Сущность и преимущества предварительно напряженных железобетонных

конструкций

Сущность. 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 по всей рабочей арма­туре и обжатие всего или части бетона.

Обжатие бетона в предварительно напряженных конструкциях на за­данную величину σ_bpосуществляется предварительно натянутой армату­рой, стремящейся после отпуска натяжных устройств возвратиться в пер­воначальное состояние 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 σ_{s р} = ε_sрЕ_s создаваемое в результате искусственного

натяжения арматуры, после отпуска натяжных устройств снижается за счет относительного упругого обжатия бетона ε_b до напряжения σ_con2 = σ_{s р} - ασ_{b р},где ασ_{b р} — потери начального предварительного напряжения арматуры вследствие уменьшения начального относитель­ного удлинения ε_sр на величину относительного упругого обжатия бетона ε_b, Их определяют из условия совместности деформаций укорочения бе­тона ε_b, и арматуры ε_sр,

Установившееся предварительное напряжение растяжения в армату­ре σ_con2 = σ_{s р} - ασ_{b р}, равное, будет уравновешиваться напряжением предварительного обжатия бетона ε_b. С этими предварительными напряжениями в арматуре железобетонный элемент поступает на строительную площадку.

Еще до приложения внешней нагрузки в арматуре предварительно на­пряженных конструкций действуют значительные предварительные на­пряжения растяжения σ_con2, обжимающие (σ_{b р})бе­тон Внешняя растягивающая сила N будет увеличиваться вплоть до величины упругого обжатия бетона. Как только это произойдет, предварительное обжатие бетона бу­дет полностью погашено. После погашения предварительного обжатия бетона работа конструк­ций под нагрузкой напоминает работу железобетонных конструкций без предварительного напряжения. С дальнейшим возрастанием внешней нагрузки в бетоне появятся растягивающие напряжения σ_{b р},которые будут возрастать вплоть до расчетного сопротивления (предела прочности бетона на растяжение)R_bt,ser, точно так же, как и в железобетонных элементах 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.

За счет предварительного обжатия бетона предварительно напряжен­ной арматурой сила N_Р,crc, вызывающая появление первых трещин в преднапряженных конструкциях возрастает по сравнению с железобетонными конструкциями на силу предварительного напряжения арматуры. Сила N_Р,crc, вызывающая появление трещин в предварительно напря­женных конструкциях, в 2...3 раза больше силы N_,crc,вызывающей появление трещин в ЖБ конструкциях без предварительного напряженияСледовательно, трещиностойкость предварительно напряженных конструкций в 2...3 раза больше трещиностойкости железобетонных кон­струкций без предварительного напряжения. Чем выше натяжение арматуры и сильнее обжатие бетона, тем мень­ше участок, на котором происходит образование и раскрытие тре­щин..

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. Предварительно напряженные железобетонные кон­струкции имеют следующие преимущества перед предварительно нена­пряженными. В предварительно напряженных конструкциях предостав­ляется возможность использовать высокоэкономичную стержневую ар­матуру повышенной прочности и высокопрочную проволочную армату­ру, что 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.

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 сечения, 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. Именно поэтому нормы рекомендуют принимать М_crc < 0,75М_u где М_crc — момент трещинообразования; М_u — предельный (разрушающий) момент.

он надежно защи