Предварительно напряженный бетон в значительной степени подвергается “предварительному напряжению” (сжатию) в процессе производства таким образом, чтобы он выдерживал растягивающие усилия, которые будут существовать во время эксплуатации. Он также известен как бетон с предварительным растяжением и изготавливается путем приложения напряжения к стальной арматуре в процессе отверждения. Предварительно напряженный бетон получается путем заливки бетона в предварительно собранные формы в сочетании с арматурой и стальными тросами (прядями). Эти тросы натягиваются примерно до трех четвертей их предельной прочности. Как только бетон затвердевает до требуемой прочности, натяжение ослабляется. Стальные тросы, реагируя на ослабление, передают растягивающие напряжения в бетон, делая конструкцию еще более прочной.
Основная цель использования предварительно напряженного бетона — увеличить нагрузку, которую может выдержать элемент. Это наиболее распространено в длиннопролетных балках мостов и железнодорожных виадуков, перекрытиях и бетонных сваях. Предварительно напряженный бетон может быть сборным или отлитым на месте, в этой статье мы сосредоточились на сборном железобетоне.
Как происходит предварительное напряжение бетона?
Для предварительного напряжения бетонного элемента в форму перед укладкой бетона укладывается высокопрочный стальной жгут. Жгут закрепляется, а затем натягивается до достижения требуемого натяжения. Величина приложенного натяжения может варьироваться от нескольких тысяч до десятков тысяч фунтов на квадратный дюйм в зависимости от конструкции.
После натяжения пряди бетон заливается в форму. По мере отверждения бетон сцепляется с прядью. Когда он затвердевает до заданной прочности, прядь высвобождается и осевое сжатие передается поперечному сечению элемента. Затем деталь можно извлечь из формы и отправить на хранение.
Предварительное напряжение при предварительном растяжении может придать элементу изгиб, который полезен для сопротивления эксплуатационным нагрузкам. Это часто имеет место в двойных тройниках, которые образуют ведущие поверхности в парковочных конструкциях. Изогнутый тройник слегка прогибается, когда по нему проезжают автомобили, затем возвращается к своей первоначальной форме. Предварительно напряженный бетон не трескается, потому что предварительное напряжение удерживает его при сжатии.
В некоторых сборных железобетонных элементах, таких как стены и сэндвич-панели, изгиб нежелателен. В этих случаях прядь укладывается в центре тяжести стены или витков, чтобы предотвратить образование выпуклостей. В композитных панелях напряжения регулируются таким образом, чтобы сила предварительного напряжения совпадала с центром тяжести композитной секции. Как правило, пространство сборных железобетонных конструкций равномерно распределяется по стеновым панелям.
Преимущества предварительно напряженного сборного железобетона
Вот некоторые из общих преимуществ предварительного напряжения для сборных железобетонных элементов-
- Предварительное напряжение помогает уменьшить размеры секций и, следовательно, уменьшается собственный вес или мертвая нагрузка, составляющая применимых нагрузок на кабель, что приводит к уменьшению веса конструкций и несущих элементов, включая элементы фундамента.
- Уменьшение собственной нагрузки также способствует соответствующему снижению сейсмических воздействий, а элементы, необходимые для противостояния возникающим нагрузкам, такие как рамы, колонны, балки, поперечные стенки и т.д., Также становятся легче по конструкции
- Вероятность больших пролетов приводит к увеличению внутренних пространств без колонн на различных этажах
- Для высотных зданий уменьшение размеров элементов также приведет к уменьшению глубины обрамления бетонных перекрытий, что, в свою очередь, снизит требования к высоте от этажа до этажа и общую высоту строительной конструкции.
- Высокопрочная сталь, используемая для предварительного напряжения, обладает большей прочностью, чем обычная арматурная сталь, при меньшей площади сечения. Обычно высокопрочная сталь примерно в 4,5 раза прочнее обычной стали, но стоит лишь примерно в два раза дороже за единицу прочности. Это приводит к общему снижению затрат.
- Предварительное напряжение балок и перекрытий очень экономично применяется в длинномерных сборных опорах при массовом производстве на заводах. Благодаря эффективности, присущей такому массовому производству, технологии с сопутствующим снижением трудозатрат, стоимости опалубки, большому количеству повторных применений и т.д. Достигается дополнительная экономия.
- Помимо вышеперечисленного, для предварительно напряженных элементов также доступны общие преимущества сборного железобетона, такие как скорость строительства за счет параллельного производства. Кроме того, поскольку предварительное напряжение позволяет увеличить пролеты, в целом требуется меньшее количество элементов, и это значительно повышает скорость строительства / монтажа.
- Предварительное напряжение в соответствующем возрасте предотвращает образование усадочных трещин, и, следовательно, на элементе нет трещин. Конструкции без трещин отличаются лучшим качеством, водонепроницаемостью и большей долговечностью.
Разница между предварительно напряженными и ненапряженными сборными железобетонными элементами
Предварительное напряжение может использоваться для достижения более высокого отношения длины пролета к глубине и обеспечения повышенной стойкости к растрескиванию. Его можно применять как для сборных, так и для монолитных бетонных элементов. Предварительное напряжение обычно закладывается в элемент с помощью процессов предварительного и последующего натяжения. Арматурные стержни или сварная проволочная арматура служат в качестве вторичной арматуры, тогда как в ненапряженных элементах в качестве основной и единственной арматуры используется ненапряженная сталь. Для частично предварительно напряженного бетона сопротивляющаяся секция включает как предварительно напряженную, так и ненапряженную или пассивную арматуру. Предварительное напряжение влияет на состояние напряжений в бетонном элементе, а также на состояние прогибов или деформаций.
Метод создания предварительного напряжения с использованием предварительно натянутых и постнатянутых элементов
В предварительно натянутых элементах предварительно напряженная сталь сначала натягивается между жесткими опорами, часто охватывая ряд сборных элементов, расположенных между двумя опорами. Затем опалубка фиксируется в нужном положении между двумя опорами вокруг натянутой проволоки для различных элементов. Затем устанавливается вторичная арматура и другие элементы, подлежащие заделке в бетонный элемент, после чего бетон заливается в опалубку. После того, как бетон достиг необходимой прочности и образовалось соединение между предварительно напряженной сталью и бетоном, между различными сборными элементами разрезается длинная предварительно натянутая сталь, и усилие предварительного напряжения передается от стали к бетону через соединение. Обеспечение хорошего сцепления жизненно важно для успешной работы предварительно натянутых элементов. После этого этапа элементы извлекаются из опалубки и отправляются на укладку перед использованием. Поскольку предварительно напряженная сталь помещается в пустую опалубку, для стали нет ограничений, и, следовательно, стальная проволока проходит прямо / горизонтально между концевыми креплениями. Если для стали требуется изогнутый, трапециевидный или любой другой профиль, то отклонители должны быть расположены в геометрических местах. Эти отклонители должны быть гладкими, чтобы минимизировать трение при нагрузке, и достаточно прочными, чтобы противостоять несбалансированным силам, возникающим в местах изменения геометрии. Хотя такие профили с отклонениями могут быть полезны с точки зрения проектирования, они значительно увеличат затраты из-за отклонений, а также могут быть более громоздкими. Самонапряженные опалубки также могут использоваться там, где крепления расположены непосредственно на опалубке, а не на независимых опорах.
Когда используется последующее натяжение, предварительно напряженные стальные элементы заключаются в трубопровод, оболочку, воздуховод или смазанную втулку, при этом узел называется ‘сухожилием’. Этот жгут обычно привязывается к каркасу или мату из арматуры, размещенному внутри опалубки. Механические крепежные элементы размещаются на каждом из двух концов жгута и крепятся к опалубке. После укладки бетона и отверждения в форме к высокопрочной стали прикладывается усилие предварительного напряжения, которое удерживается механическими креплениями. На этом этапе усилие предварительного напряжения передается через крепления к бетонному элементу, который затем может быть извлечен из формы и отправлен на укладку перед использованием.
При определенных обстоятельствах может использоваться комбинация предварительного натяжения и последующего натяжения .Этот подход может быть использован там, где самонапрягающиеся формы или натяжные опоры не могут выдержать в полном объеме требуемое проектное усилие предварительного напряжения для предварительного натяжения. В таком случае большая часть усилия прикладывается через сталь, натянутую после опалубки, а сухожилия, натянутые после опалубки, используются позже для создания оставшейся части расчетного усилия предварительного напряжения после извлечения элемента из формы. Этот подход также может быть использован для предварительно напряженных сборных панелей, которые заливаются в плоском положении, но которые должны стоять в вертикальном положении при эксплуатации.
Применение предварительно напряженного сборного железобетона
Предварительно напряженный бетон является универсальным строительным материалом, поскольку представляет собой почти идеальное сочетание двух основных составляющих: высокопрочной стали, предварительно растянутой для обеспечения максимальной прочности; и современного бетона, предварительно сжатого для минимизации растрескивания при растяжении. Его широкий диапазон применения отражен в его включении в основные проектные нормы, охватывающие большинство областей строительного и гражданского строительства, включая здания, мосты, плотины, фундаменты, тротуары, сваи, стадионы, силосы и резервуары.
Строительные конструкции
Предварительное напряжение бетона позволяет вводить в конструкцию силы «балансировки нагрузки” для противодействия нагрузкам в процессе эксплуатации. Это обеспечивает множество преимуществ строительным конструкциям:
- Более длинные пролеты при той же глубине конструкции – Балансировка нагрузки приводит к меньшим прогибам в процессе эксплуатации, что позволяет увеличивать пролеты (и уменьшать количество опор) без увеличения глубины конструкции.
- Уменьшенная толщина конструкции – Для данного пролета меньшие прогибы в процессе эксплуатации позволяют использовать более тонкие секции конструкции, что, в свою очередь, приводит к снижению межэтажной высоты или увеличению пространства для обслуживания здания.
- Более быстрое время демонтажа – Как правило, предварительно напряженные бетонные строительные элементы полностью нагружаются и становятся самонесущими в течение пяти дней. На этом этапе опалубку можно демонтировать и перенести на следующую секцию здания, что ускоряет “цикл строительства”.
- Снижение материальных затрат – Сочетание уменьшенной толщины конструкции, уменьшенного количества обычной арматуры и быстрого возведения часто приводит к тому, что предварительно напряженный бетон демонстрирует значительные экономические преимущества в строительных конструкциях по сравнению с альтернативными конструкционными материалами.
Мосты
Бетон является наиболее популярным конструкционным материалом для мостов, и часто используется предварительно напряженный бетон. В мостах с коротким пролетом от 10 до 40 метров (от 30 до 130 футов) предварительное напряжение обычно используется в виде сборных предварительно натянутых балок или досок.В конструкциях средней длины, примерно от 40 до 200 метров (от 150 до 650 футов), обычно используются сборно-сегментные, встроенные в конструкцию сбалансированные консоли и конструкции с постепенным запуском.Для самых длинных мостов предварительно напряженные бетонные конструкции настила часто являются неотъемлемой частью вантовых конструкций.
Плотины
Бетонные плотины используют предварительное напряжение для противодействия подъему и повышения их общей устойчивости с середины 1930-х годов. Предварительное напряжение также часто дооснащается в рамках работ по восстановлению плотин, например, для усиления конструкции или при повышении высоты гребня или водосброса. Чаще всего предварительное напряжение плотины проявляется в виде анкеров с последующим натяжением, просверленных в бетонную конструкцию плотины и / или в нижележащие слои породы. Такие анкеры обычно состоят из жил из высокопрочных стальных жгутов или отдельных стержней с резьбой. Сухожилия крепятся к бетону или камню на своем дальнем (внутреннем) конце и имеют значительную “несвязанную” свободную длину на своем внешнем конце, что позволяет сухожилию растягиваться во время натяжения. После натяжения жилы могут быть прикреплены к окружающему бетону или камню по всей длине или (чаще) иметь жилы, постоянно покрытые антикоррозийной смазкой по всей свободной длине, что позволяет осуществлять долгосрочный контроль нагрузки и устойчивость к повторному напряжению.
Силосы и резервуары
Круглые конструкции для хранения, такие как силосы и резервуары, могут использовать силы предварительного напряжения для непосредственного противодействия внешнему давлению, создаваемому хранящимися жидкостями или сыпучими веществами. Горизонтально изогнутые жилы устанавливаются внутри бетонной стены, образуя ряд колец, расположенных вертикально по всей конструкции. При растяжении эти сухожилия оказывают на конструкцию как осевое (сжимающее), так и радиальное (направленное внутрь) усилие, которое может непосредственно противостоять последующим нагрузкам при хранении. Если величина предварительного напряжения всегда превышает растягивающие напряжения, создаваемые нагрузками, в бетоне стены будет существовать постоянное остаточное сжатие, способствующее сохранению водонепроницаемой конструкции без трещин
Ядерные и взрывозащищенные конструкции
Предварительно напряженный бетон зарекомендовал себя как надежный строительный материал для защитных сооружений высокого давления, таких как корпуса ядерных реакторов и здания защитной оболочки, а также взрывозащищенные стенки нефтехимических резервуаров. Использование предварительного напряжения для перевода таких конструкций в исходное состояние двухосного или трехосного сжатия повышает их устойчивость к растрескиванию бетона и протечкам, обеспечивая при этом надежную, резервную и контролируемую систему удержания давления.
Опоры и тротуары
Сильно нагруженные бетонные плиты перекрытия и тротуары могут быть чувствительны к растрескиванию и последующему износу под воздействием дорожного движения. В результате в таких конструкциях регулярно используется предварительно напряженный бетон, поскольку его предварительное сжатие придает бетону способность противостоять растягивающим напряжениям, вызывающим образование трещин, возникающим при нагрузке в процессе эксплуатации. Такая трещиностойкость также позволяет изготавливать отдельные секции плит с большими порами, чем в случае обычного железобетона, что приводит к более широкому расстоянию между швами, снижению затрат на соединение и уменьшению проблем с длительным обслуживанием швов. Также были успешно проведены первоначальные работы по использованию сборного предварительно напряженного бетона для дорожных покрытий, где скорость и качество строительства были отмечены как преимущества этого метода.
Заключение
Предварительно напряженный бетон является наиболее долговечным, надежным и прочнейшим бетоном, который широко используется для строительства зданий и мостов. Долговечность предварительно напряженной конструкции выше, поскольку арматура остается неизменной. В дополнение к общим преимуществам, таким как превосходная огнестойкость, низкие эксплуатационные расходы, элегантность, высокая коррозионная стойкость, технологичность и т.д., предварительно напряженный бетон обладает.