Предварительно напряжённый железобетон

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Диаграмма преднапряжения

Предварительно напряжённый железобетон (преднапряжённый железобетон) — это строительный материал, предназначенный для преодоления неспособности бетона сопротивляться значительным растягивающим напряжениям[1]. Конструкции из преднапряженного железобетона по сравнению с не напряженным имеют значительно меньшие прогибы и повышенную трещиностойкость, обладая одинаковой прочностью, что позволяет перекрывать большие пролеты при равном сечении элемента.

При изготовлении железобетона прокладывается арматура из стали с высокой прочностью на растяжение, затем сталь натягивается специальным устройством и укладывается бетонная смесь. После схватывания сила предварительного натяжения освобождённой стальной проволоки или троса передаётся окружающему бетону, так что он оказывается сжатым. Такое создание напряжений сжатия позволяет частично или полностью устранить растягивающие напряжения от эксплуатационной нагрузки.

Возведение гермооболочки Балаковской АЭС. Хорошо видны чехлы для укладки тросов, создающих предварительное напряжение

Способы натяжения арматуры:

  • Механический способ — натяжение, как правило, с использованием гидравлических или винтовых домкратов[2]
  • Электротермический способ натяжения — натяжение с использованием электротока для разогрева арматуры, при котором арматура удлиняется до определенных значений[3]
  • Электротермомеханический — способ, комбинирующий механический и электротермический.
Grants Pass, преднапряжённый железобетонный мост в ботаническом саду, Oregon, USA

По виду технологии устройства подразделяется на:

  • натяжение на упоры (до укладки бетона в опалубку);
  • натяжение на бетон (после укладки и набора прочности бетона).

Чаще второй метод применяется при строительстве мостов с большими пролётами, где один пролёт изготавливается в несколько этапов (захваток)[4]. Материал из стали (трос или арматура) укладывается в форму для бетонирования в чехле (гофрированная тонкостенная металлическая или пластиковая труба). После изготовления монолитной конструкции трос (арматуру) специальными механизмами (домкратами) натягивают до определённой степени. После чего в чехол с тросом (арматурой) закачивается жидкий цементный (бетонный) раствор. Таким образом обеспечивается прочное соединение сегментов пролёта моста. В то время как натяжение на упоры подразумевает только прямолинейную форму натянутой арматуры, важной отличительной особенностью натяжения на бетон является возможность натяжения арматуры сложной формы, что повышает эффективность армирования. Например, в мостах арматурные элементы поднимаются внутри несущих железобетонных балок на участках над опорами-"быками", что позволяет более эффективно использовать их натяжение для предотвращения прогиба.

У истоков создания предварительно напряжённого железобетона стояли Эжен Фрейсине (Франция) и Виктор Васильевич Михайлов (Россия)[5]

Преднапряженная своим весом стена Колизея в Риме

Предварительно напряжённый железобетон является главным материалом междуэтажных перекрытий высотных зданий и защитных гермооболочек ядерных реакторов, а также колонн и стен зданий в зонах повышенной сейсмо-[6] и взрывоопасности[7].

Придавленная, как прессом, весом высокого аттика стена Колизея в Риме является свидетельством того, что еще архитекторы в древнем Риме понимали преимущества преднапряжения каменных конструкций, предназначенных для работы в условиях возможных землетрясений. Из блоков предварительно напряжённого железобетона сделана скульптура «Родина-мать» в Волгограде.

Преднапряженный железобетон

Как создают преднапряжение?[править | править исходный текст]

Создают, в основном, за счет предварительного напряжения рабочей арматуры двумя способами. 1-й способ: заранее бетонируют конструкцию, оставляют в ней каналы, в них пропускают арматуру (пучки из проволок, канаты, стержни); после набора бетоном необходимой прочности арматуру натягивают, а ее концы закрепляют на торцах конструкции. Одновременно с натяжением арматуры происходит сжатие (обжатие) бетона. Поскольку усилие натяжения Р передается на затвердевший бетон, способ называется “натяжением на бетон”.

2-й способ: вначале натягивают арматуру и закрепляют ее концы на упорах стенда или формы, затем бетонируют изделие, а после набора бетоном необходимой прочности отпускают с упоров арматуру. Упруго укорачиваясь, арматура обжимает бетон за счет сил сцепления. Этот способ называется “натяжением на упоры”.

Преднапряжение можно создать и с помощью напрягающего цемента НЦ, при твердении которого бетон не уменьшается, а увеличивается в объеме, удлиняя за собой и арматуру: в ней возникают растягивающие напряжения, а сама она воздействует на бетон в виде сжимающих сил. Этот способ пока имеет очень ограниченное применение.

Целесообразность применения пренапряжения[править | править исходный текст]

Польза в повышении трещиностойкости и жесткости конструкций. Кроме того, преднапряжение позволяет применять высокопрочные бетоны и арматуру, что дает снижение расхода материалов и собственной массы конструкции.

Закрепление арматуры при натяжении[править | править исходный текст]

Закрепляют с помощью специальных анкеров. Это могут быть инвентарные (многоразовые) зажимы клинового и цангового типа или анкера однократного использования: утолщения (головки) с шайбами, обжимные шайбы и т.д. При натяжении на бетон применяют стационарные анкера различных систем, которые обычно являются неотъемлемой частью железобетонного элемента.

Потери напряжения в арматуре[править | править исходный текст]

От момента натяжения арматуры до начала приложения внешней нагрузки на конструкцию часть величины предварительного напряжения ssp безвозвратно теряется в результате релаксации напряжений стали, температурного перепада, деформации анкеров, трения отогнутой арматуры, деформации формы, ползучести и усадки бетона и т.д.

Заметим лишь, что ползучесть очень интенсивно проявляется в первые минуты после обжатия бетона, а затем постепенно затухает, поэтому ее разделяют на две части: быстронатекающую, которая проявляется уже в процессе обжатия, и длительную, которая продолжается вплоть до приложения эксплуатационной нагрузки.

Под деформациями анкеров следует понимать частичное проскальзывание арматуры в инвентарных зажимах, обмятие анкерных головок, шайб и т.д., в результате чего арматура укорачивается и часть напряжений теряется.

Потери в отогнутой арматуре тем больше, чем больше угол отгиба q: чем больше q, тем больше сила нормального давления V на огибающие приспособления, тем больше сила трения.

Потери от деформации формы возникают при неодновременном натяжении стержней на упоры формы. Чем больше стержней, тем больше потери в первом стержне. (Это явление хорошо известно музыкантам. Пока настраивают последнюю струну – например, гитары, – первая успевает расстроиться: сказалось укорочение грифа, которое привело к ослаблению первой струны.) Однако, если все стержни натягивать одновременно – т.н. «групповым» способом, то потерь не будет.

Потери от перепада температуры возникают при натяжении на упоры стенда в процессе термообработки изделий: вместе с уложенной в форму бетонной смесью нагревается и арматура, напряжения в ней падают. Во время прогрева бетон твердеет, набирает передаточную прочность и силами сцепления надежно захватывает ослабленную арматуру. Поэтому после остывания изделия арматура уже не может вернуть потерянные напряжения. Чем больше перепад между температурой изделия t2 и температурой упоров (воздуха) t1, тем больше потери. При натяжении на упоры формы изделие нагревается вместе с формой, одновременно удлиняются арматура и форма (т.е. расстояние между упорами) и потери в арматуре не возникают.

Использование в натяжении арматуры классов Ат-VII, B-II, Bp-II, K-7, K-19[править | править исходный текст]

Канаты натягивать нельзя, потому что невозможно обеспечить одинаковый нагрев всех проволок. Все остальное можно, но не имеет смысла, так как нагрев до 350…400оС позволяет достичь предварительного напряжения не выше 650...700 МПа, в то время как прочностные возможности этих классов стали намного выше. Для натяжения подобной арматуры разработан электротермомеханический метод, совмещающий электротермический и механический методы, однако широкого распространения он не получил. Поэтому арматуру перечисленных классов натягивают преимущественно механическим способом.

Натяжение арматуры[править | править исходный текст]

Натягивают механическим (гидродомкраты, грузы, рычаги) или электротермическим методами. Сущность второго состоит в следующем: заготавливают стержни определенной, точно выверенной длины с анкерами по концам, нагревают их сильным током до температуры не выше 350…400оС (иначе произойдет разупрочнение стали). При нагреве стержни удлиняются и в таком состоянии их закрепляют на упорах. В процессе охлаждения стержни стремятся укоротиться, т.е. вернуться в исходное состояние, но упоры этому препятствуют – в результате, в арматуре возникают растягивающие напряжения.

Нарушение технологии[править | править исходный текст]

Ни в коем случае нельзя к напрягаемой арматуре присоединять другую арматуру. Во-первых, это дополнительная нагрузка, которая оттягивает напрягаемую арматуру и увеличивает в ней усилие натяжения. Во-вторых, в случае приварки дополнительной арматуры, в месте сварки произойдет разупрочнение высокопрочной стали. Все это может привести к обрыву напрягаемой арматуры.

См. также[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

Ссылки[править | править исходный текст]