· R_{f, n} = 0,30·1000 = 300 МПа (коэффициент 0,30 не превышает 0,45 в соответствии с п. 7.1.1. СП 295.1325800.2017 [24]).

Продолжение следует.