Тема 3.10 Сущность предварительно напряженного железобетона

Предварительно напряженным называется железобетонный элемент, который в процессе изготовления искусственно обжат с помощью предварительно растянутой с последующим отпуском арматуры.

Преимущества:

1. Значительно повышается трещиностойкость и, как следствие этого, долговечность.

2. Повышается жесткость, т.е. снижается деформативность конструкции.

3. Создается возможность эффективного использования высокопрочных бетонов и арматуры, т.е. сокращается расход бетона и стали.

4. Создается возможность увеличения перекрываемых пролетов и возможность уменьшения сечения элементов.

Недостатки:

1. Повышенная трудоемкость изготовления конструкций.

2. Необходимо наличие специального оборудования и высококвалифицированных кадров.

Область применения. Предварительно напряженные ж/б элементы используются в конструкциях, в которых при эксплуатации возникают растягивающие напряжения, т.е. в элементах работающих на изгиб, центральное и внецентренное растяжение, внецентренное сжатие с большим эксцентриситетом (плиты покрытия и перекрытия, нижние пояса стропильных ферм и балок, ж/б сваи, трубы, стенки резервуаров, пролетные строения мостов и др.).

Способы изготовления предварительно напряженных конструкций

1. Натяжение арматуры на упоры. Сущность метода заключается в следующем: арматура растягивается на величину начального напряжения =0,75∙ , затем в форму укладывают бетон. После набора бетоном передаточной прочности арматура отпускается с упоров и она, стремясь вернуться в начальное положение, обжимает бетон. Передаточная прочность назначается в соответствие с требованиями п.2.6 СНиП. Рекомендуется принимать по расчету, но не менее 11МПа, а также не менее 50% от класса бетона, т.е. 0,5∙В.

2. Натяжение арматуры на бетон. После бетонирования и набора бетоном призменной прочности пропускают арматуру в заранее оставленные каналы. Затем механическим способом (с помощью домкратов) натягивают арматуру и закрепляют. В каналы под давлением инъецируют цементно-песчаный раствор или мелкозернистый бетон. Этот метод используется редко, в основном при изготовлении напряженных монолитных конструкций или каких-либо уникальных сооружений.

Способы натяжения арматуры

1. Механический способ – с помощью механических домкратов.

2. Электротермический – с помощью электрического тока.

3. Электромеханический – с помощью электротока и одновременного механического растяжения.

4. Физико-химический – достигается в результате расширения бетона, приготовленного на специальных напрягаемых цементах.

Материалы для предварительно напряженных конструкций

Бетон используется класса В15 и выше. Класс бетона и передаточную прочность назначают в зависимости от типа конструкций, вида бетона, класса и диаметра напрягаемой арматуры, а также от наличия или отсутствия отдельных анкеров.

В качестве напрягаемой арматуры используется стержневая арматура периодического профиля классов A-IV – A-VI, термически упрочненная Aт-IV – Aт-VI диаметров 10-25мм, высокопрочная проволока В-II и Вр-II диаметров 3-8мм, канаты К-7 иК-19, тросы и отдельные пряди.

Анкеровка арматуры

В предварительно напряженных конструкциях должно обеспечено надежное сцепление напрягаемой арматуры с бетоном. При изготовлении предварительно напряженных конструкциях с натяжением арматуры на бетон установка анкеров обязательна во всех случаях.

В предварительно напряженных конструкциях, изготовленных с натяжением арматуры на упоры, в случае использования в качестве рабочей арматуры периодического профиля и при достаточно высоких классах бетона (В30,В40) дополнительную анкеровку можно не производить.

Для стержневой арматуры используются анкера в виде высаженных головок, приваренных коротышей, насаженных шайб или гаек, в проволочной арматуре используются анкера в идее колей со штырями, кроме этого используются автоматические и полуавтоматические зажимы (с.161-163, Цай т.2).

Потери предварительного напряжения

Предварительное напряжение назначается в зависимости от нормативного сопротивления арматуры и принимается =0,75∙ . Величина этого напряжения на стадии изготовления конструкции и твердения бетона будет уменьшаться за счет происходящих потерь.

Величина указанных потерь зависит от технологии изготовления конструкции, от физико-механических свойств бетона и арматуры, от температуры и влажности окружающей среды и др.

Различают первые потери ( происходящие до обжатия бетона) и вторые ( происходящие после обжатия бетона) потери. Таблица 5 СНиП.

Суммарные потери определяются = ∙ , величина принимается в расчет и должна составлять не менее 100МПа.

Конструирование предварительно напряженных конструкций

Общие принципы конструирования предварительно напряженных конструкций такие же, как и для обычных конструкций без предварительного напряжения.

Рациональные сечения элементов:

1. Прямоугольное – для растянутых, внецентренно сжатых и растянутых с малым эксцентриситетом.

2. Двутавровое, тавровое с полкой внизу и коробчатое сечения – для изгибаемых, внецентренно сжатых и растянутых с большим эксцентриситетом.

Напрягаемая арматура должна располагаться внутри контура ненапрягаемой, т.е. дальше от наружной грани элемента.

На концевых участках предварительно напряженных конструкций для восприятия концентрации усилий устраивается дополнительное косвенное армирование в виде сварных сеток и хомутов. Указанное косвенное армирование должно располагаться на глубину не менее 20см.

В зависимости от вида арматурной стали, метода ее напряжения и др. факторов назначают величину предварительного напряжения (чем больше , тем больше его положительное влияние на работу конструкции). Необходимо также исключить отрицательное влияние усилия обжатия на бетон, т.е. разрушение, и соблюдать ограничения по прочностным характеристикам самой арматуры.

В соответствие с1.23 СНиП предварительное напряжение следует назначать с учетом дополнительных отклонений , таким образом чтобы выполнялись следующие условия: + (51)

- 0,3∙

где - расчетное сопротивление растяжению для предельного состояния 2-ой группы.

При механическом способе натяжения арматуры:

=0,05 ∙ (52)

При электротермическом и электромеханическом способах:

=30+ (53)

где - длина напрягаемого стержня.

В пределах указанных ограничений принимается, по возможности, наибольшим. Нормы проектирования рекомендуют учитывать изменчивость предварительного напряжения в арматуре при расчете элемента на прочность и трещиностойкость.

С этой целью вводят коэффициент точности натяжения арматуры , который определяется в соответствие с указаниями п.1.27 СНиП:

=1 (54)

знак «+» при неблагоприятном воздействии предварительного напряжения ( т.е. предв. напр. снижает несущую способность, способствует образованию трещин).

знак «-» при благоприятном воздействии.

При механическом способе натяжения арматуры =0,1.

При электротермическом и электромеханическом способах:

(55)

где - число стержней напрягаемой арматуры в сечении элемента.

В любом случае принимается не менее 0,1.