Предварительно напряженный железобетон представляет собой современный строительный композит, в котором создаются искусственные сжимающие напряжения в бетоне до момента приложения эксплуатационных нагрузок. Технология основана на натяжении высокопрочной арматуры классов Ат-V и Ат-VI (Ат800, Ат1000) с усилием от 500 до 1200 МПа, что позволяет компенсировать растягивающие напряжения от внешних нагрузок и существенно повысить трещиностойкость конструкций.
Что такое предварительно напряженный железобетон
Предварительно напряженный железобетон создается путем искусственного обжатия бетона за счет натяжения рабочей арматуры на стадии изготовления конструкции. Метод позволяет преодолеть основной недостаток обычного бетона – низкую прочность при растяжении, которая составляет всего 8-12% от прочности на сжатие.
Суть технологии заключается в создании предварительных сжимающих напряжений в тех зонах элемента, которые при эксплуатации будут работать на растяжение. Высокопрочную арматуру натягивают с расчетным усилием, затем передают это усилие на затвердевший бетон. В результате бетон оказывается обжатым, а арматура находится в растянутом состоянии.
Ключевое преимущество: При приложении эксплуатационных нагрузок сначала погашаются созданные сжимающие напряжения в бетоне, и только после этого возникают растягивающие напряжения. Это существенно повышает момент образования трещин и несущую способность конструкции.
Основные отличия от обычного железобетона
Предварительно напряженные конструкции при равной прочности с ненапряженными имеют меньшие прогибы и повышенную трещиностойкость. Расход стали снижается на 30-70% за счет применения высокопрочных материалов. Конструкции с предварительным напряжением способны перекрывать большие пролеты при меньшем сечении элементов.
Классы высокопрочной арматуры для предварительного напряжения
Для создания предварительного напряжения применяют высокопрочную арматуру, способную воспринимать значительные растягивающие усилия без остаточных деформаций. Основные классы регламентированы ГОСТ 5781-82 и включают арматуру классов А-IV, А-V и А-VI.
Арматура класса Ат-V (Ат800)
Арматура класса Ат800 относится к высокопрочному прокату класса А-V с пределом текучести 800 МПа. Производится методом горячей прокатки с последующей термомеханической обработкой, что обозначается буквой «Т» в маркировке. Материалом служат низколегированные стали марок 20ХГ2Ц, 20Г2С, 25Г2С.
Технические характеристики Ат800:
- Предел текучести – 800 МПа
- Временное сопротивление разрыву – до 1000 МПа
- Относительное удлинение – не менее 7%
- Диаметр стержней – от 10 до 32 мм
- Профиль – периодический с винтовыми выступами
Арматура Ат800 обладает высокой пластичностью и вязкостью, что позволяет применять ее в сейсмоопасных районах и в конструкциях, подверженных динамическим нагрузкам. Периодический профиль обеспечивает надежное сцепление с бетоном за счет винтовых ребер и поперечных выступов.
Арматура класса Ат-VI (Ат1000)
Арматура класса Ат1000 представляет собой наиболее высокопрочный стержневой прокат класса А-VI с пределом текучести 1000 МПа. Применяется в особо ответственных конструкциях, где требуется максимальная несущая способность при минимальном расходе стали.
| Параметр | Ат800 (А-V) | Ат1000 (А-VI) |
|---|---|---|
| Предел текучести | 800 МПа | 1000 МПа |
| Временное сопротивление | 980-1000 МПа | 1180-1200 МПа |
| Относительное удлинение | ≥ 7% | ≥ 6% |
| Диапазон диаметров | 10-32 мм | 10-32 мм |
| Усилие натяжения | 500-800 МПа | 600-1000 МПа |
Высокопрочная арматура Ат1000 изготавливается из специальных низколегированных сталей с повышенным содержанием легирующих элементов. Термомеханическая обработка включает нагрев до 900-950 градусов Цельсия с последующим быстрым охлаждением, что фиксирует состояние наклепа и обеспечивает высокие механические свойства.
Способы создания предварительного напряжения
Существуют два основных способа создания предварительного напряжения в железобетонных конструкциях: натяжение на упоры и натяжение на бетон. Выбор метода определяется условиями производства, типом конструкции и технологическими возможностями завода.
Натяжение арматуры на упоры
При натяжении на упоры арматуру размещают в формах и натягивают между жесткими упорами стенда до укладки бетонной смеси. Арматуру закрепляют на упорах с заданным усилием, затем укладывают и уплотняют бетонную смесь. После набора бетоном передаточной прочности 50-70% от проектной арматуру отпускают от упоров.
Основные этапы натяжения на упоры:
- Установка арматуры в форму между упорами стенда
- Натяжение арматуры гидравлическими домкратами или электротермическим способом
- Фиксация натянутой арматуры на упорах
- Укладка и уплотнение бетонной смеси
- Твердение бетона до передаточной прочности 15-20 МПа
- Отпуск арматуры с передачей усилия на бетон
Метод натяжения на упоры применяется преимущественно в заводских условиях при производстве линейных элементов: плит перекрытий, балок, ригелей, ферм. Ограничением метода является прямолинейная форма напрягаемой арматуры.
Натяжение арматуры на бетон
Натяжение на бетон выполняется после набора бетоном проектной прочности. Арматурные пряди или стержни размещают в специальных каналообразователях, которые устанавливают при армировании конструкции. После твердения бетона один конец арматуры закрепляют в пассивном анкере, а другой натягивают гидравлическим домкратом и фиксируют в активном анкере клиновыми зажимами.
Преимуществом метода является возможность создания напряженной арматуры сложной криволинейной формы, что повышает эффективность армирования. Способ широко применяется в монолитном строительстве мостов, большепролетных покрытий и специальных сооружений.
Способы натяжения арматуры
Для создания натяжения применяются три основных способа: механический, электротермический и комбинированный.
Механический способ – натяжение выполняется гидравлическими или винтовыми домкратами, намоточными машинами. Наиболее распространенный метод, обеспечивающий точный контроль усилия натяжения.
Электротермический способ основан на тепловом удлинении арматуры при нагреве электрическим током до 300-350 градусов Цельсия. Нагретую арматуру закрепляют на упорах, при остывании она укорачивается и получает предварительные растягивающие напряжения. Метод был широко распространен в СССР, но стал экономически невыгодным из-за высокой стоимости электроэнергии.
Комбинированный способ сочетает электротермический и механический методы, осуществляемые одновременно. Позволяет достичь более высоких усилий натяжения при меньших затратах энергии.
Величина предварительного обжатия бетона
Величина предварительного обжатия определяется усилием натяжения арматуры, ее площадью сечения и геометрическими параметрами конструкции. Для арматуры Ат800 рабочее напряжение при натяжении составляет 500-640 МПа, для Ат1000 – 600-800 МПа.
Предварительное обжатие в бетоне создает сжимающие напряжения в растянутой зоне элемента. Для балок и плит величина обжатия в нижней зоне составляет 3-7 МПа, что компенсирует растягивающие напряжения от расчетных нагрузок и обеспечивает работу конструкции без трещин или с ограниченным их раскрытием.
Потери предварительного напряжения
В процессе изготовления и эксплуатации происходит снижение предварительного напряжения за счет различных факторов. Суммарные потери составляют 15-25% от первоначального усилия натяжения.
Основные виды потерь напряжения:
- Релаксация напряжений в арматуре – 3-5%
- Усадка бетона – 4-6%
- Ползучесть бетона под длительной нагрузкой – 6-10%
- Деформация анкеров и упоров – 1-2%
- Трение арматуры о стенки каналов при натяжении на бетон – 2-4%
Для компенсации потерь первоначальное натяжение арматуры выполняется с превышением над расчетным значением. Контроль усилия натяжения осуществляется по показаниям манометров гидравлических домкратов или тензометров, установленных на арматуре.
Применение предварительно напряженного железобетона
Предварительно напряженные конструкции применяются в промышленном, гражданском, транспортном и гидротехническом строительстве. Технология позволяет создавать большепролетные конструкции с оптимальным расходом материалов и высокими эксплуатационными характеристиками.
Основные области применения
В массовом строительстве предварительно напряженные изделия составляют 20-25% от общего объема железобетонных конструкций. Наибольшее распространение получили многопустотные плиты перекрытий длиной 6-12 метров, ригели, балки покрытий, стропильные фермы пролетом до 24 метров.
Типы предварительно напряженных конструкций:
- Плиты перекрытий и покрытий многопустотные, ребристые, сплошные
- Балки и ригели для каркасов зданий пролетом 6-18 метров
- Стропильные и подстропильные балки, фермы
- Сваи забивные и вдавливаемые для фундаментов
- Мостовые балки и пролетные строения
- Опоры линий электропередач
- Шпалы железнодорожные
- Трубы напорные для водопроводов
- Резервуары для жидкостей
В специальном строительстве предварительно напряженный железобетон применяется для защитных оболочек ядерных реакторов, большепролетных покрытий спортивных и общественных зданий, мостов с пролетами более 50 метров, гидротехнических сооружений.
Преимущества в строительстве
Применение предварительного напряжения обеспечивает высокую сейсмическую стойкость сооружений благодаря повышенной жесткости и трещиностойкости конструкций. Уменьшение собственного веса элементов критически важно при действии динамических нагрузок и в зонах с высокой сейсмичностью.
Технология позволяет сократить сроки строительства за счет применения крупноразмерных элементов и снижения количества промежуточных опор. Экономия стали достигает 30-50% по сравнению с обычным железобетоном при равной несущей способности.
Оборудование для производства предварительно напряженных конструкций
Производство предварительно напряженных изделий требует специализированного технологического оборудования. Основными элементами являются стенды с упорами, системы натяжения арматуры, формы для бетонирования и устройства термообработки.
Системы натяжения арматуры
Для механического натяжения применяются гидравлические домкраты усилием от 200 до 2000 кН, гидравлические станции с регулируемым давлением до 70 МПа, анкерные устройства для фиксации натянутой арматуры. Современные системы оснащаются электронными системами контроля усилия натяжения с точностью до 2%.
Стенды для натяжения на упоры представляют собой жесткие стальные конструкции длиной до 180 метров, способные воспринимать усилия до 10000 кН. Упоры выполняются регулируемыми для настройки на различную длину изделий. Современные стенды оснащаются системами автоматизированного управления процессом натяжения.
Контроль качества предварительного напряжения
Качество предварительного напряжения контролируется на всех этапах производства. При натяжении измеряется фактическое усилие по показаниям манометров и удлинению арматуры. После передачи усилия на бетон проверяется величина обжатия путем измерения упругого отпора конструкции.
Испытания готовых изделий включают проверку несущей способности, жесткости и трещиностойкости под расчетными нагрузками. Контролируется ширина раскрытия трещин, которая не должна превышать 0,1-0,2 мм при эксплуатационных нагрузках и 0,3-0,4 мм при предельных нагрузках.
Нормативные требования к предварительно напряженным конструкциям
Проектирование и изготовление предварительно напряженных конструкций регламентируется СП 63.13330.2018 – Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Нормативный документ устанавливает требования к расчету несущей способности, трещиностойкости и деформативности.
ГОСТ 13015-2012 устанавливает общие технические требования к изделиям из бетона и железобетона для строительства, включая предварительно напряженные конструкции. Регламентируются допустимые отклонения геометрических размеров, качество поверхности, маркировка и методы контроля.
Важное требование: СП 63.13330.2018 указывает, что при выборе конструктивных решений должны преимущественно предусматриваться предварительно напряженные конструкции, обеспечивающие более эффективное использование материалов.
Частые вопросы о предварительно напряженном железобетоне
Выводы: Предварительно напряженный железобетон с применением арматуры классов Ат800 и Ат1000 представляет собой эффективную технологию создания высокопрочных конструкций с оптимальным расходом материалов. Натяжение арматуры на усилие 500-1200 МПа создает в бетоне предварительные сжимающие напряжения 3-7 МПа, что компенсирует растягивающие усилия от эксплуатационных нагрузок. Технология обеспечивает повышенную трещиностойкость, жесткость и долговечность конструкций, позволяя перекрывать большие пролеты при меньшем сечении элементов по сравнению с обычным железобетоном.
Материалы данной статьи носят исключительно информационный и ознакомительный характер. Информация предназначена для технических специалистов и не является руководством к действию. Проектирование и производство предварительно напряженных конструкций должны выполняться квалифицированными специалистами на основании действующих нормативных документов и проектной документации. Автор не несет ответственности за возможные последствия использования представленной информации в практической деятельности.
