Обычный железобетон имеет существенный конст­руктивный недостаток — невысокую трещиностойкость, объяс­няемую слабой сопротивляемостью бетона растягивающим уси­лиям (не более 7—12% его прочности на сжатие). Предельная растяжимость бетона любых марок не превышает 0,1—0,2 Мм/м, В то же время напряжения в растянутой арматуре при таких деформациях бетона невелики и составляют примерно 20—30% ее расчетной прочности. Повышение марки бетона весьма не­значительно увеличивает прочность бетона на растяжение. При­менение высокопрочной арматуры в обычном железобетоне не­рационально, так как повышение напряжений в арматуре при­ведет к увеличению раскрытия трещин в растянутой зоне бетона.

Применение высокопрочной арматуры в напряженно-армиро­ванном железобетоне позволяет устранить раннее трещинооб- разование в растянутой зоне бетона путем предварительного обжатия растянутой зоны бетона напряженной (натянутой) ар­матурой. 1

Попытки подвергнуть железобетон обжатию натянутой стальной проволокой для повышения его трещиностойкости де­лались еще во второй половине XIX века, но отсутствие в то время высокопрочных сталей не позволило разрешить эту проб­лему. Только в тридцатых годах текущего столетия в связи с успехами в производстве высокопрочной стали и получении по­вышенных марок бетона стало возможным практически приме­нять сборный железобетон.

В Советском Союзе вопросами развития сборного предва­рительно напряженного железобетона занимается ряд научно- исследовательских институтов и производственных организаций. С 1933 г. под руководством крупного советского ученого проф. В. В. Михайлова ведутся работы по усовершенствованию спосо­бов производства напряженно-армированных конструкций. Пред­ложенный В. В. Михайловым прогрессивный способ напряжен­ного непрерывного армирования получил в настоящее время широкое применение. Большое значение в промышленном освое­нии предварительно напряженных конструкций имеют работы советских ученых и инженеров по исследованию электротерми­ческого и электротермомеханического способов натяжения ар­матуры, широко распространенных на заводах сборного желе­зобетона.

Современный этап развития предварительно напряженного железобетона в нашей стране характеризуется значительным увеличением объема их производства. В 1964 Г. Объем производ­ства сборных предварительно напряженных изделий составил 8,4 млн. Мъ.

/’ Предварительно напряженные конструкции отличаются от обычных со свободно уложенными в бетон арматурными карка-, сами двумя, основными особенностями:

А) конструктивной, выраженной в использовании высоко­прочной арматурной стали, подвергаемой предварительному на­пряжению, передаваемому затем на бетон для его обжатия, чем повышается трещиностойкость бетона, обеспечивается пол­ное использование несущей способности высокопрочной арма­турной стали и достигается экономия металла до 40%;

Б) технологической, вызванной необходимостью натяжения арматуры и более длительного пребывания изделий в формах для получения высокой прочности, при которой обеспечивается заанкеривание арматуры.

В предварительно напряженных конструкциях в качестве на­прягаемой арматуры применяют высокопрочную арматурную проволоку, арматурные пряди и канаты, горячекатаную арма­турную сталь класса А-1У, арматурную сталь класса А-Шв, упрочненную вытяжкой, с контролем напряжений и удлинений. Допускается также применять (для конструкций 2-й категории трещиностойкости) арматурную сталь класса А-Пв, упрочнен­ную вытяжкой с контролем напряжений и удлинений, а также горячекатаную сталь класса А-Ш.

Технологическая характеристика конструкций. Тех­нология изготовления предварительно напряженных конструк­ций тесно связана с их конструктивными решениями, видом на­прягаемой арматуры, способом ее натяжения., устройствами для обжатия бетона и с рядом других технологических особенностей. Современная технология заводского производства предваритель­но напряженных изделий дает возможность изготовления широ­кой номенклатуры изделий с применением различных технологи­ческих процессов.

Основные технологические особенности изготовления предва­рительно напряженных изделий, характеризующие принятый способ производства, следующие (рис. 65): время натяжения

Арматуры; способ образования арматурного каркаса (пакета); способ натяжения арматуры и способ передачи напряжения ар­матуры на бетон (обжатие бетона).

По бремени натяжения арматуры Рис. 65. Технологическая характеристика предварительно напря­женных конструкций.

Время натяжения арматуры определяет основные разновидности железобетонных предварительно напряженных конструкций:

А) конструкции, в которых натяжение арматуры производит­ся до бетонирования изделия на упоры стендов и форм;

146

Б) конструкции, в которых натяжение арматуры осуществля­ется на отвердевший бетон изделия, принимающий на себя сжимающие усилия от напряженной арматуры.

' )При натяжении до бетонирования арматуру натягивают и закрепляют на упорных конструкциях металлических форм или длинных формовочных полос, которые называются стендами. За­тем конструкцию бетонируют и после приобретения бетоном не­обходимой прочности ос-

Вобождают арматуру от закреплений, и она, стре­мясь сократиться, обжи­мает бетон конструкции (рис. 66, А, б).

Рис. 66. Схемы напряжения арма­туры:

При натяжении арма­туры после бетонирова­ния сила натяжения ар­матуры передается на­бравшему прочность бе­тону и создает в нем сжимающие напряжения. Чтобы арматура могла свободно удлиняться при натяжении, ее располага­ют в каналах внутри или снаружи конструкции (рис. 66, В, г).

О, натяжение арматуры на упоры стенда; Б — обжатие бетона напряженной арма­турой; В натяжение арматуры на бетон изделия; Г — анкеровка арматуры по кон­цам изделия.

После натяжения ар­матуры для предохране­ния ее от коррозии в ка­налы нагнетают цемент­ный раствор; наружную - арматуру торкретируют или обетонируют. Натяжение арматуры на затвердевший бетон применяется при изготовлении больше­пролетных конструкций (целесообразно изготовлять их из от­дельных блоков и соединять между собой напрягаемой армату­рой), напорных труб для повышения их трещиностойкости и в других конструкциях.

Преимущество конструкций с натяжением арматуры на бе­тон состоит в том, что для их изготовления требуется сравни­тельно несложное оборудование для образования каналов в эле­ментах, натяжения арматуры и инъецирования каналов раство­ром. Создается возможность укрупнительной сборки конструк­ций непосредственно возле мест их монтажа.

Способ образования арматурного каркаса имеет существенное значение в организации технологического процесса, так как от этого зависит выбор основного оборудова­ния и натяжных устройств. Различают два способа образования:

Арматурного каркаса: линейное и непрерывное армиро­

Вание.

Линейное напряженное армирование осуществляется одиночными проволоками и стержнями необходимой длины ли­бо группами проволок и стержней, соединенных в определенном порядке. Из отдельных проволок изготовляются различные пуч­ки и пряди, получившие широкое применение в качестве арма­туры для напряженно-армированных изделий.

Непрерывное напряженное армирование заключается в том, что арматурный каркас получается путем наматывания не­прерывной проволочной нити с необходимой силой натяжения. Для этого используется холоднотянутая высокоуглеродистая проволока. Напряженное непрерывное армирование осуществля­ется намоточными машинами непосредственно на технологиче­ских линиях формовочного цеха.

Как линейное, так и непрерывное армирование применяются независимо от времени армирования, т. е. при натяжении арма­туры на упоры или при натяжении арматуры на бетон.

Способ натяжения арматуры до некоторой сте­пени связан с видом армирования, хотя строгой закономерности здесь нет и в отдельных случаях могут применяться различные способы натяжения арматуры. В заводской технологии применя­ют четыре основных способа натяжения арматуры: механиче­ский, электротермический, электротермомеханический и химиче­ский.

Механическое натяжение арматуры осуществляется натяжными машинами и гидродомкратами, а также различными винтовыми и рычажными устройствами. При непрерывном арми­ровании применяются намоточные машины различной конструк­ции в зависимости от вида изделий и способа производства.

Электротермическое натяжение арматуры основа­но на использовании линейного расширения стали при нагрева­нии арматуры электрическим током. Существует несколько спо­собов электротермического натяжения арматуры. Основной из них, получивший широкое распространение в СССР, заключает­ся в следующем. Концы удлинившейся при нагревании током арматуры надежно закрепляют в захватах (при натяжении на упоры) или анкерами (при натяжении на бетон), которые пре­пятствуют сжатию арматуры при охлаждении. Поэтому в арма­туре возникают напряжения сжатия.

Из других разновидностей электротермического натяжения арматуры практическое применение находит способ, основанный на предварительной обмазке арматуры слоем термореактивной эпоксидной смолы, способной при нагревании полимеризоваться, переходя в твердое состояние. После бетонирования и твердения бетона арматуру нагревают электрическим током до темпера­туры 300°, при которой она удлиняется; одновременно полимери - зуется и твердеет смола, обеспечивая прочное сцепление бетона с арматурой и закрепляя арматуру в натянутом состоянии.

Особенность этого способа заключается в том, что усилия от натяжения арматуры передаются не на форму, а непосредствен­но на бетон. В связи с этим он может быть использован при современных способах формования изделий с немедленной рас­палубкой.

Электротермомеханическ'ое натяжение армату­ры получило применение при непрерывном армировании намо­точными машинами. Проволока, натягиваемая грузом или тор­мозным устройством на 30—50% от заданного натяжения, одно­временно в процессе намотки нагревается, электрическим током. Проволока, намотанная в горячем состоянии на штыри или упо­ры стендов с неполным натяжением, при остывании сжимается и напрягается до заданного усилия.

Химическое натяжение арматуры осуществляется путем применения расширяющегося (напрягающего) цемента. При расширении бетона в процессе твердения происходит удлинение связанной с ним арматуры. Возникающие в арматуре растяги­вающие усилия передаются на бетон и сжимают его. Этот спо­соб натяжения уже начинает находить применение на заводах железобетонных изделий.

Передача предварительного напряжения арматуры на бетон (обжатие бетона) может осуществ­ляться тремя, способами.

1. Основой первого способа является сцепление арма­туры с бетоном, сопротивление поверхностных сил тре­ния между ними. Напряжения, возникшие в арматуре при ее натяжении на упоры, сохраняются после ее отпуска с упоров вследствие сцепления арматуры с бетоном только для. проволоки диаметром не более 2,5—3 Мм. При этом предполагается бетон повышенных марок 400—500. Надежное повышение сцеп­ления и трения между бетоном и арматурой по всей ее длине (при диаметрах более 3 Мм) осуществляется путем дополни­тельной обработки арматуры: образования вмятин на поверх­ности, свивки прядей из двух-трех проволок, либо применением арматуры периодического профиля.

2. Способ передачи предварительного напряжения арматуры на бетон, предусматривающий сцепление арматуры с бетоном и дополнительные анкерные устройства на кон­цах арматурных элементов, применяется в основном при стендо­вом изготовлении конструкций с мощными арматурными пуч­ками. Анкеры в виде бетонных колодок типа МИИТ или каркас­но-стержневые анкеры устанавливаются на концах арматурных элементов при их изготовлении и после бетонирования остаются внутри конструкции. В зависимости от конструкции анкер может передавать на бетон 25—30% расчетного усилия в пучке. Длина

Участка анкеровки, в пределах которой усилия натяжения пере­даются на бетон, зависит от общей величины натяжения, проч­ности бетона и конструкции арматурного элемента.

3. Передача усилий натяжения на бетон через анкерные устройства на концах арматурного элемента без уче­та сцепления, арматуры и бетона в средней части конст­рукции применяется при натяжении арматуры на отвердевший бетон конструкции. Возможно применение различных арматур­ных элементов: стержневых, пучковых, а также дисперсного армирования (проволочных пакетов).

Характеристика напряженного состояния конструк­ции. Работа Предварительно напряженных железобетонных кон­струкций характеризуется схемами, показывающими состояние изгибаемого элемента при его изготовлении и загружении внеш­ними силами (табл. 11):

Стадия I — стержень не имеет внутренних напряжений; стадия II — арматурный стержень натянут силой ЛГ0 и за­креплен в упорах; напряжения в арматуре достигли величины его, равной контролируемому напряжению сг0=0,65 Я* ',

Стадия III — произведено бетонирование конструкции. Вели­чина Оо может оставаться неизменной или уменьшаться вслед­ствие потерь от релаксации напряженной стали, податливости зажимов арматуры и температурных изменений при прогреве до величины а01;

Стадия IV — арматура отпущена с упоров после достижения бетоном необходимой прочности. Вследствие внецентреннего приложения усилий натяжения арматуры элемент выгнулся, в верхних слоях бетона возникли напряжения, растяжения, в нижних —• напряжения сжатия. Произошло упругое обжатие бе­тона до напряжения сг61 и понижение предварительного напря­жения арматуры до величины О01 —Пов1, где П — отношение мо­дулей упругости стали и бетона.

Стадия V — произошли деформации от усадки и ползучести бетона, арматура укорачивается и теряет еще часть напряже­ний;

Стадия VI — к элементу приложена внешняя нагрузка, из­менившая характер напряжений в нем: в верхних слоях бетона возникли напряжения сжатия, в растянутой зоне они уменьши­лись почти до нуля,. Арматура при этом удлиняется, и растяги­вающие напряжения в ней возрастают;

Стадия VII — нагрузка возросла до величины, при которой в бетоне начинают появляться трещины. В растянутой зоне се­чения возникли предельные напряжения растяжения бетона;

Стадия VIII — нагрузка увеличилась до разрушающей. В сжатой зоне бетона возникли предельные напряжения сжатия при изгибе, а в арматуре — предел прочности на разрыв.

Таблица 1 Стадии напряженного состояния конструкции

Потери напряжения, возникающие вследствие пластических деформаций бетона и арматуры, в соответствии с нормами про­ектирования предварительно напряженных железобетонных кон­струкций сводятся к следующим:

Потери напряжений от усадки бетона О 1, принимаемые при натяжении арматуры на упоры 400 Кг/см2, при натяжении на бетон — 300 Кг/см?-,

Потери напряжений от ползучести бетона <г2. Сущест­венное влияние на эту величину оказывают возраст бетона, степень предварительного напряжения и соотношение между , Напряжениями от внешней нагрузки и предварительного об­жатия, а также тепловлажностный режим окружающей среды;

Потеря напряжений от релаксации арматуры аз, учитываемой только для стали классов А—IV и В-П; ’

При натяжении арматуры на бетон учитывают потери от о б - жатия прокладки между анкером и бетонным торцом элемента 04, которые практически определяются величиной со­ответствующего укорочения арматуры, равной 1 Мм,

Потери от податливости анкеров арматурного пучка или отдельного стержня 04Я, укорочение арматуры также при­нимается равным 1 Мм-, J

Потери напряжений в арматуре от трения в каналах при натяжении на бетон <75, которые для прямолинейных и кри­волинейных каналов определяются по особой формуле;

Потери напряжений от смятия бетона под витками спи­ральной арматуры с? б= 300 Кг/см2-,

Потери предварительного напряжения от температур- ног о уд л и н е н и я проволоки 07=204^, где 4/ — разность между температурой арматуры и температурой устройств, вос­принимающих усилие натяжения.

При расчете величины предварительного напряжения не все виды потерь напряжения учитываются одновременно. Прини­маемые сочетания потерь зависят от времени натяжения арма­туры.

При натяжении арматуры на упоры общая величина потерь | составит:

При обжатии бетона

°щ = °з + а4а + АЪ

В процессе загружения конструкции

°П2 == А1 "Ь а2-

При натяжении арматуры на бетон общая величина потерь составит:

При обжатии бетона

°П1 -- °4 ■ °4а ' а5>

В процессе загружения конструкции

°п2 = °1 + А2 а3-

Общая величина потерь напряжения при расчетах конст­рукций и определения величины контролируемого напряжения принимается не менее 1000 Кг/см2.

Величина напряжения арматуры, контролируемая при на­тяжении на упоры для проволочной арматуры, принимается не более 0,65/? ”, для стержневой — не более 0,9 Яа.

При временной перетяжке арматуры для компенсации по­терь от релаксации напряжений, неодновременного натяжения арматуры и других потерь разрешается повышать напряжение

Арматуры до Оо=0,75 Я'а.

При натяжении на бетон контролируемое напряжение при­нимается равным О„, т. е. без учета упругого обжатия бетона, так как оно происходит в процессе натяжения арматуры и по­тери от него восстанавливаются при натяжении.

Одним из главных преимуществ применения предварительно напряженного железобетона, наряду с конструктивными досто­инствами является получаемый при этом экономический эффект. Экономия при напряженном армировании обеспечивается со­кращением объема и удельной стоимости бетона и стали, а также снижением веса изделий.

Однако экономическая эффективность сборного предвари­тельно напряженного железобетона в большой степени зависит от применяемой технологии и организации массового производ­ства, так как по сравнению с изготовлением обычного железо­бетона производство предварительно напряженных изделий значительно сложнее, требует специального оборудования и вы­сокой культуры производства. Существующие способы изготов­ления предварительно напряженных конструкций еще во многих случаях недостаточно механизированы и требуют больших про­изводственных площадей.

Одной из важнейших задач современной организации произ­водства предварительно напряженных конструкций является дальнейшая механизация и автоматизация, всех элементов тех­нологического процесса.