7.3 Понятие о предварительно напряженном железобетоне
Основная идея предварительно напряженного железобетона состоит в создании в процессе изготовления элемента начальных предварительных напряжений сжатия бетона в зонах, в которых впоследствии под влиянием расчетной нагрузки возникают растягивающие напряжения.
Предварительно напряженный железобетон применяется в следующих целях:
- Снижение расхода стали за счет использования арматуры высокой прочности;
- Уменьшение веса конструкции за счет применения бетона высоких марок;
- Создание конструкций, в которых под влиянием эксплуатационной нагрузки не появляются трещины в растянутой зоне бетона, или для ограничения ширины раскрытия трещин.
- Повышение жесткости элементов конструкций (уменьшение прогиба, зыбкости).
В обычном железобетоне при относительно небольших нагрузках на балку, соответствующих напряжениям в растянутой арматуре σа = 200 – 300 кг/см2, напряжения в растянутой зоне бетона достигают величин расчетных сопротивлений Rр. При дальнейшем увеличении нагрузки в растянутой зоне бетона начинают появляться трещины (рис. 7.3.1). Это происходит вследствие малой растяжимости (малого относительного удлинения) бетона и сравнительно большой растяжимости стали.
Как известно, первые трещины в бетоне появляются при удлинении 0,1 – 0,15 мм/м (в зависимости от марки бетона), между тем как растянутая арматура при напряжениях, равных расчетным сопротивлениям (Rа = 2100 – 2700 кг/см2), получает удлинение в 4 – 6 раз больше.
При таких удлинениях в растянутой зоне бетона появляются трещины, не допустимые при эксплуатации многих конструкций. При достижении же напряжений в растянутой арматуре σа = 10 000 – 12 000 кг/см2 и более (высокопрочные стали), эти удлинения возрастают настолько, что в бетоне появляются зияющие трещины. Кроме того, при больших удлинениях арматуры изгибаемые элементы получают большие прогибы.
Рис 7.3.1
Работа железобетонной балки.
а) – при продольном обжатии силами N, приложенными в торцах; б) – при расчетной нагрузке.
Если бы с целью экономии металла применять для изгибаемого элемента из обычного железобетона высокопрочную сталь, то вследствие ее большого относительного удлинения в растянутой зоне бетона возникали бы трещины, после появления которых арматура оказалась бы не защищенной от коррозии. При этом прогибы элементов превышали бы допустимые даже при обычных в гражданском строительстве пролетах 5,5 – 6,5 м и толщинах перекрытий 20 – 30 см.
Чтобы уяснить сущность предварительно напряженного железобетона, рассмотрим однопролетную балку. К балке приложены усилия предварительного обжатия N (рис. 7.3.1, а) и эксплуатационная нагрузка q (рис. 7.3.1, б).
Под влиянием продольных сил N происходит предварительное обжатие балки и в нижней зоне возникают сжимающие напряжения. Под влиянием эксплуатационной нагрузки в той же нижней зоне балки появляются растягивающие напряжения, которые уравновешиваются напряжениями от предварительного обжатия балки. Необходимо, чтобы суммарные растягивающие напряжения не превышали по величине расчетного сопротивления бетона на растяжение Rр .
Основное преимущество предварительно напряженного железобетона заключается в том, что он позволяет лучше использовать свойства стали и бетона высоких марок.
В поперечных сечениях элементов (изгибаемых, центрально и внецентренно растянутых, внецентренно сжатых), в которых под влиянием расчетной нагрузки возникают растягивающие усилия, трещины не раскрываются, т.к. благодаря предварительному обжатию растянутой зоны бетона все сечение работает на сжатие, а напряжения растяжения в бетоне не превышают Rр . Жесткость такого сечения значительно больше жесткости сечения таких же размеров из обычного железобетона, в растянутой зоне которого имеются трещины. Это позволяет при одинаковых усилиях уменьшить размеры поперечного сечения элемента из предварительного напряженного железобетона и тем самым уменьшить расход бетона, снизить собственный вес конструкции.
Так как сечение элементов из предварительно напряженного железобетона обладает большей жестокостью, при одинаковых сечениях можно увеличить размеры пролетов перекрываемых помещений и таким образом расширить область эффективного применения железобетона.
В конструкциях, в которых по условиям эксплуатации не допускается наличие трещин в бетоне и вследствие этого слабо используются стали высокой прочности, можно путем предварительного напряжения создать такое обжатие растянутой зоны, при котором в элементе не образуются трещины даже при полном использовании прочности стали высоких марок.
Эффективность применения предварительно напряженного железобетона возрастает по мере повышения марок стали и бетона.
Существуют два основных способа создания предварительного натяжения рабочей арматуры:
1) натяжение арматуры на упоры до бетонирования элемента (в т.ч. такая разновидность данного способа как электротермический метод натяжения арматуры);
2) натяжение арматуры непосредственно на бетон после бетонирования элемента и отвердения бетона.
Первый способ, может быть рекомендован при изготовлении элементов конструкций, требующих для обжатия бетона относительно небольшого по величине усилия N , которое на время твердения может быть передано на упоры небольшой мощности или на торцы опалубки. К таким конструкциям могут быть отнесены элементы перекрытий гражданских зданий (плиты, балки, панели обычных пролетов), железнодорожные шпалы и др.
Второй способ (натяжение арматуры на бетон) производится после бетонирования и отвердения бетона. В этом случае в качестве упоров используются торцы изготовляемого железобетонного элемента. Напрягаемую арматуру обычно пропускают через продольные каналы, оставляемые в элементе при его бетонировании, или размещают снаружи элемента. По мере натяжения арматуры реактивная сила передается на торцы элемента, вызывая в его сечениях напряжения сжатия бетона. Для создания связи (сцепления) между бетоном и арматурой и для защиты последней от коррозии зазоры между арматурой и стенками канала заполняют под давлением цементным раствором. Данный метод следует применять при изготовлении элементов, требующих для обжатия бетона относительно больших усилий. Такими элементами являются перекрытия и покрытия больших пролетов, фермы, пролетные строения мостов и др.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------