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^-5·2·10⁵=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]:

l_p = (ω_pσ_sp/R_bp+Δλ_p)d,                                       (3.1)

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]:

σ_sp ≤ R_s,ser – p и σ_sp ≥ 0,3 R_s,ser + p

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.