ОСОБЕННОСТИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

СУЩНОСТЬ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ОБЖАТИЯ БЕТОНА

Низкая прочность бетона на растяжение и малая растяжимость являются его существенными недостатками, снижающими эксплуатационные качества железобетонных конструкций.

Предельные относительные деформации при растяжении в среднем равны , и трещины возникают уже при малых напряжениях в арматуре МПа.

С увеличением нагрузки напряжения в арматуре возрастают, а ширина раскрытия трещин увеличивается. В железобетонных элементах, армированных сталями класса А400 при эксплуатационных нагрузках напряжения в арматуре составляют МПа и раскрытие трещин не превышает допустимого значения ( мм).

В случае применения высокопрочной арматуры ( МПа)

ширина раскрытия трещин будет существенно превышать допустимые значения, что приводит к созданию условий для коррозии арматуры и преждевременного выхода конструкции из строя.

Для повышения трещиностойкости железобетонных конструкций, т. е. их сопротивления образованию трещин и уменьшения ширины их раскрытия при воздействии эксплуатационных нагрузок, применяется предварительное обжатие бетона. Сущность его состоит в том, что еще при изготовлении железобетонной конструкции в зоне бетона, впоследствии подвергающейся растяжению от эксплуатационных нагрузок, создаются предварительные сжимающие напряжения, возникающие после передачи усилия предварительного натяжения арматуры на бетон. В такой конструкции трещины возникают при значительных нагрузках, а ширина их раскрытия уменьшается по сравнению с трещинами в элементах без предварительного обжатия бетона.

Под нагрузкой бетон испытывает растягивающие напряжения только после погашения начальных сжимающих напряжений. При этом сила F_crcl, вызывающая образование трещин или ограниченное по ширине их раскрытие, превышает нагрузку, действующую при эксплуатации F_ser (рис. 9.1а). С увеличением нагрузки на балку до предельного разрушающего значения F_u напряжения в арматуре и бетоне достигают предельных значений. В аналогичной балке без предварительного напряжения нагрузка F_crc2 < F_ser но разрушающая нагрузка F_u для обеих балок близка по значению, так как предельные напряжения в арматуре и бетоне этих балок одинаковы.

Путем регулирования величины предварительного натяжения арматуры при изготовлении конструкции можно вообще исключить образование трещин в растянутой зоне при воздействии эксплуатационных нагрузок. Таким образом, железобетонные предварительно напряженные конструкции работают под нагрузкой, действующей при эксплуатации, без трещин или с ограниченным по ширине их раскрытием (рис. 9.1б), а в элементах без предварительного обжатия — при наличии трещин и больших значениях прогибов (рис. 9.1 в). Эти различия следует учитывать при расчете, конструировании и изготовлении предварительно напряженных конструкций.

Преимущества предварительно напряженных конструкций:

• ? высокая трещиностойкость (при наличии предварительного обжатия трещины либо не образуются, либо их ширина раскрытия и длина уменьшаются);
• ? повышенная жесткость и уменьшенные прогибы;
• ? широкое и эффективное использование высокопрочной арматуры (которую возможно применять только в качестве предварительно напряженной в растянутых зонах), за счет чего создается значительная экономия стали (в ряде случаев до 50-70%);
• ? повышенная долговечность конструкций при эксплуатации в агрессивных средах;
• ? повышенная выносливость конструкций, работающих под воздействием многократно повторяющихся нагрузок (от грузо- подъемных кранов, автомобильного и железнодорожного транспорта и т. д.);
• ? уменьшенный расход бетона и снижение веса конструкций;
• ? расширение области применения железобетона за счет увеличения длины пролетов.

Недостатки предварительно напряженных конструкций: наличие сложного оборудования для их изготовления; повышенная трудоемкость изготовления конструкции; соблюдение специальных мер по технике безопасности при натяжении арматуры.

Применение предварительно напряженного железобетона. В промышленном и транспортном строительстве предварительно напряженные конструкции нашли массовое использование в качестве сборных элементов перекрытий и покрытий (ребристые и многопустотные панели, стропильные фермы, подкрановые балки и др.). Предварительно напряжение применяется в изгибаемых (плиты, балки, шпалы) и растянутых элементах (нижние пояса и нисходящие раскосы ферм, резервуары, трубы).

Рис. 9.1. Сравнительный анализ работы железобетонных элементов:

1 — предварительно напряженная балка; 2 — балка без предварительного

напряжения