Многоступенчатое предварительное напряжение.

В рассмотренном выше примере предварительно сжатого стержня обсуждается однократное натяжение затяжки. Если внешнюю нагрузку прикладывать частями и чередовать ее со ступенчатым натяжением затяжки, то можно повысить эффект от предварительного напряжения (рис. 6). После начального предварительного натяжения , близкого по величине к расчетному сопротивлению материала, прикладывают нагрузку , погашающую предварительное напряжение. После дополнительного предварительного напряжения вновь прикладывают часть нагрузки . Циклы смены нагрузки и предварительного напряжения могут быть повторены несколько раз, за счет чего грузоподъемность конструкции повышается в несколько раз.

Однако следует помнить, что частями можно прикладывать лишь постоянную нагрузку. Временной может быть лишь нагрузка последнего цикла. Нельзя забывать, что снятие нескольких циклов нагрузки может привести к перегрузке конструкции от воздействия суммарного усилия предварительного напряжения, не имеющего компенсации от снятой части нагрузки. Таким образом, только в конструкциях со значительной постоянной нагрузкой, позволяющей прикладывать ее ступенями, возможно применение многоступенчатого предварительного напряжения.

Рис. 6. Многоступенчатое предварительное напряжение конструкций: а – схема фермы; б – диаграмма изменения напряжений по стадиям работы

 

Создание предварительного напряжения затяжками из высокопрочных материалов. Одним из наиболее перспективных способов предварительного напряжения металлических конструкций следует признать напряжение с помощью высокопрочных затяжек, вант (напрягающих элементов). Затяжку чаще всего проектируют на всю длину стержня.

Затяжки предварительно напряженных конструкций выполняют из высокопрочных материалов проволочных прядей, стержневой высокопрочной арматуры, витых и невитых стальных канатов заводского изготовления. Для стабилизации упругих свойств канатов их подвергают предварительной вытяжке усилиями, превышающими на 15...20% расчетные усилия, выдерживая под нагрузкой не менее 30 мин, либо на специальных стендах, либо на самой конструкции, если это обосновано расчетом. Эту операцию, как правило, выполняют в готовых канатных элементах, оснащенных анкерными устройствами, что позволяет выполнить одновременно и испытание анкерных устройств.

Принципиальные черты этого способа удобно рассмотреть на прямом стержне постоянного сечения, работающем на осевое растяжение (рис. 7).

Рис. 7. Работа предварительно сжатого стержня на растяжение: a – стержень; б – диаграмма напряжений; в – диаграмма деформаций; 1 – жесткая часть стержня; 2 – напрягающий элемент.

Жесткую часть (обойму) стержня 1 выполняют из трубы, двух швеллеров, двух (четырех) уголков и т.п. и подвергают предварительному сжатию натянутой на нее высокопрочной затяжкой (арматурой) 2, расположенной по центру тяжести сечения (рис. 7, а). Затяжку выполняют из стального каната, пучка высокопрочной проволоки или арматурного стержня. Система однажды статически неопределима. Начальное сжимающее напряжение  в жесткой части уравновешивается растягивающим напряжением  в затяжке. При приложении внешней нагрузки Р обойма и затяжка работают на растяжение совместно, причем в затяжке растягивающее напряжение растет, а в обойме сначала погашается начальное напряжение сжатия, затем появляется растягивающее напряжение (рис. 6, б). Площади сечения обоймы и затяжки и величину начальной силы натяжения выбирают так, чтобы полностью использовать возможности материалов по несущей способности. В предварительно сжатом стержне удлинение от нагрузки не зависит от расчетного сопротивления затяжки и не может быть больше, чем удвоенное удлинение стержня из обычной малоуглеродистой стали, так как , не может быть больше  .

Материал затяжки именно поэтому используется эффективно. Это относится к любым конструкциям, напрягаемым с помощью высокопрочных затяжек (балки, фермы, aрки, рамы, структурные плиты, блоки и т.п.). Кроме того, введение в работу затяжек изменяет расчетную схему конструкции, повышая степень ее статической неопределимости, что при обоснованном назначении размеров сечений элементов, как правило, повышает эффективность конструкции не только по материалоемкости, но и по надежности.