Прочность и трещиностойкость изгибаемых фибробетонных элементов с преднапряженной стеклокомпозитной арматурой при статическом и кратковременном динамическом нагружении

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 

высшего образования 

«Томский государственный архитектурно-строительный университет» 

 

 

 
 
 

В.С. Плевков, А.Г. Тамразян, К.Л. Кудяков 

 
 

ПРОЧНОСТЬ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ 

ИЗГИБАЕМЫХ ФИБРОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 
С ПРЕДНАПРЯЖЕННОЙ СТЕКЛОКОМПОЗИТНОЙ  

АРМАТУРОЙ ПРИ СТАТИЧЕСКОМ  

И КРАТКОВРЕМЕННОМ ДИНАМИЧЕСКОМ  

НАГРУЖЕНИИ 

 
 
 

Монография 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Томск 

Издательство ТГАСУ 

2021 
 

УДК 624.012.45(075.8) 
ББК 38.53я7 
 

Плевков, В.С. Прочность и трещиностойкость изгибаемых фиб
робетонных элементов с преднапряженной стеклокомпозитной арматурой при статическом и кратковременном динамическом нагружении : монография / В.С. Плевков, А.Г. Тамразян, К.Л. Кудяков. – 
Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2021. – 204 c. – Текст : 
непосредственный. 

ISBN 978-5-93057-940-6 
 
В монографии приведены результаты теоретических и экспериментальных ис
следований базальтофибробетонных конструкций со стеклокомпозитным стержневым армированием при статическом и кратковременном динамическом воздействии. Излагаются физические основы поведения базальтофибробетона, стеклокомпозитной арматуры и армобетонных конструкций на их основе, дано их теоретическое описание. Рассмотрены технологические аспекты изготовления базальтофибробетона. Формулируется метод расчета, учитывающий особенности поведения фибробетона, стеклокомпозитной арматуры и армобетонных конструкций 
на разных стадиях динамического сопротивления конструкций. Приводятся результаты численных и экспериментальных исследований армобетонных изгибаемых элементов с различными параметрами фибрового и стержневого армирования 
при статическом и кратковременном динамическом нагружении. 

Монография предназначена для научных и инженерно-технических работ
ников научно-исследовательских и проектных организаций.  

 

УДК 624.012.45(075.8) 

ББК 38.53я7 

 

Рецензенты: 
О.Г. Кумпяк, докт. техн. наук, профессор, кафедра «Железобетонные и каменные конструкции» ТГАСУ; 
В.Ф. Степанова, докт. техн. наук, профессор, заведующая лабораторией коррозии бетонных и железобетонных конструкций 
НИИЖБ им. А.А. Гвоздева АО «НИЦ „Строительство“». 
 
ISBN 978-5-93057-940-6

 

            Томский государственный 

           архитектурно-строительный
           университет, 2021 

             Плевков В.С., Тамразян А.Г.,
                Кудяков К.Л., 2021 

П38 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 
Введение .................................................................................................. 6 
Глава 1. Изгибаемые армобетонные конструкции  с дисперс- 
ным  и   стержневым  композитным   армированием.  Состо- 
яние вопроса ........................................................................................... 8 

1.1. Арматура композитная полимерная .............................................. 8 
1.2. Фибробетоны  .............................................................................. 24 
1.3. Изгибаемые бетонные элементы  со  стержневым компо-  
зитным    армированием.    Комбинированное     дисперсное   
и стержневое армирование изгибаемых бетонных элементов ........... 30 
1.4. Обзор исследований изгибаемых  армированных  бетон-  
ных  элементов при кратковременном динамическом нагружении ... 37 
1.5. Выводы  ....................................................................................... 42 

Глава 2. Предпосылки  расчета  по  прочности  и  трещино-  
стойкости    нормальных   сечений   изгибаемых    базальто-   
фибробетонных    элементов    со  стеклокомпозитной арма-  
турой при статическом  и кратковременном динамическом  
воздействии  .......................................................................................... 44 

2.1. Прочность  и   деформативность  базальтофибробетона.   
Особенности  деформирования  железобетонных элементов   
с базальтофибровым армированием  .................................................. 44 
2.2. Особенности деформирования  изгибаемых  армобетон-  
ных конструкций со стеклокомпозитной  арматурой.  Проч-  
ность и деформативность стеклокомпозитной арматуры  ................. 68 
2.3. Предельные  состояния  изгибаемых  базальтофибро-  
бетонных  элементов  со  стеклокомпозитной  арматурой   
и способы их нормирования  .............................................................. 81 
2.4. Выводы  ....................................................................................... 88 

Глава 3.  Расчет  прочности  и трещиностойкости нормаль-  
ных  сечений изгибаемых базальтофибробетонных  элемен-  
тов  со  стеклокомпозитной  арматурой  при   статическом  
и кратковременном динамическом нагружении  .............................. 90 

3.1. Численные методы динамического расчета изгибаемых   
базальтофибробетонных элементов  со  стеклокомпозитной   
арматурой ........................................................................................... 90 

3.2. Аналитический расчет изгибаемых базальтофибробетон-  
ных элементов со стеклокомпозитной  арматурой  при  крат-  
ковременном динамическом нагружении  ........................................ 98 
3.3. Расчет прочности и трещиностойкости нормальных сече-  
ний изгибаемых базальтофибробетонных элементов со  стек-  
ло-композитной арматурой на  основе  нелинейной деформа-  
ционной  модели  с  применением  областей  относительного   
сопротивления  ................................................................................. 108 
3.4. Выводы  ..................................................................................... 121 

Глава 4. Экспериментальные исследования  прочности,  тре-  
щиностойкости  и   деформативности  изгибаемых  базальто-  
фибробетонных элементов с преднапряженной  стеклокомпо-  
зитной арматурой при статическом и кратковременном дина-  
мическом нагружении ....................................................................... 122 

4.1. Программа экспериментальных исследований и характе-  
ристики опытных балок  ................................................................... 122 
4.2. Методики изготовления балок  .................................................. 123 
4.3. Методики испытания балок  ...................................................... 129 

4.3.1. Измерительные приборы  ................................................... 129 
4.3.2. Методики испытания балок статической и кратковре-  
менной динамической нагрузкой  ................................................ 135 

4.4. Результаты экспериментальных исследований балок  .............. 138 

4.4.1. Результаты испытаний балок статической нагрузкой  ...... 138 
4.4.2. Результаты испытаний балок кратковременной дина-  
мической нагрузкой  .................................................................... 142 
4.4.3. Сопоставление  результатов  статических  и  динами-  
ческих испытаний балок  ............................................................. 151 

4.5. Выводы  ..................................................................................... 151 

Глава 5. Численные исследования прочности и трещиностой-  
кости нормальных  сечений изгибаемых базальтофибробетон-  
ных элементов со стеклокомпозитной арматурой при кратко-  
временном  динамическом  нагружении  с  применением  про-  
граммы «BEAM-FRP-BF» ................................................................. 153 

5.1. Программа   «BEAM-FRP-BF»   для   расчета   прочности   
и  трещиностойкости  нормальных   сечений  базальтофибро-  
бетонных элементов со стеклокомпозитной арматурой .................. 153 

5.2. Численные исследования прочности и трещиностойкости   
нормальных  сечений    изгибаемых   базальтофибробетонных   
элементов  со  стеклокомпозитной  арматурой с применением   
программы «BEAM-FRP-BF»  .......................................................... 160 
5.3. Сопоставление  экспериментальных  данных  с  результа-  
тами аналитических и численных расчетов  ................................... 165 
5.4. Выводы  ..................................................................................... 166 

Библиографический список  ............................................................. 167 

ВВЕДЕНИЕ 

 

В соответствии с общемировой концепцией устойчивого разви
тия, концепцией развития России, постановлениями Правительства 
РФ и программами по развитию материальной и нормативно-правовой 
базы РФ становятся востребованными производство и применение 
альтернативных способов армирования бетонных строительных конструкций, например, базальтовой фибры и стеклокомпозитной полимерной арматуры. Их применение позволяет производить бетонные 
конструкции, не уступающие по эксплуатационным характеристикам 
традиционному железобетону. 

При строительстве и эксплуатации зданий и сооружений, поми
мо статических нагрузок, могут возникать кратковременные динамические воздействия на строительные конструкции и их элементы, вызванные взрывами, авариями и пр. В результате может происходить 
повреждение или разрушение конструкций, что приводит к возможной гибели людей и значительным материальным потерям. Вопросы 
учета влияния вариантов таких воздействий на несущую способность 
строительных конструкций являются актуальными. 

Методам расчета изгибаемых армированных бетонных элемен
тов при статическом и кратковременном динамическом нагружении 
посвящено значительное количество работ отечественных и зарубежных исследователей. В подавляющем большинстве в качестве объекта 
исследований рассмотрены изгибаемые бетонные элементы со стальной стержневой и/или фибровой арматурой. Вопросы прогнозирования и оценки напряженно-деформированного состояния изгибаемых 
бетонных элементов, армированных стеклокомпозитной арматурой 
и/или базальтовой фиброй, при кратковременном динамическом 
нагружении исследованы недостаточно. В действующих отечественных строительных нормах рассмотрены расчеты таких элементов 
только при действии статических нагрузок. 

В исследованиях, выполненных отечественными и зарубежными 

учеными (Антаков А.Б., Генина Е.Е., Жаврид С.С., Зайцева Л.П., Климов Ю.А., Колбаско Э.Б., Леонтьев М.П., Литвинов Р.Г., Луговой А.Н., 
Магдеев У.Х., Маилян Л.Р., Маилян Р.Л., Михайлов К.В., Морозов В.И., 
Мощанский 
Н.А., 
Набоков 
В.Ф., 
Нагевич 
Ю.М., 

Опбул Э.К., Подмостко И.В., Польской П.П., Попов Н.Н., Пухарен

Прочность и трещиностойкость изгибаемых фибробетонных элементов 

7 

ко Ю.В., Рабинович Ф.Н., Талантова К.В., Тарек М.Ф.Э., Тур В.В., 
Уманский А.М., Уткин Д.Г., Фридман И.И., Фролов Н.П., Шилин А.А., 
Abbasi A., Alsayed S.H., Belarbi A., Cusson R., Elgabbas F.M., Fico R., 
Goldston M., Hao H., Toutanji H.A., Iain P., Kabir M.Z., Krassowska J., 
Lapko A., Li V.C., Nanni F., Pham T.M., Rafi M.M., Remennikov A., 
Wang H. и др.), рассмотрены изгибаемые бетонные конструкции с различными вариантами дисперсного (сталь, полипропилен), стержневого (сталь, стекло-, базальто- и углекомпозит) и внешнего композитного армирования преимущественно при статическом действии нагрузки. Особенности работы изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и стеклокомпозитным армированием при кратковременном 
динамическом нагружении изучены недостаточно.  

Авторы выражают благодарность коллективам кафедр ТГАСУ: 

Железобетонные и каменные конструкции, Строительные материалы 
и технологии, Металлические и деревянные конструкции, Прикладная математика – за помощь в проведении исследований; сотрудникам НИУ МГСУ и НИИЖБ им. А.А. Гвоздева, АО «НИЦ „Строительство“» за рекомендации при создании настоящей работы, а также О.Г. Кумпяку и В.Ф. Степановой, выступившим в качестве рецензентов, – за ценные замечания. 

 

ГЛАВА 1. ИЗГИБАЕМЫЕ АРМОБЕТОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ 

С ДИСПЕРСНЫМ И СТЕРЖНЕВЫМ КОМПОЗИТНЫМ  

АРМИРОВАНИЕМ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 

 

В настоящей главе рассматриваются виды и основные характе
ристики фибры и арматуры композитной полимерной, которые применяются для армирования строительных бетонных конструкций. 

Проведены анализ и систематизация исследований бетонных 

конструкций, армированных композитной арматурой (далее – армобетонных конструкций), а также вариантов их фибрового и стержневого 
армирования при статическом и кратковременном динамическом 
нагружении. 

 
1.1. Арматура композитная полимерная 
 
Арматура композитная полимерная (АКП) представляет собой 

неметаллические стержни из непрерывных стеклянных, базальтовых 
или углеродных волокон, скрепленных термопластичным или термореактивным затвердевшим полимерным связующим, с образованным 
на поверхности стержней ребристым или песчано-эпоксидным покрытием для сцепления с бетоном. Соответственно, выделяют стеклокомпозитную (АСК), базальтокомпозитную (АБК) и углекомпозитную 
(АУК) арматуру. 

Исследованием свойств АКП и армобетонных конструкций 

на ее основе занимались отечественные и зарубежные ученые: Антаков А.Б., Бенин А.В., Блазнов А.Н., Бондарев Б.А., Бучкин А.В., Вильдавский Ю.М., Гвоздев А.А., Дробыш А.С., Жаврид С.С., Зайцева Л.П., Климов Ю.А., Кустикова Ю.О., Литвинов Р.Г., Луговой А.Н., 
Михайлов К.В., Мощанский Н.А., Мухамедиев Т.А., Набоков В.Ф., 
Нагевич Ю.М., Пащенко А.А., Подмостко И.В., Римшин В.И., Розенталь Н.К., Семенов С.Г., Смердов Д.Н., Смирнов Э.Н., Степанов А.Ю., 
Степанова В.Ф., Тарек Э., Фаликман В.Р., Фридман И.И., Фридман Л.С., 
Фролов 
Н.П., 
Хозин В.Г., 
Abbasi 
A., 
Cusson 
R., 

Elgabbas F.M., Fico R., Lapko А., Nanni F., Rafi M.M., Urbański M., 
Xi Y. и др. [5, 7, 23, 36, 46, 48, 59, 61, 66, 69, 79, 81, 91, 103, 114, 118, 
119, 120, 121, 125, 133, 154, 156, 160, 166, 185, 186, 189, 190, 191, 194, 
196–199, 214–218, 234, 240, 248, 261–264 и др.]. 

Прочность и трещиностойкость изгибаемых армобетонных элементов 

9 

В 60-х гг. ХХ в. в странах СССР, США, Канаде, Японии и др. бы
ли проведены научные исследования по разработке технологии изготовления и изучению свойств АКП, а также возможности ее применения для армирования строительных конструкций. Интенсивное развитие химической промышленности в конце ХХ в. позволило увеличить 
доступность и существенно снизить стоимость сырья для производства 
АКП. Это стало толчком для развития исследований АКП и начала относительно широкого ее применения в строительной отрасли.  

В России данное явление привело к интенсивному и неконтро
лируемому развитию производства композитных материалов и их 
применению [43, 166, 167, 186]. В период 2000–2013 гг. только 
в г. Москва появилось около 60 фирм по производству АКП. Согласно 
данным созданной в 2012 г. Ассоциации организаций по производству 
и применению неметаллической композитной арматуры (с 2015 г. переименованной в ассоциацию «Композитные строительные материалы»), на рынке строительных материалов были зафиксированы случаи 
производства АКП низкого качества и предоставления недостоверной 
информации о ее свойствах у ряда производителей. Данный факт 
необходимо учитывать при выборе конкретной марки АКП, а также 
при проектировании и строительстве [43]. В последние годы в России 
зарегистрировано более 60 новых патентов на составы АКП, технические решения по производству АКП и устройства для их реализации, 
методы и устройства для исследований [69, 72, 166].  

Повышение интереса к АКП среди строителей и исследователей 

вызвано необходимостью поиска альтернативных вариантов армирования бетонных конструкций, вызванной следующими причинами [69, 
72, 166, 186, 191]:  

 низкая долговечность железобетонных конструкций, эксплу
атируемых в агрессивных средах, вследствие коррозионного повреждения стальной арматуры; 

 высокая стоимость ремонтных и защитных мероприятий для 

обеспечения коррозионной устойчивости железобетонных конструкций, эксплуатируемых в агрессивных средах; 

 невозможность или неэффективность применения стальной 

арматуры на специализированных объектах; 

 ограниченность железорудных ресурсов.  

Глава 1. Изгибаемые армобетонные конструкции 

10 

С 2010 г. в РФ наблюдается тенденция к развитию нормативно
правовых аспектов в области применения композитных материалов 
в строительстве.  

В период 2013–2020 гг. в России наблюдалось увеличение объ
емов производства и применения композитных материалов в т. ч. 
в строительной индустрии. В указанный период данное направление 
получило поддержку на уровне правительства РФ, которая отразилась 
в ряде государственных постановлений и программ по развитию материальной и нормативно-правовой базы применения композитов 
в строительстве (распоряжение «Об утверждении плана мероприятий 
(„дорожной карты“)»; «Развитие отрасли производства композитных 
материалов»1; государственная программа «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности»2; концепция долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации 
на период до 2020 г.3  «Стратегия развития промышленности строительных материалов на период до 2020 г. и дальнейшую перспективу 
до 2030 г.»4 и пр.). 

 Нормативные документы СССР и РФ, устанавливающие требо
вания к свойствам АКП и бетонным конструкций на ее основе, а также к методам расчета и проектирования, представлены в табл. 1.1. 
В данных документах рассмотрено только статическое нагружение 
АКП и бетонных конструкций с ее применением.   

 

                                                

1 План мероприятий («дорожна карта») «Развитие отрасли производства композитных материалов» : распоряжение Правительства РФ. Москва, 2013. 
URL: http://static.government.ru/media/files/41d47cde2950eb5356d5.pdf. 
2 Об утверждении государственной программы РФ «Развитие промышленности 
и повышение ее конкурентоспособности» : постановление Правительства РФ. 
Москва, 2014. URL: http://government.ru/docs/11912. 
3 Концепция долгосрочного социально-экономического развития РФ на период 
до 2020 г. : распоряжение Правительства РФ. Москва, 2008.  URL: http://govern 
ment.ru/info/6217. 
4 Об утверждении плана реализации Стратегии развития промышленности 
строительных материалов на период до 2020 года и дальнейшую перспективу 
до 2030 года: распоряжение Правительства РФ. Москва, 2016.  URL: 
http://government.ru/docs/27125/.