|
|
Железобетон представляет собой
конструктивное соединение бетона и расположенной в нем стальной арматуры,
рационально объединенных для совместной работы в конструкциях, изделиях и
элементах при действии нагрузки, как единое целое.
Бетон, будучи искусственным камнем, как и естественные
камни, хорошо сопротивляется сжатию и намного хуже растяжению (при Яь=
10...80 МПа Дь,= 1...4 МПа); JR4 = (10...20)JRi„ что ограничивает область его
применения, и он в основном используется в сжатых элементах. Сталь хорошо
сопротивляется сжатию и растяжению. Это сопротивление характеризуется
пределом текучести для мягкой стержневой арматуры «7,,=250...400 МПа и
пределом прочности для высокопрочной арматуры аш =1000...2000 МПа. Задача
проектировщика состоит в том, чтобы создать конструкцию, в которой наиболее
полно использовались положительные свойства бетона и стальной арматуры. Чтобы
понять работу железобетонного элемента, рассмотрим работу бетонной и
железобетонной балки.
При приложении нагрузки к бетонной балке ( 1.1, а) в
верхней части ее сечения возникает сжатие, в нижней — растяжение. Когда
напряжения в растянутой зоне достигнут предельного сопротивления растяжению,
образуется трещина и происходит хрупкое разрушение элемента задолго до того,
как будет использовала прочность бетона на сжатие. Несущая способность такой
балки ограничивается низким сопротивлением бетона растяжению. Высокая
прочность бетона на сжатие не используется.
Рассмотрим работу железобетонной балки ( 1.1, б), в
растянутую зону которой уложена мягкая стальная арматура. В процессе
загружения рассматриваемая балка будет вначале работать как бетонная. После
образования трещин в бетоне растянутой зоны балка не разрушится, так как
растягивающие усилия будут восприняты арматурой. Разрушение в этом случае
наступит вследствие развития текучести стали и последующего раздавливания
бетона сжатой зоны. При этом несущая способность армированной балки будет
намного выше, чем бетонной. Опыты показывают, что при эксплуатационных
нагрузках, составляющих обычно 0,5...0,7 от разрушающих, напряжения в
растянутой арматуре не превышают 250...300 МПа, а прогибы конструкции и
ширина раскрытия трещин не превышают допустимых значений. В такой конструкции
бетон может быть полностью использован в работе на сжатие, а арматура — на
растяжение.
Рассмотрим работу железобетонной балки, армированной
высокопрочной арматурой ( 1.1, в). Работа такой балки не будет отличаться от
работы балки, изображенной на 1.1, б (при том же количестве арматуры),
однако несущая способность ее будет значительно выше. Вместе с тем в такой
балке еще до исчерпания несущей способности вследствие больших деформаций
арматуры прогибы и ширина раскрытия трещин возрастут настолько, что станут
недопустимыми по условиям эксплуатации. Это обстоятельство ограничивает
применение высокопрочной арматуры в обычных железобетонных конструкциях.
Около 100 лет назад было предложено предварительно
вытягивать арматуру и закреплять ее в этом положении, а после укладки и
твердения бетона отпускать. При этом в зависимости от расположения арматуры
происходит обжатие всего сечения или только нижней его части. Конструкции
такого типа называют предварительно напряженными ( 1.1, г). При приложении
нагрузки растягивающие напряжения в нижней зоне сечения балки суммируются с
сжимающими напряжениями от предварительного напряжения и только тогда, когда
последние погасятся, в растянутой зоне будут возникать растягивающие
напряжения ( 1.1, д). Таким образом, предварительное напряжение отдаляет
момент образования трещин, ограничивает ширину их раскрытия, уменьшает
прогибы. В предварительно напряженных конструкциях удается эффективно
использовать стали высокой прочности, при этом трещиностойкость и жесткость
элементов будут обеспечены.
Длительное время предварительно напряженный железобетон
рассматривался как особый строительный материал, существенно отличающийся по
своим свойствам от обычного ненапряженного железобетона. Однако исследования
показали, что в любых железобетонных конструкциях возникают начальные
напряжения. В обычном железобетоне они всегда имеют место вследствие
проявления усадки, ползучести, действия температуры и т. п., а в
предварительно напряженном, кроме того, они создаются искусственно путем
обжатия бетона арматурой. Такой подход, характерный для отечественной научной
школы, позволил рассматривать железобетон с ненапрягаемой арматурой как
разновидность предварительно напряженного бетона.
Совместная работа таких различных по своим механическим и
физическим свойствам материалов, как сталь и бетон, обеспечивается следующими
условиями:
1. При затвердении бетон прочно сцепляется с
арматурой, в результате чего образуется монолитный железобетонный элемент.
Как правило, для повышения сцепления применяют арматуру периодического
профиля или по концам стержней устраивают анкеры (шайбы или крюки).
2. Бетон и сталь обладают почти одинаковыми
коэффициентами температурного удлинения. Для бетона этот коэффициент
колеблется в зависимости от состава в пределах от 0,7 • 10~5 "С"1
до 1,4 10~5 °СГ\ а для стали он равен 1,2 • 10 5 °С \ вследствие чего
колебания температуры (до 100 °С) не нарушают монолитности бетона.
3. Бетон при соблюдении определенных требований
(содержание цемента не менее 250 кг/м ), обеспечении защитного слоя является
надежной защитой арматуры от коррозии, высоких температур, механических
повреждений.
Достоинства и недостатки железобетона. К основным
преимуществам железобетона, обеспечивающим ему широкое распространение в
строительстве, относятся: огнестойкость, долговечность, высокая механическая
прочность, хорошая сопротивляемость сейсмическим и другим динамическим
воздействиям, возможность возводить конструкции рациональной формы, малые
эксплуатационные расходы (по сравнению с деревом и металлом), хорошая
сопротивляемость атмосферным воздействиям, возможность использования местных
материалов. Затраты энергии на производство железобетонных конструкций
значительно ниже, чем металлических и каменных. Недостатки железобетона:
большая плотность, высокая тепло- и звукопроводность, трудоемкость переделок
и усилений; необходимость выдержки до приобретения прочности, появление
трещин вследствие усадки и силовых воздействий.
Железобетонные конструкции по сравнению с конструкциями из
других материалов (камня, стали, дерева) являются новыми. Их возникновение и
развитие связано с развитием производительных сил общества. Появление
железобетона совпадает с периодом бурного роста промышленности, торговли и
транспорта во второй половине XIX в., в связи с чем потребовалось
строительство большого количества фабрик, заводов, мостов и других инженерных
сооружений. Техническая возможность появления железобетона к тому времени уже
имелась — цементная промышленность и черная металлургия были достаточно
развиты.
Исследования покрытий Царскосельского Дворца (пригород
С.-Петербурга) показали, что русские мастера еще в 1802 г. применяли армированный бетон, однако они не считали, что получили новый строительный материал
и не патентовали его. За дату рождения железобетона принято считать 1850 г., когда француз Ламбо изготовил лодку из проволочной сетки, обмазанной цементным раствором,
которая в 1855 г. демонстрировалась на Всемирной выставке в Париже. Первые
патенты на изготовление изделий из железобетона в строительстве были получены
Монье в 1857 — 1870 гг.
Создание первых теоретических основ расчета и
проектирования железобетонных конструкций оказалось возможным благодаря
работам исследователей и инженеров — Консидера, Ген- небика, Мёрша и др. В
эти годы были разработаны методы расчета железобетонных конструкций, в основу
которых положены законы сопротивления материалов.
В России развитие железобетона было связано с именем проф.
Н. А. Белелюбского, который в 1888 и 1896 гг. в Москве и Петербурге провел
публичные испытания различных натурных железобетонных конструкций (плит,
сводов, труб, мостов и т. п.). По полученным результатам эти испытания во
многом превосходили работы зарубежных ученых и послужили базой для широкого
распространения железобетона в строительстве. Появились оригинальные
конструкции, предложенные русскими инженерами, получившие широкое
распространение за рубежом. Например, В. П. Некрасовым было предложено
армирование сжатых элементов горизонтальными сетками, А. Ф. Лолейт в 1908 г. впервые предложил и осуществил в натуре безбалочное перекрытие. Первые технические условия на
железобетонные конструкции в России были изданы в 1911 г., а в 1913 г. в России было уже использовано в конструкциях 3,5 млн. м3 бетона и железобетона.
Первыми наиболее крупными сооружениями, возводимыми с
применением железобетона, были гидростанции: Волховская ГЭС (1921 — 1926
гг.), ДнепроГЭС (1927 — 1932 гг.), Нижне- свирская ГЭС (1928 — 1934 гг.).
Наряду с гидротехническим строительством из железобетона
возводятся заводы тяжелого машиностроения (Магнитогорский, Краматорский,
Запорожсталь), а также производственные здания различного назначения. Его
использовали для создания монолитных неразрезных балочных перекрытий, многопролетных
и многоярусных рам, арок и других подобных конструкций. Начиная с 1928 г. в строительную практику вошли разработанные В. 3. Власовым, А. А. Гвоздевым, П. Л.
Пастернаком и другими учеными тонкостенные пространственные покрытия —
оболочки, складки, купола. Начиная с 1930 г. наряду с монолитными железобетонными конструкциями начали применять сборные железобетонные конструкции,
выполняемые, как правило, на месте строительства. Эти конструкции ускорили
ввод в эксплуатацию важнейших промышленных объектов (заводы
«Шарикоподшипник», Уралмаш). Однако недостаточное количество мощной крановой
техники, отсутствие заводов сборного железобетона в этот период и то
обстоятельство, что не была проведена строгая унификация основных размеров
сооружений, не дали возможность внедрить в строительство сборный железобетон.
В 1928 г. французский инженер Э. Фрейсинэ впервые
предложил и внедрил в строительство предварительно напряженные конструкции. В
Советском Союзе предварительно напряженные конструкции начали применяться с 1930 г. С развитием стро- 8 ительства и накоплением экспериментальных данных были выявлены серьезные
недостатки применяемого метода расчета железобетонных конструкций по
допускаемым напряжениям. В конце 1931 г. А. Ф. Лолейт разработал основные положения новой теории расчета железобетона по разрушающим усилиям, которая
более правильно отражала действительную работу железобетона и учитывала его
упругопластические свойства. Метод расчета железобетонных конструкций по
разрушающим нагрузкам был внесен в нормативные документы в 1938 г. Выдающуюся роль в его создании помимо А. Ф. Лолейта сыграли А. А. Гвоздев, П. Л. Пастернак и
другие ученые.
Дальнейшим развитием теории железобетона явился созданный
в СССР единый метод расчета конструкций по предельным состояниям, включенный
в Строительные нормы и правила проектирования в 1955 г.; по мере накопления новых сведений о бетоне и железобетоне нормы периодически уточняются. В
1971 — 1975 гг. они подверглись коренной переработке. В 1983 г. в них внесены новые изменения, а обозначения приняты в соответствии со стандартами СЭВ.
В 1954 г. был опубликован ряд постановлений, сыгравших
огромную роль в деле развития и внедрения железобетона во всех областях
строительной техники и прежде всего в области сборного железобетона как
основной индустриальной базы строительства.
В короткие сроки была создана промышленность сборных
железобетонных конструкций. Построено и введено в эксплуатацию большое
количество новых предприятий сборного железобетона. Значительно улучшилась
технология производства железобетона. Проведена унификация конструкций
производственных, жилых и гражданских зданий, объекты строительства стали
обеспечиваться в большей степени подъемным оборудованием. Проектные
организации разработали и выпустили большое количество проектов типовых
сборных железобетонных конструкций для различных отраслей строительства. Все
эти мероприятия способствовали значительному увеличению производства и
применения сборного железобетона, в том числе и предварительно напряженного.
|