Опыт армирования предварительно напряженных железобетонных конструкций двухпрядными канатами
Большие масштабы строительства в 60-70-е годы на территории Западно-Сибирского экономического района предъявили повышенные требования к строительным материалам, ведущее место среди которых занимал бетон и железобетон. Сборный преднапряженный железобетон значительно экономичнее железобетона со стержневой ненапрягаемой арматурой по расходу металла, увеличению жесткости, несущей способности и особенно трещиностойкости конструкций. В Томске изготовление железобетонных конструкций, армированных двухпрядными канатами, на заводах Объединения предприятий строительных материалов (ОПСМ) производилось на длинных и коротких стендах.

На заводе железобетонных конструкций был введен в эксплуатацию типовой стенд длиной 72 м. На этом стенде изготовлялись балки длиной 12, 15, 18м в вертикальном положении. По мере накопления опыта изготовления большепролетных конструкций в ОПСМ были построены короткие, спаренные на две конструкции стенды как более производительные, позволяющие выполнять любые операции изготовления каждой конструкции независимо друг от друга в горизонтальном положении. На коротких стендах изготовлялись фермы подстропильные ПФПК-2, стропильные ФС-18-(1-7), ФПП18-13К, ФС24-6Ки плиты покрытия ПНКЛ( 1.5-12), ПНКЛ(3-12). За период 1965-1967 гг. на полигоне было построено 6 спаренных коротких стендов, позволяющих изготовлять 12 конструкций одновременно.

В качестве напрягаемой арматуры применялись двухпрядные канаты из высокопрочной проволоки класса В-И диаметром 2,5 и 3 мм, изготовляемые на механизированной установке собственной конструкции. Обычная арматура выполнялась из стали классов A-I, А-III и В-1. Двухпрядные канаты К2х19 (2,5 мм В-И и 3 мм В-И) отличались от стандартных тем, что проволока в прядях не занимала фиксированного положения в различных сечениях каната, в результате чего каждая проволока имела сцепление с бетоном. Канаты имели временное сопротивление разрыву не менее 1800 МПа. Стоимость двухпрядных канатов местного изготовления была примерно на 30% ниже стоимости канатов типа К-7, выпускаемых металлургическими заводами, кроме того, двухпрядные канаты обладают значительно лучшей анкеровкой в бетоне, чем семипроволочные пряди. Натяжение арматуры на упоры стенда осуществлялось гидравлическими домкратами.

Использование канатов, отличающихся от типовых, потребовало проведения исследований по их анкеровке в бетоне, а также некоторых изменений в конструкциях. Для проверки надежности конструкций с канатным армированием были проведены натурные испытания 10 ферм пролетом 18 и 24м, шести ригелей рам, десяти двухскатных балок пролетом 12, 15 и 18м, двух подстропильных ферм, двух плит размером 3x12 и 1,5x12, а также диафрагмы оболочки двоякой кривизны в виде безраскосной фермы пролетом 18м. Испытания показали, что двухпрядные канаты имеют хорошее сцепление с бетоном. Ни одна из испытанных конструкций не разрушилась от нарушения анкеровки канатов на опорных участках.

Внедрение двухпрядных канатов в производство осуществляли инженерно-технические работники ОПСМ: А.И. Андросенко, А.И. Гныря, А. Крншкевич, ЕА. Калугин, С.Н. Пинчуков, В.Л. Жилкин, Е.В. Шатыгнна, М.П. Короткая, Д.Е. Козлова, Н.И. Ульяничева, В.В. Чернов, СИ. Степанов и многие другие, а также сотрудники кафедры ЖБК Томского инженерно-строительного института (ТИСИ): B.C. Бартеньев, A.M. Болдышев, В.М. Лукьянцев, А. Г. Колмогоров, Б.А. Трусов, B.C. Самсонов, А.И. Мачьганов, B.C. Плевков.

Многие конструкции, армированные двухпрядными канатами, находятся в эксплуатации более 40 лет. Визуальное обследование конструкций с канатным армированием показало, что они не имеют нарушения целостности и обладают хорошими эксплуатационными качествами.
Начиная с 1960 г. в объединении предприятий строительных материалов был освоен ряд предварительно напряженных конструкций. На рис. 1 показано армирование балок.

В начале 60-х голов ТИСИ и ОПСМ приступили к проектированию, изготовлению и испытанию железобетонных оболочек двоякой кривизны, которые смонтированы из криволинейных панелей размером 3x6 м и 3x12 м, без применения лесов [1, 2]. Эти оболочки имеют предварительно напряженную арматуру только в контурных элементах. Из-за сложности натяжения криволинейной арматуры сборных панелей они выполняются с обычным армированием. В результате при перевозке и монтаже панелей, а также в стадии эксплуатации в криволинейных ребрах появлялись трещины, ухудшающие эксплуатационные качества оболочки. Опытная оболочка 12x18 м собиралась из сборных элементов, выполненных в виде безраскосных ферм, диафрагм в виде арок с затяжками и криволинейных панелей размером 3x6 м. В дальнейшем для повышения технологичности изготовление криволинейных панелей производилось с использованием электротермического натяжения, а укладка бетона веласьбетоноукпадчиком с последующей проработкой на вибростоле. Это позволило применять при изготовлении панелей высокопроизводительное оборудование поточно-агрегатного метфа. Диафрагмы оболочки длиной 11,96 м, имеющие предварительно напряженные затяжки, армированные двумя двухпрядными канатами 2x15 3НП, изготовлялись в горизонтальном положении на коротком стенде. Укрупнительная сборка опытной оболочки производилась на фундаментах, верхние обрезы которых имели закладные детали толщиной 40 мм.
Монтаж оболочки начинался с установки на опорные плиты, свободно уложенные на фундаменты, диафрагм и бортовых элементов и приварки их к опорным плитам и между собой. Затем на кондукторе производилась укрупнительная сборка двух криволинейных панелей в блоки, объединенные затяжкой 25-АШ, расположенной в центре панелей. Эти блоки козловым краном устанавливались на бортовые элементы и приваривались к ним по углам. Следует отметить, что во время подъема и установки укрупненные блоки имели малую жесткость на кручение. После их приварки к бортовым элементам жесткость на кручение резко возрастала.

После монтажа всех 12 панелей в угловых зонах оболочки устанавливалась дополнительная «косая» арматура 12-АШ, привариваемая к выпускам арматуры бортовых элементов и диафрагм, подводилась опалубка пол стыки и производилось замоноличивание стыков и угловых зон оболочки.
Смонтированная оболочка имела следующие геометрические характеристики: размер оболочки в плане (по осям диафрагм и бортовых элементов) 12x18 м; радиус кривизны в продольном направлении R1 = 34,35 м; радиус кривизны в поперечном направлении R1 = 18,5 м; стрела подъема в продольном направлении f = 1,2 м; стрела подъема в поперечном направлении f = 1 м.
Оболочка в продольном направлении состояла из 12 вписанных в тавровую поверхность круговых цилиндров, образованных криволинейными панелями. При этом точки перегиба вписанной поверхности в местах расположения центральных панелей несколько опущены относительно тавровой поверхности. За счет этого удалось вызвать в центральных ребрах дополнительные сжимаюшие усилия, а криволинейные контурные ребра панелей высотой 60 мм разгрузить.

Испытания оболочки позволили сделать следующие основные выводы.
1. Криволинейные панели оболочки размером 3x6 м, имеющие прямолинейную предварительно напряженную арматуру в центральном ребре, технологичны в изготовлении и обладают необходимой прочностью и трещиностойкостью при транспортировке, монтаже и в стадии эксплуатации оболочки.
2. Бортовые элементы в виде безраскосных ферм просты в изготовлении и имеют необходимую прочность и трещиностойкость на всех стадиях работы. Способствовало повышению трещиностойкости крайних панелей нижнего пояса смешение равнодействующей усилий предварительного напряжения с центра тяжести сечения в соответствии с эпюрой моментов.
3. Оболочка обладает необходимой прочностью, трещиностойкостью и жесткостью.
4. Конструкция оболочки характеризуется малым расходом материала (приведенная толщина бетона равна 7,12 см, расход стали 1 м2 перекрываемой площади равен 10,5 кг), технологична и может быть успешно применена для покрытия промышленных и гражданских зданий.

Опыт проектирования, изготовления, испытания и эксплуатации конструкций, армированных двухпрядными канатами, позволяет сделать следующие выводы:
- использование двухпрядных канатов взамен стержневой предварительно напряженной арматуры приводит к снижению расхода арматуры более чем в два раза;
- двухпрядные канаты обладают лучшим сцеплением с бетоном, чем проволочная и прядевая арматура, что обеспечивает их надежную анкеровку в конструкциях;
- по сравнению с проволочной и прядевой арматурой канаты имеют большее разрывное усилие, в результате чего сокращается число натягиваемых элементов, упрощается технология изготовления конструкций и снижается их себестоимость;
- железобетонные конструкции, армированные двухпрядными канатами, удовлетворяют требованиям строительных норм по прочности, жесткости и трещиностойкости.

В ОПСМ были освоены следующие предварительно напряженные конструкции: плиты перекрытий ПТК-59-12 (1,2x6,0); предварительно напряженные сваи СУ-(5-8)-ЗО0 с периферийной арматурой из высокопрочной проволоки; сваи с центральным армированием СУ-(6-8)-300; трапецеидальные сваи в кассетной опалубке; предварительно напряженные железобетонные бортовые камни КБ-(40-50-60); фундаментные плиты ФП-( 16-24) из струнобетона; фундаментные балки; экспериментальные предварительно напряженные железобетонные трубы; плиты оболочки КЖС 3x18 м; решетчатые балки; безраскосные фермы; дорожные и аэродромные плиты.

Список литературы
1. Бартенев В. С, БолдышевА.М., Несып В.В. Железобетонные покрытия оболочки двоякой кривизны из унифицированных сборных элементов для шага колонн 12 м. Сб. научных трудов ТИСИ. Т. XII. Исследования по строительным конструкциям. Изд-во Томского университета. 1966.
2. Костюковскии Г.М., Жуковский Э.З., Абовскии В.П., Глейзер МЛ. Сборно-монолитные железобетонные оболочки положительной гауссовой кривизны из крупноразмерных панелей // Бетон и железобетон. 1965. №2.

A.M. БОЛДЫШЕВ, канд. техн. наук, А.И. ГНЫРЯ, д-р техн. наук,
А.Г. КОЛМОГОРОВ, канд. техн. наук, A.M. МАЛЬГАНОВ, канд. техн. наук,
(Томский государственный архитектурно-строительный университет)

Источник: Приложение к научно-техническому журналу «Строительные Материалы» №5 - 2003 г.