2. Материалы для предварительно напряженных конструкций

Для армирования предварительно напряженных конструкций нормы рекомендуют преимущественно применять арматуру классов: при длине элементов до 12 м включительно — At-IV, At-V; при большей длине — В-П, Вр-П и арматурные канаты. Нормы допускают применять и другие классы арматуры (см. па­раграф 2.3.3).

Для предварительно напряженных элементов, выполняемых из тяжелого, мелкозернистого и легкого бетонов, класс прочности бетона следует принимать не менее чем указанный в табл. 7.7.

Прочность бетона в момент передачи на него напряжений от предварительно напряженной арматуры (передаточная прочность бе­тона — R^), назначают не менее 50% от принятого класса бетона.

3. Способы натяжения арматуры

Для создания предварительных напряжений в арматуре приме­няют следующие способы:

• механический — натяжение арматуры выполняется при помо­щи домкратов или натяжных машин;

• электротермический — к стержню арматуры подключается электрический ток, и в результате короткого замыкания происхо­дит его разогрев (до температуры 300—350°С); стержень удлиня­ется и в удлиненном состоянии закрепляется на упорах, при ос­тывании в арматуре возникают напряжения;

• электротермомеханический — комбинация первых двух спо­собов; обычно после разогрева стержня он дотягивается до нужной длины; • физико-химический — с использованием самонапрягающихся бетонов. Такие бетоны увеличиваются в объеме при твердении и натягивают арматуру, т.е. происходит самонапряжение. Чаще всего применяются первые два способа натяжения арматуры.

Для закрепления арматуры на упорах применяют специальные анкерные приспособления. Наиболее простые анкерные устрой­ства для стержневой арматуры показаны на рис. 7.65.

4. Некоторые особенности армирования предварительно напря­гаемых элементов

Наиболее опасной для прочности бетона является зона пере­дачи напряжений на бетон длиной 1_Р (рис. 7.66, а);

(7.48)

где коэффициенты <о_р и \ принимаются по табл. 28 СНиП 2.03.01-84*;

R_bp — передаточная прочность бетона;

a_sp — величина предварительных напряжений в арматуре (см. ниже).

На длине зоны передачи напряжений принимают линейное изменение предварительного напряжения в арматуре от нуля у краев элемента до рабочих напряжений в сечении, расположен­ном на расстоянии 1_Р.

В зоне передачи напряжений от арматуры на бетон необходи­мо дополнительно упрочнять бетон. Это упрочнение производят постановкой дополнительной арматуры в виде арматурных сеток или спиралей. Арматурные сетки ставятся ближе к краю элемен­та вокруг предварительно напряженной арматуры, или предварительно напряженная арматура пропускается через четыре ряда сеток, установленных у торцов элемента либо она за­ключается в спираль, изготовленную из ненапрягаемой арматуры.

д) Напряжения в предварительно напряженной арматуре и по­нятие о расчете

Создаваемые искусственно предварительные напряжения в арматуре и бетоне имеют существенное значение для последующей работы элементов под нагрузкой. Поэтому величина предваритель­ного напряжения арматуры является важнейшей характеристи­кой напряженных элементов и обязательно указывается на рабо­чих чертежах. При небольшом предварительном напряжении в арматуре и, следовательно, малом обжатии бетона эффект предварительного напряжения с течением времени может быть утра­чен вследствие потерь напряжений. При высоких напряжениях в арматуре, близких к сервисному сопротивлению арматуры, в про­волочной арматуре возникает опасность ее разрыва при натяже­нии, а в горячекатаной арматуре появляется опасность развития значительных остаточных (пластических) деформаций.

Напряжением в предварительно напряженной арматуре а₉ и способом его создания задаются перед началом расчета. Ориенти­ровочно напряжение в арматуре принимают (0,6—0,8)R_sxr, где K,ser~ сервисное сопротивление арматуры, равное нормативному сопротивлению арматуры (табл. 2.8). Принятое напряжение дол­жно удовлетворять требованиям:

(7.49)

Значение р при механическом способе натяжения арматуры принимается равным 0,05cj_sp, а при электротермическом и электротермомеханическом способах определяется по формуле

(7.50)

Где р - МПа; L— длина натягиваемого стержня (расстояния между наружными гранями упоров), м.

Как уже отмечалось, созданные в арматуре напряжения с те­чением времени уменьшаются — возникают потери напряжений. Значения потерь напряжений могут достигать 200—250 МПа, их величина зависит от способа изготовления предварительно напря­женной конструкции и других факторов.

При определении некоторых потерь предварительного напряже­ния в арматуре необходимо знать нормальные напряжения обжа­тия бетона. Их определяют по приведенным характеристикам нор­мального сечения как для упругого тела. Приведение выполняют посредством коэффициента а = EJE_b, где Е, — модуль упругости арматуры; E_h — модуль упругости бетона. В общем случае предва­рительно напряженный железобетонный элемент в своем попереч­ном сечении может содержать арматуру, расположенную (рис. 7.67, б) в растянутой зоне бетона (A_s, A_sp — соответственно площадь сече­ния ненапрягаемой и напрягаемой арматуры), и арматуру, распо­ложенную в сжатой зоне бетона (A'_s, A'_sp — соответственно площадь сечения ненапрягаемой и напрягаемой арматуры).

Приведенные характеристики сечения:

• приведенная площадь сечения

• статический момент приведенного сечения относительно ра- | стянутого волокна бетона

! где А — площадь сечения бетона;

S — статический момент площади приведенного сечения отно­сительно крайнего растянутого волокна бетона;

a_s, a'_s, a_sp, d_sp — соответственно для ненапрягаемой арматуры и напрягаемой арматуры — расстояния от центров тяжести армату-! ры до ближайших (верхней или нижней) граней элемента;

• расстояние от крайнего растянутого волокна бетона до цент­ра тяжести приведенного сечения

(7.53)

• момент инерции приведенного сечения

(7.54)

где y_s, У„ y_it>, у\_р — расстояния от центра тяжести приведенного сечения до центров тяжести соответственно ненапрягаемой и на­прягаемой арматуры.

Усилия в предварительно напряженном элементе

После отпуска предварительно напряженной арматуры с упоров или при ее натяжении на бетон в сечениях железобетонного эле­мента возникает усилие предварительного обжатия Р (рис. 7.67, а), которое может рассматриваться как внешняя сжимающая сила, приложенная с эксцентриситетом е_0/, относительно оси, проходя­щей через центр тяжести приведенного сечения. Ее определяют как равнодействующую усилий в арматуре, учитывая, что в ненап­рягаемой арматуре также возникают напряжения (а„ o'_s), вызван­ные усадкой и ползучестью бетона и численно равные потерям напряжения в напрягаемой арматуре от этих факторов:

(7.55)

где a_sp, o_sp — предварительные напряжения в напрягаемой арматуре; a_s, a'_s — предварительные напряжения в ненапрягаемой арма­туре, принимаемые равными: в стадии изготовления — потерям напряжения от быстро натекающей ползучести щ и в стадии транспортирования и эксплуатации — сумме потерь напряжений от усадки и ползучести бетона а₆, а₈, а₉ (потери см. ниже).

Эксцентриситет приложения усилия предварительного обжатия бетона е_0р определяется относительно центра тяжести приведен­ного сечения:

(7.56)

Нормальные напряжения в бетоне от усилия обжатия а_Ьр в об­щем случае определяют как для внецентренно сжатого упругого элемента по приведенному сечению:

(7.57)

где у₀ — расстояние от центра тяжести приведенного сечения до волокна, в котором определяются напряжения; знак «+» прини­мают для определения максимальных напряжений и знак «-» — для определения минимальных напряжений.

Потери напряжений в арматуре

Определение потерь напряжений в арматуре рассмотрим для варианта натяжения арматуры на упоры и ограничимся следующи­ми условиями: упорами служат борта стальной формы; элемент для ускорения твердения подвергается тепловой обработке при атмо­сферном давлении; элемент изготавливается из тяжелого бетона классов В15—В40, предварительно напрягаемая арматура— стержневая, располагается в элементе прямолинейно (отсутствуют огибающие приспособления).

При натяжении арматуры на упоры различают первые потери напряжений — о,,, возникающие до обжатия бетона, и вторые потери — а,₂, возникающие после обжатия бетона (см. табл. 5 СНиП 2.03.01-84*). Первые потери (7.58)

|

где а, — релаксациянапряжений арматуры (уменьшение напря­жений в арматуре с течением времени при постоянной ее длине), (для электротермического способа натяжения стержне­вой арматуры);

о₂ — потери напряжений в результате температурного перепа­да между натянутой арматурой и упорами (температурный пере­пад возникает при пропаривании бетона для его ускоренного твер­дения), а₂ = 1,25А/ (для бетонов классов В15—В40); при отсутствии точных данных принимается Л?=65°С;

а₃ — потери напряжений, возникающие в результате деформа­ций анкеров, расположенных у натяжных устройств; при элект­ротермическом способе натяжения потери от деформаций анке­ров в расчете не учитываются, так как они учтены при определе­нии значения полного удлинения арматуры;

о₄— потери, возникающие в результате трения арматуры об огибающие приспособления (при отсутствии таких приспособле­ний эти потери не возникают);

а₅ — потери, возникающие в результате деформации стальной формы, на которую производят натяжение арматуры; при элект­ротермическом способе натяжения потери от деформации формы в расчете не учитываются, так как они учтены при определении полного удлинения арматуры;

о₆ — потери в результате быстро натекающей ползучести бето­на (возникают в момент передачи напряжений на бетон):

где аир— коэффициенты, принимаемые: а = 0,25+ 0,025 ,но не более 0,8.

Коэффициент точности натяжения арматуры

Значение предварительного напряжения в арматуре вводится в расчет с коэффициентом точности натяжения арматуры, кото­рый определяется по формуле

(7.61)

Знак «плюс» принимается при неблагоприятном влиянии пред­варительного напряжения, знак «минус» — при благоприятном.

Значение Ay_Jy, при механическом способе натяжения армату­ры принимается равным 0,1, а при электротермическом и электротермомеханическом способах натяжения определяется по формуле

(7.62)

7.4.11. Понятие о расчете сборных железобетонных конструкций на монтажные и транспортные нагрузки

Необходимость расчета на усилия, возникающие при подъеме конструкции, транспортировании и монтаже, вызвана тем, что сечение элемента, запроектированное на восприятие усилий, воз­никающих при работе в проектном положении, в ряде случаев может не выдерживать усилий при подъеме, транспортировании и монтаже.

При транспортировании и складировании конструкции укладываются на деревянные прокладки, места расположения которых обычно принимаются под монтажными петлями. В мо­мент перевозки из-за неровностей на дорогах железобетонные элементы испытывают динамические нагрузки, при монтаже конструкция также может испытывать динамические нагрузки, хотя и в меньшей степени, чем при транспортировании. Может также поменяться и сам характер работы конструкции; так, например, колонны при эксплуатации работают на сжатие, а при транспортировании и в момент монтажа испытывают из­гиб, т.е. работают как балки. Если рассматривать работу плит при транспортировании и монтаже, то эта работа обычно так­же отличается от их работы в стадии эксплуатации. Плиты при эксплуатации опираются своими концами, а при транспорти­ровании и монтаже монтажные петли (опорные прокладки) устанавливаются ближе к середине, и при подъеме концы пли­ты консольно свешиваются, что приводит к появлению растя­жения в зонах бетона, которые при эксплуатации испытывают сжатие. Поэтому в сборных железобетонных плитах требуется устанавливать дополнительные (монтажные) сетки, которые воспринимают монтажные растягивающие напряжения. Эти сетки не нужны в монолитных плитах, так как они сразу изго­тавливаются в рабочем положении.

На примере колонны рассмотрим принцип расчета на монтаж­ные и транспортные нагрузки. При расчете элементов на монтаж­ные и транспортные нагрузки учитывается нагрузка от веса эле­мента, взятая с коэффициентом динамичности (коэффициент динамичности при транспортировании принимается равным 1,6, а при монтаже 1,4).

Колонна транспортируется на прокладках, которые отстоят от ее торцов обычно на расстоянии /, = ('/₅—'/₈)/(рис. 7.68, а). Нагруз­ка, возникающая при транспортировании от веса колонны, взя­того с коэффициентом динамичности q= 1,6Му_ж6, где у_ж6 — удель­ный вес железобетона (для тяжелого бетона у_ж6 = 25 кН/м³).

При транспортировании колонна испытывает изгиб, в ней возникают опорные М_ои и пролетные М_пр моменты, которые определяются по формулам:

Для монтажа колонна поднимается из горизонтального поло­жения, и в начальный момент подъема она испытывает наиболь­шие усилия (рис. 7.68, б). Возникающие в ней изгибающие момен­ты определяются от веса колонны, который принимается с соот­ветствующим коэффициентом динамичности q = 1,4Му_жб, где у_жб —удельный вес железобетона.

Изгибающие моменты, возникающие при монтаже, определя­ют по формулам:

Нормальные сечения колонны, расположенные в месте дей­ствия пролетного момента, имеют растянутую зону, находящуюся в нижней части колонны, а сечения, расположенные в месте дей­ствия опорных моментов, имеют растянутую зону в верхней час­ти колонны (рис. 7.69).

Соответственно, часть арматуры колонны, которая попадает в растянутую зону бетона Д., обеспечивает ее прочность на действие изгибающих моментов.

Несущая способность колонны определяется как для изгиба­емого элемента в следующей последовательности:

• находят значение коэффициента

• по табл. 7.5 определяют коэффициент Д,;

• находят момент, который способна воспринять колонна (мо­мент сечения):

М_сечен = A₀R„bho;

• сравнивают момент сечения с моментами, возникающими при транспортировании и монтаже, и если Л/_сечен > М, где М— максимальные моменты при подъеме, транспортировании или монтаже, то прочность обеспечена. В случае не обеспечения проч­ности следует увеличить сечение арматуры.

7.4.12. Расчет изгибаемых железобетонных элементов по второй группе предельных состояний