В предварительно-напряженных конструкциях

В конструкциях, работающих на изгиб (плитах, балках, прогонах, ригелях), под действием нагрузки появляются растягивающие напряжения. Для их восприятия в растягивающей зоне приходится размещать большое количество арматуры. Кроме этого, невозможно использовать прочностные стали на растяжение, так как в бетоне появляются трещины в зоне растяжения, хотя напряжение в арматуре еще не превышает предела текучести, а эксплуатировать такую железобетонную конструкцию с трещинами по нормам не допускается.

Эти недостатки в значительной степени устраняются в предварительно напряженных железобетонных конструкциях. В таких конструкциях, еще до установки ее в сооружение и передачи на нее эксплуатационных нагрузок, предполагаемая растянутая зона уже подвержена сжатию. И прежде чем бетон в конструкции, воспринимая эксплуатационную нагрузку, начнет работать на растяжение, в нем необходимо сначала погасить предварительно созданное сжатие.

Предварительное напряжение позволяет увеличивать нагрузку на конструкцию или при прежней величине нагрузки уменьшать габариты конструкции.

Достоинства предварительно-напряженных железобетонных конструкций:

*  применение арматуры меньших диаметров из высокопрочной стали позволяет уменьшать сечение бетона, а следовательно и объем сборных элементов на 20...30%, что приводит к экономии материалов, в частности цемента;

*  благодаря лучшему использованию свойств арматурной стали, по сравнению с обычными железобетонными конструкциями, и при применении сталей с высоким пределом прочности достигается экономия металла до 40%;

*  конструкции с предварительно-напряженной арматурой отличаются высокой трещиностойкостью, что предохраняет арматуру от коррозии. Это важно для сооружений, находящихся под постоянным давлением воды, других жидкостей и газов (трубы, плотины, резервуары).

Предварительное напряженное армирование осуществляют в основном двумя способами:

1) натяжением арматуры до укладки бетонной смеси в конструкцию;

2) укладкой и натяжением арматуры вслед за укладкой бетона и приобретения им не менее 70% проектной прочности.

Первый способ заводской и называется натяжением на упоры, второй применяют в построечных условиях на площадках укрупнительной сборки и называют натяжением на бетон.

Натяжение на формы и упоры. При армировании по этому способу арматурные стержни натягивают перед укладкой бетонной смеси. Усилия натяжения, достигающие по величине нескольких десятков и сотен тонн, воспринимаются конструкцией стальной формы, в которой изготавливают (формуют) изделие, или специальными упорами стенда. Бетонируют изделие при натянутой арматуре. Когда после затвердения бетона и набора им необходимой прочности натяжные приспособления снимают, сжатие бетона достигается за счет сцепления между стремящимися сжаться арматурными стержнями или прядями и окружающим их затвердевшим бетоном. При этом способе натяжение арматуры контролируют до обжатия бетона.

При натяжении на формы упоры отсутствуют и усилия воспринимает сама форма, которая является силовой. В таких формах бетонируют плиты и панели перекрытий и покрытий. Достоинство форм в том, что они имеют модульные размеры, поэтому при смене бетонируемой конструкции ее легко переналадить на изготовление новых изделий.

Натяжение арматуры на бетон. Предварительное напряжение в монолитных и сборно-монолитных конструкциях можно создавать по методу натяжения арматуры на затвердевший бетон. При таком методе усилие натяжения воспринимается не формой и не упорами, а уже затвердевшим и набравшим необходимую прочность бетоном. Этот способ используется главным образом для армирования конструкций, собираемых из отдельных блоков.

По способу имеются две разновидности – линейная и непрерывная. При линейном способе укладки напрягаемой арматуры в конструкциях при их бетонировании оставляют открытые или закрытые каналы. При приобретении бетоном заданной прочности в каналы укладывают арматуру и производят ее натяжение с передачей усилий на напрягаемую конструкцию. Линейный способ применяют для создания напряжения в балках, колоннах, рамах, трубах, силосах и многих других линейных конструкциях. Непрерывный способ заключается в навивке с заданным натяжением бесконечной арматурной проволоки по контуру забетонированной конструкции. В отечественном строительстве способ применяют для предварительного напряжения стенок цилиндрических резервуаров, предварительно напряженных труб.

При линейном армировании напрягаемые элементы применяют в виде отдельных стержней, прядей, канатов и проволочных пучков. Линейное армирование включает в себя: заготовку напрягаемых арматурных элементов; образование каналов для укладки напрягаемых арматурных элементов; установку арматурных элементов с анкерными устройствами в каналы; напряжение арматуры с последующим инъецированием закрытых каналов или бетонированием открытых каналов.

Проволочные пучки изготовляют из высокопрочной проволоки. Проволоку в пучке располагают или с заполнением ею всего сечения, или по окружности арматурного стержня. В первом случае пучок оборудуют гильзовым, а во втором – гильзостержневым анкером.

Способ натяжения на бетон позволяет собирать крупноразмерные конструкции длиной до 30 м и более у места их установки из отдельных, легко перевозимых частей меньшего размера. При армировании конструкций, собираемых из отдельных блоков, в сборных железобетонных элементах при заводском изготовлении заранее оставляют каналы или борозды для размещения в них напрягаемой арматуры. Напрягаемую арматуру укладывают (протягивают) в эти заранее оставленные каналы, диаметр которых обычно делают на 10...15 мм больше диаметра арматурного пучка или стержня.

В качестве каналообразователей используют резиновые шланги, стальные или гофрированные трубы, которые перед укладкой смазывают жидким мылом. В резиновый шланг вводят смазанный машинным маслом сердечник, изготовленный из стального стержня. Через 2...4 ч после укладки бетонной смеси сердечник извлекают вручную, а резиновый шланг – лебедкой. Стальные трубы через каждые 15...20 мин после укладки бетонной смеси слегка поворачивают вокруг оси, а через 2...4 ч после окончания бетонирования их извлекают лебедкой. В подготовленные таким образом каналы протягивают вручную или при помощи лебедки пучки или стержни арматуры. Первоначально через канал проталкивают выпрямленную проволоку, к концу которой приварен или прикреплен направляющий колпачок или наконечник. Он необходим для преодоления возможных неровностей на стенках канала. К наконечнику может быть присоединен трос или арматурный напрягаемый стержень.

Трос крепят к барабану переносной лебедки и с его помощью протаскивают арматурный канат или прядь. Если необходимо протащить пучок арматурных проволок, то их можно заклинить в колпачке или приварить к специальному наконечнику. Если длина канала не превышает 6...8 м, напрягаемую арматуру обычно проталкивают через него вручную без применения лебедки.

При напряженном армировании крупноразмерных конструкций каналы устраивают путем закладки стальных тонкостенных гофрированных трубок, которые извлекаться не будут.

В конструкциях из нескольких блоков арматуру затягивают в канал только после того, как блоки будут составлены в проектное положение и выверены. Затем швы между блоками заделывают раствором на быстротвердеющем цементе. Арматуру начинают протаскивать в каналы и натягивать только после достижения раствором в швах прочности, обусловленной проектом.

Затем производят натяжение арматуры домкратами, снабженными захватами со сменными гайками, позволяющими натягивать арматуру с различными диаметрами анкерующих устройств. После присоединения арматуры к захвату и проверки всех систем приступают к натяжению арматуры.

Натяжение необходимо производить плавно, ступенями по 30...50 кг/см² по манометру до значения, указанного в проекте. Затем увеличивают натяжение (давление в системе) на 5% и выдерживают его в течение 5 мин, затем постепенно уменьшают его до проектного, поддерживая давление до окончания натяжения и фиксации арматуры.

Применяют различные способы натяжения арматуры:

механический обычно при помощи гидравлических домкратов;

электротермический, при котором используют свойство стали удлиняться при нагревании;

электротермомеханический, представляющий собой сочетание первых двух способов.

В конструкциях с длиной прямолинейного канала не более 18 м арматуру ввиду небольших сил трения натягивают с одной стороны. При длине прямолинейных каналов свыше 18 м и при криволинейных каналах арматуру натягивают с двух сторон конструкции. Вначале одним домкратом арматуру натягивают до усилия, равного 50% от расчетного, и закрепляют арматуру со стороны натяжения. Затем с другой стороны конструкции, другим домкратом арматуру натягивают до усилия, равного 1,1 от требуемого (значение 1,1 – коэффициент технологической перетяжки арматуры).

Для предохранения пучков или стержней от коррозии немедленно после натяжения производят промывку каналов и их инъецирование под давлением цементным тестом или раствором маркой не ниже 300 и только на портландцементе. Контроль величины натяжения напрягаемой арматуры при механическом натяжении производят по показаниям манометров насосных станций, а также по величине упругого удлинения. При этом результаты должны отличаться не более чем на 5%.

Заключительная операция – инъецирование каналов, к ней приступают сразу после натяжения арматуры. Для этого применяют раствор не ниже М300 на цементе М400...500 и чистом, без примесей песка. Нагнетают раствор при помощи растворонасоса или пневмонагнетателя с одной стороны канала. Раствор подают по шлангу и через специально оставленные отверстия заполняют канал. Инъецирование ведут непрерывно с начальным давлением от 0,1 МПа и последующим его повышением до 0,4 МПа. Прекращают нагнетание, когда раствор начнет вытекать с другой стороны канала.

Натяжение арматуры контролируют в процессе обжатия бетона, которое можно производить только после накопления затвердевшим бетоном прочности, достаточной для восприятия усилий, создаваемых натяжными устройствами.

Для закрепления напрягаемой арматуры на упорах, в формах, или при натяжении на бетон используют гильзы, опорные шайбы с гайками, приваренные петли, клиновые зажимы, конические анкеры и другие приспособления.

Применение проволочных пучков и пакетов позволяет заменить трудоемкое натяжение отдельных проволок натяжением целого пучка, сгруппированного вокруг специального круглого анкера или пакета. При такой группировке проволок уменьшается сечение арматуры, снижается объем и масса конструкции. Для предварительно напряженных конструкций очень важно создать надежное сцепление поверхности арматуры с окружающим бетоном. Этим объясняется применение в качестве напрягаемой арматуры прядей и канатов со сложной формой поверхности.

В последнее время начали применять способ, исключающий операции по инъецированию. Арматурные канаты или стержни перед укладкой и протяжкой покрывают антикоррозийным составом, а затем фторопластом (тефлоном), имеющим практически нулевой коэффициент трения. При натяжении канат относительно легко скользит в канале бетонной конструкции.