Сущность предварительного напряжения арматуры, способы и методы создания предварильного напряжения в железобетонных конструкциях.

Малая прочность бетона на растяжение, составляющая ¹/₁₀-^1/₁₅ его прочности на сжатие, является причиной образования трещин в бе­тоне растянутых зон элементов железобетонных конструкций при экс­плуатационных нагрузках.

Значительное раскрытие трещин, нередко достигающее 0,2—0,3 мм и более, во многих случаях опасно с точки зрения коррозии арматуры. Придание арматуре периодического профиля несколько уменьшает рас­крытие трещин, однако этого свойства железобетона полностью не устраняет.

С развитием техники широкое применение нашли бетоны повышен­ной прочности марок 400—600 и выше, а также высококачественные арматурные стали с временным сопротивлением до 20 тыс. кгс/см² и бо­лее, что экономически оправдано, поскольку отношение стоимости к прочности высокопрочных материалов, применяемых для железобетона, значительно ниже, чем для материалов менее прочных.

Для повышения трещиностойкости железобетонных конструкций производится их предварительное напряжение (до приложения основных нагрузок), которое производят таким образом, чтобы образовывалось предварительное обжатие тех зон бетона, в которых при основных на­грузках ожидаются растягивающие напряжения.

Предварительно напряженный железобетон не является особым железобетоном; он образуется из тех же материалов, что и железобетон, не подвергаемый предварительному напряжению. Однако предваритель­ное напряжение придает железобетону дополнительные качества, кото­рые могут быть эффективно использованы.

Многочисленные экспериментальные исследования показали, что предварительное напряжение практически не влияет на величину раз­рушающей нагрузки, но существенно (в несколько раз) повышает трещиностойкость и жесткость железобетонных элементов.

Улучшая качество железобетона, предварительное напряжение позволяет широко использовать высокопрочные материалы, экономить сталь (в ряде случаев до 70%), способствовать снижению общего веса конструкций, получать конструкции, хорошо сопротивляющиеся много­кратно повторяющимся динамическим воздействиям.

Предварительное напряжение железобетонных элементов произво­дят посредством натяжения арматуры и передачи ее реактивного давле­ния на бетон с целью его обжатия.

Различают два метода натяжения арматуры:

1) «натяжение на упоры», т. е. натяжение арматуры на упоры стен­да, опалубку или формы и отпуск ее после бетонирования по достижении бетоном достаточной прочности, вследствие чего арматура, стремясь укоротиться, обжимает бетон, а сама остается растянутой (рис. а);

2) «натяжение» на бетон, т.е. натяжение арматуры, размещенной в каналах или пазах элемента, при помощи приспособлений, опирающихся на готовый эле­мент по его концам (по дости­жении бетоном необходимой прочности). Арматуру при по­мощи анкеров фиксируют в на­тянутом положении, и она об­жимает бетон, впоследствии каналы инъецируют цемент­ным раствором под давлением, а пазы заполняют бетоном (рис. б).

Натяжение на упоры более целесообразно для заводских условий изготовления железо­бетонных конструкций и изде­лий. Натяжение на бетон более трудоемко, его практикуют в тех случаях, когда затруднено или не мо­жет быть осуществлено натяжение на упоры, например при строитель­стве уникальных конструкций больших размеров или изготовлении мо­нолитных конструкций.

Для натяжения арматуры используют несколько способов: меха­нический, электротермический, термический, физико-химический (самонапряжение), электромеханический.

Механический способ заключается в растяжении арматуры при по­мощи гидравлических или механических домкратов, рычагов, гаечных ключей, грузов и т. п.

К механическому относится предложенный проф. В. В. Михайло­вым способ непрерывной навивки арматуры. По этому способу натяну­тую проволоку навивают на упоры поворотного стола. В настоящее время разработаны навивочные машины, при помощи ко­торых натянутую проволоку наматывают на упоры неподвижного стен­да. Способ непрерывного армирования дает возможность создавать предварительно напряженные конструкции с одноосным и двухосным обжатием для зданий промышленного и гражданского строительства. Непрерывное армирование используют также при натяжении арматуры резервуаров, силосов и т. д.

Электротермическим способом изготовляют около 80% всех предварительно напряженных конструкций. Стержни арматуры на­гревают до температуры 300-400°С при помощи электротока и в на­гретом состоянии устанавливают в упоры. При остывании стержни, стремясь сократиться, натягиваются, что используется для обжатия бетона. Этот способ отличается простотой, малой трудоемкостью и срав­нительно низкой стоимостью. Однако точность натяжения этим спосо­бом ниже, чем при других способах.

Электромеханический способ является комбинированным, он при­меняется при непрерывном армировании. Высокопрочную проволоку, нагретую электротоком до 300-400°С, навивают на упоры формы или стенда при помощи намоточной машины. При этом необходимая мощ­ность механических приспособлений для намотки значительно снижает­ся. После остывания проволока получает предварительное напряжение.

При термическом способе натяжения стержень до бетонирования покрывают составом, размягчающимся при нагревании. После укладки в форму, бетонирования и набора бетоном прочности арматуру нагрева­ют до 90-110°С, в результате чего обмазка размягчается и арматура свободно удлиняется при дальнейшем нагревании. При температуре 300-350°С обмазка необратимо затвердевает и конструкция становится предварительно напряженной.

При физико-химическом способе используется свойство бетонов, изготовленных с применением расширяющихся цементов. При расши­рении бетона в процессе твердения арматура также удлиняется, от­чего в ней создается предварительное напряжение. Принцип самонапряжения конструкций является весьма перспективным, так как дает возможность обойтись без сложных приспособлений для натяжения арматуры.

Вопрос 25

Расчет сжатых железобетонных элементов прямоугольного сечения.

Для прямоугольного сечения z_б=h_о-0,5х; F_б=bx. (14)

Приведем решение для наиболее часто встречающихся в практике условий применения сжатых элементов (изготовленных из бетона марки не выше 400 с арматурой классов А-I, А-II, А-III, имеющих площадку текучести).

Условие прочности принимает вид

Ne£R_прbx(h_o-0.5x)+R_асF’_в(h_o-a’_a) (15)

Положение нейтральной оси при x=x/h_o>x_R определяют из формулы (s_a=R_a)

N+R_aF_a-R_acF’_a=R_прbx (16) или

R_прbx(e-h_o+0.5x)±R_acF’_ae’-R_aF_ae=0 (17) где знак минус принимают при e<h_o-a’. Из уравнения (17)

Если х<2а', то прочность сечения проверяют при R_а.с=0, если это приводит к повышению прочности элемента в сравнении с расчетом по формуле (15).

Наименьшая суммарная площадь арматуры (F_а=F’_a) получается в случае, когда положение нейтральной оси соответствует x_R=x_Rh_o. При этом статический момент сжатой зоны бетона bx_R(h_o-0.5x_R)=A_Rbh²_o (19) где A_R=x_R(1-0.5x_R) (20). Площадь сжатой арматуры в соответствии с формулой (15) (21)

Площадь сечения растянутой арматуры определяют из уравнения (16) при замене х на х_R=x_Rh_o: (22)

Если формула (21) дает отрицательный результат, то сжатая арматура по расчету не требуется. Однако по конструктивным сообра­жениям сжатую зону армируют минимальным количеством арматуры F’_a.

При заданном сечении арматуры F’_a на основании формулы (15) вычисляют

В правой части этого выражения все величины известны. Учитывая обозначения x=x/h_o; А_о=x(1-0,5x)

Величина А_о может быть вычислена по формуле , а затем определено x=1-Ö1-2А_о

На конец из равенства (16), учитывая, что х=xh_o, может быть найдена площадь арматуры

(26)

В элементах, подверженных действию одинаковых или близких по величине, но противоположных по знаку изгибающих моментов (напри­мер, в стойках эстакад, средних подкрановых колоннах, арках и т. п.), рационально применять симметричное армирование, т.е. F_a =F’_a. В этом случае при R_а=R_а.с согласно формуле (16) высота сжатой зоны бетона (27)

Учитывая, что при симметричном армировании е=е_оh+0.5(h_о-а), из формулы (15) находим

(28)

Симметричная арматура менее экономична, чем несимметричная; ее следует применять, если получается перерасход арматуры не более чем на 5% по сравнению с несимметричной арматурой.

При x=x/h_o>x_R высоту условной сжатой зоны определяют из фор­мулы N-R_acF’_a+s_aF_a=R_прbx (29)

Сечение арматуры подбирают методом последовательного прибли­жения в следующем порядке. Ориентировочно задаются коэффициентом армирования m элемента, определяют значение N_пр и затем вычисляют количество арматуры F_a и F’_a. Если найденные площади сечения арма­туры F_a и F’_a соответствуют первоначально принятому коэффициенту армирования m, подбор арматуры считают выполненным. Если этого соответствия нет, производят повторные вычисления.

Суммарный процент армирования окончательно подобранного сечения арматуры

Расчет сжатых бетонных и железобетонных элементов прямоуголь­ного сечения с симметричным армированием (рис.10) сталью классов А-I-А-III для случая, когда расчетный эксцентриситет про­дольной силы во равен нулю, при l_o£20h допускается производить по условию N=mj(R_прF+R_acF_a)

где m - коэффициент, принимаемый равным: m=1 при h>20; m=0,9 при h£20 см; h - размер сечения в рассматриваемой плоскости; j - коэффициент, определяемый по формуле j=j_б+2(j_ж-j_б)а, принимае­мый не более j_ж; j_б и j_ж - коэффициенты, принимаемые по табл.; F_a - площадь сечения всей продольной арматуры;

Вопрос 26