Сущность предварительного напряжения арматуры и бетона

Впервые идея предварительного напряжения элементов, работающих на растяжение, была выдвинута и осуществлена в 1861 г. русским артиллерийским инж. А.В. Гадолиным применительно к изготовлению стальных стволов орудий: пороховой заряд создаёт в стволе большие растягивающие радиальные усилия, поэтому его было предложено предварительно обжимать кольцами. Идея предварительного напряжения реализовывалась и при установке обручей на деревянные бочки.

Недостаточную прочность бетона на растяжение также было предложено устранить созданием на стадии изготовления конструкции сжимающих усилий в той её зоне, которая от внешней нагрузки будет испытывать растяжение. Предварительное сжатие бетона осуществляет предварительно растянутая высокопрочная арматура, которая, пытаясь укоротиться (восстановиться в своей прежней длине) в условиях сцепления с бетоном, обжимает его. Растяжение в бетоне появится только тогда, когда под действием нагрузки будут погашены созданные искусственным путём сжимающие напряжения.

Изгибаемая конструкция с предварительно растянутой арматурой, расположенной в нижней зоне сечения, при укорочении арматуры предварительно выгнется. При нагружении конструкции сначала возникнет так называемое «нулевое» положение, когда погасятся сжимающие напряжения и выгиб, а лишь затем конструкция начнёт прогибаться, при достижении уровня R _bt в бетоне появятся первые трещины. Поэтому такая конструкция по сравнению с аналогичной ненапряжённой конструкцией имеет повышенную трещиностойкость (работает без трещин или с ограниченным по ширине их раскрытием) и меньшие прогибы. Прочность же обеих конструкций практически близка, поскольку предельные напряжения в арматуре и бетоне их одинаковы.

Первым предложил использовать преднапряжение применительно к бетону американец П.Х. Джексон в 1886 г.

В 1888 г. В. Дёринг (Герм.) запатентовал способ натяжения арматуры на упоры формы. Он заключается в следующем. До бетонирования конструкции арматуру заводят в форму, один конец её закрепляют в упоре, другой натягивают домкратом (механический способ) до заданного контролируемого напряжения. После приобретения бетоном так называемой передаточной прочности (около 70...80 % проектной) арматуру отпускают с упоров. Она, пытаясь восстановить упругие деформации, в условиях сцепления с бетоном должна обжать окружающий бетон.

Но всё это были пока только теоретические идеи. В 1906 г. М. Кёнен (Герм.) попытался практически реализовать способ В. Дёринга. И у него ничего не получилось, так как преднапряжение арматуры полностью исчезало из-за неизвестных в то время ползучести и усадки бетона. Лишь в 1919 г. у К. Ветштайна (Герм.) и в 1923 г. у Р. Диллома (США) получились положительные результаты, так как первый использовал сильно напряжённые высокопрочные струны от рояля, а второй - высокопрочную проволоку.

В 1928 г. Е. Фрейсине (Фр.) впервые описал и обосновал предпосылки успешного применения преднапряжённого железобетона, он получил патент на создание в арматуре напряжений до 400 МПа, учёл влияние усадки и ползучести бетона, создал первые сооружения из преднапряжённого железобетона.

В 1938 г. по проекту Ф. Дишингера (Герм.) были возведены пренапряжённые пешеходные мосты через автострады, строившиеся по программе А. Гитлера о ликвидации безработицы. Кстати, эти автобаны служат до сих пор, даже американские и английские бомбы не смогли причинить им значительного вреда.

В 1941 г. Е. Фрейсине запроектировал, а после второй мировой войны построил мост из преднапряжённых конструкций через приток Сены Марну. Позднее через Марну были возведены ещё пять мостов аналогичной конструкции. Далее он создал метод натяжения пучковой арматуры из проволок диаметром 5 мм, а фирма «Дикерхофф унд Видман» («Дивидаг») – способ натяжения стержневой арматуры диаметром 25 мм.

В 1948 г. Г. Маньель (Бельг.) построил двухпролётный мост (2×62 м) с неразрезными конструкциями через р. Маас, использовав предварительное напряжение без сцепления арматуры и бетона.

В 1949 г. Биркенмайер, Брандестини, Рос и Фогт (Швейцария) разработали электротермический способ натяжения стержневой арматуры. Его суть: стержни с высаженными головками разогревают электротоком до 300...350^оС, заводят в форму и закрепляют на концах в упорах форм. Арматура при восстановлении начальной длины в процессе остывания натягивается на упоры. Сейчас так изготавливают около 3/4 всех преднапряжённых конструкций (но только со стержневой арматурой!).

Ф. Леонгардт и В. Бауэр (Герм.) разработали способ «Леоба» анкеровки пучковой арматуры. В 1949-50 гг. они создают многопролётную неразрезную конструкцию с канатной напрягаемой арматурой и возводят первый железнодорожный мост через канал в Хайльбронне. Начиная с 1934 г., Фриц Леонгардт построил десятки мостов в Европе, в Бразилии, Венесуэле, Индии, Японии; большинство их имеют преднапряжённые пролётные строения. Он автор также преднапряжённых телебашен в Штутгарте, Ганновере, Гамбурге, Франкфурте-на-Майне.

В 1950 г. У. Финстервальдер (Герм.) осуществил первую навесную сборку балок моста. С тех пор этот способ используется повсеместно в мостостроении.

Следует назвать других пионеров преднапряжённого железобетона: Х. Рюш (Герм.), И. Гийон (Фр.), Р. Моранди (Ит.), П. Абелес (Англ.).

В СССР предварительно напряжённый железобетон был впервые применён в 1936 г. для изготовления опор на Закавказской железной дороге. Наибольший вклад в развитие этого направления в железобетоне внёс проф. В.В. Михайлов. Широко известны специалистам также работы проф. А.А. Гвоздева, С.А. Дмитриева, Г.И. Бердичевского и др.

Предварительное напряжение следует назначать таким образом, чтобы выполнялись условия: для стержневой арматуры и для проволочной арматуры и канатов.

Возможные производственные отклонения от заданного значения учитывают умножением их на коэффициент , принимаемый равным:

0,9 - при благоприятном влиянии предварительного напряжения;

1,1 - при неблагоприятном влиянии предварительного напряжения (когда, например, оно способствует образованию трещин),

Кроме уже описанного способа натяжения арматуры на упоры существует способ натяжения арматуры на бетон. Он заключается в следующем. Сначала формуют бетонный элемент. В нём с помощью специальных пустотообразователей создают каналы или пазы. Элемент выдерживают его до приобретения бетоном т.н. передаточной прочности R_bp (кубиковой); которая должна составлять около 80 % принятого класса бетона. Затем в каналы или пазы заводят арматуру и натягивают её на бетон. После обжатия для обеспечения сцепления арматуры с бетоном производят инъецирование цементного теста или раствора в каналы через заложенные при изготовлении элемента трубки. Натяжение арматуры на упоры является основным способом производства предварительно напряжённых конструкций. Способ натяжения на бетон применяют обычно только при соединении отдельных частей крупноразмерных конструкций непосредственно на строительной площадке. Понятно, что напряжения в арматуре при этом способе контролируют после окончания обжатия бетона.

СП 52-102-2004, как уже отмечалось, не распространяется на предварительно напряжённые конструкции с натяжением арматуры на бетон.

Начальное предварительное напряжение в арматуре не остаётся постоянным, с течением времени оно частично теряется. Потери предварительного напряжения делят на так называемые первые и вторые. Первые потери происходят в арматуре при изготовлении конструкции и в процессе обжатия бетона, вторые – после обжатия бетона.

Таблица потерь предварительного напряжения арматуры

Первые потери , МПа

Факторы, вызывающие потери	Натяжение на упоры	Натяжение на бетон
1. Релаксация напряжений арматуры: при механическом способе натяжения арматуры: а) проволочной   б) стержневой   при электротермическом способе натяжения арматуры: в) проволочной г) стержневой	0,1     0,05 0,03	-
2. Температурный перепад (разность температур натянутой арматуры в зоне нагрева и устройства, воспринимающего усилие натяжения при нагреве бетона)	1,25, где = 65^оС при отсутствии точных данных по температурному перепаду	-
3. Деформация стальной формы (упоров)	где n - число групп стержней, натягиваемых одновременно; - сближение упоров, определяемое из расчёта деформаций формы; - расстояние между наружными гранями упоров. При отсутствии данных о технологии изготовления и конструкции формы потери принимают равными 30 МПа. При электротермическом способе эти потери не учитываются, так как они учтены при определении значения полного удлинения арматуры	-
4. Деформации анкеров, расположенных у натяжных устройств	где обжатие опрессованных шайб, смятие высаженных головок, смещение стержней в инвентарных зажимах, принимаемое равным 2 мм; l - длина натягиваемого стержня (расстояние между наружными гранями упоров формы или стенда), мм. При электротермическом способе эти потери не учитываются, так как они учтены при определении значения полного удлинения арматуры	, где - обжатие шайб или прокладок, расположенных между анкерами и бетоном элемента, принимаемое равным 1 мм; - деформация анкеров стаканного типа; колодок с пробками, анкерных гаек и захватов, принимаемая равной 1 мм; l - длина натягиваемого стержня (элемента), мм; (выборка из табл. 5 СНиП 2.03.01-84)

Вторые потери, МПа

5. Усадка бетона классов:   а) В35 и ниже б) В40 в) В45 и выше	где - деформации усадки бетона, принимаемые равными: 0,0002; 0,00025; 0,0003	где - деформации усадки бето- на, принимаемые равными: 0,0002; 0,00025; 0,0003
6. Ползучесть бетона	где коэффициент ползучести бетона, принимаемый по табл. в п. 1.10; напряжение в бетоне на уровне центра тяжести напрягаемой арматуры; коэффициент армирования, равный , здесь площадь сечения напрягаемой арматуры; площадь поперечного сечения элемента; расстояние между центрами тяжести напрягаемой арматуры и приведённого поперечного сечения элемента; площадь приведённого сечения элемента и её момент инерции относительно центра тяжести приведённого сечения	где коэффициент ползучести бетона, принимаемый по табл. в п. 1.10; напряжение в бетоне на уровне центра тяжести напрягаемой арматуры; коэффициент армирования, равный , здесь площадь сечения напрягаемой арматуры; площадь поперечного сечения элемента; расстояние между центрами тяжести напрягаемой арматуры и приведённого поперечного сечения элемента; площадь приведённого сечения элемента и её момент инерции относительно центра тяжести приведённого сечения
7. Релаксация напряжений арматуры: а) проволочной   б) стержневой	-	0,1
8. Деформация обжатия стыков между блоками (для конструкций, состоящих из блоков)	-	, где - число швов конструкции по длине натягиваемой арматуры; - обжатие стыка, принимаемое равным для стыков, заполняемых бетоном, - 0,3 мм; при стыковании насухо – 0,5 мм; - длина натягиваемой арматуры, мм

Из таблицы видно, что при натяжении на упоры первые потери , а при натяжении на бетон – только ; вторые потери, соответственно, и .

Полные суммарные потери при любом способе натяжения принимаются не менее 100 МПа.

Если в предварительно напряжённой конструкции имеется ненапрягаемая арматура, то она деформируется совместно с бетоном и в ней возникают начальные сжимающие напряжения , равные . Для ненапрягаемой арматуры, расположенной в зоне, растянутой при обжатии элемента,

Напряжения в сечениях, нормальных к продольной оси элемента, определяются по правилам расчёта упругих материалов. При этом принимают приведённое сечение, включающее сечение

Рис. 3 - Схема усилий предварительного напряжения в арматуре

в поперечном сечении железобетонного элемента

бетона и сечение всей продольной (напрягаемой и ненапрягаемой) арматуры, умноженное на отношение модулей упругости арматуры и бетона.

Усилие предварительного обжатия P и эксцентриситет его приложения e_op относительно центра тяжести приведённого поперечного сечения элемента (рис. 3) определяются по формулам:

; (8)

(9)

Замечание: нумерация этих формул соответствует их нумерации в СНиП 2.03.01-84; далее нумерация формул будет соответствовать их нумерации в СП 52-101-2003 (номера с точкой между двумя числами) и в СП 52-102-2004. Номера формул, не приведённых в нормах, содержат знак «*».

Усилие предварительного обжатия бетона с учётом первых потерь при одиночном армировании напрягаемой арматурой равно:

. (27)

Усилие предварительного обжатия бетона с учётом полных потерь при одиночном армировании напрягаемой арматурой равно:

. (29)

Площадь приведённого поперечного сечения элемента с двойной напрягаемой и двойной ненапрягаемой арматурой составляет

, (1*)

где .

Статический момент площади приведённого поперечного сечения относительно оси, проходящей по нижней грани сечения:

(2*)

где - площадь i -й части сечения (в том числе и приведённая к бетону площадь арматуры: , , , );

y_i – расстояние от центра тяжести i -й части сечения до нижней грани сечения.

Расстояние от центра тяжести приведённого сечения до нижней грани:

(3*)

Момент инерции приведённого поперечного сечения элемента относительно оси, проходящей через центр тяжести приведённого сечения:

(4*)

где - момент инерции i -й части сечения относительно оси, проходящей через центр тяжести этой части сечения (собственный момент инерции).

Момент сопротивления приведённого сечения по нижней зоне (для крайнего растянутого волокна бетона):

, (5*)

то же, по верхней зоне (для крайнего верхнего волокна бетона):

. (6*)

Расстояние от ядровой точки, наиболее удалённой от растянутой зоны (верхней), до центра тяжести приведённого сечения:

(7*)

то же, наименее удалённой от растянутой зоны (нижней):

(8*)

где h – полная высота сечения.

Напомню знакомое из сопротивления материалов понятие ядра сечения.

Если сжимающая сила приложена к центру тяжести сечения, то всё оно равномерно сжато. Если силу приложить ниже центра тяжести, то нижняя часть сечения будет сжиматься больше, чем верхняя; и чем ниже будет опускаться точка приложения силы, тем большая неравномерность напряжений по высоте сечения будет наблюдаться. Наконец, существует такая точка приложения силы, когда на верхней грани элемента напряжения станут равными нулю, эта точка называется нижней ядровой точкой. При дальнейшем опускании силы на верхней грани элемента возникнут уже растягивающие напряжения.

Аналогичные рассуждения можно провести при перемещении сжимающей силы вверх, влево и вправо от центра тяжести сечения. Это будут соответственно нижняя, правая и левая ядровые точки. Если последовательно соединить прямыми линиями верхнюю, правую, нижнюю, левую и вновь верхнюю ядровые точки, то замкнутая ими область окажется ядром сечения.

В качестве сжимающей силы в предварительно напряжённом изгибаемом элементе выступает усилие предварительного обжатия P. Напряжение в бетоне при обжатии в любой точке по высоте сечения, отстоящей от его центра тяжести на расстоянии y, равно

. (9*)

При по формуле (9*) можно определить напряжение в бетоне на уровне напрягаемой арматуры (это используют при вычислении потерь ), при - на нижней грани элемента, при - на верхней его грани. При одиночном армировании напрягаемой арматурой .

Дата добавления: 2014-01-05