Влияние предварительного напряжения арматуры на стойкость центрифугированных опор

Наиболее важным требованием к степени предварительного на­пряжения арматуры является непревышение установленного уровня обжатия бетона при передаче напряжений от арматуры на бетон. Как известно [10], при передаче на бетон возрастающей сжимающей на­грузки в нем происходят определенные структурные изменения, характеризуемые так называемыми параметрическими точками процесса деформирования — нижней R⁰ и верхней К⁰ границами области микротрещинообразования в бетоне. При достижении нижней границы К⁰, составляющей 0,4 — 0,5 прочности бетона, в последнем начинает раз­ виваться интенсивное микро-трещинообразование на контакте круп­ною заполнителя и цементного камня (микротрещины сцепления). При дальнейшем увеличении нагрузки и достижении верхней грани­
цы R⁰ начинается не менее интенсивное микротрещинообразование в цементном камне. Возникающие микротрещины соединяются с ми­кротрещинами контактной зоны в непрерывные микротрещины. Последние затем перерастают в макротрещины, приводящие к разруше­нию бетона. В опорах это проявляется в образовании видимых про­
дольных трещин.

Из двух параметрических точек процесса деформирования бетона наиболее важное значение имеет нижняя граница микротрещинообразования. После достижения сжимающими напряжениями этой границы резко изменяются основные свойства бетона, обеспечивающие его доли точность и другие эксплуатационные свойства. В частности, при на­
пряжениях сжатия, превышающих нижнюю параметрическую точку R⁰, резко снижается морозостойкость бетона, повышается проницаемость, увеличивается водопоглощение. В связи с этим для обеспечения требуемой долговечности и надежности опор устанавливается, что отношение сжимающих напряжений в бетоне в стадии предварительного обжатия его предварительно напряженной арматурой к величине передаточной
прочности бетона не должно превышать: значения 0,65 для опор, экс-

 

 

47

 

Глава 2. Железобетонные опоры

плуатирующихся при расчетной зимней температуре наружного воздуха - 40 ⁰С и выше; величины 0,5 для опор, эксплуатирующихся при расчет­ной зимней температуре наружного воздуха ниже - 40 ⁰С.

Для большинства марок предварительно напряженных опор эти тре­бования по уровню обжатия бетона на стадии проектирования и изготов­ления, как правило, выполняются. Однако под влиянием эксплуатаци­онных факторов прочность бетона опор на сжатие снижается, отмечен­ные значения уровня обжатия бетона повышаются, и по этой причине интенсифицируется процесс микротрещинообразования в бетоне. О наличии такого процесса свидетельствуют результаты ультразвуковых обследований опор.

При выборе уровня обжатия бетона и степени натяжения арматуры необходимо учитывать условия передачи предварительного напряжения на бетон и анкерования арматуры в бетоне. Это обстоятельство в первую очередь касается высокопрочной проволочной арматуры.

Предварительное натяжение этой арматуры осуществляется домкра­тами с передачей натяжения на опоры, находящиеся на оголовках форм. После укладки, уплотнения, твердения бетона и достижения им необ­ходимой прочности, контролируемой по испытаниям кубиков, произ­водится обрезка проволоки на упорах, и предварительное напряжение передается на бетон. Для возможности передачи напряжений на бетон арматура в зоне контакта с бетоном должна обладать надежным и вы­соким сцеплением с ним. В принципе это сцепление образовано дву­мя составляющими: первая составляющая обусловлена склеиванием поверхности арматуры с цементным камнем и небольшим обжатием проволок вследствие усадки бетона. Вторая составляющая связана с механическим зацеплением выступов периодического профиля арма­туры. Из этих двух составляющих первая из-за невысокой прочности склеивания (в пределах 0,5 МПа) практически не играет существенной

 

 

Рис. 2.10. Давление на бетон в зоне анкеровки арматуры после отпуска натяжения

 

 

48

 

Глава 2. Железобетонные опоры

роли в анкеровке арматуры в бетоне и передаче предварительных на­пряжений на бетон. В связи с этим, в частности, гладкая предваритель­но напряженная проволока проскальзывает в бетоне, теряет свое предварительное напряжение, в результате чего исчезает предварительное обжатие бетона. По данным ряда исследований [11], при использовании гладкой проволоки в качестве напрягаемой арматуры ее предваритель­ное напряжение исчезает в течение примерно двух лет, и после этого конструкции становятся ненапряженными и непригодными к эксплуатации. В силу этого гладкая проволочная арматура не рекомендуется для применения в опорах контактной сети, а также и в опорах линий автоблокировки.

Главную роль в сцеплении арматуры и бетона играет периодический профиль арматуры, обеспечивающий за счет механического зацепления выступов арматуры в бетоне высокую прочность сцепления и возможность стабильной передачи предварительного напряжения на бетон. При этом передача этого напряжения происходит в зоне анкеровки, длина которой зависит от уровня напряжения арматуры, значения передаточной прочности бетона и диаметра арматуры. В Частности, для опор несущей способностью 79 кН*м, армированных пысокопрочной проволокой диаметром    5 мм и эксплуатируемых при расчетной зимней температуре воздуха выше - 40 °С, длина анкеровки при предварительных напряжениях, равных 850 МПа, и передаточной прочности бетона в пределах 35 МПа составляет 42 см. В этой зоне после обрезки проволочный арматурный каркас приобретает кони­ческую форму (рис. 2.10), вследствие чего при его продольной деформации в бетоне появляются радиальные расклинивающие напряже­ния, являющиеся одной из причин образования продольных трещин в вершине и комле опор. Для предотвращения появления этих трещин и конструкции центрифугированных опор в вершине предусматривается установка усиливающих колец из стальной (класса А-1) арматуры периодического профиля, а также изменение шага спиральной арматуры. В комле в зоне образования конусообразной конструкции из предварительно напряженных проволок должно предусматриваться также сгущение спиральной арматуры для восприятия возникающих растягивающих напряжений.

Помимо продольной арматуры в опорах, в арматурных каркасах также предусматривается установка поперечной арматуры, выполняемой в виде непрерывной спирали. Эта арматура воспринимает поперечные силы в поперечных сечениях опор, а также способствует частичному восприятию растягивающих напряжений в бетоне, появляющихся при температурно-влажностных воздействиях окружающей среды. Эта ар­ен ура выполняется из обычной стальной (класса В_р-1) проволоки диаметром 3 мм и имеет, так же как и продольная арматура, периодический

 

 

49

 

Глава 2. Железобетонные опоры

 

а)
б) М, кН-м

 

Рис. 2.11. Зависимость несущей способности предварительно напряженной опоры М"

от прочности бетона R.:

 а — опора С-13..6-1; б —опора С-13.63

профиль. Для закрепления рабочей арматуры в расчетном положении в процессе центрифугирования в конструкции опор предусматривается также установка конструктивной арматуры в виде монтажных колец, вы­полняемых из гладкой арматуры (сталь класса А-I). После их установки вся рабочая арматура в местах пересечения с кольцами крепится к ним с помощью вязальной проволоки.

Для конструкции центрифугированных опор, как указывалось вы­ше, особое значение имеет степень предварительного напряжения ар­матуры. Из-за высокого нормативного сопротивления на растяжение наиболее высокую степень предварительного напряжения имеет высо­копрочная проволочная арматура. Контролируемые напряжения в ней, определяемые по окончании натяжения на упоры, достигают величины 800 — 900 МПа. Столь высокий уровень натяжения арматуры является причиной того, что в предельном состоянии по прочности бетона значи­тельная часть предварительного напряжения арматуры оказывается не­погашенной, она остается в растянутом состоянии и способствует уско­ренному разрушению бетона при достижении им предельной прочности. Если учесть, что предельная сжимаемость бетона составляет величину порядка , =0,002, то при модуле упругости стали, равном Е= 2-10⁵ МПа, погашенными в арматуре оказываются только напряжения величиной 400 МПа из действующих после проявления всех потерь напряжений, составляющих около 700 — 800 МПа.

Наличие непогашенных предварительных напряжений в предель­ном состоянии при достижении сжимающими напряжениями величин, соответствующих прочности бетона, является одной из основных при­чин высокой чувствительности несущей способности опор, армирован­ных проволочной арматурой, к изменению прочности бетона (рис. 2.11)

 

 

50

 

 

Глава 2. Железобетонные опоры

и недостаточной из-за этого надежности их и процессе эксплуатации. Для сниже­ния такой зависимости несущей способ­ными опор с проволочной арматурой от И членения прочности бетона в конструк­циях центрифугированных опор стали широко применять смешанное армирование. В этих опорах наряду с напряжен­ной проволочной арматурой устанавли­вается стержневая ненапряженная арматура из стали класса А-Ш (рис. 2.12). Установкой такой арматуры достигаются частичная компенсация происходящего в процессе эксплуатации опор снижения прочности бетона и повышение их на­дежности. В частности, установленное в опоры количество ненапряженной арматуры оказывается достаточным для воспри ятия половины действующего на опоры нормативного изгибающего момента при полной потере бетоном прочности на сжатие.

В связи с неблагоприятными последствиями для несущей способности опор и их надежности применения высокой и пени напряжения арматуры в конструкциях опор типа СП и СТ со стержневой предварительно напряженной арматурой принята степень напряжения арматуры 400-500 МПа, которая обеспечивает в предельном состоянии полное погашение предварительных напряжений. И по поведению в предельном состоянии эти опоры становятся аналогичными опорам ЖБК с обычной ненапряженной арматурой. Последние отличаются малой зависимостью несущей способности от прочности бетона.

Следует отметить также, что все центрифугированные опоры, кро­ме опор типа СТ, по геометрическим параметрам являются однотипными и иными. Решающую роль в обеспечении их несущей способности И надежности играют вид и параметры напряженной и ненапряжен­ной арматуры. В связи с этим совершенствование этих опор как конструкций идет в основном в направлении совершенствования армирования.

  

 

 

51

 

 

Глава 2. Железобетонные опоры

 

Таким образом, центрифугированный бетон и центрифугированные опоры в силу особенностей технологии изготовления и конструктивных особенностей уже на стадии изготовления приобретают ряд свойств, определяющих надежность и стойкость опор в эксплуатации, и эти свойства необходимо учитывать при выборе системы эксплуатации опор. Для обеспечения их надежности необходимо назначать такую степень предварительного напряжения арматуры, при которой эти напряжения в предельной стадии полностью погашаются и опоры в этой стадии работают как конструкции с ненапряженной арматурой.

 

 

52

 

 

                                             

                                                Глава 3