Численное исследование повышения крутильной прочности железобетонных балок, усиленных различными методиками

Почему крутящиеся балки важны

Когда мы думаем о мостах или эстакадах, обычно представляем их прогибающимися под нагрузкой, а не закрученными как выжатое полотенце. Между тем это закручивание, называемое кручением, может незаметно ослаблять железобетонные балки, поддерживающие многие конструкции. Со временем изменение назначения, увеличение интенсивности движения или старение материалов могут уменьшить запас прочности балок по сравнению с тем, что закладывали проектировщики. В настоящем исследовании рассмотрено, как эффективно усилить такие балки с помощью компьютерного моделирования, чтобы существующие мосты и здания можно было модернизировать без чрезмерных затрат и дорогостоящих пробных испытаний.

Как усиливают балки

Исследователи сосредоточились на железобетонных балках — прямоугольных элементах бетона с арматурой, — которые особенно восприимчивы к кручению в таких узлах, как прогоны мостов, кольцевые балки и торцевые балки. Вместо полной замены элементов инженеры часто добавляют дополнительную арматуру на внешние поверхности. Одна из методик, называемая укладкой арматуры вблизи поверхности, предполагает нарезку неглубоких канавок в бетоне и вставку стержней, закрепляемых эпоксидным клеем. Другая методика добавляет тонкие слои стальной или волоконной сетки снаружи балки, действующие как клетка и помогающие удерживать бетон при кручении. Команда комбинировала и сравнивала эти подходы, чтобы определить, какие схемы дают наибольший прирост прочности и пластичности.

Виртуальные балки вместо множества испытаний

Физические эксперименты на балках в натуральную величину дороги и медленны, поэтому авторы создали подробную трёхмерную компьютерную модель балок в пакете Abaqus/CAE. Модель опиралась на раннее лабораторное исследование пяти балок: одной не усиленной и четырёх, модернизированных различными схемами близкорасположенной арматуры. В цифровой модели бетон мог трескаться и терять жёсткость, арматура — пластически деформироваться, а склеенные стыки — постепенно расслаиваться, что близко имитировало поведение реальных материалов. Путём настройки модели — подбора размера сетки и ключевого параметра, контролирующего распространение трещин в расколотом бетоне — получили предсказания предельного крутящего момента и угла кручения, отличавшиеся от лабораторных результатов менее чем примерно на 5 процентов.

Поиск оптимума для дополнительной арматуры

Когда модели стали доверять, исследователи использовали её для широкого параметрического исследования, систематически меняя детали усиления. Сначала варьировали длину перекрытия внешних стержней внутри глубины балки. Очень короткие перекрытия давали лишь скромный прирост прочности и могли даже снижать вязкость разрушения, то есть балка могла разрушаться внезапнее. По мере увеличения перекрытия до примерно 60–80 процентов глубины балки и прочность, и способность к кручению резко возрастали: предельный крутящий момент примерно удваивался или увеличивался ещё больше, а балки могли значительно больше крутиться до разрушения. За пределами этого диапазона дополнительное перекрытие всё ещё давало пользу, но с меньшей отдачей относительно затраченных материалов и усилий.

Наложение сеток и изменение направления распорок

Далее команда исследовала сочетание близкорасположенных стержней с внешними слоями стальной сетки. Добавление одного, двух и затем трёх слоёв сетки последовательно повышало крутильную прочность, с увеличением до нескольких крат по сравнению с исходной несущей способностью, при этом допуская бо́льшие углы кручения до разрушения. Однако добавление четвёртого или пятого слоя чрезмерно повышало жёсткость балки, что способствовало хрупким, внезапным разрушениям при минимальном дополнительном выигрыше в прочности — важное предупреждение против переусиления. Наконец, исследователи изменили ориентацию внешних растяжек с вертикальной на наклонную, выстраивая их более перпендикулярно диагональным трещинам, которые обычно возникают при кручении. Эти наклонные системы, особенно снабжённые крючками для анкеровки в торцах балки, дали наибольшие улучшения: крутильная прочность возросла более чем в три раза, а балки могли крутиться почти вдвое больше до разрушения, причём трещины распространялись более равномерно, а не локализовались.

Что это значит для реальных сооружений

Для неспециалистов ключевой вывод таков: то, как размещена дополнительная арматура на бетонной балке, не менее важно, чем её количество. Грамотно спроектированные близкорасположенные стержни и слои сетки могут более чем вдвое или втрое повысить сопротивление балки кручению, сохранив постепенность разрушения вместо резкого отказывания. Существует очевидный диапазон «достаточно, но не слишком» по длине перекрытия и числу слоёв сетки, а распорки, ориентированные вдоль естественного направления трещин, работают наиболее эффективно. Поскольку компьютерная модель тесно совпадает с реальными испытаниями, инженеры теперь могут использовать её как практический инструмент для планирования экономичных усилений стареющих мостов и зданий, повышая безопасность без полной зависимости от дорогих экспериментальных кампаний.

Цитирование: Yusuf, M.A., Zahran, M.S., Osman, A. et al. Numerical investigation on the torsional improvement of reinforced concrete beams strengthened with various techniques. Sci Rep 16, 8618 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38794-z

Ключевые слова: усиление против кручения, железобетонные балки, арматура, уложенная вблизи поверхности, усиление стальной сеткой, метод конечных элементов