2.6 Предварительно напряженный железобетон

2.6.1 Сущность предварительного напряжения

Предварительно напряженными называют такие ЖБК, в которых в процессе изготовления искусственно создают значительные сжимающие напряжения в бетоне натяжением высокопрочной арматуры (рисунок 3.1).

В последние годы применение предварительного напряжения стало одним из основных направлений совершенствования ЖБК. Оно позволяет:

• существенно уменьшить расход стали за счет использования арматуры высокой прочности;

• повысить трещиностойкость конструкций, увеличить жесткость, уменьшить прогибы;

• повысить выносливость конструкций, работающих под воздействием многократно повторяющихся нагрузок (от кранов, автотранспорта и т.п.);

• увеличить срок службы конструкций в агрессивных средах;

• уменьшить расход бетона и снизить массу конструкций;

• расширить область применения железобетона, заменив им дефицитные сталь и дерево в таких конструкциях, как напорные трубопроводы, резервуары, шпалы и т.д.

Р исунок 2.11- Схема создания предварительного напряжения

а –заготовка арматуры; б – вытяжка арматуры;

в – отпуск натяжных устройств; г – упругое обжатие бетона

2.6.2 Способы создания предварительного напряжения

В производстве предварительно напряженных элементов возможны два способа создания предварительного напряжения: натяжение арматуры на упоры и натяжение ее на бетон.

Р исунок 2.12- Натяжение арматуры на упоры

Натяжение на упоры применяют в конструкциях малых и средних пролетов, изготовляемых в заводских условиях. Арматуру заводят в форму до бетонирования элемента, один конец ее закрепляют в упоре, другой натягивают до заданного контролируемого напряжения. После приобретения бетоном необходимой кубиковой прочности перед обжатием R_bp арматуру отпускают с упоров. Стремясь восстановить свою первоначальную длину, арматура обжимает бетон, поскольку имеет с ним надежное сцепление (рисунок 2.12).

Натяжение на бетон применяют главным образом для большепролетных конструкций (ферм, мостов…). В этом случае изготовляют малоармированный или бетонный элемент, в котором устраивают каналы или пазы для размещения напрягаемой арматуры. Каналы имеют размеры на 5…15 мм больше диаметра арматуры и создаются путем укладки тонкостенных трубок, оставляемых в теле конструкции, или с помощью каналообразователей, извлекаемых из свежеуложенного бетона. Затем арматуру натягивают до заданного напряжения и закрепляют на торцах конструкции. В процессе натяжения арматуры происходит обжатие бетона. После этого канал заполняют цементным раствором под давлением (рисунок 2.13).

Р исунок 2.13- Натяжение арматуры на бетон

Натяжение арматуры на упоры производится механическим, электротермическим, электротермомеханическим способами, а на бетон – механическим.

2.7 Три стадии напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов

П ри постепенном увеличении внешней нагрузки можно наблюдать три характерные стадии напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов (рисунок 2.14).

Рисунок 2.14- Стадии напряженно-деформированного состояния

Стадия I – до появления трещин в бетоне растянутой зоны, когда напряжения в бетоне меньше временного сопротивления растяжению и растягивающие усилия воспринимаются арматурой и бетоном совместно.

При малых нагрузках напряжения в бетоне и арматуре невелики, деформации носят упругий характер. Зависимость между напряжениями и деформациями – линейная, эпюры напряжений – треугольные.

Стадия II – после появления трещин в бетоне растянутой зоны, когда растягивающие усилия в местах образования трещин воспринимаются арматурой и участком бетона над трещиной, а на участках между трещинами - арматурой и бетоном совместно.

С дальнейшим увеличением нагрузки в бетоне сжатой зоны развиваются неупругие деформации, эпюра нормальных напряжений искривляется, а ордината максимального напряжения перемещается с края сечения в его глубину.

Стадия III – стадия разрушения, характеризующаяся относительно коротким периодом работы элемента, когда напряжения в растянутой стержневой арматуре достигают физического или условного предела текучести, в высокопрочной проволоке – временного сопротивления, а напряжения в бетоне сжатой зоны – временного сопротивления сжатию.

- Случай 1. Разрушение начинается с арматуры растянутой зоны и заканчивается раздроблением бетона сжатой зоны. Напряжения достигают предела текучести, что приводит к интенсивному раскрытию трещин и увеличению прогиба. Высота сжатой зоны бетона уменьшается, напряжение в сжатой зоне растет и достигает величины R_b, вследствие чего бетон разрушается. Носит пластический характер.

- Случай 2. При избыточном содержании растянутой арматуры разрушение происходит внезапно (хрупкое разрушение) от полного исчерпания несущей способности бетона сжатой зоны. При этом напряжения в арматуре не достигают предела текучести, что характерно для переармированных сечений со слабой сжатой зоной.

Рисунок 2.15- Стадии напряженного состояния изгибаемого

элемента с напрягаемой арматурой

Стадия III положена в основу расчета прочности.

Напряженно-деформированные состояния предварительно напряженных элементов после образования трещин в бетоне растянутой зоны сходны с элементами без предварительного напряжения (рисунок 2.15 ).