Март 2011
Молено предложить следующую классификацию предварительно на пряженных конструкций, различающихся:
I. По принципу действия напряженного армирования:
а) одноосно предварительно напряженные;
б) двухосно предварительно напряженные;
в) трехосно предварительно напряженные.
II. По методу изготовления:
а) с натяжением арматуры на упоры (с предварительным натяжением) (pretensioned);
б) с натяжением арматуры на бетон (с последующим натяжением) (posttensioned);
в) сборно-монолитные (composite);
г) с зарегулированными деформациями (re-stressed);
д) самонапряженные (selfstressed): не калиброванные; калиброванные.
Предлагаемая классификация предварительно напряженных конструкций охватывает все современные конструктивные виды сборного и монолитного железобетона. В настоящее время уже недостаточно делить конструкции на «предварительно натянутые» и «последующе натянутые», как это делается за рубежом. Предварительно напряженные конструкции нужно разделять:
во-первых, по принципу действия напряженного армирования в направлении одной, двух и трех осей конструкции. Двухосно предварительно напряженные конструкции нашли широкое применение в строительстве всех стран мира. Трехосно, или объемно, предварительно напряженные конструкции возникли в последние 3—4 годя; однако по своему значению и характерным особенностям, возможности широкого регулирования деформаций должны найти самое широкое применение в большепролетных, высоких и тяжело загруженных сооружениях; во-вторых, по методам изготовления, причем в ближайшем будущем большое место займут самонапряженные конструкции, в которых предварительное напряжение создается в результате действия химических сил в процессе затвердевания бетона. Здесь надо различать два вида самонапряженных конструкций: с естественным распределением напряжений (не калиброванные) и с силовым перераспределением в процессе самонапряжения (калиброванные), когда практически может быть достигнуто любое заданное напряженное состояние в бетоне и арматуре конструкции. Особо выделяются конструкции, когда известное (но не произвольное) перераспределение усилий и деформаций осуществляется уже после окончания изготовления конструкции или даже в процессе ее монтажа в сооружении (конструкции «с зарегулированными деформациями»). Рассматривая нагрузки и сопротивления им материалов при трещинообразовании и при полном разрушении конструкций, необходимо учитывать изменчивость временного сопротивления бетона и арматуры.
Предварительно напряженные конструкции принято разделять по способу создания собственных усилий, по отношению ко времени бетонирования, на конструкции с предварительным или с последующим натяжением арматуры. Первые в строительной практике Советского Союза называются «конструкциями с натяжением арматуры на упоры».
поскольку для поддержания арматуры в натянутом положении до укладки и затвердения бетонной смеси требуются мощные анкерные устройства, упоры, штыри и т. д. Вторые называются «конструкциями с натяжением на бетон», так как в момент натяжения арматуры бетон уже уложен и затвердел, вследствие чего возможно передавать на него непосредственно усилие натяжения, развиваемое натяжным домкра-том. За последнее пятилетие появились новые оригинальные методы изготовления предварительно напряженных конструкций, которые не охватываются существующими техническими терминами.
В зарубежных странах, особенно в последнее время, введены и широко привились термины «преднатянутые» и «последующе натянутые» конструкции.
По-видимому, наиболее общее название — «предварительно напряженные», или просто «напряженные», конструкции (как это принято в ГДР и ФРГ), поскольку метод их изготовления является процессом, связанным с технологией, и во многих случаях одна и та же предварительно напряженная конструкция по назначению, профилю сечения и поведению под нагрузкой может быть изготовлена с натяжением арматуры на упоры и на бетон.
Классификация предварительно напряженных конструкций
По-другому представляются свойства материалов предварительно напряженной железобетонной конструкции в восприятии ими нагрузки, когда работа каждого материала рассматривается отдельно в свете возникающих в нем усилий от внешних нагрузок с учетом упруго- пластических связей между бетоном и арматурой.
В результате предварительного напряжения железобетонных конструкций достигаются:
а) снижение расхода стали на напрягаемую рабочую арматуру благодаря применению стали повышенной и высокой прочности;
б) увеличение сопротивления конструкции образованию трещин в бетоне, т. е. трещиностойкости, и ограничение раскрытия трещин;
в) увеличение жесткости конструкций, т. е. уменьшение деформативности, в результате чего возникают возможности перекрывать большие пролеты, строить сверхвысокие сооружения;
г) снижение веса конструкции путем уменьшения размеров сечения и соответственно расхода бетона. Это в большинстве случаев приводит к снижению стоимости конструкции;
д) повышение выносливости конструкций, работающих под воздействием многократно повторяющихся нагрузок;
е) повышение пределов прочности конструкции в результате увеличения нагрузок, отвечающих упругой стадии ее работы;
ж) увеличение устойчивости предварительно напряженных центрально и внецентренно (с малым эксцентрицитетом) сжатых гибких конструкций (столбы, мачты и т. д.), в результате чего существенно увеличивается критическая нагрузка и, следовательно, предельная несущая способность.
Все перечисленные преимущества настолько значительны, что, несмотря на усложнения процесса изготовления конструкции при напряженном армировании, они находят все большее применение в строительстве. Для ряда конструкций предварительное напряжение арматуры является единственно возможным решением.
Свойства предварительно напряженных железобетонных конструкций существенно отличаются от свойств обычных (без предварительного напряжения), хотя последние можно рассматривать как частный случай предварительно напряженных, в которых собственные напряжения равны нулю. Главное различие между теми и другими заклю-чается (как будет показано ниже) в разной способности материалов конструкций воспринимать внешние нагрузки в период эксплуатации.
В обычном железобетоне вся нагрузка в зоне растяжения элемента до появления в этой зоне трещин воспринимается в первую очередь бетоном и лишь в незначительной степени — арматурой. В предварительно напряженном железобетоне при эксплуатации конструкции вся нагрузка полностью воспринимается арматурой растянутой зоны.
Такое непривычное на первый взгляд представление о работе предварительно напряженной железобетонной конструкции под нагрузкой в действительности является главным и неотъемлемым качеством такой конструкции. Может возникнуть вопрос, почему столь очевидное свойство новой конструкции ранее (до разработки теории предварительно напряженных конструкций) никогда не трактовалось, не оценивалось и никем в явной форме не представлялось. Причина заключается в привычной оценке обычного железобетона как однородного материала с приведенной к площади бетона площадью арматуры через коэффициент армирования бетона и через отношения упругих характеристик материалов. Приучив себя рассматривать работу арматуры как работу бетона с площадью, в п раз большей площади арматуры, нельзя было обнаружить отмеченные выше положительные свойства арматуры, которые она приобретает вследствие предварительного напряжения.
Железобетонными предварительно напряженными (или сокращенно преднапряженными) называются такие конструкции, в которых предварительно, т. е. в процессе изготовления или возведения, создаются собственные первичные усилия растяжения в арматуре и сжатия в бетоне всего сечения или части его.
Предполагалось, что эти начальные усилия создаются до приложения внешней нагрузки, и этим обосновывалось название «предварительно напряженные», почему этому определению и было отдано предпочтение перед более ранним названием «напряженно армированные».
В действительности же при существующих методах изготовления предварительно напряженных конструкций часто возникают усилия как в процессе изготовления изделия, так и при приложении внешних нагрузок (в большинстве случаев от собственного веса конструкции). Последние, складываясь с предварительным напряжением, дают суммарные усилия, которые и нужно учитывать при оценке напряженного состояния конструкций.
В связи с этим наименование «предварительно напряженные» имеет условный, символический смысл и сохраняется потому, что оно принято и в большинстве стран мира. Только в ГДР и ФРГ применяется наиболее краткое название «напряженный железобетон» (Spannbeton).