Поведение при изгибе заполненных бетоном FRP уложенных трубчатых арок с внутренними стержнями из FRP

Более прочные опоры туннелей для суровых подземных условий

Современные города и транспортные системы всё больше зависят от туннелей и подземных пространств, но бетон и сталь, которые их поддерживают, со временем могут незаметно ослабевать. Тёмная, влажная и часто химически агрессивная подземная среда вызывает коррозию стали и разрушение бетона, что увеличивает затраты на обслуживание и повышает риски для безопасности. В этом исследовании рассматривается новый тип арочной опоры для туннелей, в котором ржавеющую сталь заменяют композитами на основе стекловолокна и специально усиленным бетоном, с целью обеспечить длительную прочность там, где традиционные материалы испытывают трудности.

Новый тип защитной арки

Исследователи сосредоточились на арочных опорах из труб из полимера, армированного стекловолокном (GFRP), которые при изготовлении получают заранее заданную кривизну с помощью автоматизированного процесса. Эти трубы затем заполняют высокопрочным бетонным раствором (тонкий бетон) и дополнительно укрепляют тонкими внутренними стержнями из GFRP, идущими вдоль дуги арки. Поскольку GFRP не ржавеет, такое сочетание особенно привлекательно для влажных, кислых или солёных подземных условий, например в туннелях, водопропускных сооружениях и защитных конструкциях. Команда разработала промышленный процесс намотки нити (filament‑winding), который позволяет получать эти изогнутые трубы с постоянным качеством, решая одну из основных преград для широкого использования композитных арок.

Испытания арок

Чтобы понять, как ведут себя эти композитные арки, авторы изготовили и испытали 18 образцов арок одинакового размера и формы, но с разной внутренней конфигурацией. Некоторые арки представляли собой пустотелые GFRP‑трубы, некоторые были заполнены только раствором, а другие — заполнены раствором и имели четыре внутренних стержня из GFRP. Также варьировали толщину стенки трубы (3, 5 или 7 миллиметров). Каждую арку зажимали с обоих концов и прижимали вниз по коньку в универсальной испытательной машине — установка, выбранная для создания ясной и интенсивной изгибающей нагрузки в середине пролёта. Во время нагружения команда регистрировала прогибы арок, появление трещин и развитие деформаций вдоль кривой, что позволило отследить перераспределение внутренних сил по мере накопления повреждений.

Как толщина и внутренние стержни изменяют поведение

Эксперименты показали, что простое увеличение толщины стенки GFRP‑трубы существенно повышает нагрузочную способность арок до разрушения. Как для пустотелых, так и для заполненных раствором арок переход от самой тонкой к самой толстой стенке примерно удваивал предельную несущую способность, а более толстые трубы делали арки и более жёсткими на начальной, упругой стадии. Заполнение труб бетоном обеспечивало ещё один значительный прирост прочности и поглощения энергии. Наибольший скачок, однако, давало добавление внутренних стержней из GFRP: по сравнению с пустотелыми трубами арки с раствором и стержнями выдерживали приблизительно в 2,5–4 раза большую нагрузку и могли испытать более чем вдвое большую деформацию до потери несущей способности. Расчёты показывают, что стержни, хотя и занимают лишь небольшую долю сечения, обеспечивают порядка половины общей несущей способности, тогда как бетон даёт стабильный вклад, а труба работает на растяжение и создаёт пригрузку (конфайнмент) для бетона на сжатие.

От экспериментальных данных к предиктивному проектированию

Помимо испытаний, авторы разработали упрощённую расчётную модель для оценки нагрузки, которую такая арка может выдержать при концентрированной силе в её коньке. Они рассматривали арку как закреплённую в концах систему, в которой в конечном счёте образуются четыре «пластических» шарнира в местах наибольшего изгиба. Преобразовав изогнутое трубчатое сечение в эквивалентный прямоугольник и использовав известные формулы для сжатого бетона в условиях конфайнмента и для GFRP в растяжении, они вывели изгибающую прочность в этих шарнирах и, исходя из этого, общую предельную нагрузку. Сравнение прогнозов модели с результатами испытаний для арок с внутренними стержнями показало расхождения порядка 10%, что свидетельствует о том, что модель улавливает основные механизмы поведения для этой конкретной формы арки и схемы нагружения.

Что это означает для будущих подземных сооружений

Проще говоря, исследование демонстрирует, что заполненные бетоном GFRP‑арки с внутренними волоконными стержнями могут быть одновременно прочнее и более пластичны, чем традиционные бетонные арки, при этом сопротивляясь коррозии, от которой страдает сталь. Сочетание промышленно изготовленной композитной трубы, сжатого бетонного ядра и высокопрочных внутренних стержней даёт опоры, способные не только нести большие нагрузки, но и деформироваться без внезапного разрушения. Хотя действующие правила проектирования пока подтверждены только для арок, сходных с испытанными, результаты указывают на появление новой группы долговечных, лёгких обделок туннелей и защитных арок, которые могут сделать подземную инфраструктуру более безопасной и долговечной при меньших затратах на обслуживание.

Цитирование: Li, B., Yang, Z., Qi, Y. et al. Bending behavior of concrete-filled FRP wound tubular arches with internal FRP bars. Sci Rep 16, 7876 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38886-w

Ключевые слова: поддержка туннеля, полимер, армированный волокном, бетонные арки, стойкость к коррозии, подземные сооружения