1. Суть предварительного напряжения и предпосылки для расчета

В обычных железобетонных конструкциях (выполненных без предварительного напряжения) есть два крупных недостатка, ко­торые резко ограничивают область их применения. Во-первых, в растянутых зонах обычных железобетонных конструкций обя­зательно присутствуют трещины даже при относительно неболь­ших нагрузках. Во-вторых, применение арматуры, изготовленной из высокопрочных сталей, без предварительного напряжения не дает возможности полностью использовать ее несущую способность. Раннее раскрытие трещин в ненапрягаемых железобетон­ных конструкциях, работающих на изгиб и растяжение, приводит к тому, что к моменту достижения рабочих напряжений в арма­туре, в бетоне появляются чрезмерные «зияющие» трещины. Эти недостатки преодолеваются предварительным напряжением высо­копрочной арматуры в железобетоне. При предварительном на­пряжении достигается полное использование несущей способно­сти высокопрочной арматуры, и при этом можно получить эко­номию металла, так как чем прочнее арматура, тем меньше ее требуется для обеспечения прочности.

Предварительно напряженными железобетонными конструкци­ями называются конструкции, в которых искусственно, на стадии изготовления, создаются напряжения за счет натяжения армату­ры и последующего обжатия бетона. Предварительно созданные в железобетонном элементе напряжения по знаку противодействуют напряжениям, возникающим от внешних нагрузок, что приводит к частичной или полной компенсации рабочих напряжений.

Предварительно напряженными выполняются железобетонные элементы, работающие на растяжение, внецентренное сжатие, из­гиб. Так, в растянутых элементах (рис. 7.62) от внешней нагруз­ки возникают растягивающие напряжения, а от предварительно­го напряжения арматуры, которое передается на бетон, в бетоне возникают сжимающие напряжения. Эти напряжения с разными знаками, и они компенсируют друг друга, тем самым уменьшает­ся ширина раскрытия трещин, или трещины вообще не возника­ют. В изгибаемых элементах сила предварительного обжатия при­кладывается не по центру тяжести сечения, а с эксцентриситетом е_0р, что вызывает появление изгибающего момента (момента от предварительного обжатия), который частично или полностью компенсирует изгибающий момент, вызванный внешними сила­ми (рис. 7.63), и как следствие — повышается трещиностойкость конструкций и уменьшаются прогибы.

Итак, изготовление предварительно напряженных железобе­тонных конструкций сложнее, чем конструкций без предваритель­ного напряжения арматуры, но они позволяют использовать бо­лее прочные арматурные стали, за счет чего расход стали в пред­варительно напряженных элементах меньше, чем в ненапрягаемых элементах. При этом обеспечивается повышенная трещиностой­кость и уменьшаются прогибы элементов. Поэтому предваритель­ное напряжение наиболее рационально для конструкций, в кото­рых все сечение или его часть растянуты (напорные железобетон­ные трубы, стенки резервуаров, затяжки арок, растянутые элементы ферм, ригели рам, плиты, балки и другие элементы).

В центрально-растянутом предварительно напряженном элемен­те созданная сила предварительного обжатия бетона Р противо­действует внешней нагрузке N, и, когда они равны, напряжения в бетоне будут равны нулю; на этом этапе работы трещин в бето­не элемента не образуется.

В изгибаемых элементах сила предварительного обжатия бетона Р вызывает появление внутреннего изгибающего момента, кото­рый противодействует внешнему изгибающему моменту М, воз­никающему от внешних нагрузок (рис. 7.63).

Предварительно напряженные железобетонные элементы мо­гут изготавливаться с натяжением арматуры на упоры, как это изображено на рис. 7.62 (упорами часто служат борта стальных форм) и с натяжением арматуры на бетон. В случае натяжения арматуры на бетон сначала выполняется слабоармированный же­лезобетонный элемент, в котором оставляются каналы для про­пуска предварительно напрягаемой арматуры. Затем через канал пропускается арматура, один конец ее закрепляется в торце же­лезобетонного элемента и арматура натягивается, в натянутом состоянии закрепляется второй конец арматуры. После этого ка­налы заполняются цементным раствором (рис. 7.64).

Аналогично можно изготавливать железобетонные резервуары, напорные трубы, натягивая (навивая) арматуру на заранее изго­товленные железобетонные элементы (навивка осуществляется при помощи навивочных машин) и впоследствии закрывая ее сло­ем бетона, наносимым под давлением (торкретируя).

Наибольшее распространение при создании предварительно напряженных железобетонных конструкций получил способ на­тяжения арматуры на упоры.