2. Принципы армирования и совершенствование железобетона

Характерной и ответственной частью железобетона является арматура. Арматуру как часть конструкции, воспринимающую растяжение, размещают преимущественно в растянутых зонах элемента, вдоль растягивающих усилий. В сжатой зоне, наоборот, все сжатие способен воспринять бетон. Помещаемая здесь иногда арматура увеличивает сопротивление элемента сжатию.

Рассмотрим в общих чертах схему устройства железобетонной балки, опер­той по концам и нагруженной сверху (рис. 143, а). Изготовленная из одного бетона такая балка а неминуемо потрескалась бы снизу вплоть до полного пере­лома под грузом или только под дейст­вием собственного веса.

Разрушения не произойдет даже и при увеличении нагрузки, если вдоль растянутой зоны, главным образом ниж­ней грани балки поместить арматуру (как условно показано для средней ча­сти балки на рис. 143, б). Благодаря сцеплению бетона со сталью арматура воспримет растяжение и тем предотвра­тит разрушение балки под расчетной на­грузкой.

Объединение стали с бетоном

возможно потому, что оба эти ма­териала почти одинаково изменя­ются в длине и объеме с изменен ием температуры. При существенно различной деформации пере­мена температуры вызвала бы взаимные смещения бетона и арма­туры, т. е. расслоение железобетона.

Армирование бетона сталью, достаточное только для восприя­тия растягивающих усилий от нагрузки, не избавляет полностью от появления трещин в бетоне. Прежде всего трещины появляются от усадки при твердении (с высыханием) бетона. Затухая, усадка длится 1—2 года. Арматура благодаря силам сцепления бетона со сталью препятствует свободному растрескиванию при усадке бе­тона, рассредоточивает крупные трещины, характерные для бетон­ных элементов, на ряд более многочисленных, но мелких усадоч­ных трещин. Сами усадочные трещины не опасны. Более сущест­венно развитие трещин в растянутой зоне бетона под действием нагрузки.

Растянутая арматура, удлиняясь под нагрузкой, вызывает растяжение, а с ним и растрескивание бетона или же дальнейшее раскрытие усадочных трещин. Такое растрескивание бетона не сни­жает расчетную прочность, поскольку арматура поставлена в дос­таточном количестве для воспринятия всего растяжения. Раскры­тие трещин под нагрузкой, понятно, тем больше, чем больше рас­тягивающие напряжения в арматуре и чем меньше насыщение бетона арматурой или, как говорят, процент армирования, т. е. отношение общей площади сечения растянутой арматуры к площади сечения бетона. При этом важно обеспечить достаточную боковую поверхность арматуры для большего сцепления ее со всей толщей растянутого бетона. С этой целью предпочтительнее рас­средоточить в бетоне несколько стержней малого диаметра, чем поставить один стержень той же суммарной площади, но большего диаметра.

Ограничивая величину наибольшего растяжения арматуры уве­личением ее количества и соблюдая известные требования о насы­щении растянутого бетона арматурой, можно уменьшить величину раскрытия трещин. Принято считать, что раскрытие трещин до 0,2 мм не опасно для проникания влаги к арматуре. Однако луч­ше, когда и малых трещин нет, так как со временем они могут раз­виться в большие, открыть доступ воде и привести к ржавлению арматуры. Но снижение трещинообразования ограничением на­пряжения в арматуре ниже ее возможностей неэкономично, ввиду перерасхода металла.

Всего этого лишены предварительно напряженные конструк­ции, позволившие расширить возможности железобетона благода­ря более целесообразному использованию материалов в нем без образования трещин из-за растяжения арматуры под нагрузкой.

Идея таких конструкций пояснена на той же модели по рис. 142, в. Здесь в качестве арматуры в сквозное отверстие затвердевшей бетонной балки вставлен болт с гайкой и с шайбами в опирании болта на бетон. Завинчивая гайку, можно сжать бетон. Болт при этом будет растянут. Если такую пред­варительно напряженную балку загрузить, то удлинение нижней зоны балки при изгибе приведет к дополнительному растяжению болта. По мере растягивания болта бетон будет постепенно освобождаться от первоначального сжатия, не переходя, однако, в состояние опасного растяжения, если предварительное натя­жение болта было достаточным.

По типу такой модели осуществимы реальные напряженные конструкции и их узловые сопряжения (см. рис. 129, б).

Применяются разные по виду и технологии изготовления пред­варительно напряженные конструкции. Специфичны в них армату­ра и детали ее закрепления в натянутом состоянии, различны последовательность и средства натяжения. В одних случаях арма­туру натягивают после бетонирования, в других — до него; наряду с натяжением домкратами арматуру удлиняют электронагревом и, закрепляя в нагретом состоянии ее концы в упорах, создают усло­вия для самонатяжения арматуры по мере остывания.

Общее для всех типов напряженных конструкций состоит в том, что уже до эксплуатации арматура в них специально растянута, а бетон сжат. Эксплуатационная нагрузка еще более увеличивает растяжение в арматуре и потому снижает предварительное сжатие бетона, не приводя все же к появлению в нем растяжения и попе­речных трещин.

В отличие от этого в ненапряженных конструкциях по окончании изготовления и твердения бетона арматура остается почти в таком же ненатяну­том состоянии, в каком ее укладывали в опалубку (если пренебречь ничтожным изменением от усадки бетона). И лишь при эксплуатации в арматуре, как и в бетоне, под действием веса пролетного строения и поездной нагрузки возникают напряжения. С растяжением бетона появляются и трещины в нем. Причем ограничение ширины раскрытия их (хотя бы до 0,2 мм) связано с недоиспользо­ванием возможностей, а значит, и с перерасходом арматуры (стр. 152).

Предварительное натяжение арматуры эффективно мно­гим. Оно повышает трещиностойкость конструкции и исключает необходимое для обычного железобетона ограничение напряжений в арматуре. Напротив, в связи с высоким предварительным и эк­сплуатационным растяжением напрягаемой арматуры стало вы­годно применять для нее высокопрочную сталь, а вместе с ней и более прочный бетон. То и другое позволило снизить расход ар­матуры, массу конструкции и перекрывать относительно большие

пролеты.

С внедрением предварительно напряженных конструкций в це­лесообразных случаях не утратил значение и обычный железобе­тон, более простой в изготовлении и не обнаруживающий серьез­ного растрескивания в слабо растянутых, а тем более сжатых эле­ментах и частях конструкций.

Ненапрягаемую арматуру выполняют из круглых стержней уг­леродистой стали марки ВСт. 3 диаметром 6—20 мм, а в мощных элементах 30—40 мм.

Вместо гладкой теперь широко применяют арматуру перио­дического профиля, подобного винтовой нарезке (рис. 144, а), либо сплющенного прерывисто (рис. 144, б). Она увеличивает сцепление арматуры с бетоном, позволяет допускать большее на­пряжение на стержень того же сечения. Поэтому стержни периоди­ческого профиля изготовляют из более прочной углеродистой стал и марки ВСт. 5, а также низкоуглеродистой стали марок 25Г2С и 35ГС. Повы­шенное сцепление такого профиля избавляет в ряде случаев от устройства на концах стержней крюков, применяемых при гладкой поверхности стали для уве­личения заделки арматуры в бетоне.

Для напрягаемой арма­туры применяют высоко­прочную холоднотянутую проволоку гладкую и периодического профиля диаметром 3—5 мм (иногда до 10 мм), канатную проволоку, стальные канаты, тросы, витые семипроволочные пряди.

Прочность напрягаемой арматуры в 3—5 раз выше обычной. Для напрягаемой арматуры находят применение и стержни перио­дического профиля диаметром до 40 мм из низколегированной мартеновской горячекатаной стали марки 30ХГ2С.

Бетон в железобетонных мостах применяют различной прочно­сти.

Прочность проверяют на бетонных образцах — кубах размером 20Х20Х Х20 см, испытываемых на сжатие через 28 сут. после их изготовления. Образцы хранят в течение этого срока в тех же условиях твердения, как и бетон самого изделия. Величину сопротивления образца, доведенного до разрушения, выра­жают в кгс/см². Она и является маркой — нормативным сопротивле­нием бетона по прочности на сжатие. Сопротивление бетона растяжению составляет всего 0,5—0,9% сжатия.

Для мостов применяют бетон марок 200—600, в напряженных конструкциях — не ниже 300. Бетон должен обладать и необходи­мой морозостойкостью.

Прочность бетона зависит от качества и количества цемента, от соотношения воды, цемента, заполнителей — песка и щебня. На прочность бетона влияют тщательность его приготовления, плот­ность укладки, условия твердения и другие факторы.

Цемент предпочтителен более высоких марок и в оптимальном количе­стве, имея в виду, что уменьшение цемента понижает прочность и плотность бетона, а увеличение неэкономично, но главное — опасно большей усадкой и ползучестью бетона. Ползучесть — это свойство бетона медленно сокращать­ся под постоянной нагрузкой, что ведет, в частности, к некоторому снижению со временем обжатия предварительно напряженной конструкции.

По консистенции желательны более жесткие бетонные смеси, т. е. с пониженным водо-цементным отношением; это, однако, требует лучшего уплот­нения при укладке бетона. Песок и щебень должны быть хорошего каче­ства, промыты от примесей и подобраны по нужному гранулометрическому составу (т. е. соотношению количеств частиц различной крупности или фракций заполнителей).

Аналогично ползучести бетона в арматуре со временем проявляется сниже­ние (релаксация) напряжений от постоянных сил, включая предварительное напряжение.

Все подобные потери напряжений (в том числе от усадки, ползучести) учитывают в доступной мере при проектировании для обеспечения заданной прочности и трещиностойкости конструкции. Расположение, количество (и сечение) арматуры в основном соответствуют действию растягивающих усилий в элементе. На рис. 145, а показано армирование балки. Для наглядности различ­ные стержни арматуры изображены отдельно.

Арматуру соединяют мягкой, отожженной проволокой или электросваркой в каркас с помощью хомутов и монтажных стержней. Монтажные стержни ставят в углах хомутов, где нет основной арматуры. Хомуты и монтажные стержни — из круглой стали, но диаметром меньше, чем у основных стержней.

В каркасе для балки (см. рис. 145, а) характерно увеличенное количество растянутых стержней в ее средней части подобно эпю­ре усилий и материала в поясах стальной балки по рис. 73 вслед­ствие возрастания растяжения по мере удаления от опор к сере­дине пролета.

Характерны также косые стержни, отогнутые снизу вверх к опоре. Они также воспринимают растягивающие напряжения, но не нормальные, т. е. действующие вдоль нижнего пояса нормально поперечному сечению балки, а косые растягивающие напряжения, направленные под углом к поясу. У опор этот угол наибольший (он равен 45°) и величина косых напряжений максимальная. Под действием косых растягивающих напряжений в балке, армирован­ной только горизонтальными стержнями, или при недостаточном числе косых стержней возникают трещины (на рис. 145, а показа­ны пунктиром).

Отогнутые под углом снизу вверх стержни подобно раскосам ферм связывают нижний растянутый пояс с верхней сжатой зоной бетона. К середине пролета косые напряжения уменьшаются. По­этому и отогнутых стержней требуется меньше, а в средней части балки достаточно одних хомутов. Хомуты, как и косые стержни, воспринимают срезывающие напряжения от поперечных сил (стр. 91,92).

В высоких балках по их вертикальным граням ставят еще го­ризонтальные стержни. Они препятствуют развитию трещин от растяжения и усадки бетона вне пределов влияния нижней растя­нутой арматуры.

В продольно растянутых и сжатых элементах, например, в под­весках, стойках, сваях, арматурный каркас состоит только из про­дольной арматуры и поперечных хомутов (рис. 145, б). Хомуты здесь нередко ставят в виде спирали, непрерывной по длине (рис. 145,в).

Между арматурным каркасом и поверхностью элемента всегда оставляют защитный слой бетона 1,5—5 см для предохранения ар­матуры от ржавления.