9. Арматура. Назначение и виды арматуры.

Арматуру в железобетонных конструкциях устанавли­вают преимущественно для восприятия растягивающих усилий и усиления бетона сжатых зон конструкций. Не­обходимое количество арматуры определяют расчетом элементов конструкций на нагрузки и воздействия.

Арматура, устанавливаемая по расчету, называется рабочей; устанавливаемая по конструктивным и техно­логическим соображениям — монтажной. Монтажная арматура обеспечивает проектное положение рабочей арматуры в конструкции и более равномерно распреде­ляет усилия между отдельными стержнями рабочей ар­матуры. Кроме того, монтажная арматура может воспри­нимать обычно не учитываемые расчетом усилия от усад­ки бетона, изменения температуры конструкции и т. п. Рабочую и монтажную арматуру объединяют в арма­турные изделия — сварные и вязаные сетки и каркасы, которые размещают в железобетонных элементах в со­ответствии с характером их работы под нагрузкой (рис. 1.16).

Арматуру классифицируют по четырем признакам. В зависимости от технологии изготовления различа­ют стержневую и проволочную арматуру. Под стержне­вой в данной классификации подразумевают арматуру любого диаметра в пределах d=6...40 мм, причем неза­висимо от того, как она поставляется промышленно­стью — в прутках (d≥ 12 мм, длиной до 13м) или в мот­ках (бунтах) (d≤l0 мм, массой до 1300 кг).

В зависимости от способа последующего упрочнения горячекатаная арматура может быть термически упроч­ненной, т. е. подвергнутой термической обработке, или упрочненной в холодном состоянии — вытяжкой, воло­чением.

По форме поверхности арматура бывает периодиче­ского профиля и гладкой. Выступы в виде ребер на по­верхности стержневой арматуры периодического профи­ля, рифы или вмятины на поверхности проволочной ар­матуры значительно улучшают сцепление с бетоном (рис. 1.17).

По способу применения при армировании железобетонных элементов различают напрягаемую арматуру, т. е. подвергаемую предварительному натяжению, и ненапря­гаемую.

Рис. 1.17. Арматура периодического профиля

а —стержневая класса А-П; б — то же, A-III; в — улучшенный профиль A-IV,

A-V; г — холоднодеформированная

10. Механические свойства арматурных сталей.

Характеристики прочности и деформаций арматурных сталей устанавливают по диаграмме σ_b—ε_s, получаемой из испытания образцов на растяжение. Горячекатаная Арматурная сталь, имеющая на диаграмме площадку Текучести, обладает значительным у линением после разрыва — до 25 % (мягкая сталь) (рис. 1.18, а). Напря­жение, при котором деформации развиваются без заметного увеличения нагрузки, называется физическим пределом текучести арматурной стали , напряжение в начале образования шейки, предшествующее разрыву, носит название временного сопротивления арматурной стали

Повышение прочности горячекатаной арматурной ста­ли и уменьшение удлинения при разрыве достигают вве­дением в ее состав углерода и различных легирующих добавок: марганца, кремния, хрома и др. Содержание углерода свыше 0,3..-0,5 % снижает пластичность и ухуд­шает свариваемость стали. Марганец повышает проч­ность стали без существенного снижения ее пластично­сти. Кремний, повышая прочность стали, ухудшает ее свариваемость. Содержание (каждой) легирующих до­бавок обычно составляет 0,6...2 %.

Существенного повышения прочности горячекатаной арматурной стали достигают термическим упрочнением или холодным деформированием. При термическом упрочнении осуществляются закаливание арматурной стали (нагревом до 800...900 °С и быстрым охлаждени­ем), затем частичный отпуск (нагревом до 300...400 °С и постепенным охлаждением).

Высоколегированные и термически упрочненные арма­турные стали переходят в пластическую стадию посте­пенно, что характеризуется отсутствием ярко выраженной площадки текучести на кривой (рис. 1.18, б).

Рис. 1.18. Диаграммы при растяже­нии арматурной ста­ли

а — с площадкой текуче­сти (мягкая сталь): б — с условным пределом те­кучести.

Для этих сталей устанавливают условный предел текучести — на­пряжение , при котором остаточные деформации со­ставляют 0,2 %, а также условный предел упругости — напряжение ао,о2, при котором остаточные деформации равны 0,02 %, и предел упругости . Пластиче ские деформации арматурных сталей при напряжениях, превышающих предел упругости в диапазоне =(0,8... 1,3) , могут быть определены по эмпирической зави­симости

(1.18)

Сущность упрочнения арматурной стали холодным деформированием состоит в следующем. При искусствен­ной вытяжке в холодном состоянии до напряжения, пре­вышающего предел текучести , под влиянием структурных изменений кристаллической решетки (на­клепа) арматурная сталь упрочняется. При повторной вытяжке, поскольку пластические деформации уже вы­браны, напряжение а/г становится новым искусственно поднятым пределом текучести (см. рис. 1.18, а).

Вытяжка в холодном состоянии позволяет получать высокую прочность стержней большого диаметра. Мно­гократное же волочение (через несколько последователь­но уменьшающихся в диаметре отверстий) в холодном состоянии позволяет получать высокопрочную проволоку. При этом временное сопротивление значительно увеличи­вается, а удлинения при разрыве становятся малыми — 4...6%. Чтобы получить структуру стали проволоки, не­обходимую для такого холодного волочения, выполняют патентирование — предварительную термообработку — нагрев до температуры порядка 800 °С с последующим специальным охлаждением. По такой технологии изго­товляют высокопрочную проволоку классов B-II, Вр-П.

Пластические свойства арматурных сталей имеют большое значение для работы железобетонных конструк­ций под нагрузкой, механизации арматурных работ, удоб­ства натяжения напрягаемой арматуры и др. Арматурная сталь обладает достаточной пластичностью, которая ха­рактеризуется относительным удлинением при испытании на разрыв образцов длиной, равной пяти диаметрам стержня (или 100мм), а также оценивается испытанием их на изгиб в холодном состоянии вокруг оправки тол­щиной, равной 3...5 диаметров стержня. Понижение пла­стических свойств арматурной стали может стать причи­ной хрупкого (внезапного) разрыва арматуры в конст­рукциях под нагрузкой, хрупкого излома напрягаемой арматуры в местах резкого перегиба или при закрепле­нии в захватках и т. п.

Полное относительное удлинение после разрыва (%) устанавливается по изменению первоначальной длины образца, включающей длину шейки разрыва, а относи­тельное равномерное удлинение после разрыва (%) — по изменению длины образца на участке, не включающем длину шейки разрыва. Минимально допустимое относи­тельное удлинение и требования при испытании на холод­ный загиб установлены стандартами и техническими ус­ловиями.

Свариваемость арматурных сталей характеризуется надежностью соединения, отсутствием трещин и других пороков металла в швах и прилегающих зонах. Сваривае­мость имеет существенно важное значение для механи­зированного изготовления сварных сеток и каркасов, вы­полнения стыков стержневой арматуры, анкеров, раз­личных закладных деталей и т. п. Хорошо свариваются горячекатаные малоуглеродистые и низколегированные арматурные стали. Нельзя сваривать арматурные стали, упрочненные термической обработкой или вытяжкой, так как при сварке утрачивается эффект упрочнения — про­исходят отпуск и потеря закалки термически упрочнен­ных сталей, отжиг и потеря наклепа проволоки, упроч­ненной вытяжкой.

Хладноломкостью, или склонностью к хрупкому раз­рушению под напряжением при отрицательных темпера­турах (ниже минус 30 °С), обладают горячекатаные ар­матурные стали периодического профиля некоторых ви­дов — из полуспокойной мартеновской и конвертерной стали и др. Арматурные стали из высокопрочной прово­локи и термически упрочненные обладают более низким порогом хладноломкости.

Реологические свойства арматурной стали характе­ризуются ползучестью и релаксацией. Ползучесть нара­стает с повышением напряжений и ростом температуры. Релаксация (уменьшение напряжений) наблюдается в ар­матурных стержнях при неизменной длине — отсутствии деформаций. Релаксация зависит от механических свойств и химического состава арматурной стали, техно­логии изготовления и условий применения и др. Значи­тельной релаксацией обладает упрочненная вытяжкой проволока, термически упрочненная арматура, а также высоколегированная стержневая арматура. Релаксация горячекатаных низколегированных арматурных сталей незначительна. Как показывают опыты, наиболее интен­сивно релаксация развивается в течение первых часов, однако она может продолжаться длительное время. Ре­лаксация арматурной стали оказывает большое влияние на работу предварительно напряженных конструкций, так как приводит к частичной потере искусственно созданно­го предварительного напряжения.

Усталостное разрушение арматурной стали наблюда­ется при действии многократно повторяющейся нагрузки, оно носит характер хрупкого разрушения. Предел вынос­ливости арматурной стали в железобетонных конструк­циях зависит от числа повторений нагрузки , характе­ристики цикла ' качества сцепления и нали­чия трещин в бетоне растянутой зоны и др. С увеличени­ем числа циклов предел выносливости уменьшается. Тер­мически упрочненные арматурные стали имеют понижен­ный предел выносливости.

Динамическая прочность арматурной стали наблюда­ется при нагрузках большой интенсивности, действующих на сооружение за весьма короткий промежуток времени. В условиях высокой скорости деформирования арматур­ные стали работают упруго при напряжениях, превыша­ющих физический предел текучести, при этом происходит запаздывание пластических деформаций. Превышение динамического предела текучести над пределом текуче­сти при статическом нагружении связано с временем запаздывания. В меньшей степени динамическое упрочне­ние проявляется на условном пределе текучести ста­лей легированных и термически упрочненных (не имею­щих явно выраженной площадки текучести) и практиче­ски совсем не отражается на пределе прочности всех видов арматурных сталей, в том числе высокопрочной проволоки и изделий из нее.

Изменение структуры металла и снижение прочности арматурных сталей происходит при высокотемператур­ном нагреве. Так, при нагреве до 400 °С предел текуче­сти горячекатаной арматуры класса A-III уменьшается на 30 %, классов А-П и A-I — на 40 %, модуль упругости уменьшается на 15 %. Заметное проявление ползучести арматуры в конструкциях под нагрузкой наблюдается при температуре свыше 350 °С. При нагреве происходят отжиг и потеря наклепа арматуры, упрочненной холод­ным деформированием, поэтому временное сопротивле­ние у высокопрочной арматурной проволоки снижается интенсивнее, чем у горячекатаной арматуры. После на* грева и последующего охлаждения прочность горячека такой арматурной стали восстанавливается полностью, а прочность высокопрочной арматурной проволоки — лишь частично.