10. Предварительно напряженный железобетон и способы создания предваритель­ного напряжения.

Предварительно напряженными называют такие же­лезобетонные конструкции, в которых в процессе изго­товления искусственно создают значительные сжимаю­щие напряжения в бетоне натяжением высокопрочной арматуры. Начальные сжимающие напряжения создают в тех зонах бетона, которые впоследствии под воздейст­вием нагрузок испытывают растяжение. При этом повы­шается трещиностойкость конструкции и создаются условия для применения высокопрочной арматуры, что приводит к экономии металла и снижению стоимости конструкции.

Удельная стоимость арматуры г], характеризуемая отношением ее цены Ц (руб/т) к расчетному сопротивле­нию R_s (МПа), снижается с увеличением прочности арматуры (рис. 1.26).

Рис. 1.26. Зависимость удель­ной стоимости арматурной ста­ли от ее прочности

A-II...A-IV — классы сталей

Поэтому высокопрочная арматура значительно выгоднее обычной. Однако применять высо­копрочную арматуру в конструкциях без предваритель­ного напряжения нельзя, так как при высоких растяги­вающих напряжениях в арматуре и соответствующих деформациях удлинения в растянутых зонах бетона по­являются трещины значительного раскрытия, лишающие конструкцию необходимых эксплуатационных качеств.

Суть использования предварительно напряженного железобетона в конструкциях — экономический эффект, достигаемой применением высокопрочной арматуры; вы­сокая трещиностойкость и как следствие повышенная жесткость, лучшее сопротивление динамическим нагруз-кам, коррозионная стойкость, долговечность. В предварительно напряженной балке под нагрузкой (рис. 1.27, а) бетон испытывает растягивающие напря­жения только после погашения начальных сжимающих напряжений. При этом сила. F_сrс, вызывающая образова­ние трещин или ограниченное по ширине их раскрытие, превышает нагрузку, действующую при эксплуатации Fser- С увеличением нагрузки на балку до предельного разрушающего значения F_u напряжения в арматуре и бетоне достигают предельных значений. В аналогичной балке без предварительного напряжения (рис. 1.27, б) нагрузка F_сrс<F_ser но разрушающая нагрузка F_u для обеих балок близка по значению, поскольку предельные напряжения в арматуре и бетоне этих балок одинаковы.

Рис. 1.27. Диаграмма нагрузка F — прогиб f

I — предварительно напря­женная балка; II — балка без предварительного напряжения

Таким образом, железобетонные предварительно на­пряженные элементы работают под нагрузкой без тре­щин или с ограниченным по ширине их раскрытием F_Ser<Fcrc<Fu, а конструкции без предварительного на­пряжения— при наличии трещин (F_crc<F_ser<F_u) и при больших значениях прогибов (рис. 1.27, в). В этом раз­личие конструкций предварительно напряженных и без предварительного напряжения с вытекающими отсюда особенностями их расчета, конструирования и изготов­ления.

В производстве предварительно напряженных эле­ментов возможны два способа создания предварительно­го напряжения: натяжение арматуры на упор и натяже­ние ее на бетон. При натяжении на упоры арматуру заводят в форму до бетонирования элемента, один конец ее закрепляют в упоре, другой — натягивают домкратом или другим приспособлением до заданного контролируе­мого напряжения (рис. 1.28, а). После приобретения бе­тоном необходимой кубиковой прочности перед обжати­ем R_bp арматуру отпускают с упоров. Арматура при восстановлении упругих деформаций в условиях сцепле­ния с бетоном обжимает окружающий бетон (рис. 1.28,6). При так называемом непрерывном армировании форму укладывают на поддон, снабженный штырями, арматурную проволоку специальной навивочной маши­ной с заданным усилием навивают на трубки, надетые на штыри поддона, и конец ее закрепляют плашечным зажимом (рис. 1.28, в). После того как бетон наберет необходимую прочность, изделие с трубками снимают со штырей поддона, при этом арматура обжимает бетон.

Р ис. 1.28. Способы соз­дания предварительного напряжения бетона

а — натяжение арматуры на упоры (принципиальная схема); б—готовый элемент; в — натяжение арматуры на упоры при непрерывном ар­мировании; г — натяжение арматуры на бе^он (прин­ципиальная схема); д — го­товый элемент; 1 — форма; 2 — арматура; 3 — упор; 4 — домкрат: 5 — затвердевший бетон; 6 — поддон; 7 — шты ри поддона; S — трубки; 9-~ зажим; 10 — канал f 11 — ан­кер; 12 — заинъецированный канал

Стержневую арматуру можно натягивать на упоры электротермическим способом. Стержни с высаженными головками разогревают электрическим током до 300... 350 °С, заводят в форму и закрепляют концами в упорах форм. При восстановлении начальной длины в процессе остывания арматура натягивается на упоры. Арматуру можно натягивать также электротермомеханическим способом.

При натяжении на бетой сначала изготовляют бетон­ный или слабоармированный элемент (рис. 1.28, г), за­тем при достижении бетоном прочности Rb_P создают в нем предварительное сжимающее напряжение. Напря­гаемую арматуру заводят в каналы или в пазы, оставляемые при бетонировании элемента, и натягивают на бетон (рис. 1.28, д). При этом способе напряжения в ар­матуре контролируют после окончания обжатия бетона. Каналы в бетоне, превышающие диаметр арматуры на 5...15 мм, создают укладкой извлекаемых впоследствии пустообразователей (стальных спиралей, резиновых тру­бок и т. п.) или оставляемых в бетоне гофрированных стальных трубок и др. Сцепление арматуры с бетоном создается после обжатия инъецированием — нагнетани­ем в каналы цементного теста или раствора под давлени­ем через заложенные при изготовлении элемента трой­ники — отводы. Если напрягаемую арматуру располага­ют с внешней стороны элемента (кольцевая арматура трубопроводов, резервуаров и т. п.), то навивку ее с од­новременным обжатием бетона выполняют специальны­ми навнвочиыми машинами. В этом случае на поверх­ность элемента после натяжения арматуры наносят торкретированием (под давлением) защитный слой бе­тона.

Натяжение на упоры как более индустриальное яв­ляется основным способом в заводском производстве. Натяжение на бетон применяется главным образом для крупноразмерных конструкций и при соединении их на монтаже.