19.4. Сущность предварительно напряженных конструкций

 При нагружении железобетонной конструкции в материалах растянутой зоны (бетон и арматура) в результате их совместной деформации возникают растягивающие усилия.

Усилия (F), действующие при осевом растяжении железобетонного элемента без предварительного напряжения в зависимости от величины относительных деформаций (_х) могут быть описаны диаграммой, показанной на рис. 19.6а, из которой видно, что вследствие достаточно малых относительных деформаций (меньших, чем предельная растяжимость бетона e_ctu) усилие в растянутой арматуре растет медленно, демонстрируя ее слабое участие в восприятии внешнего усилия вплоть до появления трещин в бетоне. Бетон, в силу низких упругих свойств, быстро воспринимает внешнее усилие и входит в область сначала упруго-пластических (А–О_Т), а затем и пластических (О_Т–О_В) относительных деформаций. Усилия, действующие при осевом растяжении предварительно напряженного элемента представлены на диаграмме, показанной на рис. 19.6б. Начальное состояние элемента характеризуется действием сжимающего усилия в бетоне F_cp и растягивающего усилия в напрягаемой арматуре F_sp. Пока внешнего растягивающего усилия нет, усилие растяжения в арматуре полностью уравновешено сжимающим усилием в бетоне, т.е. F_sp = F_cp. При приложении к элементу внешней растягивающей силы усилие в арматуре медленно увеличивается по прямой А_рА, в то время как усилие в бетоне быстро убывает по прямой А_сО. Рассматривая эти усилия как внутренние взаимно уравновешенные и не имеющие прямого отношения к усилиям от нагрузки, устанавливаем, что во всем диапазоне деформирования О_рО это усилие F_e непосредственно уравновешивается усилием растяжения арматуры.

 На участке деформирования ОО_Т распределение дополнительных усилий от внешней нагрузки происходит по аналогии с распределением усилий в обычном железобетоне без предварительного напряжения. Таким образом, усилие, приводящее к образованию трещин в предварительно напряженном элементе, составляет:

(19.1)

где F_sp – усилие предварительного растяжения в арматуре;

F_ct – растягивающее усилие, воспринимаемое бетоном после погашения обжатия;

DF_sp – приращение усилия в напрягаемой арматуре после погашения обжатия в бетоне, равное

(19.2)

здесь e_ctu – предельная растяжимость бетона;

A_sp – площадь напрягаемой арматуры;

E_sp – модуль упругости напрягаемой арматуры.

Рис. 19.6. Диаграмма распределения усилий сопротивления осевому растяжению железобетонного (а) и предварительно напряженного элемента (б)

После образования трещин усилие, вызванное внешней нагрузкой, воспринимается арматурой в сечении с трещиной, а также бетоном и арматурой на участках между трещинами подобно тому, как это происходит в обычных железобетонных конструкциях.

Наиболее важным участком деформации элемента является участок эксплуатационных нагрузок, размещаемый обычно в зоне диаграммы О_рО. Это позволяет утверждать, что в предварительно напряженном элементе, работающем без трещин, все усилие от внешней эксплуатационной нагрузки полностью воспринимает напрягаемая арматура. Все сказанное выше о центральном растяжении справедливо и в отношении растянутой зоны изгибаемой конструкции.

В железобетоне арматурная сталь выполняет пассивную роль: она не может воспрепятствовать разрушающему бетон действию нагрузки, но смягчает последствия этого действия после образования трещин. В предварительно напряженном железобетоне арматура выполняет активную роль и инженер создает по собственному желанию силы, оказывающие противодействие усилиям от нагрузок, стремящихся вызвать разрушение конструкции.

Предварительное напряжение железобетонных конструкций позволяет получить следующие эффекты:

–  снизить расход стали благодаря применению арматуры повышенной и высокой прочности при ее эффективном использовании;

–  увеличить сопротивление конструкции образованию трещин в бетоне (трещиностойкость) и ограничение их ширины раскрытия;

–  повысить жесткость конструкции (или снизить ее деформативность), благодаря чему удается перекрывать большие пролеты, возводить сверхвысокие сооружения;

– снизить собственный вес конструкции в результате уменьшения размеров сечений при применении бетонов повышенной прочности и, соответственно, расхода бетона, что в большинстве случаев приводит к снижению стоимости конструкций;

– повысить выносливость конструкций, работающих под воздействием многократно повторяющихся нагрузок;

– увеличить устойчивость сжатых элементов.