Предварительное напряжение бетона. Предварительно напряжённый железобетон. Способы создания предварительного напряжения

Бетон напрягающий

Основу напрягающего цемента составляет портландцементный клинкер (около 2/3 состава), к к-рому при помоле добавляют повыш. по сравнению с портландцементом кол-во гипса, а также дополнительно высокоалюминатные шлаки, являющиеся, как правило, отходами металлургия, пром-сти. Объемное расширение цементного камня обусловлено образованием в процессе его гидратации гидро-сульфоалюмината кальция (т.н. "цементной бациллы"), имеющего объем больший, чем сумма объемов исходных компонентов.

Различают т.н. свободное расширение, когда цементному камню, напрягающему цементу и бетону на его основе не препятствуют внешн. ограничения в виде смешанных элементов конструкций (в стыке, шве), связанной с ним сцеплением или анкерами арматуры, либо противодействующих внешн. сил. При наличии таких ограничений или воздействий имеет место связанное расширение. В этом случае цементный камень или бетон развивает давление на препятствие, проявляющееся в виде распора в швах и стыках или растяжения арматуры независимо от ее направления в бетоне.

Свободное расширение контролируют, как правило, только при произ-ве напрягающего цемента как более чувствит. показатель, оно составляет 0,2-2,5%. Связанное расширение контролируют при произ-ве цемента (в цементно-песчаном р-ре 1:1), фиксируя его в виде марки по самонапряжению - НЦ-10, НЦ-20, НЦ-30 и НЦ-40 (соответственно самонапряжение не менее 0,7, 2, 3 и 4 МПа), а также для определения фактич. марки бетона по самонапряжению, когда она предусмотрена в проекте конструкции.

Связанное расширение помимо энер-гетич. св-в цемента и бетона зависит от степени ограничения расширения, поэтому испытания Б.н. проводят на стандартных образцах-призмах размерами от 4х4х 16 см для цемента до 1 Ох 10x40 см для бетона, используя стандартные динамо-метрич. кондукторы соответствующего типоразмера, создающие в отформованных в них образцах упругое сопротивление расширению, эквивалентное наличию в образцах продольного армирования 1 %.

Подбор состава Б.н. по прочности на сжатие не отличается от подбора состава обычного бетона на портландцементе, однако расход вяжущего может быть снижен практически на 10%. Могут быть получены бетоны классов В15-В40 и выше. При одинаковой прочности бетона на сжатие Б.н. имеет прочность при растяжении на 20% выше, чем бетон на портландцементе. Существует ряд марок по самонапряжению от Sp0,6 до Sp4 (в МПа).

Для получения заданной проектной марки по самонапряжению необходимо учитывать не только активность напрягающего цемента по самонапряжению, но и расход вяжущего, водоцементное отношение и в нек-рых случаях влажностные условия твердения.

Бетон напрягающий характеризуется маркой по водонепроницаемости не ниже W12, в связи с чем в выполняемых из него конструкциях не требуется устройства гидроизоляции и во мн. случаях антикорроз. защиты.

Существует разновидность Б.н. - бетон с компенсированной усадкой, отличающийся тем, что при сохранении всех остальных св-в в нем не нормируется марка по самонапряжению. Для изготовления такого бетона применяют, как правило, напрягающий цемент марок НЦ-10 или НЦ-20. Бетон с компенсиров. усадкой целесообразно применять взамен обычного бетона на портландцементе практически для всех конструкций, что обеспечивает компенсацию усадки и ее отрицат. последствий как на этапе изготовления конструкций (от образования технологич. трещин), так и при эксплуатации.

Технологич. св-ва Б.н. сходны со св-вами бетона на портландцементе, однако при повыш. темп-рах (30 °С и выше) наблюдается тенденция к более заметному ускорению твердения (набору прочности) и, частично, схватыванию смеси. Это позволяет сократить продолжительность и снизить темп-ру тепловлажностной обработки изделий заводского изготовления. Сроки схватывания бетонов и растворов на напрягающем цементе регулируются в широких пределах: от ускорения схватывания до 1-2 мин, что применяется для остановки протечек при ремонте конструкций под гидростатич. напором, до удлинения схватывания до 2-3 ч (при необходимости длит, транспортировки смеси). Для этого добавляют ускорители и пластификаторы, а также используют метод т.н. предварит, частичной гидратации, заключающийся в предварит, перемешивании (до затворения) напрягающего цемента с частично увлажненным заполнителем либо двухстадийном перемешивании смеси. Учитывая особенности Б.н., его применение особенно эффективно в конструкциях, к к-рым предъявляются требования повыш. водонепроницаемости и трещино-стойкости (в т.ч. при использовании подвижных смесей), спец. гидроизоляции в этом случае не требуется. Это сборные и монолитные емкостные, подземные конструкции разл. назначения и стыки в них, трубы напорные и безнапорные, транспортные и коммуникац. тоннели, безрулонные кровли, покрытия полов, дорог, аэродромов и автодорожных мостов, а также основания искусств, конькобежных дорожек и ледовых полей без швов или с увелич. расстоянием между ними, элементы объемного домостроения. Применяют Б.н. для герметизации и защиты от источников ра-диац. излучений, а также для изготовления предварительно напряж. конструкций с целью компенсации потерь напряжений от усадки и др. видов конструкций и сооружений, в т.ч. ж.-бет. конструкций массового произ-ва, взамен обычного бетона как тяжелого, так и легкого.

Под предварительно напряженными понимают железобетонные конструкции, элементы, изделия, в которых предварительно, т. е. в процессе изготовления, искусственно созданы в соответствии с расчетом начальные напряжения растяжения в части или во всей рабочей арматуре и обжатие всего или части бетона .

Обжатие бетона в предварительно напряженных конструкциях на заданную величину осуществляется предварительно натянутой арматурой, стремящейся после отпуска натяжных устройств возвратиться в первоначальное состояние (рис. 14). При этом проскальзывание арматуры в бетоне исключается их взаимным естественным сцеплением, а при недостаточности естественного сцепления - специальной искусственной анкеровкой торцов арматуры в бетоне. Начальное предварительное напряжение арматуры, создаваемое в результате искусственного натяжения арматуры, после отпуска натяжных устройств снижается за счет относительного упругого обжатия бетона.

С течением длительного времени потери предварительного напряжения арматуры существенно увеличиваются за счет усадки и ползучести бетона и арматуры, релаксации напряжений арматуры и многих других факторов.

Сущность предварительно напряженных железобетонных конструкций нетрудно проследить, например, посредством сопоставления диаграмм, центральнорастянутых элементов соответственно с напрягаемой и ненапрягаемой арматурой (рис. 15). Арматура, стараясь возвратиться в первоначальное положение, обжимает бетон с напряжением (рис, 15, б ).

При этом образец (рис. 15, в) сожмется на величину упругого обжатия бетона (для большей наглядности принимаем, что потери предварительного напряжения арматуры от усадки и ползучести бетона, ползучести арматуры, релаксации напряжений стали еще не успели проявиться).

Установившееся предварительное напряжение растяжения в арматуре, (рис. 15, а, точка 2), будет уравновешиваться напряжением предварительного обжатия бетона (рис. 15, б и в).

С этими предварительными напряжениями в арматуре и в бетоне железобетонный элемент (см. рис. 15, в) поступает на строительную площадку.

Рассмотрим принципиальное отличие предварительно напряженных конструкций от конструкций без предварительного напряжения.

Еще до приложения внешней нагрузки в арматуре предварительно напряженных конструкций действуют значительные предварительные напряжения растяжения (см. рис. 15, а, точка 2), обжимающие бетон элементов (см. рис. 15, б и в).

Внешняя растягивающая сила N (рис. 15, г) вызывает относительное удлинение предварительно напряженного элемента. Вследствие этого предварительное обжатие бетона погасится.

С возрастанием внешней нагрузки N будет возрастать е вплоть до величины упругого обжатия бетона.

При величине внешней силы N, равной силе предварительного напряженияарматуры (рис. 15, д), происходит полное погашение предварительного обжатия бетона. С дальнейшим возрастанием внешней нагрузки в бетоне появятся растягивающие напряжения, которые будут возрастать вплоть до расчетного сопротивления (предела прочности бетона на растяжение) (рис 15, е), точно так же, как и в железобетонных элементах (см. рис. 15, а, кривая III), без предварительного напряжения. Как только относительное удлинение бетона достигнет предельной величины, в предварительно напряженном элементе, как и в железобетонном элементе без предварительного напряжения, появится трещина.

Следовательно, трещиностойкость предварительно напряженных конструкций в 2…3 раза больше трещиностойкости железобетонных конструкций без предварительного напряжения. Это обусловлено тем, что предварительное обжатие арматурой бетона, значительно превосходит предельную деформацию натяжения бетона. Точка 9 характеризует образование трещин в железобетонных конструкциях, а точка 11 — в предварительно напряженных конструкциях.

Чем выше натяжение арматуры и сильнее обжатие бетона, тем меньше участок 12... 13, на котором происходит образование и раскрытие трещин. При совпадении точек 12 и 13 трещины в предварительно напряженном элементе не образуются вплоть до разрыва арматуры. При растяжении железобетонного элемента бетон может деформироваться совместно с арматурой только в пределах участка 0...9 (см. рис. 15, а), а на протяжении участка 9...13 и далее в нем происходит образование новых трещин и раскрытие старых.

Прочность предварительно напряженных конструкций не зависит от величин предварительного напряжения арматуры. Вот почему расчет на прочность любых предварительно напряженных конструкций ничем не отличается от расчета на прочность железобетонных конструкций без предварительного напряжения.

Все сказанное позволяет заключить, что природа предварительно напряженных конструкций та же, что и железобетонных конструкций без предварительного напряжения. Создание предварительных напряжений растяжения в арматуре и обжатия бетона до приложения эксплуатационных нагрузок не оказывает значительного влияния на основные физико-механические свойства железобетона.

Предварительно напряженные конструкции являются общим видом железобетонных конструкций, а железобетонные конструкции без предварительного напряжения являются всего лишь их частным случаем. При этом необходимо иметь в виду, что предварительное обжатие бетона существенно повышает трещиностойкость наклонных сечений и границу переармирования и заметно может понизить прочность сжатой зоны сечения.

Преимущества.

В предварительно напряженных конструкциях представляется возможность использовать высокоэкономичную стержневую арматуру повышенной прочности и высокопрочную проволочную арматуру, позволяющих в среднем до 50% сокращать расход дефицитной стали в строительстве. Предварительное обжатие растянутых зон бетона значительно отдаляет момент образования трещин в растянутых зонах элементов, ограничивает ширину их раскрытия и повышает жесткость элементов, практически не влияя на их прочность.

Предварительно напряженные конструкции часто оказываются экономичными для зданий и сооружений с такими пролетами, нагрузками и условиями работы, при которых применение железобетонных конструкций без предварительного напряжения технически невозможно или вызывает чрезмерно большой перерасход бетона и стали для обеспечения требуемой жесткости и несущей способности конструкций. Применение предварительного напряжения позволяет наиболее рационально выполнять стыки сборных элементов конструкций, обжимая их напрягаемой арматурой. При этом существенно сокращается расход дополнительного металла в стыках или совсем отпадает необходимость в его применении.

Предварительное напряжение позволяет расширить использование сборных и сборно-монолитных конструкций составного течения, в которых бетон повышенной прочности применяется только в заранее изготовленных предварительно напряженных элементах, а основная или значительная часть конструкций выполняется из тяжелого или легкого бетона, не подвергаемого предварительному напряжению.

Предварительное напряжение, увеличивающее сопротивление конструкций образованию трещин, повышает их выносливость при работе на воздействие многократно повторяющейся нагрузки. Это объясняется уменьшением перепада напряжений в арматуре и бетоне, вызываемого изменением величины внешней нагрузки. Правильно запроектированные предварительно напряженные конструкции безопасны в эксплуатации, так как показывают перед разрушением значительные прогибы, предупреждающие об аварийном состоянии конструкций.

С возрастанием процента армирования сейсмостойкость предварительно напряженных конструкций во многих случаях повышается (особенно при тавровых сечениях с полкой в сжатой зоне и легких бетонах). Это объясняется тем, что благодаря применению более прочных и легких материалов сечения предварительно напряженных конструкций в большинстве случаев оказываются меньшими по сравнению с железобетонными конструкциями без предварительного напряжения той же несущей способности, а следовательно, более гибкими и легкими. Повышению сейсмостойкости способствует также пространственная работа зданий и сооружений в целом, получаемая обжатием их отдельных частей предварительно напряженной арматурой. Наиболее сейсмостойкими являются напряженные конструкции, обладающие существенным превышением несущей способности над пределом трещиностойкости.

Недостатки.

Железобетонным конструкциям с предварительно напряженной арматурой присущи следующие основные недостатки.

Предварительно напряженные конструкции характеризуются повышенной трудоемкостью проектирования и изготовления. Они требуют большей тщательности в расчете и конструировании, при изготовлении, хранении, транспортировании и монтаже, так как еще до приложения внешних нагрузок в сечениях их элементов могут возникнуть недопустимые сжимающие или растягивающие напряжения, способные привести в аварийное состояние. Например, в торцах предварительно напряженных конструкций при сосредоточенном и неравномерном приложении усилий обжатия могут возникнуть продольные трещины, существенно снижающие их несущую способность. Если не учитывать специфические особенности создания предварительного напряжения, то условия работы под нагрузкой всей конструкции или отдельных ее частей могут ухудшаться.

Большие усилия, передаваемые напрягаемой арматурой на бетон конструкции в момент отпуска натяжных устройств, могут привести к полному разрушению ее в процессе обжатия или местному повреждению, к проскальзыванию напрягаемой арматуры вследствие нарушения ее сцепления с бетоном. Поэтому нормы требуют в обязательном порядке тщательно проверять прочность предварительно напряженных конструкций в стадии обжатия, при хранении, транспортировке и монтаже и выполнять предусмотренные конструктивные требования. Предварительно напряженные конструкции требуют усложнения и повышения металлоемкости опалубки, трудоемкости армирования, увеличения расхода металла на закладные детали и на монтажную арматуру.

За счет применения материалов повышенной прочности масса предварительно напряженных конструкций оказывается значительно меньше массы железобетонных конструкций без предварительного напряжения, однако она остается выше массы металлических и особенно деревянных конструкций. Широкое внедрение в практику строительства конструкций из легких и ячеистых бетонов, армоцемента, ажурных тонкостенных пространственных, сетчатых и висячих конструкций позволяет значительно приблизить массу предварительно напряженных конструкций к массе металлических конструкций.

Большая тепло- и звукопроводность железобетона требует усложнения конструкции и дополнительного применения прокладок из тепло- и звукоизолирующих материалов.

Усиление предварительно напряженных конструкций не сложнее усиления железобетонных конструкций, но значительно сложнее усиления стальных и особенно деревянных конструкций. Производство работ по усилению предварительно напряженных конструкций отличается большой сложностью, трудоемкостью и стоимостью.

Предварительно напряженные конструкции несгораемы, но их огнестойкость ниже огнестойкости железобетонных конструкций без предварительного напряжения. Это связано с тем, что критические температуры, до которых возможно безопасное нагревание предварительно напряженной арматуры, ниже по сравнению с ненапрягаемой арматурой. Например, прочность высокопрочной проволоки, подвергнутой холодной обработке (имеющей наклеп), начиная с температуры 200°С, заметно понижается и при 600°С составляет около 2/3 первоначальной прочности. Стержневая арматура периодического профиля, упрочненная вытяжкой, теряет наклеп при температуре свыше 400 °С. Таким образом, при пожаре огнестойкость предварительно напряженных конструкций окажется обеспеченной, если не будет превышена критическая температура для данного типа арматуры. Достичь этого возможно только при увеличении защитного слоя бетона.

Нормы допускают применение предварительно напряженных конструкцийизтяжелого и легкого бетона на цементном вяжущем при систематическом периодическом воздействии повышенных (температура нагрева не должна изменяться более одного раза в сутки на 30°С и одного раза в неделю — на 100°) и стационарном воздействии технологических температур до 200°С. При больших температурах рекомендуется применение жаростойкого железобетона.

Предварительно напряженные конструкции отличаются недостаточной коррозийной стойкостью .

Коррозия цементного камня в бетоне может происходить за счет:

1) выщелачивания из него извести мягкими водами, обусловливающего образование на поверхности бетона белых подтеков («белая смерть» бетона);

2) образования растворимых и уносимых водой продуктов, связанных с обменными реакциями при действии на бетон растворов кислот и некоторых солей;

3) образования кристаллизующихся солей в порах и капиллярах бетонных элементов, например при действии растворов сульфатов, приводящих к растрескиванию элементов (цементная бацилла). Все три вида коррозии цементного камня снижают защитные свойства бетона по отношению к арматуре и могут вызвать опасную коррозию арматуры.

Коррозия арматуры может вознинуть также вследствие недостаточного содержания цемента в бетоне, наличия в нем вредных добавок (например, поваренной соли), раскрытия трещин более 0,4 мм, недостаточной толщины защитного слоя, малой плотности бетона. Коррозийные поражения резко снижают несущую способность и пластические свойства высокопрочной арматуры, вызывают растрескивание термически упрочненной арматуры, что вызывает внезапное хрупкое разрушение предварительно напряженных конструкций.

Основные мероприятия по защите железобетона от коррозии сводятся к следующему:

Предупреждение образования трещин или ограничение их раскрытия;

Ограничение степени агрессивности окружающей среды;

Применение плотных и водонепроницаемых бетонов на специальных сульфатостойких цементах;

Защита поверхностей разнообразными полимерными материалами, кислотоупорной штукатуркой, керамической облицовкой, оклеечной и обмазочной изоляцией;

Перерасход арматуры до 10...20%; увеличение защитного слоя бетона до 25 мм.

Нефть и ее погоны уменьшают сопротивление бетона растяжению, сжатию и сцепление с арматурой, вследствие чего бетон становится проницаемым для жидкостей.

Растительные и животные масла и жиры, особенно прогорклые, содержат жирную кислоту, которая омыляет известь бетона и образует разрушающее бетон известковое мыло.

Сахар, сиропы, патока образуют с известью растворимые соли — сахараты, которые быстро разрушают свежий бетон.

Спирты сами по себе не вредны, но извлекая из бетона воду, высушивают его и прекращают процесс твердения. Перечисленные основные недостатки железобетонных конструкций незначительны по сравнению с их многочисленными крупными достоинствами. Отрицательное влияние многих недостатков может быть существенно снижено высококачественными проектированием, изготовлением, монтажом и эксплуатацией железобетонных конструкций.

Вот почему, несмотря на короткую историю развития (~ 135 лет), они получили массовое распространение при строительстве самых ответственных и уникальных зданий и сооружений. Нет ни одной области капитального строительства, в которой с успехом не могли бы быть использованы современные железобетонные конструкции и особенно предварительно напряженные. При правильной эксплуатации железобетонные конструкции могут служить длительное время без снижения несущей способности, потому что прочность бетона возрастает с течением времени и он надежно защищает арматуру от коррозии.

Современные методы карксного строительства используют технологию предварительного напряжения железобетонных конструкций. Преднапряженные конструкции - железобетонные конструкции, напряжение в которых искусственно создаётся во время изготовления, путём натяжения части или всей рабочей арматуры (обжатия части, или всего бетона).

Обжатие бетона в преднапряженных конструкциях на заданную величину осуществляется посредством натяжения арматурных элементов, стремящихся после их фиксации и отпуска натяжных устройств возвратиться в первоначальное состояние. При этом, проскальзывание арматуры в бетоне исключается их взаимным естественным сцеплением, или без сцепления арматуры с бетоном – специальной искусственной анкеровкой торцов арматуры в бетоне.

Трещиностойкость преднапряженных конструкций в 2 – 3 раза больше трещиностойкости железобетонных конструкций без предварительного напряжения. Это обусловлено тем, что предварительное обжатие арматурой бетона, значительно превосходит предельную деформацию натяжения бетона.

Преднапряженный бетон позволяет в среднем до 50% сокращать расход дефицитной стали в строительстве. Предварительное обжатие растянутых зон бетона значительно отдаляет момент образования трещин в растянутых зонах элементов, ограничивает ширину их раскрытия и повышает жесткость элементов, практически не влияя на их прочность.

Преимущества технологии преднапряжения железобетона

Преднапряженные конструкции оказываются экономичными для зданий и сооружений с такими пролетами, нагрузками и условиями работы, при которых применение железобетонных конструкций без предварительного напряжения технически невозможно, или вызывает чрезмерно большой перерасход бетона и стали для обеспечения требуемой жесткости и несущей способности конструкций.

Предварительное напряжение, увеличивающее жесткость и сопротивление конструкций образованию трещин, повышает их выносливость при работе на воздействие многократно повторяющейся нагрузки. Это объясняется уменьшением перепада напряжений в арматуре и бетоне, вызываемого изменением величины внешней нагрузки. Правильно запроектированные преднапряженные конструкции и здания безопасны в эксплуатации и более надежны, особенно в сейсмических зонах. С возрастанием процента армирования сейсмостойкость предварительно напряженных конструкций во многих случаях повышается. Это объясняется тем, что благодаря применению более прочных и легких материалов сечения преднапряженных конструкций в большинстве случаев оказываются меньшими по сравнению с железобетонными конструкциями без предварительного напряжения той же несущей способности, а, следовательно, более гибкими и легкими.

В большинстве развитых зарубежных стран из предварительно напряженного железобетона во все возрастающих объемах изготавливают конструкции перекрытий и покрытий зданий различного назначения, значительную часть изделий, используемых в инженерных сооружениях и в транспортном строительстве; появились производства элементов наружного архитектурного оформления зданий.

Мировой опыт использования технологии преднапряжения

В мире монолитный железобетон большей частью является предварительно напряженным. В первую очередь, таким способом возводятся большепролетные сооружения, жилые здания, плотины, энергетические комплексы, телебашни и многое другое. Телебашни из монолитного преднапряженного железобетона выглядят особенно эффектно, став достопримечательностями многих стран и городов. Телебашня в Торонто является самым высоким в мире отдельно стоящим железобетонным сооружением. Ее высота 555 м.

Поперечное сечение башни в виде трилистника оказалось весьма удачным для размещения напрягаемой арматуры и бетонирования в скользящей опалубке. Ветровой опрокидывающий момент, на который рассчитана эта башня, составляет почти полмиллиона тоннометров при собственном весе наземной части башни чуть более 60 тыс. т.

В Германии и в Японии из монолитного преднапряженного железобетона широко строятся резервуары яйцевидной формы для очистных сооружений. К настоящему времени такие резервуары возведены суммарной емкостью более 1,2 млн.куб.м. Отдельные сооружения этого типа имеют емкость от 1 до 12 тыс.куб.м.

За рубежом все более широкое применение находят монолитные перекрытия увеличенного пролета с натяжением арматуры на бетон. Только в США таких конструкций ежегодно возводится более 10 млн.куб.м. Значительный объем таких перекрытий сооружается в Канаде.

В последнее время напрягаемая арматура в монолитных конструкциях все чаще применяется без сцепления с бетоном, т.е. не производится инъецирование каналов, а арматуру от коррозии или защищают специальными защитными оболочками, или обрабатывают антикоррозионными составами. Таким образом возводятся мосты, большепролетные здания, высотные сооружения и другие подобные объекты.

Помимо традиционных строительных целей монолитный предварительно-напряженный железобетон нашел широкое применение для корпусов реакторов и защитных оболочек атомных электростанций. Суммарная мощность АЭС в мире превышает 150 млн. кВт, из них мощность станций, корпуса реакторов и защитные оболочки которых построены из монолитного преднапряженного железобетона, составляет почти 40 млн. кВт. Защитные оболочки для реакторов АЭС стали обязательными. Именно отсутствие такой оболочки явилось причиной чернобыльской катастрофы.

Ярким примером строительных возможностей преднапряженного железобетона являются морские платформы для добычи нефти. В мире таких грандиозных сооружений возведено более двух десятков.

Построенная в 1995 г. в Норвегии платформа "Тролл" имеет полную высоту 472 м, что в полтора раза выше Эйфелевой башни. Платформа установлена на участке моря с глубиной более 300 м и рассчитана на воздействие ураганного шторма с высотой волны 31,5 м. На ее изготовление было израсходовано 250 тыс.куб.м. высокопрочного бетона, 100 тыс. т обычной стали и 11 тыс. т напрягаемой арматурной стали. Расчетный срок службы платформы 70 лет.

Традиционно обширной областью применения предварительно напряженного железобетона является мостостроение. В США, например, сооружено более 500 тысяч железобетонных мостов с различными пролетами. За последнее время там построено более двух десятков вантовых мостов длиной 600-700 м с центральными пролетами от 192 до 400 м. Из предварительно-напряженного железобетона сооружаются внеклассные мосты, которые строятся по индивидуальным проектам. Мосты пролетом до 50 м возводятся в сборном варианте из железобетонных преднапряженных балок.

Мост "Нормандия"

Достижения в мостостроении из преднапряженного железобетона имеются и в других странах. В Австралии, в г. Брисбен, построен балочный мост с центральным пролетом 260 м, наибольшим среди мостов этого типа. Вантовый мост "Баррнос де Луна" в Испании имеет пролет 440, "Анасис" в Канаде - 465, мост в Гонконге - 475 м. Арочный мост в Южной Африке имеет наибольший пролет - 272 м. Мировой рекорд для вантовых мостов принадлежит мосту "Нормандия", где пролет 864 м. Ненамного уступает ему мост "Васко де Гама" в Лиссабоне, построенный к Всемирной выставке ЭКСПО-98. Общая протяженность этого мостового перехода превышает 18 км. Основные его несущие конструкции - пилоны и пролетные строения - выполнены из бетона с прочностью при сжатии более 60 МПа. Гарантированный срок службы моста 120 лет по критерию долговечности бетона (в России же в последнее время большепролетные мосты чаще строятся из стали).

Технология преднапряжения монолитного железобетона в России

В России на долю этих изделий приходится более трети общего производства сборных элементов. За рубежом значительное распространение имеет безопалубочное формование плитных конструкций на длинных стендах. Там обычной практикой является производство плит пролетом до 17 м, высотой сечения 40 см под нагрузку до 500 кгс/м2. В Финляндии железобетонные многопустотные плиты под такую же нагрузку выпускаются высотой сечения даже 50 см с пролетом до 21 м, то есть применение предварительного напряжения позволяет выпускать сборные элементы качественно иного уровня. Натяжение канатной арматуры на таких стендах, как правило, групповое при мощности домкратов 300-600 т. Сегодня разработаны различные системы без-опалубочного формования на длинных стендах "Спайрол", "Спэнкрит", "Спандек", "Макс Рот", "Партек" и других, отличающиеся высокой производительностью, применяемой арматурой, технологическими требованиями к бетону, формой поперечного сечения панелей и другими параметрами. На стендах длиной до 250 м изготавливают плиту со скоростью до 4 м/мин, по высоте в пакете можно бетонировать 6 плит. Ширина плит достигает 2,4 м, при максимальном пролете 21 м. Только плит "Спэнкрит" применяют в США более 15 млн. м2 ежегодно.

В свое время длинные стенды для безопалубочного формования по технологии "Макс Рот" появились и в России. Однако эта технология не получила дальнейшего распространения. В широко используемых у нас конструктивных системах зданий соединение элементов осуществляется через закладные детали. В плитах, изготавливаемых на длинных стендах, как правило, методом экструзии, возможности размещения закладных деталей ограничены. Однако для сборно-монолитных зданий плиты без закладных деталей могут найти самое широкое распространение, что и имеет место за рубежом, особенно в Скандинавских странах и в США.

Позднее в России появились линии "Партек" (на заводе ЖБК-17 в Москве, Санкт-Петербурге, Барнауле), что свидетельствует о появлении спроса на такие плиты. Совершенствование конструктивных систем зданий, безусловно, даст толчок к развитию технологии производства плитных изделий.

Затянувшийся российский застой в области применения преднапряженного железобетона частично связан еще и с тем, что у нас не получили должного изучения и применения предварительно-напряженные конструкции с натяжением арматуры на бетон, в том числе в построечных условиях.

«Энерпром» начинает развивать это направление и предлагает ряд оборудования собственной разработки для реализации такой технологии.

Предварительно-напряженные конструкции – это конструкции или их элементы, в которых предварительно, т.е. в процессе изготовления, искусственно созданы в соответствии с расчетом начальные напряжения растяжения в арматуре и обжатия в бетоне.

Обжатие бетона на величину σ bp осуществляется предварительно натянутой арматурой, которая после отпуска натяжных устройств стремится возвратится в первоначальное состояние. Проскальзывание арматуры в бетоне исключается их взаимным сцеплением или специальной анкеровкой торцов арматуры в бетоне.

Начальные сжимающие напряжения создают в тех зонах бетона, которые впоследствии испытывают растяжение.

Железобетонные элементы без предварительного напряжения работают при наличии трещин: ,

где
- эксплуатационная нагрузка,

- нагрузка, при которой образуются трещины;

- разрушающая нагрузка.

Железобетонные предварительно-напряженные элементы работают под нагрузкой без трещин или с ограниченным по ширине их раскрытием:
.

Таким образом, предварительное напряжение не повышает прочность конструкции, а увеличивает ее жесткость и трещиностойкость!

Преимущества предварительно-напряженных конструкций:

повышенная жесткость и трещиностойкость конструкции;

возможность использования высокопрочной арматуры (A-IV и выше);

предварительное напряжение приводит к уменьшению сечения элемента

возможность выполнения эффективных стыков сборных элементов;

предварительное напряжение позволяет изготавливать комбинированные конструкции (например, обжимаемую зону выполнять из тяжелого бетона, а остальную – из легкого);

повышенная выносливость при многократно повторяемых, динамических нагрузках;

преднапряженные конструкции более безопасны, т.к. перед разрушением имеют большой прогиб и тем самым сигнализируют, что прочность конструкции почти исчерпана;

повышенная сейсмостойкость;

повышенная долговечность.

Недостатки предварительно-напряженных конструкций:

повышенная трудоемкость и необходимость специального оборудования и классифицированных работников;

большая масса;

большая тепло- и звукопроводность;

усиление преднапряженных конструкций всегда сложнее, чем без преднапряжения;

меньшая огнестойкость;

при коррозии высокопрочная арматура быстрее теряет пластические свойства, возникает опасность хрупкого разрушения.

10.1.1. Способы и методы натяжения арматуры

Способы натяжения арматуры:

На упоры (до бетонирования). Арматуру заводят в форму до бетонирования элемента, один конец закрепляют в упоре, другой – натягивают домкратом до заданного напряжения σ sp . Затем в форму заливают бетон. После достижения бетоном передаточной прочности R bp арматуру отпускают с упоров, при этом она обжимает окружающий бетон. Чтобы избежать разрушения бетона в торцах элементов, отпуск натяжения арматуры производят постепенно, снижая сначала на 50%, а затем до 0.

На бетон . Сначала изготавливают бетонный элемент, в котором предусматривают каналы или пазы. После приобретения бетоном передаточной прочности Rbp, в каналы пропускают рабочую арматуру и натягивают ее на бетон. После натяжения концы арматуры закрепляют анкерами. Для обеспечения сцепления арматуры с бетоном каналы и пазы заполняют под давлением цементным раствором.

Методы натяжения арматуры:

Электротермический – необходимое относительное удлинение арматуры еsp получают электрическим нагревом арматуры до соответствующей температуры.

Механический – необходимое относительное удлинение арматуры получают вытяжкой арматуры натяжными механизмами (гидравлические и винтовые домкраты, лебедки, тарировочные ключи, намоточные машины и т.д.).

Электротермомеханический – совокупность механического и электротермического методов.

Физико-химический – заключается в самонапряжении конструкции вследствие использования энергии расширяющегося цемента.

Преднапряжение бетона для повышения его прочности - это современный способ повышения прочности бетонных конструкций. В этой статье мы перечислим преимущества и недостатки предварительно напряженного железобетона.

Бетон используется в различных видах строительства. Имя "предварительно" не означает, что данный вид бетона был поставлен под напряжение, прежде чем строится этаж над ним. Однако, вместо выпучивания под давлением, ему удается стать сильнее, и он приобретает способность выдерживать гораздо большие напряжения, чем обычный бетон.

Но как это сделать. Каковы преимущества и недостатки предварительно напряженного железобетона? Давайте узнаем ответы на эти вопросы, которые помогут лучше это понять.

Что такое предварительно напряженный железобетон?

Бетон в своем обычном состоянии имеет чрезвычайно высокий уровень прочности на сжатие. Это дает возможность использовать его для создания структур, которые должны нести сжимающие нагрузки. Например, он используется для создания колонн и опор для поддержки различных сооружений в больших зданиях.

Однако, по сравнению с его прочностью на сжатие, бетон почти не имеет целостной прочности. Поэтому, если обычный бетон используется для строительства перекрытий, он будет прогибаться под давлением при сжатии на нее, и в конце концов трескается и осыпается. Для устранения этого недостатка, применяется метод преднапряжение. В своей самой основной форме, преднапряжение осуществляется следующим образом.

Ряд стальных тросов приводят в напряжение путем применения оттягивающей силы на их концах, и располагают в бетонный блок. Затем, жидкий бетон заливается в формы и твердеет, что вызывает склеивание между ним и стальными тросами внутри. После этого, кабели пытаются восстановить свою первоначальную форму, они тянут с ними и бетон, создавая компрессию. Это вызывает стресс во внутренних частицах бетона, укрепляя его и делая его отличным материалом для использования в конструкциях. Поскольку напряжения бетона производится до его использования, это называется предварительно напряженный бетон.

Преднапряженный бетон имеет большой объем прочности, как на сжатие, так и на растяжение. Он используется для построения длинных мостов, строительных плит и др.

Преимущества и недостатки предварительно напряженного железобетона

Преимущества

1) высокая прочность на растяжение и трещиностойкость

Обычная бетонная плита, если положить под напряжение, проседает вниз под давлением веса. В таком положении, верхняя часть плиты сжимается, а ее дно находится под напряжением. Поскольку бетон может выдерживать большие объемы сжатия верхняя части плиты способна выдерживать такую нагрузку. Однако, бетон слаб в отношении силы на растяжение. В нижней части плита начинает трескаться, пока вся плита не рухнет вниз.

Преднапряженный бетон имеет высокий запас прочности на растяжение, и поэтому способен нести большие нагрузки без образования трещин или провалов.

2) Ниже глубины

Благодаря своей высокой прочности, предварительно напряженных железобетонных можно использовать, чтобы построить структуры, имеющие значительно меньшую глубину, по сравнению с железобетонными конструкциями. Это имеет два основных преимущества. Если его используют для строительных плит, он не занимает много места, и становятся доступными дополнительное полезное пространство, особенно в многоэтажных зданиях. Второе преимущество более низких глубин структур является то, что они имеют меньший вес, и несущих колонн в зданиях тоже можно сделать меньше, что позволяет сэкономить на строительных затратах и усилиях.

3) Продолжительности

Преднапряженный бетон может быть использован для построения структур, имеющих более длительный срок по сравнению с железобетонными. При строительстве зданий, это означает, что меньшее количество столбцов будут необходимы для поддержки плит, а также расстояние между ними может быть значительно больше. Для мостов, использование преднапряженного бетона может позволить инженерам, построить длинный мост, который не провалится под нагрузкой.

4) быстрое и надежное строительство

Преднапряженные бетонные блоки изготавливаются в промышленности в нескольких стандартных формах и размерах. Они известны как сборные блоки. Поскольку они профессионально изготовлены, они имеют очень хорошее качество сборки, и в то же время они предоставляют всю силу преимущества сборного железобетона. Они могут напрямую доставляется на строительную площадку и использоваться для быстрого завершения строительных работ. Сооружения, построенные с помощью этих блоков, как известно, имеют лучшее качество, и более длительную эксплуатацию.

Недостатки

1) Большая сложность здания

Преднапряжение бетона на строительной площадке - это трудоемкий и сложный процесс. Нужно иметь глубокие знания о каждом шаге, который участвует вместе с полным знанием использованием различного оборудования. Сборные железобетонные конструкции производятся один раз, их трудно изменить, и, следовательно, сложность первоначального планирования тоже увеличивается. Кроме того, поскольку вероятность ошибки очень низка, большое внимание должно быть принято при построении.

2) Увеличение стоимости строительства

Преднапряженный бетон требует знаний и специального оборудования, которые могут быть дорогими. Даже стоимость железобетонных блоков существенно выше, чем усиленные блоки. В строительстве жилых зданий, в дополнительной прочности на растяжение, преднапряженный бетон может оказаться ненужным, так как простой железобетон значительно дешевле и достаточно прочный, чтобы выполнить все требования к нагрузке.

3) необходимость контроля качества и инспекции

Процедура, используемая для предварительного напряжения должна быть проверена и одобрена специалистами по контролю качества. Каждый поднапряженная конкретная структура должна проверяться, чтобы убедиться, что она была подвергнута соответствующему напряжению. Слишком много внимания тоже плохо, и это может привести к повреждению бетона , что делает его слабее.

Предварительно напряженные железобетонные конструкции обеспечивают превосходную прочность на растяжение по сравнению с нормальными и даже железобетонными, но они сложны в конструкции и более дорогостоящие. Для приложений с низким напряжением, таких как перекрытия зданий, использовать преднапряженный бетон - это непрактично. Следовательно, решение об использовании предварительно напряженного железобетона должно быть принято только если этого требует спецификация проекта.