Предварительно-напряженный бетон

 

Предварительно-напряженный бетон получается при совместном действии бе­тона и высокопрочной стали, которая предварительно напрягается. Применяе­мая для этого сталь называется преднапрягаемой сталью, а предназначенный для преднапряжения арматурный элемент называется напрягающим элементом. Предварительное напряжение возникает, когда напрягаемые элементы натяги­ваются и в напряженном состоянии связываются с бетоном. При этом внутри конструкции получается сжатие, которое обеспечивает жатое состояние всего сечения конструкции. Конструкции предварительно напрягаются преимуще­ственно в продольном направлении. В предварительно-напряженных бетонных конструкциях кроме напрягаемой арматуры требуется еще, и арматура из обыч­ной прутковой стали, которая называется ненапрягаемой или вспомогательной арматурой.

В преднапряженном бетоне согласно DIN 1045 различаются несколько ви­дов. Различие заключается в степени преднапряжения, по времени напряжения и по виду связи между напрягающим элементом и бетоном. Различаемыми при­знаками являются величина напрягающего усилия и техника преднапряжения.

 

Принцип предварительно-напряженного бетона

 

Принцип предварительно-напря­женного бетона основан на том, что­бы в бетоне под нагрузкой создать сжатие там, где под нагрузкой долж­но было бы возникнуть растяжение. При этом прочности строительных материалов могут быть использова­ны полностью. Это позволяет при­менять меньшие сечения элементов и иметь меньшие нагрузки от соб­ственного веса, чем при обычном железобетоне, в котором на основе связи между арматурой и бетоном в растянутой зоне сечения при увели­чивающемся прогибе могут возник­нуть трещины (рис. «Поведение железобетонных и предварительно-напряженных бетонных конструкций под нагрузкой»).

Под полезной нагрузкой все сече­ние будет работать на сжатие. Поэтому в растянутой зоне конструкции в бетоне не будет образовываться тре­щин. Путем установки напрягаемого элемента в сечении можно по-разно­му влиять на собственное напряжен­ное состояние конструкции.

По виду установки напрягаемых элементов различают внецентренное и центральное предварительное на­пряжение. При внецентренном пред- напряжении в растянутой зоне кон­струкции, работающей, например, на изгиб, возникает такое большое пред­варительное напряжение, которое бу­дет равно тому растягивающему на­пряжению, которое могло бы иметь место в будущем при действии полез­ной нагрузки (рис. «Внецентренное предварительное напряжение»). Таким об­разом, под действием этой полезной нагрузки не будет возникать растя­жение, а произойдет снижение сжи­мающей нагрузки. При центральном преднапряжении напрягаемые эле­менты располагаются по оси центра тяжести сечения (рис. «Центральное преднапряжение»). При этом по всему сечению возникает рав­номерное усилие сжатия. Под дей­ствием полезной нагрузки в растяну­той зоне балки сжимающее усилие снижается полностью или частично, а в сжатой зоне образуется дополни­тельное сжимающее усилие.

Внецентренное преднапряжение требует, в противоположность цент­ральному, меньшее усилие напряже­ния и применяется, как правило, в изгибаемых элементах. Положение напряженных элементов должно со­ответствовать эпюре изгибающих мо­ментов (рис. «Расположение напрягающего элемента в двухпролетной балке»).

Центральное преднапряжение ограничивается конструкциями, у которых моменты не имеют ленного направления, как, например, в ременной по направлению нагрузки.

 

 

 

Виды предварительно напряженного бетона

 

По виду связи и по времени напряжения напрягающего элемента согласно DIN 1045 различают между преднапряжением с немедленной связью, преднапряжением с последующей связью, преднапряжением перед твердением бетона на натяжном стен­де и преднапряжением после твердения бетона с последующей связью (в россий­ской практике различаются два вида предварительного напряжения, которые на­зываются преднапряжением на бетон и преднапряжением на упоры).

 

 

Напряжение перед твердением бетона (напряжение на упоры)

 

Этот метод требует особых приспособлений, таких, как, например, натяж­ной стенд. Натяжным стендом называется установка, которая состоит из двух несдвигаемых упоров и напрягающего домкрата (рис. «Предварительное напряжение на стенде»). Напрягаемые элементы или напрягаемая проволока вместе с ненапрягаемой арматурой ус­танавливаются в опалубку и напрягаются. Они располагаются, как правило, прямолинейно. После этого можно производить бетонирование, причем меж­ду бетоном и напрягаемым элементом возникает непосредственная связь.

Бе­тон должен соответствовать классу прочности не менее С30/37. После тверде­ния бетона и набора расчетной прочности анкеровка напрягаемых элементов освобождается, при этом напрягающее усилие передается бетону. Этот метод применяется на бетонных заводах для серийного производства балок. Он на­зывается также напряжением на стенде с немедленной связью.

 

 

Напряжение после твердения бетона с последующей связью (напряжение на бетон)

 

 

Этот метод применяется, как пра­вило, для изготовления предваритель­но напряженных конструкций на строительной площадке.

Напрягаю­щие элементы прокладываются в спе­циальных трубах, служащих каналами скольжения (рис. «Предварительное напряжение с последующей связью (на бетон)»). После этого можно бетонировать, причем бетон должен соответствовать классу проч­ности не менее С25/30.

Способ работы при установке напрягающих элемен­тов зависит от условий на стройпло­щадке и от положения напрягающего элемента. Более короткие напрягаю­щие элементы могут устанавливаться вместе с ненапрягаемой арматурой, а длинные напрягающие элементы ус­танавливаются после установки не­напрягаемой арматуры.

 Кроме того, имеется воз­можность напрягаемую арма­туру заводить в забетонированные каналы после твердения бетона (рис. «Предварительно изготовленные каналы — кожуховые трубы»). При этом говорят о подключении напря­гаемой арматуры. Когда бетон достигнет определенной проч­ности, напрягающие элементы с помощью гидравлических прессов натягиваются и затем закрепляются (табл. «Минимальные прочности бетона при предварительном напряжении»).

После напряжения и закрепления на бетоне кожуховая труба канала запрессовывается раствором. При этом возникает связь между бетоном и напрягающим элементом. Для изображе­ния напрягающих элементов в арматурных чертежах применяются символы со­гласно DIN 1356-10 (рис. «Изображение напрягающих элементов»).

 

 

Строительные материалы

 

Использование свойств бетона и стали до допусти­мого предела напряжений требует применения вы­сококачественных строительных материалов.

Для изготовления бетона могут применяться все нормальные цементы классов прочности 42,5 и 52,5, а также портланд- и доменный портландцемент класса прочности 32,5. Состав и гранулометричес­кий состав заполнителя должны быть определены при испытаниях на соответствие.

Зерна заполните­ля и вода затворения должны быть свободны от вредных примесей. Значение w/z необходимо дер­жать как можно ниже. Добавки к бетону могут при­меняться только тогда, когда они допущены к при­менению для преднапряженного бетона в испыта­тельном сертификате.

При применении преднапряженного бетона особые требования предъявляются к твердению бе­тона. Ими являются высокая прочность на сжатие и малая склонность к усадкам и ползучести. При­чиной усадки является высыхание молодого бе­тона. Величина усадки в значительной степени за­висит от водосодержания бетона, от влажности воз­духа и от размеров конструкции. ползучесть бетона наступает под длительно действующей на­грузкой.

Величина ползучести в особенности зави­сит от размеров конструкции, от степени твердения бетона и от нагрузки. Усадка и ползучесть являются причиной укорочения конструкции, которая должна учитываться при напряжении конструкции.

В качестве напрягаемой стали для на­прягающих элементов (рис. «Напрягающие элементы») может приме­няться только сталь, для которой имеется допуск строительного надзора. Так как напрягаю­щие элементы служат для создания предваритель­ного напряжения в бетоне, то напрягаемые стали должны иметь особые свойства, как, например, очень высокую прочность на растяжение и хорошее сцепление с бетоном.

Раствор для запрессовки служит при преднапряжении с последующей связью для обес­печения связи и в качестве коррозионной защиты. Он запрессовывается в трубы каналов таким обра­зом, чтобы пустоты между преднапрягаемой арма­турой и между преднапрягаемой арматурой и стен­кой канала были полностью заполнены. Это требует применения раствора, ко­торый обладает достаточной текучестью и не осаждается при запрессовывании. Затвердевший раствор должен иметь прочность не менее 30 МН/м², а также быть плотным и, кроме того, морозостойким. В качестве раствора для запрессовки применяется водоцементная смесь со значением w/z ≤ 0,4, с допущенными для предварительно напряженного бетона добавками, например, ЕН.

 

Напрягающий элемент

 

Стальные элементы, которые служат для создания предварительного напряже­ния в конструкции, называются напрягающими элементами. Напрягаемая сталь со связью, которая обеспечивается сразу, забетонируется без кожуховых каналов.

При предварительном напряжении с последующей связью напрягаемая сталь должна заводиться в кожуховые каналы. Различают напрягающие элементы из отдельных стержней и из пучков. Пучки могут приготавливаться из гладких или из ребристых проволок, или из прядей. Напрягаемая сталь должна быть чистой и свободной от вредящей ржавчины и не должна быть мокрой. Поэтому изготовле­ние готовых напрягающих элементов должно производиться в крытых цехах.

Кожуховые каналы изготавливаются из волнистой стальной жести. Из-за волнообразной формы поверхности обеспечивается хорошая жесткость трубы и хорошая связь с бетоном конструкции, а также возможность на стыках навин­чивать соединительные муфты. Кожуховые трубы должны быть плотными, что­бы внутрь не могло попасть цементное молоко при бетонировании конструкции. Они не должны сгибаться или получать другие повреждения при заполнении опа­лубки бетоном. Для того чтобы при последующем запрессовывании канала ра­створом из него мог выходить воздух, в длинные напрягающие элементы должны встраиваться трубочки для воздухоотведения.

Заанкеривания служат как для закреп­ления напрягаемых проволок, так и для передачи напрягающих усилий на бетон конструкции. Раз­личают напрягающие анкеры и прочные (глухие) анкеры. Тогда как глухие анкеры просто держат напрягаемую сталь на бетоне (рис. «Прочный (глухой) анкер»), напря­гающие анкеры используют для напряжения и анкеровки напрягаемой арматуры. Напрягающие анкеры, называемые также напрягающими голов­ками, состоят, как правило, из анкерной плиты и тела анкера (рис. «Напрягаемый анкер»). Анкерная плита закры­вает со стороны бетона через переходный штуцер кожуховую трубу канала. Тело анкера устроено та­ким образом, что концы напрягаемой арматуры после натяжения могут удерживаться. В случае пучковых напрягающих элементов анкерная пли­та имеет приспособление для распирания напря­гаемой стали. Часто применяемые приспособле­ния для заанкеривания — это резьбовое заанкери­вание, заанкеривание расклиниванием и петлевое заанкеривание. Заанкеривание при больших уси­лиях напряжения требует применение спирально-навивной арматуры в районе передачи усилий. При этом усилия распределяются и повышается связь арматуры с бетоном.

 

Предварительное напряжение

 

Под предварительным напряжением понимают пе­редачу напрягающего усилия и заанкеривание концов стержней через напрягающий анкер на зат­вердевшем бетоне. Предварительное напряжение в преднапряженном бетоне с последующей связью может происходить только тогда, когда бетон при­обретет определенную прочность (см. табл. «Минимальные прочности бетона при предварительном напряжении»). Преднапряжение передается по определенной про­грамме. О процессе преднапряжения составляется протокол предварительного напряжения.

 

Приспособления для преднапряжения

 

Для натяжения напрягаемой арматуры приме­няются почти исключительно гидравлические на­прягающие прессы (рис. «Гидравлический пресс для натяжения арматуры»). При натяжении напрягающее усилие и путь натяжения должны быть точно измеряемыми. В качестве плоскости сопротивления для прессов служат анкерные плиты напрягающих эле­ментов. Усилие пресса должно быть согласовано с напрягающим усилием напрягающего элемента, видом пере­дачи усилия на его поперечное сече­ние и видом его заанкеривания.

 

Процесс натяжения

 

Предварительное напряжение долж­но происходить таким образом, чтобы усилия сжатия по всему сечению бетона равномерно увеличивались. Поэтому напрягающие элементы напрягаются один за другим в последовательности, указанной в программе напряжения.

Преднапряжение производится ступенчато. Если достигнуто полное усилие преднапряжения, то концы стержней удерживаются на местах анкеровки, и пос­ле этого кожуховые трубы запрессовываются раствором.

Запрессовка должна происходить как можно быстрее по условиям защиты от коррозии. Необходимо следить за тем, чтобы температура в кожуховой трубе и в окружающем бетоне конструкции не была ниже +5 °С. Процесс запрессовки должен проводиться с одной стороны непрерывно и без перерывов. Перед за­прессовкой канал напрягаемой арматуры промывается водой и продувается сжа­тым воздухом. С помощью запрессо­вывающего насоса раствор под не­большим давлением медленно и рав­номерно подается прямо из миксера или растворомешалки по насосному шлангу через запрессовочное отвер­стие в кожуховый канал. Запрессо­вочное отверстие, как правило, нахо­дится в анкерной плите напрягаю­щего элемента. Через трубочки для удаления воздуха, которые в боль­шинстве расположены в верхней ча­сти напрягающего элемента, можно наблюдать процесс запрессовки. От­верстия для удаления воздуха будут закрываться, когда раствор продви­нулся достаточно далеко. Если ра­створ выходит из отверстий для уда­ления воздуха на противоположном конце напрягающего элемента при одинаково остающейся консистен­ции, то процесс запрессовки может быть окончен.

 

Преимущества предварительно-напряженного бетона

 

Предварительно-напряженный бетон представляет собой дальнейшее развитие железобетона. В железобетоне вследствие малой прочности бетона на растяжение могут быть только частично использованы свойства бетона и стали. В то же время в преднапряженном бетоне они используются полностью. Если сравнивать меж­ду собой железобетон и преднапряженный бетон, то преднапряженный бетон более предпочтителен для конструкций больших пролетов. Экономичность предвари­тельно-напряженного бетона основана на более высокой несущей способности его при одновременной экономии материалов. Его преимущество в строитель­но-технической области — это малые деформации строительных конструкций, отсутствие трещин в бетонных поверхностях и связанная с этим защита от корро­зии. Без предварительного напряжения нельзя изготовить экономичные строй­ные большепролетные конструкции и сооружения, например, в строительстве мостов (рис. «Пролетное строение и плита проезжей части») и в сборном строительстве.