Основные способы создания предварительного напряжения

Вопрос 26 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/см 2 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 27 Расчет сжатых железобетонных элементов прямоугольного сечения.

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

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

R_прbx(e-h_o+0.5x)±R_acF’_ae’-R_aF_ae=0 (17) где знак минус принимают при e 2 _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

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;

Источник

Способы создания предварительного напряжения

Тема 3.ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Сущность предварительного напряжения

Метод расчета по предельным состояниям является общим и применяется как для обычных, так и для предварительно напряженных железобетонных конструкций. Однако последние обладают рядом особенностей, которые необходимо учитывать в расчетах.

Ранее указывалось, что низкая прочность бетона на растяжение и малая растяжимость являются его существенным недостатком, снижающим строительные качества железобетона. Поскольку предельная растяжимость бетона равна в среднем ε_btu= 15·10 -5 , трещины в бетоне могут возникнуть уже при напряжениях в арматуре σ_s = ε_sE_s=l5·10 -5 ·2·10 5 =30 МПа. С увеличением нагрузки трещины будут увеличиваться. В элементах, армированных сталями классов А-II, A-III, при эксплуата­ционных нагрузках σ_s = 270. 340 МПа ширина раскры­тия трещин не превышает допустимой (a_crc,u ≤ 0,3. 0,4 мм). При применении же высокопрочной арматуры (σ_s,ser ≥ 500 МПа) ширина раскрытия трещин будет существенно превышать допустимую.

Применение растянутой высокопрочной арматуры оказывается возможным лишь в предварительно напряженных конструкциях, в которых трещины образуются при значительно более высоких нагрузках, а ширина их раскрытия, как правило, не превышает допустимых пределов. При этом полностью используются прочностные свойства этой арматуры.

Впервые высокопрочная арматура была успешно применена в предварительно напряженных железобетонных конструкциях во Франции инж. Фрейссинэ в 1928 г., а в СССР — проф. В.В. Михайловым в 1932 г.

В последние годы применение предварительного напряжения стало одним из основных направлений совершенствования железобетонных конструкций. Оно позволяет:

· существенно уменьшить расход стали за счет использования арматуры высокой прочности;

· повысить трещиностойкость конструкций; увеличить жесткость, уменьшить прогибы;

· повысить выносливость конструкций, работающих под воздействием многократно повторяющихся нагрузок (от кранов, автотранспорта и т.п.);

· увеличить срок службы конструкций при эксплуатации в агрессивных средах;

· уменьшить расход бетона и снизить массу конструкций;

· расширить область применения железобетона, заменив им дефицитные сталь и дерево в таких конструкциях, как напорные трубопроводы, резервуары, шпалы и т. п.

Способы создания предварительного напряжения

Существуют две принципиальные схемы создания предварительного напряжения в железобетонных конструкциях: путем предварительного натяжения арматуры на упоры формы или стенда и натяжения ее на затвердевший бетон (забетонированную конструкцию).

· Натяжение на упоры применяют в конструкциях малых и средних пролетов, изготовляемых в заводских условиях. Арматуру укладывают в форму до бетонирования и после натяжения до заданного значения напряжения закрепляют на упорах (рис. 3.1, а). Затем элемент бетонируют. Когда бетон достигает необходимой передаточной прочности R_bp, арматуру освобождают с упоров. Стремясь восстановить свою первоначальную длину, арматура обжимает бетон, поскольку имеет с ним надежное сцепление (рис. 3.1, б).

Натяжение на бетон применяют главным образом для большепролетных конструкций (ферм, мостов и т. п.). В этом случае изготовляют бетонный или малоармированный элемент, в котором устраивают каналы или пазы для размещения напрягаемой арматуры (рис. 3.1, в). Каналы имеют размеры на 5. 15 мм больше диаметра арматуры и создаются путем укладки гофрированных стальных тонкостенных трубок, оставляемых в теле конструкции, или с помощью каналообразователей, извлекаемых из свежеуложенного бетона. Затем арматуру натягивают до заданного напряжения (рис. 3.1, г) и закрепляют на торцах конструкции. В процессе натяжения арматуры происходит обжатие бетона. После этого канал заполняют цементным или цементно-песчаным раствором под давлением (инъецируют). Арматура может располагаться и с внешней стороны элемента (кольцевая арматура трубопроводов, резервуаров). В этом случае после натяжения арматуры поверх ее наносят слой бетона под давлением (торкрет-бетона).

Рис. 3.1. Схемы создания предварительного напряжения:

1 — форма; 2 — арматура; 3 — упор; 4 — домкрат; 5 — анкер; 6 — канал

Натяжение арматуры на упоры производится механическим, электротермическим и электротермомеханическим способами, а на бетон, как правило, механическим способом.

· Для натяжения механическим способом применяют гидравлические и винтовые домкраты, намоточные машины и др.

· Сущность электротермического способа натяжения арматуры заключается в том, что стержневую или проволочную арматуру, снабженную по концам ограничителями, установленными на определенном расстоянии друг от друга, разогревают током до 300. 350°С, в результате чего она удлиняется. Нагретые стержни укладывают в форму таким образом, чтобы ограничители оказались заведенными за упоры формы. Упоры препятствуют укорочению стержней при остывании, благодаря чему в стержнях возникают заданные растягивающие напряжения. После укладки и твердения бетона арматуру отпускают с упоров и вследствие ее укорочения происходит обжатие бетона конструкции.

· Электротермомеханический способ натяжения представляет сочетание электротермического и механического способов.

· В последние годы для создания предварительного натяжения в конструкциях начинают успешно применять бетоны на специальных напрягающих цементах (НЦ). Бетон на таком цементе при твердении увеличивается в объеме и вследствие сцепления с арматурой растягивает ее. Так как арматура препятствует свободному расширению бетона, в нем возникают сжимающие напряжения. Такие конструкции называют самонапряженными. Применение напрягающего цемента позволяет отказаться от приспособлений для натяжения арматуры.

Напрягаемую арматуру можно располагать в элементе в двух и даже в трех направлениях, тогда создается соответственно двухосное или трехосное предварительное напряжение.

При назначении передаточной прочности R_bp должны быть приняты во внимание два обстоятельства: с одной стороны, желательна более ранняя передача усилия с арматуры на бетон в целях повышения производительности заводов ЖБИ и улучшения использования производственных площадей; с другой стороны, высокий уровень обжатия при низкой передаточной прочности приведет к значительным деформациям ползучести и потерям предварительного напряжения в арматуре. Учитывая эти обстоятельства, нормы рекомендуют назначать передаточную прочность не ниже 11 МПа, а при арматуре классов А-VI, К-7, К-19, В-II, Вр-II — не менее 15,5 МПа. Кроме того, величина R_bp должна быть не менее 50 % от принятого класса бетона.

3.3. Анкеровка напрягаемой арматуры

При изготовлении напряженных железобетонных элементов закрепление арматуры на упорах производят (в зависимости от вида арматуры) посредством инвентарных цанговых, клиновых захватов, высаженных головок, обжимных муфт или шайб, приваренных коротышей (см. рис. 3.3, а. в). После приобретения бетоном требуемой прочности предварительно напряженную арматуру освобождают от закрепления на упорах. Вследствие проявления сил упругости и сцепления с бетоном она обжимает конструкцию (рис. 3.2, а). На концах изделий на длине l_p (рис. 3.2, в) возникают зоны передачи усилий. При небольшой прочности бетона и значительных напряжениях арматура может проскользнуть из-за нарушения сцепления или раскола торца элемента, в результате чего эффект предварительного напряжения может быть утерян. В связи с этим должны быть предусмотрены мероприятия, исключающие нарушение сцепления и обеспечивающие совместную работу арматуры с бетоном. Одним из наиболее часто используемых на практике эффективных методов может быть устройство постоянных анкеров на арматуре в бетоне приопорной зоны элементов.

Опыты показывают, что в элементах с напрягаемой на упоры стержневой арматурой периодического профиля и канатами сцепление арматуры с бетоном оказывается достаточным для восприятия показанных на рис. 3.2, б усилий. Устройства постоянных анкеров в этом случае не требуется. Гладкая круглая проволока класса В-II должна закрепляться в бетоне с помощью специальных анкеров — колец с коротышами и т. п. Устройство анкеров на торцах элемента всегда необходимо при натяжении арматуры на бетон. Конструкции анкеров зависят от вида арматуры и типа натяжных устройств.

Рис. 3.2. Распределение по длине элемента напряжений в арматуре и бетоне

Для стержневой арматуры анкерами могут служить гайки, навинчиваемые на нарезные концы стержня, высаженные на одном из концов головки, а для проволочной арматуры — анкеры стаканного типа или металлические шайбы с запрессованной стальной пробкой (рис. 3.3, г).

Для предотвращения продольных трещин, раскола и нарушения сцепления приопорные участки элемента усиливают путем увеличения их поперечного сечения, устройства поперечной и косвенной арматуры, охватывающей все продольные стержни (рис. 3.3, д), а также повышением класса бетона.

Рис. 3.3. Конструкции анкеров:

а — высаженная головка; б — приваренные коротыши;

в — обжатая шайба; е — анкер с запрессованной пробкой;

д — усиление торца элемента косвенной арматурой;

1 — пучок; 2 — коническая пробка; 3 — распределительный лист;

4 — сетки косвенного армирования

Длина зоны передачи напряжений с арматуры на бетон l_p зависит от диаметра арматуры d, усилия предварительного напряжения σ_sp, прочности бетона к моменту обжатия R_bp [1]:

где ω_p, Δλ_p — экспериментальные коэффициенты, завися­щие от вида арматуры.

Для стержневой арматуры l_p ≥ 15 d.

Анкеровка арматуры в элементе с напряжением на упоры может быть нарушена не только в стадии обжатия бетона, но и вследствие образования трещин от эксплуатационных нагрузок, так как арматура на длине l_p работает с пониженным расчетным сопротивлением, принимаемым равным σ_spl_x/l_p (см. риc. 3.2, б). Поэтому нормы требуют производить проверку прочности и трещиностойкости концевых участков элементов также для стадии эксплуатации.

3.4. Назначение величины предварительного натяжения

Предварительное натяжение назначают в зависимости от вида стали, способа натяжения и т. п. Обычно, чем выше предварительное напряжение арматуры, тем больше его положительное влияние на работу конструкций. Однако при этом должна быть исключена возможность развития микротрещин и разрушения бетона усилием обжатия. Максимальное предварительное напряжение арматуры ограничено опасностью ее обрыва и возможным развитием неупругих деформаций. Вместе с тем значение предварительного натяжения не должно быть слишком низким, поскольку при малом обжатии бетона эффект предварительного напряжения невысок и будет утрачен с течением времени вследствие потерь предварительного напряжения в арматуре, что вызовет чрезмерное раскрытие трещин.

В связи с этим на основании опыта изготовления и эксплуатации конструкций нормы рекомендуют назначать предварительное напряжение стержневой и проволочной арматуры σ_sp в следующих пределах [1]:

где p — допустимое отклонение предварительного напряжения арматуры, принимаемое: при механическом способе натяжения 0,05 σ_sp; при электротермическом 30 + 360/l, МПа; l — длина стержня, м.

Начальное напряжение в арматуре рекомендуется назначить таким, чтобы сжимающие напряжения в бетоне от обжатия σ_bp не превышали (0,85. 0,95) R_bp — когда напряжения обжатия уменьшаются при действии внешней нагрузки, и (0,65. 0,70) R_bp — когда напряжения обжатия увеличиваются при действии внешней нагрузки. При более высоком обжатии бетона значительно возрастают деформации ползучести, что приводит к большим потерям предварительного напряжения.

Вследствие погрешностей, вызванных различными производственными факторами, фактическое предварительное напряжение может отличаться от расчетного σ_sp. Это учитывается с помощью коэффициента точности натяжения [1]

Коэффициент γ_sp зависит от величины и способа натяжения, числа напрягаемых стержней и других факторов. Знак «+» принимают, когда увеличение усилия обжатия сверх проектного неблагоприятно сказывается на работе конструкции (при расчете прочности в стадии обжатия и т. п.), знак «—» — когда снижение предварительного напряжения отрицательно влияет на работу конструкций (например, при расчете по закрытию трещин).

Потери предварительного напряжения. Опыты показывают, что начальное предварительное напряжение арматуры не остается постоянным, с течением времени оно уменьшается вследствие потерь, обусловленных физико-механическими свойствами материалов, технологией изготовления и конструкцией элементов. Различают следующие виды потерь предварительного напряжения [1]:

· 1. Потери σ₁ от релаксации напряжений происходят в натянутой на упоры арматуре при неизменной ее длине. Эти потери зависят от вида арматуры и способа натяжения. Например, в стержневой арматуре при механическом способе натяжения σ₁ = 0,l σ_sp — 20, при электротермическом и электротермомеханическом σ₁ = 0,03 σ_sp.

· 2. Потери σ₂ от температурного перепада происходят при изготовлении предварительно напряженных элементов c натяжением на упоры в результате тепловой обработки железобетонных изделий, вследствие чего напрягаемая арматура стремится увеличить свою длину. Поскольку расстояние между упорами остается неизменным, это ведет к снижению напряжений (МПа) в арматуре σ₂ = 1,25 Δt для бетонов классов ниже В40, σ₂ = 1,0 Δt для бетонов классов В45 и выше, где Δt — разность между температурой арматуры и упоров, воспринимающих усилия натяжения; при отсутствии фактических принимают Δt = 65°С.

· 3. Потери σ₃ от деформаций анкеров, расположенных у натяжных устройств, вследствие обжатия шайб, смятия высаженных головок, смещения стержней в зажимах σ₃ = E_sΔl/l, где Δl = 2 мм — при обжатии опрессованных шайб или смятии высаженных головок; l — расстояние между точками закрепления натягиваемого стержня, мм. При электротермическом способе натяжения арматуры потери от деформаций анкеров в расчете не принимают во внимание, так как они учтены при определении удлинения арматуры при разогреве.

· 4. Потери σ₄ напряжений в арматуре от трения ее о стенки каналов или поверхность конструкций (при натяжении на бетон), об огибающие приспособления (при натяжении на упоры).

· 5. Потери σ₅ от деформации стальных форм зависят от конструкции, длины формы и т. п. При отсутствии данных о технологии изготовления и конструкции формы принимают σ₅ = 30 МПа.

· 6. Потери σ₆ от быстронатекающей ползучести развиваются в процессе обжатия бетона напрягаемой арматурой. Величина этих потерь зависит от прочности бетона к моменту обжатия, уровня напряжений (соотношений σ_bp/R_bp) и условий твердения.

Источник