2.3 Предварительно напряжённые конструкции

Предварительно напряжённые конструкции, строительные конструкции, в которых предварительно (в процессе изготовления, укрупнительной сборки или монтажа) создаются напряжения, оптимальным образом распределённые в элементах конструкции. В современном строительстве предварительное напряжение наиболее широко применяется в железобетонных конструкциях и изделиях различного назначения. Оно получает распространение также и в металлических конструкциях. Предварительно напряжённые конструкции весьма эффективны благодаря применению высокопрочных материалов и более полному использованию их физико-механических свойств.

В железобетонных предварительно напряжённых конструкциях, как правило, предварительно создаются напряжения сжатия в бетоне и растяжения в арматуре. В них достигается значительная экономия (до 70%) арматурной стали за счёт использования её высокопрочных марок; обеспечивается высокое сопротивление предварительно напряжённых конструкций образованию и раскрытию трещин (трещиностойкость); существенно повышается жёсткость конструкций (по сравнению с обычными, выполняемыми без предварительного напряжения); увеличивается выносливость конструкций, испытывающих воздействия многократно повторяющихся нагрузок.

Железобетонные предварительно напряжённые конструкции наиболее рациональны для зданий и инженерных сооружений (например, мостов) с такими пролётами, нагрузками и условиями работы, при которых использование конструкций с ненапрягаемой арматурой сопряжено со значительными техническими трудностями или с большим расходом бетона и стали. Целесообразно также применение железобетонных предварительно напряжённых конструкций для изготовления напорных трубопроводов, резервуаров, силосов и др. ёмкостей, где требуется обеспечение непроницаемости. Металлические предварительно напряжённые конструкции применяют в пролётных строениях мостов, подкрановых балках, мачтах, башнях, опорах линий электропередачи и др.

Расчёт предварительно напряжённых конструкций ведётся по методу предельных состояний с учётом реальных физико-механических свойств бетона и стали. При этом исходят из того, что создаваемые напряжения не сохраняются постоянными до приложения эксплуатационных нагрузок. Потери предварительного напряжения могут быть обусловлены технологическими факторами (например, термообработкой изделий и конструкций), физико-механическими свойствами бетона и стали (усадкой и ползучестью бетона, релаксацией напряжений в стали). Особенностями конструктивных решений и оборудования для натяжения арматуры (деформацией анкеров, трением арматуры о поверхность бетона в каналах или пазах и др.). Предварительное напряжение в арматуре железобетонных предварительно напряжённых конструкций может быть создано до отвердения бетона (с натяжением арматуры на форму или на упоры стенда), после отвердения (с натяжением арматуры на затвердевший бетон, причём арматура располагается в каналах, пронизывающих конструкцию, или во внешних пазах), в процессе твердения бетона (с помощью напрягающего цемента). Для натяжения арматуры используют механические (с помощью специальных домкратов или др. устройств), электротермические и др. способы. Для создания предварительного напряжения в металлических предварительно напряжённых конструкциях используют упругий выгиб отдельных элементов, свариваемых в целую балку, обжатие отдельных стержней и стержневых систем затяжками из высокопрочных сталей, принудительное смещение опор неразрезных балок, арок, рам и др. способы.

Стержневая система

Стержневая система в строительной механике, несущая конструкция, состоящая из прямолинейных или криволинейных стержней, соединённых между собой в узлах. В инженерных сооружениях применяются, как правило, геометрически неизменяемые стержневые системы. Характерные примеры стержневых систем — рама и ферма. По геометрической схеме их разделяют на плоские и пространственные (плоская система, пространственная система). По типу соединений стержней различают стержневые системы с жёсткими и шарнирными узлами, а также смешанного типа. Жёсткие узлы препятствуют взаимному повороту концевых сечений стержней, шарнирные — допускают такой поворот. Для рам характерны жёсткие узлы, для ферм — шарнирные. При расчёте статически определимых стержневых систем для определения опорных реакций, внутренних усилий и деформаций достаточно использование уравнений статики. Статически неопределимые системы рассчитываются как точными методами строительной механики (методы сил, перемещений, смешанный), так и приближёнными. Создание эффективных и экономичных стержневых систем связано с совершенствованием методов их расчёта на устойчивость (особенно систем, состоящих из тонкостенных стержней), а также методов, позволяющих учитывать работу материала за пределами упругости; последние требуют применения сложного математического аппарата и использования современных вычислительных программ.