Исследование напряженно-деформированного состояния конструкции фундамента с учетом влияния повышенных температур на механические характеристики высокопрочного сталефибробетона

Введение. Анализ исследований показывает, что повышенные температуры существенно изменяют физико-механические свойства бетонов, включая высокопрочный сталефибробетон, что снижает достоверность расчетных моделей термически нагруженных конструкций. Совместное действие тепловых и силовых факторов обусловливает вариацию прочностных и деформационных характеристик материала. В этом контексте особый практический интерес представляют сооружения, эксплуатируемые в условиях длительного теплового воздействия. Машина непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) — основной металлургический агрегат для разливки стали, требует массивных фундаментов, работающих в условиях длительного теплового воздействия, что делает исследование их механических характеристик актуальным.

Материалы и методы. Приведены результаты испытаний образцов из высокопрочного сталефибробетона с содержанием фибры μsfb = 0 и 2,5 %. Проведена оценка влияния процента фибрового армирования и повышенных температур на основные механические характеристики материала. На основе полученных данных выполнено численное моделирование фундамента МНЛЗ методом конечных элементов с применением диаграммного расчетного метода, учетом физической нелинейности (по кусочно-линейному закону деформирования), реальных условий эксплуатации и температурного режима. Для моделирования использован программный комплекс «Лира-САПР 2020», обеспечивающий учет неоднородности температурно-усадочных деформаций и фактических диаграмм деформирования материала.

Результаты. Получены параметры напряженно-деформированного состояния (НДС) и значения механических свойств высокопрочного сталефибробетона с учетом продолжительности нагрева до +200 °C. Численное моделирование показало, что неоднородное распределение температуры по объему конструкции существенно влияет на НДС элементов. Применение сталефибробетона в качестве вариативного материала позволило уменьшить растягивающие усилия и напряжения, а также повысить трещиностойкость конструкции.

Выводы. Введение до 2,5 % стальной фибры улучшает механические свойства при нормальной температуре. Кратковременный нагрев снижает прочность и модуль упругости, а длительное воздействие изменяет комплекс физико-механических характеристик. Анализ НДС фундаментов подтвердил эффективность применения сталефибробетона в условиях теплового воздействия.

1. Мишина А.В., Чилин И.А., Андрианов А.А. Физико-технические свойства сверхвысокопрочного сталефибробетона // Вестник МГСУ. 2011. № 3–2. С. 159. EDN OWCDNF.

2. Korsun V., Korsun A., Volkov A. Characteristics of mechanical and rheological properties of concrete under heating conditions up to 200 °C // MATEC Web of Conferences. 2013. Vol. 6. P. 07002. DOI: 10.1051/matecconf/20130607002

3. Li P., Feng J., Gu J., Duan S. Coupled Effects of High Temperature and Steel Fiber Content on Energy Absorption Properties of Concrete // Materials. 2024. Vol. 17. Issue 14. P. 3440. DOI: 10.3390/ma17143440

4. Агапов В.П., Маркович А.С., Дхар П., Голишевская Д.А. Напряженно-деформированное состояние сталефибробетона при сжатии с учетом разгрузки из области неупругих деформаций // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2024. Т. 20. № 2. С. 170–181. DOI: 10.22363/1815-5235-2024-20-2-170-181. EDN XTFTZA.

5. Денисов А.В., Зайцев Д.В. Прогнозирование стойкости сталефибробетонов к термическому воздействию при различных параметрах дисперсного армирования // Инженерный вестник Дона. 2022. № 5 (89). С. 433–472. EDN JQDVWK.

6. Дьячук Е.В. Оценка напряженно-деформированного состояния железобетонной колонны при армировании сталефибробетоном // Бутаковские чтения : сб. ст. III Всеросс. с междунар. участием молодежной конф. 2023. С. 269–270. EDN QWDVDI.

7. Дьячук Е.В. Характеристики и основные показатели сталефибробетона промышленного применения // Энергетика и энергосбережение: теория и практика : сб. мат. VIII Междунар. науч.-практ. конф. в рамках десятилетия науки и технологий в Российской Федерации. 2024. С. 133.1–133.3. EDN XTIXGG.

8. Капустин Д.Е. Зависимость полных диаграмм деформирования сталефибробетонов при осевом растяжении от параметров фибрового армирования // Инженерный вестник Дона. 2021. № 7 (79). С. 473–485. EDN ZAQEAR.

9. Корсаков Н.В., Корсакова Т.И. Анализ долговечности сталефибробетонных конструкций в условиях знакопеременных температур // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. 2023. № 6–3 (81). С. 122–126. DOI: 10.24412/2500-1000-2023-6-3-122-126. EDN IWWKWE.

10. Мишина А.В. Изменение физико-механических характеристик высокопрочного сталефибробетона во времени // Строительство и реконструкция. 2011. № 6 (38). С. 70–74. EDN PAJHRV.

11. Агапов В.П., Маркович А.С., Дхар П., Голишевская Д.А. Напряженно-деформированное состояние сталефибробетона при сжатии с учетом разгрузки из области неупругих деформаций // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2024. Т. 20. № 2. С. 170–181. DOI: 10.22363/1815-5235-2024-20-2-170-181. EDN XTFTZA.

12. Пухаренко Ю.В., Пантелеев Д.А., Жаворонков М.И. Развитие метода испытания трещиностойкости сталефибробетона // Экономика строительства. 2023. № 9. С. 132–137. EDN AABQGK.

13. Руднов В.С., Герасимова Е.С. Влияние эффективности дисперсного армирования на призменную прочность тяжелых бетонов // Инженерный вестник Дона. 2020. № 8 (68). С. 223–231. EDN RIOZXJ.

14. Хегай А.О., Кирилин Н.М., Хегай Т.С., Хегай О.Н. Экспериментальные исследования деформативных свойств сталефибробетона повышенных классов // Вестник гражданских инженеров. 2020. № 6 (83). С. 77–82. DOI: 10.23968/1999-5571-2020-17-6-77-82. EDN NTWMLK.

15. Abadel A. Residual compressive strength of plain and fiber reinforced concrete after high-temperature exposure // International Journal of Concrete Structures and Materials. 2022. Vol. 16. P. 48.

16. Abdi Moghadam M., Izadifard R.A. Prediction of the Tensile Strength of Normal and Steel Fiber Reinforced Concrete Exposed to High Temperatures // International Journal of Concrete Structures and Materials. 2021. Vol. 15. Issue 1. DOI: 10.1186/s40069-021-00485-6

17. He F., Biolzi L., Carvelli V., Feng X. A review on the mechanical characteristics of thermally damaged steel and polypropylene hybrid fiber-reinforced concretes // Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2024. Vol. 24. Issue 2. DOI: 10.1007/s43452-024-00880-2

18. He X., Xiang W., Peng X., Dan Y. Axial Compression Performance and Residual Strength Calculation of Concrete-Encased CFST Composite Columns Exposure to High Temperature // Applied Sciences. 2022. Vol. 12. Issue 1. P. 480. DOI: 10.3390/app12010480

19. Khalil W.I. Influence of High Temperature on Steel Fiber Reinforced Concrete // Journal of Engineering and Development. 2006. Vol. 10. Issue 2. Pp. 139–144.

20. Liang J., Liu K., Wang C., Wang X., Liu J. Mechanical properties of steel fiber-reinforced rubber concrete after elevated temperature // Scientific Reports. 2025. Vol. 15. Issue 1. DOI: 10.1038/s41598-024-80458-3

21. Zhang P., Kang L., Wang J., Guo J., Hu S., Ling Y. Mechanical Properties and Explosive Spalling Behavior of Steel-Fiber-Reinforced Concrete Exposed to High Temperature : a Review // Applied Sciences. 2020. Vol. 10. Issue 7. P. 2324. DOI: 10.3390/app10072324

22. Тамразян А.Г. Анализ поведения спирально армированных железобетонных колонн из высокопрочного бетона при центральном сжатии // Железобетонные конструкции. 2025. Т. 11. № 3. С. 3–20. DOI: 10.22227/2949-1622.2025.3.3-20. EDN CECGTG.

23. Kharun M., Klyuev S., Koroteev D., Chiadighikaobi P.C., Fediuk R., Olisov A. et al. Heat Treatment of Basalt Fiber Reinforced Expanded Clay Concrete with Increased Strength for Cast-In-Situ Construction // Fibers. 2020. Vol. 8. Issue 11. P. 67. DOI: 10.3390/fib8110067

24. Калмыков Ю.Ю. Напряженно-деформированное состояние элемента железобетонного фундамента при неоднородном нагреве // Современное промышленное и гражданское строительство. 2007. Т. 3. № 1. С. 37–44. EDN LALBHT.

25. Корсун В.И., Машталер С.Н. Влияние повышенных до 200 °С температур на характеристики физико-механических свойств высокопрочного сталефибробетона // Фундаментальные, поисковые и прикладные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2017 году : сб. науч. тр. Российской академии архитектуры и строительных наук. 2018. Т. 2. С. 265–274. DOI: 10.22337/9785432302663-265-274. EDN ODYUFO.

26. Корсун В.И. Напряженно-деформированное состояние железобетонных конструкций в условиях температурных воздействий. Макеевка : ДонГАСА, 2003. 153 с.