Особенности проектирования предварительно напряженных железобетонных конструкций
Железобетонные конструкции, в которых в процессе изготовления создаются искусственные предварительные напряжения в бетоне и в арматуре, называют предварительно напряженными (или, сокращенно, преднапряженными). Предварительные напряжения в бетоне являются сжимающими, а в арматуре — растягивающими. В предварительно напряженном железобетоне бетон, плохо работающий на растяжение, путем искусственного напряжения работает в основном на сжатие. Переход к предварите тьно напряженным кон струкцням значительно расширил область применения железобетона за счет увеличения пролетов, уменьшения сечений, возможности широкого применения железобетона в растянутых и сложно напряженных элементах и конструкциях (трубы, резервуары, газгольдеры, плавучие доки, корпуса атомных реакторов и т. п.). Предварительное напряжение значительно у величи вает трещиностойкость конструкций и снижает их деформации, а также позволяет успешно использовать высокопрочные бетон и арматуру, применение которых в обычном железобетоне является малоэффективным.
Применение высокопрочных материалов позволяет существенно снизить материалоемкость железобетонных конструкций и добиться снижения их стоимости.
Способы создания предварительного напряжения. Существует два способа создания предварительных напряжений в арматуре - 1) натяжение на упоры и 2) натяжение на бетон. Способ натяжения на упоры является более индустриальным, и поэтому он стал основным в заводском производстве преднапряженных железобетонных конструкций. Арматуру при этом способе устанавливают в форме до бетонирования, один из ее концов закрепляют и домкратом (или другим приспособлением) натягивают другой конец до заданных напряжений (механическое натяжение). После того, как бетон уложат и он наберет определенную передаточную прочность, арматуру отпускают с упоров, вследствие чего напряжения с арматуры передаются на бетон (рис. 4.2, а,б), стремясь обжать его с напряжением. Можно воспользоваться и электронагревом (до 300...400°С) арматурных стержней, снабженных заранее высаженными головками (электротермическое натяжение). После нагрева стержней их сразу же свободно укладывают в упоры, препятствующие укорочению стержней при остывании; в результате в остывших стержнях устанавливаются предварительные растягивающие напряжения.
Менее индустриальным способом является натяжение на бетон, применяющееся в основном для изготовления крупноразмерных конструкций из элементов заводского изготовления. При этом вначале изготовляют чисто бетонный или слабо армированный элемент (рис. 4.2, в): после достижения бетоном передаточной прочности, арматуру заводят в каналы, образованные еще при бетонировании с помощью специальных шлангов или труб. Затем арматуру напрягают домкратами, используя в качестве упоров сам бетонный элемент, после чего каналы для улучшения сцепления арматуры с бетоном инъецируют мелкозернистым бетоном под давлением 0,5... 0,6 МПа.
Размещение напрягаемой арматуры в элементах должно соответствовать характеру внешних усилий. В центрально-растянутых элементах напрягаемую арматуру размещают равномерно по сечению, чтобы равнодействующая усилий обжатия была приложена в центре сечения. Изгибаемые элементы проектируют так, чтобы сечение имело по возможности развитую сжатую и растянутую зоны бетона (тавровые, двутавровые, коробчатые сечения); прн этом основную напрягаемую арматуру располагают в растянутой зоне. Напрягаемая арматура обычно требуется для обеспечения трещиностойкости верхней зоны, которая при изготовлении может оказаться растянутой. Если в изгибаемом элементе действуют значительные поперечные силы, то на приопорных участках можно подвергнуть предварительному напряжению и поперечную арматуру (хомуты); возникающее при этом двухосное предварительное напряжение существенно увеличивает трещиностойкоеть наклонных сечений балки.
Помимо напрягаемой арматуры обычно устанавливают обычную (ненапрягаемую) арматуру, из условия прочности элемента в процессе изготовления, транспортировки и монтажа; при этом ненапрягаемую арматуру располагают ближе к наружной поверхности элеменга.
Материалы для преднапряженных конструкций. В качестве материалов для преднапряженных конструкций применяют бетон классов, как правило, не ниже B20...B30 (в зависимости от класса арматуры, СНиП 2.03.01 — 84. табл. 8), стержневую арматуру периодического профиля классов A-IV, Ат-IV, A-V, Ат-V, A-VI, Ат-Vl, проволочную классов В-ll, Вр-11 и арматурные канаты классов К-7, К-19. При длине элементов более 12 м применяют преимущественно проволочную арматуру и арматурные канаты. По возможности следует применять арматуру с более высокими прочностными характеристиками.
Величина предварительного напряжения в арматуре. Исходным понятием, характеризующим величину предварительного растягивающего (или сжимающего) напряжения в арматуре и не зависящим от способа создания напряжений, является напряжение, действующее соответственно в арматуре до начала обжатия элемента (при натяжении арматуры на упоры) или при снижении до нуля имевшихся напряжений в бетоне (при натяжении арматуры на бетон). Последнее снижение (во всем сечении или только на уровне рассматриваемой арматуры) может вызываться воздействием на элемент внешних фактических или условных сил. Напряженное состояние сечения при указанных выше напряжениях арматуры и нулевом напряжении в бетоне принимают за исходное, используемое для вывода расчетных формул и для формулировки расчетных условий, в том числе для назначения величин предварительного напряжения арматуры и бетона.
С одной стороны, величина предварительного напряжения в арматуре, контролируемого при изготовлении преднапряженных конструкций, не должна быть слишком низкой, иначе эффект предварительного напряжения будет со временем утрачен вследствие неизбежных потерь этого напряжения. С другой стороны, величина предварительного напряжения не должна быть слишком высокой, иначе возникнет опасность развития остаточных деформаций в арматуре или даже ее разрыва (в случае высокопрочной проволоки). Поэтому величина предварительного напряжения арматуры, (соответствующего нулевым напряжениям в бетоне) принимается ограниченной и снизу, и сверху:
В пределах указанных ограничений целесообразно величину предварительного напряжения выбирать по возможности наибольшей. Выбрав osp, назначают величины начального контролируемого предварительного напряжения. Их назначают таким образом, чтобы конструкции с различными способами натяжения (на упоры и на бетон) работали в одинаковых условиях и могли быть рассчитаны по единой методике.
Напряжения в бетоне в стадии предварительного обжатия. Эффективное использование преимуществ предварительного напряжения зависит не только от правильно назначенного предварительного напряжения арматуры, но и от соответствующих напряжений обжатия, действущих в бетоне. В частности, чрезмерного обжатия приходится избегать в конструкциях, работающих преимущественно на сжатие. В этих условиях предварительное обжатие бетона может повышаться за счет напряжений от внешней эксплуатационной нагрузки, при этом возможно значительное увеличение ползучести бетона, его микро- и даже макроразрушения. Если же созданное предварительное напряжение обжатия бетона уменьшается или по крайней мере не растет при действии внешних нагрузок, величина этого обжатия может назначаться более высокой (табл. 4.1). Для конструкций с натяжением арматуры на бетон допустимые напряжения обжатия приняты сниженными по сравнению со случаем натяжения на упоры. Это снижение обусловлено главным образом тем, что при натяжении на бетон потери от быстронатекающих деформаций ползучести в процессе обжатия бетона сразу же компенсируются дополнительным обжатием. В этих условиях фактические напряжения обжатия могут оказаться в стадии эксплуатации более высокими по сравнению с аналогичными условиями при натяжении на упоры.
Потери предварительного напряжения в процессе изготовления и с течением времени. Искусственно созданные предварительные напряжения в бетоне и арматуре не остаются постоянными, особенно вскоре после их создания. Характер изменения напряжений зависит от ряда причин, предопределяемых свойствами примененных материалов, условиями изготовления конструкций, влиянием окружающей среды и др. При проектировании предварительно напряженных конструкций необходимо заранее предусмотреть возможность изменения напряжений в бетоне и арматуре.
В нормах приведено 11 видов потерь. Однако одновременное проявление всех видов потерь обычно на практике не встречается, и при проектировании учитываются только те потери, которые обусловлены принятым способом изготовления конструкции, ее видом, свойствами примененных в данном случае материалов, температурой и влажностью окружающей среды и т.п. В целях обеспечения унифицированного учета, все потери подразделяются на первые потери при изготовлении элемента и обжатии бетона, и вторые потери после обжатия бетона (табл. 4.2, 4.4). Если вычисленные потери оказываются отрицательными, их принимают равными нулю. Суммарные потери принимаются не менее 100 МПа.
Определение напряжений в бетоне и арматуре. В процессе проектирования предварительно напряженных конструкций необходимо оценивать влияние предварительного напряжения и внешней нагрузки на работу конструкции в различное время, начиная с момента ее изготовления и до достижения ею расчетного предельного состояния. В частности, следует определить: наибольшее сжимающее напряжение в бетоне в стадии обжатия, чтобы предупредить повреждение или разрушение бетона; сжимающее напряжение в бетоне на уровне продольной арматуры для вычисления потерь от ползучести; контролируемое предварительное напряжение в арматуре при ее натяжении на бетон и др. Во всех подобных случаях напряжения определяют по правилам расчета упругих материалов; при этом рассматривают приведенное сечение, включающее сечение бетона с учетом ослабления его каналами, пазами и т. п., а также сечение всей продольной (напрягаемой и ненапрягаемой) арматуры.
Начальные модули упругости арматуры и тяжелого бетона при сжатии и растяжении приведены в СНиП 2.03.1— 84, табл. 18,29.
Напряжения в бетоне определяют при проверке контролируемых напряжений в арматуре предельных напряжений при обжатии, расчете потерь от быстронатекающей ползучести и от ползучести.