ГлавнаяПрименение предварительного напряжения в строительных конструкциях является одним из направлений технического прогресса, обеспечивающим качественно более высокий технический уровень конструкций.
Предварительное напряжение позволяет повысить эффективность конструкций, т. е. при той же затрате материала увеличить их несущую способность, а в ряде случаев и жесткость. Следовательно, при заданной несущей способности или жесткости можно получить конструкции с меньшей затратой материала и более дешевые.
Известно, какую большую роль сыграло предварительное напряжение в развитии железобетона. Оно создало качественно новый материал и позволило железобетону завоевать новые области применения, существенно облегчило вес конструкций, сделало их индустриальными и транспортабельными.
Еще большие возможности открывает применение предварительного напряжения, включая в это понятие и регулирование усилий, в повышении эффективности металлических конструкций, так как способы предварительного напряжения таких конструкций значительно разнообразнее.
Необходимо оговориться, что создание предварительного напряжения часто связано с расходом материала на дополнительные элементы (затяжки, анкеры) и всегда с дополнительными трудовыми затратами. Задача заключается в том, чтобы эффект, получаемый от предварительного напряжения, превышал затраты, связанные с его созданием.
Известны следующие способы создания предварительного напряжения:
1) обжатие отдельных растянутых, сжатых и изгибаемых стержней и целых элементов (балок, ферм, рам, арок) затяжками различного вида из высокопрочных материалов;
2) предварительный упругий выгиб отдельных элементов с последующей сваркой их в изогнутом состоянии в целый конструктивный элемент (балку);
3) предварительная вытяжка целых элементов или отдельных их стержней в целях увеличения области упругой работы материала;
4) принудительное смещение опор конструкций (неразрезных балок, рам, арок и т. п.) на монтаже с целью перераспределения моментов или получения в стержнях усилий обратного знака по отношению к усилиям от внешней нагрузки;
5) временная загрузка в процессе монтажа отдельных элементов конструкций (консолей или отдельных пролетов) или всей конструкции (оболочки) с последующим закреплением конструкции под нагрузкой для рационального распределения усилий и повышения ее жесткости;
6) создание предварительного напряжения в прокатных профилях путем завальцовки в них предварительно натянутой высокопрочной проволоки;
7) предварительное напряжение вантовых систем для обеспечения их жесткости и способности воспринимать сжимающие усилия;
8) предварительное натяжение отдельных гибких стержней (тросы, пучки проволоки, арматура) с целью восприятия ими сжимающих усилий.
Предварительное напряжение может осуществляться полностью на заводе изготовления конструкций, частично на заводе и частично на монтажной площадке и полностью на монтажной площадке — при укрупнительной сборке или «наверху». Предварительное напряжение может быть однократным и многоступенчатым.
Многообразие методов создания предварительного напряжения позволяет применять его во всех металлических конструкциях.
Предварительное напряжение с успехом применяется для усиления существующих конструкций.
В результате создания предварительных напряжений область упругой работы материала и его несущая способность увеличиваются (рис. 1). Сначала погашаются предварительные напряжения σ0, а затем прорабатывается расчетное сопротивление R материала. Усилие, воспринимаемое предварительно напряженным элементом, равное P2=F(σ0+R), больше усилия, воспринимаемого тем же элементом без предварительного напряжения, P1=FR.
При создании предварительных напряжений, обратных по знаку напряжениям от нагрузки, возможно повышение несущей способности в элементах, работающих как на осевую силу, так и на изгиб. Известно, что потеря устойчивости внецентренно сжатого стержня небольшой гибкости связана с развитием пластических деформаций. Если во внецентренно сжатом двутавровом стержне создать эпюру начальных напряжений с растяжением в полках и сжатием в стенке (рис. 2), то при действии внешней силы со стороны сжатых волокон сначала будут погашаться растягивающие напряжения, в результате чего область упругой работы материала увеличится, текучесть в крайнем нагружаемом волокне наступит позже, что приведет к повышению несущей способности элемента.
Создание предварительного напряжения всегда связано с возникновением начальной деформации, обратной по знаку деформациям от нагрузки (рис. 3). При действии эксплуатационной нагрузки сначала выбираются начальные деформации и лишь затем конструкция начинает деформироваться в основном своем направлении. Жесткость конструкции при этом не увеличивается, а эффект от предварительного напряжения аналогичен строительному подъему, и если по условиям эксплуатации нагрузку лимитируют конечные деформации [Δ], то можно повысить несущую способность конструкции или при той же нагрузке иметь меньшие конечные деформации (например, прогибы перекрытия от постоянной нагрузки).
Созданием предварительного напряжения обратного знака можно в некоторых случаях уменьшить не только конечные прогибы, но и абсолютную величину прогибов от данной нагрузки — повысить жесткость конструкции (рис. 4).
Если ферма с крестовой решеткой (рис. 4, а) имеет гибкие раскосы, то при действии нагрузки P1 сжатые раскосы выключаются из работы (вследствие потери устойчивости), и модуль деформативности фермы E1 определяется лишь работой растянутых раскосов. Однако если в гибких раскосах создать предварительное напряжение растяжения, по абсолютной величине несколько большее сжимающего усилия от нагрузки (рис. 4,б), то при действии нагрузки поперечная сила будет восприниматься как растянутыми, так и сжатыми раскосами, в которых будет погашаться предварительное усилие растяжения. Поэтому усилия в стержнях решетки будут в 2 раза меньше. В результате модуль деформативности фермы E2>E1, т. е. жесткость конструкции, увеличится (рис. 4,в).
Применение идеи создания предварительного напряжения обратного знака к гибким элементам (канатам, проволоке, гибким стержням и т. п.) получило широкое развитие в самых разнообразных видах металлических конструкций. Несущая способность гибкого элемента на сжатие без предварительного напряжения равна нулю. Будучи предварительно натянутым, он приобретает способность воспринимать сжимающие усилия в пределах величины усилия предварительного натяжения (рис. 5).
Еще в большей степени можно повысить несущую способность и жесткость конструкции, применяя многоступенчатое предварительное напряжение (рис. 6), яри котором предварительное напряжение и загружение конструкции производится в несколько циклов. Сначала создается предварительное напряжение σ01 затем нагрузка Р'2, доводящая напряжение в стержне или опасном сечении конструкции до предельного значения [R]. Во втором цикле опять создается предварительное напряжение (σ02) обратного знака и нагрузка P2. После нескольких таких циклов суммарная нагрузка (∑P2) может быть в несколько раз больше нагрузки, которую выдержит конструкция без предварительного напряжения (рис. 6, а).
Примером конструкции с многоступенчатым предварительным. напряжением может быть ферма с затяжкой (рис. 6,6) Создавая натяжение в затяжке, получаем предварительное напряжение сжатия в нижнем поясе фермы и растяжения — в верхнем. Вертикальная нагрузка на ферму вызовет в поясах обратные усилия— растяжение в нижнем поясе и сжатие в верхнем. Циклы «натяжение затяжки — нагрузка» повторяются. Необходимо иметь в виду, что нагрузка в процессе создания многоступенчатого предварительного напряжения должна быть постоянной. Если эта нагрузка в процессе эксплуатации конструкции будет снята, то усилия от нескольких циклов предварительного напряжения суммируются, превзойдут предельное значение и конструкция разрушится. Временной может быть лишь нагрузка последнего цикла.
Предварительное напряжение дает возможность эффективно использовать в металлических конструкциях такие высокопрочные материалы, как стальные канаты, высокопрочная проволока, арматура периодического профиля и т. п., причем с помощью этих материалов в конструкциях создается предварительное напряжение.
Применение высокопрочных материалов рационально потому, что прочность их в 4—5 раз выше прочности обычной стали (сталь марки Ст. 3), а стоимость выше лишь в 2,5—3 раза (табл. 1).
В обычных (без предварительного напряжения) металлических конструкциях высокопрочные материалы не могут применяться по двум причинам:
- во-первых, в силу их гибкости они не могут быть использованы для создания жестких конструктивных элементов, удобных для транспортирования и монтажа;
- во-вторых, что более существенно, использование высокой прочности материала при том же, что и для стали 3, а иногда и меньшем (стальные канаты) модуле упругости, связано с большими деформациями конструкции, как правило, недопустимыми по условиям эксплуатации.
Прочность высокопрочной проволоки в 4—6 раз выше прочности обычной стали. Если учесть, что площадь элемента, выполненного из этой проволоки, будет также в 4—6 раз меньше, то, очевидно, при полном использовании прочности деформации такого элемента будут в 4—6 раз больше деформаций Δ1 элемента из обычной стали (рис. 7, а, б).
Полностью использовать прочность проволоки, стальных канатов и T. п. можно в комбинированных конструкциях из обычной и высокопрочной стали, применяя в них предварительное напряжение.
Если жесткий стержень из обычной стали обжать высокопрочной проволокой, причем так чтобы в основном металле стержня возникли максимально возможные сжимающие напряжения σ01, которые будут несколько меньше предельного сопротивления растяжению R1, а в проволоке предварительные растягивающие напряжения σ02 будут также меньше предельного сопротивления R2, то при загружении такого стержня можно добиться полного использования несущей способности как основного металла, так и проволоки. При этом деформации стержня под нагрузкой будут немного увеличенными по сравнению с деформациями стержня из обычной стали (рис. 7, в).
Идея комбинированных конструкций заключается в том, что энергия предварительно натянутой проволоки аккумулируется в жестком стержне, который получает предварительное напряжение, обратное по знаку напряжениям от нагрузки. При приложении нагрузки P оба материала работают совместно; при этом в основном металле сначала погашаются предварительные напряжения сжатия, а затем растягивающие напряжения растут до своей предельной величины (рис. 8, а).
В проволоке к уже полученному растягивающему напряжению σ02 добавляются растягивающие напряжения от нагрузки (R2-σ02), причем суммарные напряжения также достигают предельной величины R2.
Полное усилие, выдерживаемое комбинированным элементом
P = F1R1 + F2R2 = F1R1(1+ αβ),
где
Множитель в скобках характеризует повышение несущей способности жесткого стержня при предварительном напряжении его с помощью высокопрочного материала. В процессе предварительного напряжения стержень F1 получает деформацию сжатия Δ01, а стержень F2 деформацию растяжения Δ02. Полные деформации -стержня под нагрузкой Δp определяются суммой напряжений σ01+R1. Они получаются не в 4—6 раз больше, как при использовании одного лишь высокопрочного материала, а лишь в 1,5-1,8 раза больше, чем в стержне из обычной стали (рис. 8,б).
Этот способ может быть применен для предварительного напряжения самых разнообразных конструкций, работающих на все виды усилий.
Предварительно напряженные металлические конструкции с использованием в качестве напрягающих элементов высокопрочных материалов в настоящее время хорошо изучены и получили наибольшее распространение.
В некоторых случаях для повышения жесткости можно использовать предварительную вытяжку металла — наклеп.
Предельное напряжение в металле определяется значением напряжения предела текучести (R1≤σт), при котором деформации растут при постоянной нагрузке и достигают величины, неприемлемой по условиям эксплуатации.
Если в материале создать напряжение выше предела текучести (вытяжка) и затем разгрузить, то при последующих нагружениях увеличивается область упругой работы материала. Упругие свойства материала сохраняются до напряжения R2, полученного при вытяжке. Деформации в пределах упругой работы малы, и за предельное напряжение в предварительно вытянутом металле можно принимать R2>σт. Это свойство металла используется в арматуре периодического профиля.
В металлических конструкциях этот прием повышения предельных напряжений, а следовательно, и несущей способности конструкций можно использовать не всегда, так как при наклепе одновременно с повышением предела упругости материал теряет свои пластические свойства, что во многих случаях недопустимо.
Также следует иметь в виду, что явление наклепа имеет место только при повторных напряжениях того же знака, что и первое напряжение, вызвавшее развитие пластических деформаций.
Большой эффект дают перераспределение и регулирование усилий. Это позволяет искусственным путем уменьшать расчетные усилия в одних элементах или сечениях конструкции за счет увеличения усилий в других элементах или сечениях, что в ряде случаев снижает затрату материала.
Например, в неразрезной двухпролетной балке можно, перемещая в вертикальном направлении среднюю опору, изменять расчетные величины опорных и пролетных моментов (рис. 9).
Такой прием дает положительный эффект при действии на балку в основном постоянной нагрузки.
Поднятием опоры вверх в балке создается отрицательный момент от предварительного напряжения (рис. 9,а). Суммарный опорный момент от предварительного напряжения и от нагрузки увеличивается, а моменты в пролете уменьшаются. Делан балку переменного сечения с увеличением его на опоре, можно Получить экономию материала.
В балках постоянного сечения целесообразно среднюю опору опустить, чтобы создать положительный момент от предварительного напряжения и тем самым выравнять расчетные значения моментов в пролете и на опоре (рис. 9,б).
Аналогичными методами можно изменять эпюры моментов в рамах, арках и других статически неопределимых системах.