10.3. Монолітні попердньо напружені покриття

Низька міцність бетону на розтяг є його істотним недоліком. Величина подовження бетону до моменту руйнування від розриву дорівнює приблизно 0,15 мм / м. При такому подовженні напруження в арматурі досягають приблизно 30 МПа. Тому ще задовго до повного використання несучої здатності арматури в розтягнутій зоні бетону з'являються тріщини, що досягають 0,2-0,3 мм. Поява тріщин в залізобетонних згинальних конструкціях не дозволяє застосовувати бетони підвищеної міцності марок 400 і вище і високоміцну арматуру, тому що при цих умовах відбувається інтенсивне подовження арматури і розкриття тріщин, що супроводжується різким зростанням прогинів. Застосування високоміцних матеріалів (сталі і бетону) економічно виправдано, тому що вартість їх зростає в значно меншій мірі, ніж міцність.

Для підвищення тріщиностійкості залізобетонних конструкцій, можливості застосування високоміцних матеріалів, проводиться їх попереднє стиснення. Попереднє стиснення бетону виконується у тих зонах, в яких при розрахункових навантаженнях розвиваються напруження розтягу. Попереднє стиснення бетону досягається попереднім розтяганням арматури. При цьому розтягуючі зусилля в арматурі врівноважуються стискуючими зусиллями в бетоні.

Стискаючі напруження попереджають виникнення розтягуючих напружень від експлуатаційних навантажень. Це дозволяє передати на попередньо напружену конструкцію значно більші, ніж на бетонні конструкції, навантаження і уникнути утворення тріщин. Таким чином, попередньо напружені аеродромні покриття є подальшим кроком по шляху поліпшення конструкції жорстких покриттів за рахунок кращого використання властивостей бетону і арматурної сталі.

Покриття з монолітного попередньо напруженого залізобетону мають високу тріщиностійкість завдяки доброму опору розтягу і згинаючим зусиллям, не бояться невеликого розкриття тріщин в бетоні розтягнутої зони, так як під впливом попередніх напружень стиснення вони після зняття навантаження закриваються, дозволяють зменшувати товщину покриття в 1,5-2 рази (в порівнянні з бетонним) і витрати арматурної сталі в 2-3 рази в порівнянні зі звичайними залізобетонними покриттями за рахунок використання високоміцної арматурної сталі та бетонів високих марок, можуть влаштовуватися з плит великих розмірів, що різко знижує кількість швів і тим самим покращує експлуатаційні якості покриття.

Переваги монолітних попередньо напружених покриттів аеродромів найбільш явно проявляються при експлуатації важких повітряних суден.

Поряд із зазначеними перевагами попередньо напружені покриття мають і ряд недоліків: складність виконання робіт, необхідність застосування підвищених заходів з техніки безпеки, необхідність врахування втрати попереднього напруження у зв'язку з явищами релаксації напружень в арматурі і повзучості бетону. Також треба враховувати, що монолітні попередньо напружені покриття можна влаштовувати тільки на прямолінійних ділянках. Криволінійні в плані ділянки покриттів, місця сполучень РД і ШЗПС або МС, лоткові ряди можуть виконуватися лише зі звичайного бетону або залізобетону.

Залежно від типу обтиснення, способу укладання арматури і періоду натягу розрізняють такі види попередньо напружених конструкцій покриттів:

1. З натягом арматури після затвердіння бетону.

2. З натягом арматури до бетонування.

3. Обтиснуті безарматурним способом.

Попередньо напружені покриття всіх трьох типів влаштовують з двохосьовим (поздовжнім і поперечним) або одноосьовим (поздовжнім) обтисненням. Величину поздовжнього обтиснення приймають не менше 2 МПа, поперечного - не менше 1 МПа. Двовісне обтиснення застосовують на ділянках з високими експлуатаційними навантаженнями і інтенсивним рухом груп А і Б, одноосне - груп В і Г, де величина навантаження та інтенсивність руху стають меншими.

Тип попередньо напруженого покриття повинен вибиратися з урахуванням кліматичних і гідрогеологічних умов розташування аеропорту, розмірів ділянки покриття, наявності місцевих будівельних матеріалів. У суворих кліматичних умовах доцільно влаштовувати покриття з напруженим армуванням високоміцної сталевою арматурою. У м'якому кліматі для створення попереднього напруження в поздовжньому напрямі може бути використаний спосіб безарматурного обтиснення. Ділянки покриттів протяжністю менше 500 м доцільно влаштовувати з натягом арматури після затвердіння бетону. При протяжності ділянки 500 м і більше можуть влаштовуватися попередньо напружені покриття з натягом арматури до бетонування і обтиснуті безарматурним способом.

Попередньо напружені покриття з напругою арматури після затвердіння бетону. Попередні напруження в бетоні досягаються наступним чином: при бетонуванні покриттів в бетоні залишаються канали, в які після затвердіння бетону і досягнення нею достатньої міцності протягають арматуру, потім, заанкерувавшив один кінець за допомогою домкратів, що прикріплені до другого кінця, натягують арматуру і стискають бетон. Для створення зчеплення між бетоном і арматурою нагнітається цементне тісто або розчин.

Основними конструктивними елементами покриттів є: бетонні плити, подшовні плити, поздовжні будівельні шви між смугами бетонування, поперечні шви з технологічними розривами, штучна основа.

Плити покриття влаштовують з бетону з проектною маркою на стиснення не нижче 400. У тілі бетону влаштовують канали, в які поміщають арматуру. Прямокутні плити утворюються діленням покриття поздовжніми і поперечними швами. Поздовжні будівельні шви суміщають з технологічними швами, рівними ширині бетоноукладальних машини 7,0 і 7,5 м.

Поперечні технологічні шви в покриттях влаштовують через 50-70 м. Таким чином, розмір однієї плити становить 7 х 50 ÷ 7 х 70 м.

Поздовжні шви при двохосьовому обтисненні можуть не мати стикових з'єднань і виконуються наскрізними, так як за рахунок сил обтиснення у них розвиваються досить високі сили тертя, що забезпечують спільну роботу суміжних плит при впливі експлуатаційних навантажень. У покриттях з одноосьовим попереднім напруженням в поздовжніх швах треба передбачати стикові з'єднання для підвищення несучої здатності крайніх ділянок плит. Зазвичай при одноосьовому обтисненні поздовжні шви при товщині покриття більше 20 см влаштовують шпунтовими і наскрізними з армуванням країв плит при товщині покриття менше 20 см. Поперечні шви наскрізні, при цьому торці плит посилюють подшовнимі плитами.

Для армування покриттів застосовують високоміцну арматуру діаметром 14-16 м гладку або стрижні періодичного профілю. Високоміцний дріт застосовують у вигляді пучків, що включають 18-24 дротів діаметром 5-8 мм, або використовують прядиво арматуру заводського виготовлення.

Рис. 10.8. Технологічний розрив у покритті: 1 – поздовжня пучкова арматура; 2 – анкер; 3 – деревяна прокладка; 4 – армобетонне або залізобетонне покриття, що укладається після натягу пучків; 5 – підшовні плити.

Арматурне пасмо складається з декількох високоміцних дротів діаметром 2-5 мм, розташованих по спіралі навколо одного центрального прямолінійного дроту (сердечника).

Попереднє напруження в покриттях створюється після набору бетоном проектної міцності шляхом витягування арматури гідравлічними домкратами, що впирається у вертикальні бічні грані плит, з подальшим анкеруванням цієї арматури в напруженому стані.

При двохосьовому армуванні товщина покриття повинна бути не менше 18 см, що викликано необхідністю забезпечення міцності покриттів в місцях укладання каналів. Максимальна довжина каналів обмежується 50-70 м, так як при більшій довжині втрати попередніх напружень на тертя сильно зростають. Тому через зазначені проміжки в покритті необхідно передбачати технологічні розриви (рис. 10.11). Розміри технологічних розривів повинні забезпечити розміщення в них домкратів для натягування арматури і анкерних пристроїв. Кінці напруженої пучкової арматури з анкерними пристроями закладають в бетон лоткових плит покриття, а якщо їх немає, в тіло укріплених узбіч із забезпеченням антикорозійного захисту арматури і анкерів.

Монолітні попередньо напружені покриття з двохосьовим обтисненням трудомісткі. Особливо трудомістким є пристрій каналів і створення поперечного обтиснення покриттів пучковою або стрижневою арматурою.

У практиці широке поширення знаходять монолітні попередньо напружені покриття одноосьового обтиснення з розрахунковим ненапруженим поперечним армуванням. Основна особливість полягає в тім, що плити цих покриттів мають різний запас тріщиностійкості в поздовжньому і поперечному напрямах. Зазвичай при одноосьовому армуванні вмісто поперечної напруженої арматури вкладають ненапружену арматуру із сталі періодичного профілю класу А-ІІ, діаметром 14-16 мм з кроком не більше 30 см і не менше 10 см. Арматуру розміщують в перерізі плити в два ряди у верхніх і нижніх зонах . Штучні основи попередньо напружених покриттів влаштовують так само, як і для бетонних покриттів.

Попередньо напружені покриття з натягом арматури до бетонування. Попереднє напруження в бетоні досягається наступним чином. Перед бетонуванням покриттів арматуру спеціальними натяжними пристроями розтягують і закріплюють на упорах, потім покриття бетонують. Арматуру утримують в натягнутому стані до тих пір, поки бетон не набере достатньої міцності. Після набору бетоном необхідної міцності арматуру звільняють від упорів і вона, скорочуючись, стискає бетон. У порівнянні з іншими видами попередньо напружених покриттів покриття з натягом арматури до бетонування мають істотні переваги: ​​можливе широке застосування комплексної механізації основних технологічних будівельних операцій; постійне зчеплення арматури з бетоном виключає втрати попереднього напруження при ремонті покриттів; відпадає необхідність у влаштуванні каналів в тілі бетону.

Основними конструктивними елементами покриттів є: попередньо напружені плити, анкерні пристрої, підшовні плити, поперечні шви, поздовжні будівельні шви між смугами бетонування, покриття технологічних розривів, штучна основа (рис. 10.12).

 Попередньо напружені прямокутні плити влаштовують з бетону проектної марки на стиснення не менше 400. Висока міцність бетону дозволяє понизити витрату високоміцної арматури, зменшити довжину зон самозаанкеруванняя, що дозволяє підвищити міцність крайніх ділянок плит. Бетонні плити армують поздовжньою і поперечною арматурою. У поздовжньому напрямку плити зазвичай армують високоміцної дротом - струнами або пасмами (рис. 10.13). Використання сталевого дроту діаметром 3-5 мм з профільованою поверхнею або пруткової сталі періодичного профілю дозволяє обходитися без спеціальних пристроїв для анкерування арматури в бетоні, так як така арматура при відпусканні має здатність самозаанкеруватися. Напружену арматуру в плитах розміщують в один чи два ряди. Дріт періодичного профілю в кожному ряду розміщують групами, що складаються з двох-трьох дротів. Відстань між групами приймають не менше 8 см, щоб можна було добре опрацювати бетонну суміш (рис. 10.14). У поперечному напрямку плити армують напруженою або ненапруженою арматурою. На ділянках, що піддаються інтенсивному впливу літакових навантажень, плити армують напруженою арматурою - пучковою або стрижневою - з натягом її на затверділий бетон.

Рис. 10.9. Елементи попередньо напруженого покриття із натягом арматури до бетонування: 1 – попередньо напружена плита; 2 – поперечні шви; 3 – покриття технологічних розривів; 4 – підшовні плити; 5 – штучна основа; 6 – анкерні упори; 7 – поздовжні будівельні шви.

Рис. 10.10. Загальний вигляд арматурного каркасу струнобетонного покриття.

Поперечну напружену арматуру в плиті розміщують в один ряд, при цьому відстань від нижньої площини плити до осі каналу приймають рівним 8 см незалежно від товщини плити, що дозволяє збільшити шар бетону над каналом і запобігти утворенню тріщин. Ненапружену арматуру розміщують в плиті в два ряди - у верхній і нижній зонах. Для ненапруженої арматури використовують стрижні періодичного профілю діаметром не менше 10 мм із сталі класу А-II, відстань між стержнями приймають рівним від 10 до 30 см. Крок арматури в поздовжньому і поперечному напрямах m і n (див. рис. 10.14) визначається розрахунком. Товщина плит струнобетоних покриттів визначається також розрахунком. При цьому в покриттях без каналів для напруженої арматури товщина плит повинна бути не менше 14 см, а в покриттях з каналами для напруженої арматури 18 см.

Міцність кутових і крайніх ділянок плит у поперечних швів збільшується за рахунок подшовних бетонних плит (див. рис. 10.12).

Поперечні шви застосовують двох типів. Конструкція шва першого типу (рис. 10.15, а) складається з двох дощок товщиною 2 см із зазором між ними, рівним 2,5 см, що заповнюється герметизуючим матеріалом. Загальна ширина шва 6-6,5 см. Шов другого типу (рис. 10. 15, б) виконується у вигляді зазору шириною 2,5-3 см, що заповнюється герметизуючим матеріалом. В покриттях з двохосьовим обтисненням поздовжні шви наскрізні.

Рис. 10.11. Схема розміщення арматури в попередньо напружених покриттях: а – попередньо напружені струни в поздовжньому напрямку і пучки або пасма в поперечному напрямку; б – попередньо напружені струни в поздовжньому напрямку і конструктивна ненапружена арматура в поперечному напрямку; 1 – струни із холодновитягнутої високоміцної сталі періодичного профілю діаметром 3-5 мм; 2 – арматурні пучки із холодновитягнутої високоміцної сталі 5-8 мм або пасма заводського виготовлення; 3 – ненапружена аматура из гарячекатаної сталі діаметром не менше 12 мм і періодичного профілю.

Рис. 10.15. Конструкція поперечного шва: 1 – герметизуючий матеріал; 2 – плити покриття; 3 – струни; 4 – підшовна плита; 5 – дерев’яний корок; 6 – дошка.

В покриттях з одноосьовим обтисненням і товщиною більше 20 см поздовжні шви влаштовуються шпунтовими а при товщині до 20 см - наскрізними з додатковим армуванням ненапруженою арматурою у верхній і нижній зонах плити. Анкерні упори для утримання напруженої арматури в натягнутому стані на період бетонування покриття та набору бетоном міцності влаштовують по кінцях кожної захватки, довжину яких беруть 500-1000 м.

Для поліпшення умов передачі на бетон попередніх напружень і зниження його втрат, що виникають від тертя підошви плити з основою, покриття після набору бетоном необхідної міцності в межах кожної захватки (між упорами) ділять поперечними швами на плити довжиною 50 -100 м.

Попередньо напружені покриття, що обтиснуті безарматурним способом. Вони класифікуються за типом обтиснення і характером роботи плит покриття. За типом обтиснення влаштовують покриття двох видів: обтиснуті безарматурним способом в поздовжньому напрямку і обтиснуті пучковою або стрижневою арматурою в поперечному напрямку; обтиснуті безарматурним способом в поздовжньому напрямку, армовані в поперечному напрямку ненапруженою арматурою. За характером роботи плит розрізняють покриття нерухомого і рухомого типу. У покриттях нерухомого типу горизонтальні переміщення плит від впливу температури неможливі, а від зміни температури змінюється їх напружений стан. Перевагою покриттів нерухомого типу є можливість уникнути поперечних швів. Робочі шви функціонують тільки в період будівництва, коли створюється попереднє напруження, а потім їх замонолічівають.

Проте нерухома система має і великий недолік, тому що попередні напруження в такому покритті залежать від коливання температури і можуть досягати значних величин, що вимагає більш потужних кінцевих упорів і погіршує роботу плит покриття.

У покриттях рухомого типу при зміні температури торці плит в поперечних швах можуть мати горизонтальні переміщення. Тому зміна напруженого стану відбувається менш різко, і у плитах температурні напруження істотно менші, ніж в покриттях нерухомого типу. У результаті цього полегшується робота кінцевих упорів і знижуються втрати попередніх напружень від повзучості бетону.

Основними елементами покриттів із зовнішнім обтисненням є: неармовані в поздовжньому напрямку плити власного покриття, кінцеві упори, силові шви і подшовні плити.

Плити власного покриття влаштовують з бетону марки 400 такої товщини, щоб: 1) забезпечувалася поздовжня стійкість покриття, 2) при дії навантаження від повітряних суден та природних факторів розтягуючі напруження не перевищували розрахункового опору бетону на розтяг при вигині, а стискаючі напруження в бетоні не перевищували його розрахункового опору стисненню при згині. Для забезпечення цих умов в покриттях із зовнішнім обтисненням товщину плит потрібно застосовувати не менше 16 см. Покриття в плані розбивається на прямокутні плити поздовжніми і поперечними швами. Поперечні силові шви призначені для створення в бетоні попередніх напружень стиснення без застосування напруженого армування. Конструкція силових швів залежить від характеру роботи покриття (рухомого або нерухомого).

У покриттях нерухомого типу силові шви в поперечних швах влаштовують у вигляді плоских гідравлічних домкратів і клинових силових швів.

Плоский гідравлічний домкрат являє собою посудину з листової сталі товщиною близько 2 мм; при нагнітанні рідини всередину домкрата бічні стінки розсуваються і передають зусилля на бетон (рис. 10.16).

Клиновий силовий шов складається з двох бетонних клинів в металевій обоймі, гідравлічного домкрата, гвинтових домкратів та касет з роликами (рис. 10.17). Після розсунення клинів гідравлічним домкратом до необхідної величини їх положення фіксують двома гвинтовими домкратами, а гідравлічний домкрат витягають.

Рис. 10.16. Силовий шов із плоским гідравлічним домкратом: 1 – плита покриття; 2 – металічна кришка; 3 – плоский домкрат; 4 – швелер із срізаною нижньою поличкою; 5 – металічні клинки; 6 – окантовочні пластини; 7 – підшовна плита.

Рис. 10.17. Клиновий силовий шов: 1 – клин із бетону в металевій обоймі; 2 – касети з роликами; 3 – винтові домкрати; 4 – гідравлічний домкрат; 5 – торцеві грані, що закріпленні швелером; 6 – плити покриття.

Рис. 10.18. Схема силового шва з пружними стальними зв’язками: 1 – плита покриття; 2 – стальні пружні зв’язки; 3 – анкер; 4 – покриття технологічного розриву; 5 – підшовна плита.

Плоскі домкрати й клинові силові шви застосовують тільки для створення стиснення покриття, після чого їх потрібно видаляти з шва, а простір, який вони займали, закладати бетонними елементами або замонолічвати цементним розчином під тиском. Для того щоб при експлуатації підтримувати задание попереднє напруження, через три-чотири плити плоскі домкрати й клини не знімаються і за допомогою їх періодично підтримується розрахункове попереднє напруження; такі шви називаються активними.

Переміщення плит в покриттях рухомого типу забезпечується спеціальною конструкцією силових швів. Силові шви влаштовують у вигляді пружних і механізованих швів. Пружні шви працюють як пружні елементи (пружини). Доцільна конструкція пружного силового шва може бути вирішена з застосуванням сталевих пружних зв'язків, що працюють па розтяг (рис. 10.18).

Зсувні зусилля від пружних зв'язків передаються на поідшовную плиту, конструкція якої виходить важкою. Ця обставина істотно підвищує вартість покриттів. Механізований шов має звичайні гідравлічні домкрати з системою трубопроводів, що з'єднані з насосною станцією.