Повышение сдвиговой прочности глубоких железобетонных балок с помощью стальных проволок малого диаметра, установленных вблизи поверхности: экспериментальное исследование

Более прочные балки для безопасных повседневных конструкций

Здания, мосты и многоуровневые парковки полагаются на массивные бетонные балки для восприятия больших нагрузок. Когда такие «глубокие балки» внезапно разрушаются от сдвига, последствия могут быть катастрофическими и дорогостоящими в восстановлении. В этом исследовании рассматривается простой и недорогой способ значительно повысить безопасность таких балок: установка тонких стальных проволок прямо под поверхностью бетона. Путём испытаний различных схем расположения проволок и анализа их влияния на образование трещин и характер разрушения, авторы демонстрируют, как скромное усиление может продлить срок службы и повысить надежность существующих конструкций.

Почему глубокие балки — уязвимое звено

Глубокие железобетонные балки ведут себя иначе, чем более тонкие балки, описанные во многих учебниках по проектированию. Из‑за короткого пролёта и большой высоты силы передаются по сжатым диагональным траекториям — «раскосам», а не распределяются равномерно, как при простом изгибе. Когда эти диагональные раскосы трескаются в сдвиге, разрушение может быть внезапным и хрупким, без заметных предупреждающих признаков. Традиционные методы ремонта — установка дополнительных внутренних стержней или применение более прочного бетона — не всегда практичны для существующих сооружений; современные волокнистые материалы, хоть и эффективны, могут быть дорогими, чувствительными к нагреву или трудными для надежного приклеивания к старому бетону. Инженерам поэтому нужны способы усиления, которые были бы надежными, доступными по стоимости и простыми в установке на реальных объектах.

Новый подход: тонкие проволоки прямо под поверхностью

Исследователи изучили вариант известного метода усиления — так называемого армирования, установленного вблизи поверхности (NSM). Вместо использования толстых стальных стержней или внешних полос из армирующих волокон, они прорезали очень мелкие канавки на наружных поверхностях балки и разместили в них стальные проволоки диаметром 2,5 мм, затем заполнили канавки прочным эпоксидным клеем. Эти тонкие проволоки гибкие, недорогие и требуют лишь небольших надрезов защитного слоя бетона, что делает их привлекательными для модернизации существующих балок. Исследователи изготовили одиннадцать идентичных глубоких балок и испытывали их в схеме трёхточечного изгиба. Одна балка использовалась как контрольная, а остальные были усилены на одном сдвиговом пролёте с вертикальными, горизонтальными, диагональными или сетчатыми (решётчатыми) схемами размещения проволок, с разным количеством проволок в каждой конфигурации.

Как балки вели себя под нагрузкой

По мере роста нагрузки команда отслеживала образование трещин, прогибы балок и величину нагрузки и энергии, которую каждая балка могла воспринять до разрушения. Неповреждённая контрольная балка образовала одну крупную диагональную трещину и внезапно разрушилась в сдвиге при нагрузке 220 кН. Установка вертикальных проволок улучшила ситуацию: пересекая диагональные трещины, они увеличили сдвиговую несущую способность до 50 % и одновременно сделали балку более жёсткой и менее деформируемой перед обрушением. Горизонтальные проволоки оказали наименьший эффект, поскольку шли в основном параллельно основной диагональной трещине; даже в лучшем случае они увеличивали несущую способность примерно на треть и мало изменяли характер разрушения. В противоположность этому диагональные проволоки — выровненные по направлению естественного раскоса внутри балки — оказались особенно эффективны. Наиболее усилённый диагональный образец выдержал примерно на 62 % большую нагрузку по сравнению с контролем и поглотил более чем на 170 % больше энергии до разрушения; трещины при этом становились тоньше и более равномерно распределёнными.

Сила простой проволочной сетки

Наиболее выдающимся оказался вариант с сеткой, который комбинировал несколько вертикальных и горизонтальных проволок в небольшой решётке над критической зоной сдвига. Эта простая схема ограничила диагональную зону сжатия со многих направлений и привела к самой тонкой сети трещин. Балка, усиленная сеткой, достигла предельной нагрузки примерно на 59 % выше, чем контрольная, и более чем вдвое увеличила поглощение энергии, при этом демонстрируя наибольшую жёсткость среди всех образцов. В нескольких лучших схемах разрушение смещалось с усилённого пролёта на противоположную, неусиленную сторону балки — это очевидный признак того, что проволоки успешно стабилизировали ранее уязвимое звено.

Что это означает для реальных конструкций

Для неспециалиста ключевая мысль такова: тонкие и недорогие стальные проволоки, аккуратно расположенные прямо под поверхностью бетонной балки, могут существенно изменить поведение балки при образовании трещин и при разрушении. При размещении по диагонали или в виде простой сетки такие проволоки помогают балке нести бóльшую нагрузку, противостоять внезапному диагональному растрескиванию и рассеивать больше энергии до разрушения, при этом требуя лишь мелких канавок и незначительного количества материала. Исследование показывает, что системы NSM с проволокой могут стать практичным и экономичным инструментом для усиления стареющих мостов и зданий, предоставляя инженерам новый способ повысить безопасность повседневной инфраструктуры без капитальной реконструкции.

Цитирование: Elkafrawy, M., Altobgy, M.A. & Fayed, S. Enhancing the shear strength of reinforced concrete deep beams using thin-diameter near-surface mounted steel wires: an experimental study. Sci Rep 16, 7186 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37355-8

Ключевые слова: железобетон, укрепление от сдвига, глубокие балки, армирование, установленное вблизи поверхности, стальные проволоки