Принципы армирования и совершенствование железобетона

Характерной и ответственной частью железобетона является арматура. Арматуру как часть конструкции, воспринимающую растяжение, размещают преимущественно в растянутых зонах элемента, вдоль растягивающих усилий. В сжатой зоне, наоборот, все сжатие способен воспринять бетон. Помещаемая здесь иногда арматура увеличивает сопротивление элемента сжатию.

Рассмотрим в общих чертах схему устройства железобетонной балки, опертой по концам и нагруженной сверху (рис. 143, а). Изготовленная из одного бетона такая балка а неминуемо потрескалась бы снизу вплоть до полного перелома под грузом или только под действием собственного веса.

Разрушения не произойдет даже и при увеличении нагрузки, если вдоль растянутой зоны, главным образом нижней грани балки поместить арматуру (как условно показано для средней части балки на рис. 143, б). Благодаря сцеплению бетона со сталью арматура воспримет растяжение и тем предотвратит разрушение балки под расчетной нагрузкой.

Объединение стали с бетоном

возможно потому, что оба эти материала почти одинаково изменяются в длине и объеме с изменением температуры. При существенно различной деформации перемена температуры вызвала бы взаимные смещения бетона и арматуры, т. е. расслоение железобетона.

Армирование бетона сталью, достаточное только для восприятия растягивающих усилий от нагрузки, не избавляет полностью от       появления трещин в бетоне.      Прежде всего трещины появляются от усадки при твердении (с высыханием) бетона. Затухая, усадка длится 1—2 года. Арматура благодаря силам сцепления бетона       со   сталью       препятствует свободному растрескиванию при усадке бетона, рассредоточивает крупные трещины, характерные для бетонных элементов, на ряд более

многочисленных, но мелких усадочных трещин. Сами усадочные трещины не опасны. Более существенно развитие трещин в растянутой зоне бетона под действием нагрузки.

Растянутая арматура, удлиняясь под нагрузкой, вызывает растяжение, а с ним и растрескивание бетона или же дальнейшее раскрытие усадочных трещин. Такое растрескивание бетона не снижает расчетную прочность, поскольку арматура поставлена в достаточном количестве для воспринятия всего растяжения. Раскрытие трещин под нагрузкой, понятно, тем больше, чем больше растягивающие напряжения в арматуре и чем меньше насыщение бетона арматурой или, как говорят, процент армирования, т. е. отношение общей площади сечения растянутой арматуры к площади сечения бетона. При этом важно обеспечить достаточную боковую поверхность арматуры для большего сцепления ее со всей толщей растянутого бетона. С этой целью предпочтительнее рассредоточить в бетоне несколько стержней малого диаметра, чем поставить один стержень той же суммарной площади, но большего диаметра.

Ограничивая величину наибольшего растяжения арматуры увеличением ее количества и соблюдая известные требования о насыщении растянутого бетона арматурой, можно уменьшить величину раскрытия трещин. Принято считать, что раскрытие трещин до 0,2 мм не опасно для проникания влаги к арматуре. Однако лучше, когда и малых трещин нет, так как со временем они могут развиться в большие, открыть доступ воде и привести к ржавлению арматуры. Но снижение трещинообразования ограничением напряжения в арматуре ниже ее возможностей неэкономично, ввиду перерасхода металла.

Всего этого лишены предварительно напряженные конструкции, позволившие расширить возможности железобетона благодаря более целесообразному использованию материалов в нем без образования трещин из-за растяжения арматуры под нагрузкой.

Идея таких конструкций пояснена на той же модели по рис. 142, в. Здесь в качестве арматуры в сквозное отверстие затвердевшей бетонной балки вставлен болт с гайкой и с шайбами в опирании болта на бетон. Завинчивая гайку, можно сжать бетон. Болт при этом будет растянут. Если такую предварительно напряженную балку загрузить, то удлинение нижней зоны балки при изгибе приведет к дополнительному растяжению болта. По мере растягивания болта бетон будет постепенно освобождаться от первоначального сжатия, не переходя, однако, в состояние опасного растяжения, если предварительное натяжение болта было достаточным.

По типу такой модели осуществимы реальные напряженные конструкции и их узловые сопряжения (см. рис. 129, б).

Применяются разные по виду и технологии изготовления предварительно напряженные конструкции. Специфичны в них арматура и детали ее закрепления в натянутом состоянии, различны последовательность и средства натяжения. В одних случаях арматуру натягивают после бетонирования, в других — до него; наряду с натяжением домкратами арматуру удлиняют электронагревом и, закрепляя в нагретом состоянии ее концы в упорах, создают условия для самонатяжения арматуры по мере остывания.

Общее для всех типов напряженных конструкций состоит в том, что уже до эксплуатации арматура в них специально растянута, а бетон сжат. Эксплуатационная нагрузка еще более увеличивает растяжение в арматуре и потому снижает предварительное сжатие бетона, не приводя все же к появлению в нем растяжения и поперечных трещин.

В отличие от этого в ненапряженных конструкциях по окончании изготовления и твердения бетона арматура остается почти в таком же ненатянутом состоянии, в каком ее укладывали в опалубку (если пренебречь ничтожным изменением от усадки бетона). И лишь при эксплуатации в арматуре, как и в бетоне, под действием веса пролетного строения и поездной нагрузки возникают напряжения. С растяжением бетона появляются и трещины в нем. Причем ограничение ширины раскрытия их (хотя бы до 0,2 мм) связано с недоиспользованием возможностей, а значит, и с перерасходом арматуры (стр. 152).

Предварительное натяжение арматуры эффективно многим. Оно повышает трещиностойкость конструкции и исключает необходимое для обычного железобетона ограничение напряжений в арматуре. Напротив, в связи с высоким предварительным и эксплуатационным растяжением напрягаемой арматуры стало выгодно применять для нее высокопрочную сталь, а вместе с ней и более прочный бетон. То и другое позволило снизить расход арматуры, массу конструкции и перекрывать относительно большие пролеты.

С внедрением предварительно напряженных конструкций в целесообразных случаях не утратил значение и обычный железобетон, более простой в изготовлении и не обнаруживающий серьезного растрескивания в слабо растянутых, а тем более сжатых элементах и частях конструкций.

Ненапрягаемую арматуру выполняют из круглых стержней углеродистой стали марки ВСт. 3 диаметром 6—20 мм, а в мощных элементах 30—40 мм.

Вместо гладкой теперь широко применяют арматуру периодического профиля, подобного винтовой нарезке (рис. 144, а), либо сплющенного прерывисто (рис. 144, б). Она увеличивает сцепление арматуры с бетоном, позволяет допускать большее напряжение на стержень того же сечения. Поэтому стержни периодического профиля изготовляют из более прочной углеродистой стали марки ВСт. 5, а также низкоуглеродистой стали марок 25Г2С и 35ГС. Повышенное сцепление такого профиля избавляет в ряде случаев от устройства на концах стержней крюков, применяемых при гладкой поверхности стали для увеличения заделки арматуры в бетоне.

Для напрягаемой арматуры применяют высокопрочную холоднотянутую проволоку гладкую и периодического профиля диаметром 3—5 мм (иногда до 10 мм), канатную проволоку, стальные канаты, тросы, витые семипроволочные пряди.

Прочность напрягаемой арматуры в 3—5 раз выше обычной. Для напрягаемой арматуры находят применение и стержни периодического профиля диаметром до 40 мм из низколегированной мартеновской горячекатаной стали марки 30ХГ2С.

Бетон в железобетонных мостах применяют различной прочности.

Прочность проверяют на бетонных образцах — кубах размером 20Х20Х Х20 см, испытываемых на сжатие через 28 сут. после их изготовления. Образцы хранят в течение этого срока в тех же условиях твердения, как и бетон самого изделия. Величину сопротивления образца, доведенного до разрушения, выражают в кгс/см². Она и является маркой — нормативным сопротивлением бетона по прочности на сжатие. Сопротивление бетона растяжению составляет всего 0,5—0,9% сжатия.

Для мостов применяют бетон марок 200—600, в напряженных конструкциях — не ниже 300. Бетон должен обладать и необходимой морозостойкостью.

Прочность бетона зависит от качества и количества цемента, от соотношения воды, цемента, заполнителей — песка и щебня. На прочность бетона влияют тщательность его приготовления, плотность укладки, условия твердения и другие факторы.

Цемент предпочтителен более высоких марок и в оптимальном количестве, имея в виду, что уменьшение цемента понижает прочность и плотность бетона, а увеличение неэкономично, но главное — опасно большей усадкой и ползучестью бетона. Ползучесть — это свойство бетона медленно сокращаться под постоянной нагрузкой, что ведет, в частности, к некоторому снижению со временем обжатия предварительно напряженной конструкции.

По консистенции желательны более жесткие бетонные смеси, т. е. с пониженным водо-цементным отношением; это, однако, требует лучшего уплотнения при укладке бетона. Песок и щебень должны быть хорошего качества, промыты от примесей и подобраны по нужному гранулометрическому составу (т. е. соотношению количеств частиц различной крупности или фракций заполнителей).

Аналогично ползучести бетона в арматуре со временем проявляется снижение (релаксация) напряжений от постоянных сил, включая предварительное напряжение.

Все подобные потери напряжений (в том числе от усадки, ползучести) учитывают в доступной мере при проектировании для обеспечения заданной прочности и трещиностойкости конструкции. Расположение, количество (и сечение) арматуры в основном соответствуют действию растягивающих усилий в элементе. На рис. 145, а показано армирование балки. Для наглядности различные стержни арматуры изображены отдельно.

Арматуру соединяют мягкой, отожженной проволокой или электросваркой в каркас с помощью хомутов и монтажных стержней. Монтажные стержни ставят в углах хомутов, где нет основной арматуры. Хомуты и монтажные стержни — из круглой стали, но диаметром меньше, чем у основных стержней.

В каркасе для балки (см. рис. 145, а) характерно увеличенное количество растянутых стержней в ее средней части подобно эпюре усилий и материала в поясах стальной балки по рис. 73 вследствие возрастания растяжения по мере удаления от опор к середине пролета.

Характерны также косые стержни, отогнутые снизу вверх к опоре. Они также воспринимают растягивающие напряжения, но не нормальные, т. е. действующие вдоль нижнего пояса нормально поперечному сечению балки, а косые растягивающие напряжения, направленные под углом к поясу. У опор этот угол наибольший (он равен 45°) и величина косых напряжений максимальная. Под действием косых растягивающих напряжений в балке, армированной только горизонтальными стержнями, или при недостаточном числе косых стержней возникают трещины (на рис. 145, а показаны пунктиром).

Отогнутые под углом снизу вверх стержни подобно раскосам ферм связывают нижний растянутый пояс с верхней сжатой зоной бетона. К середине пролета косые напряжения уменьшаются. Поэтому и отогнутых стержней требуется меньше, а в средней части балки достаточно одних хомутов. Хомуты, как и косые стержни, воспринимают срезывающие напряжения от поперечных сил (стр. 91,92).

В высоких балках по их вертикальным граням ставят еще горизонтальные стержни. Они препятствуют развитию трещин от растяжения и усадки бетона вне пределов влияния нижней растянутой арматуры.

В продольно растянутых и сжатых элементах, например, в подвесках, стойках, сваях, арматурный каркас состоит только из продольной арматуры и поперечных хомутов (рис. 145, б). Хомуты здесь нередко ставят в виде спирали, непрерывной по длине (рис. 145, в).

Между арматурным каркасом и поверхностью элемента всегда оставляют защитный слой бетона 1,5— 5 см для предохранения арматуры от ржавления.