21. Обычный и предварительно напряженный железобетон

Стремление устранить основные недостатки обычного железобетона — образование трещин в растянутой зоне даже при эксплуатационных нагрузках и невозможность применения для армирования высокопрочных сталей,— привело к созданию более технически совершенных предварительно напряженных железобетонных конструкций.

Основная идея таких конструкций заключается в создании искусственным путем при изготовлении элемента предварительного обжатия бетона, или предварительных сжимающих напряжений в бетоне, в результате чего растягивающие напряжения, возникающие при эксплуатационных нагрузках, гасятся предварительным сжатием бетона, и элемент получает возможность работать на растягивающие усилия без образования трещин.

Для выяснения сущности предварительно напряженных конструкций проследим за изготовлением простейшего предварительно напряженного железобетонного элемента квадратного сечения, который в эксплуатационных условиях должен работать на растяжение.

В форму, имеющую на торцах жесткие упоры, закладывается по середине высоты стальной стержень (арматура), несколько большей длины, чем длина элемента. Концы стержня снабжаются анкерным устройством в виде специальных зажимов или гаек с шайбами. Затем стержень растягивают при помощи гидравлических домкратов до напряжения, равного

0,60—0,70 от предела прочности, и в таком состоянии закрепляют при помощи гаек цли зажимов. В результате стержень получит удлинение, соответствующее данному предварительному напряжению растяжения.

Если его в таком нагретом состоянии заанкерить на торцевых упорах, то после остывания он будет испытывать растягивающее усилие, соответствующее полученному при нагреве удлинению.

После этого производится бетонирование элемента.

По достижении бетоном проектной прочности зажимы на торцах стержня освобождают. Тогда стержень будет стремиться укоротиться до своей прежней длины. Однако этому будет препятствовать сцепление стального стержня с бетоном, в результате чего в бетоне возникнут напряжения сжатия, одинаковые по величине для всех точек поперечного сечения ввиду центрального расположения арматуры. Таким образом, мы получили железобетонный элемент, к которому никаких внешних сил не приложено, но бетон испытывает сжимающие, а арматура — растягивающие напряжения. Если к такому элементу приложить эксплуатационную нагрузку, то растягивающие напряжения от этой нагрузки будут гаситься предварительными напряжениями сжатия. Путем расчета можно назначить такое сечение элемента и количество арматуры, при которых эксплуатационная внешняя нагрузка Р или вообще не будет вызывать растяжения в бетоне,бетоны повышенных марок — не ниже 300, а чаще марки 400 и 500. Это обстоятельство позволяет несколько снизить размеры сечения элементов по сравнению с обычными железобетонными конструкциями.

Для предварительно напряженных конструкций можно применять высокопрочные стали, так как натяжение арматуры производится до приложения внешней нагрузки и возникающие в арматуре значительной величины растягивающие напряжения не вызывают образование трещин в бетоне, что имеет место в обычных железобетонных конструкциях.

Таким образом, предварительно напряженные железобетонные конструкции обладают целым рядом преимуществ (по сравнению с обычным железобетоном), которые в основном сводятся к следующим:

а) трещиностойкость предварительно напряженных конструкций, что определяет и их большую долговечность;

б) возможность рационального использования высокопрочных сталей и, как следствие, значительная экономия металла;

в) облегчение конструкций за счет применения бетонов более высоких марок;

г) повышенная жесткость, т. е. меньшие прогибы конструкций вследствие отсутствия волосяных трещин и полученных при предварительном натяжении арматуры деформаций (прогибов), обратных по направлению деформациям от внешних нагрузок.