Сущность предварительно напряженных конструкций

При нагружении железобетонной конструкции в материалах растянутой зоны (бетон и арматура) в результате их совместной деформации возникают растягивающие усилия.

Усилия (F), действующие при осевом растяжении железобетонного элемента без предварительного напряжения в зависимости от величины относительных деформаций (e_х) могут быть описаны диаграммой, показанной на рис. 19.6а, из которой видно, что вследствие достаточно малых относительных деформаций (меньших, чем предельная растяжимость бетона e_ctu) усилие в растянутой арматуре растет медленно, демонстрируя ее слабое участие в восприятии внешнего усилия вплоть до появления трещин в бетоне. Бетон, в силу низких упругих свойств, быстро воспринимает внешнее усилие и входит в область сначала упруго-пластических (А–О_Т), а затем и пластических (О_Т–О_В) относительных деформаций. Усилия, действующие при осевом растяжении предварительно напряженного элемента представлены на диаграмме, показанной на рис. 19.6б. Начальное состояние элемента характеризуется действием сжимающего усилия в бетоне F_cp и растягивающего усилия в напрягаемой арматуре F_sp. Пока внешнего растягивающего усилия нет, усилие растяжения в арматуре полностью уравновешено сжимающим усилием в бетоне, т.е. F_sp = F_cp. При приложении к элементу внешней растягивающей силы усилие в арматуре медленно увеличивается по прямой А_рА, в то время как усилие в бетоне быстро убывает по прямой А_сО. Рассматривая эти усилия как внутренние взаимно уравновешенные и не имеющие прямого отношения к усилиям от нагрузки, устанавливаем, что во всем диапазоне деформирования О_рО это усилие F_e непосредственно уравновешивается усилием растяжения арматуры.

На участке деформирования ОО_Т распределение дополнительных усилий от внешней нагрузки происходит по аналогии с распределением усилий в обычном железобетоне без предварительного напряжения. Таким образом, усилие, приводящее к образованию трещин в предварительно напряженном элементе, составляет:

(19.1)

где F_sp – усилие предварительного растяжения в арматуре;

F_ct – растягивающее усилие, воспринимаемое бетоном после погашения обжатия;

DF_sp – приращение усилия в напрягаемой арматуре после погашения обжатия в бетоне, равное

(19.2)

здесь e_ctu – предельная растяжимость бетона;

A_sp – площадь напрягаемой арматуры;

E_sp – модуль упругости напрягаемой арматуры.

Рис. 19.6. Диаграмма распределения усилий сопротивления осевому растяжению железобетонного (а) и предварительно напряженного элемента (б)

После образования трещин усилие, вызванное внешней нагрузкой, воспринимается арматурой в сечении с трещиной, а также бетоном и арматурой на участках между трещинами подобно тому, как это происходит в обычных железобетонных конструкциях.

Наиболее важным участком деформации элемента является участок эксплуатационных нагрузок, размещаемый обычно в зоне диаграммы О_рО. Это позволяет утверждать, что в предварительно напряженном элементе, работающем без трещин, все усилие от внешней эксплуатационной нагрузки полностью воспринимает напрягаемая арматура. Все сказанное выше о центральном растяжении справедливо и в отношении растянутой зоны изгибаемой конструкции.

В железобетоне арматурная сталь выполняет пассивную роль: она не может воспрепятствовать разрушающему бетон действию нагрузки, но смягчает последствия этого действия после образования трещин. В предварительно напряженном железобетоне арматура выполняет активную роль и инженер создает по собственному желанию силы, оказывающие противодействие усилиям от нагрузок, стремящихся вызвать разрушение конструкции.

Предварительное напряжение железобетонных конструкций позволяет получить следующие эффекты:

– снизить расход стали благодаря применению арматуры повышенной и высокой прочности при ее эффективном использовании;

– увеличить сопротивление конструкции образованию трещин в бетоне (трещиностойкость) и ограничение их ширины раскрытия;

– повысить жесткость конструкции (или снизить ее деформативность), благодаря чему удается перекрывать большие пролеты, возводить сверхвысокие сооружения;

– снизить собственный вес конструкции в результате уменьшения размеров сечений при применении бетонов повышенной прочности и, соответственно, расхода бетона, что в большинстве случаев приводит к снижению стоимости конструкций;

– повысить выносливость конструкций, работающих под воздействием многократно повторяющихся нагрузок;

– увеличить устойчивость сжатых элементов.

Вопросы для самоконтроля

1. На какие группы можно разделить технологические подходы реализации идеи предварительного напряжения.

2. Как классифицируются предварительно напряженные конструкции по принципу действия напряженного армирования.

3. Перечислите методы создания предварительного напряжения в конструкциях.

4. Перечислите способы создания предварительного напряжения в конструкциях.

5. Какие эффекты позволяет получить предварительное напряжение железобетонных конструкций.

6. Почему высокопрочную арматуру не эффективно использовать без предварительного напряжения?