Железобетонные конструкции

Раздел: Строительство

1. Механические свойства и виды стальной арматуры.

Арматура железобетонных конструкций состоит из рабочих стержней, которые ставят по расчету на действующие усилия, и монтажных, служащих для объединения рабочих стержней в арматурные сетки или каркасы ( 1.9).

Рассмотрим диаграмму растяжения мягкой стали ( 1.10). До предела пропорциональности оп.п Диаграмма представляет собой наклонную прямую линию. Это означает, что деформации удлинения е увеличиваются пропорционально напряжениям о, т. е. подчиняются закону Гука. Здесь наблюдаются только упругие деформации, которые после снятия нагрузки исчезают. Затем диаграмма искривляется и переходит в горизонтальную прямую. Это означает, что кроме упругих появились значительные пластические деформации и сталь течет без повышения напряжения. Горизонтальная прямая характеризует предел текучести стали от. Затем наступает зона упрочнения — сталь воспринимает все увеличивающееся напряжение, но в ней резко возрастают пластические деформации.

Миновав предел прочности стПч, образец разрушается. При повышении напряжения более чем ат, затем при разгрузке до 0 и последующем повышении напряжения выше от вследствие нарушения структуры металла происходит так называемый наклеп — сталь становится более прочной, но менее пластичной. Таким образом, повышается и предел текучести стали. Наклеп используют для получения упрочненной (более прочной) стали с помощью вытяжки.

Арматурные стали по механическим свойствам подразделяют на мягкие, сопротивление которых в конструкции определяется пределом текучести от, и твердые, для которых основным показателем прочности является предел прочности стПч-

Мягкая сталь пластична, на диаграмме имеет явно выраженную площадку текучести. Твердая сталь хрупка, она не течет, а переходит в пластичную стадию постепенно, и на диаграмме площадка текучести отсутствует (см.  1.10). По технологии изготовления сталь для арматуры подразделяют на стержневую горячекатаную и проволочную холоднотянутую.

Стержневая сталь после прокатки может быть подвергнута упрочняющей обработке — термической или механической, например вытяжкой.

В зависимости от характера поверхности сталь может быть гладкой или периодического профиля (для улучшения сцепления с бетоном).

Механические свойства арматурных сталей зависят от технологии их выплавки и последующей обработки, а также от химического состава стали. Чтобы повысить прочность стали и уменьшить относительную деформацию, в ее состав вводят углерод (0,2—0,4%) и легирующие добавки (марганец, кремний, хром и др.) в количестве 0,6—2%. Этим достигается существенное увеличение прочности стали, но снижается пластичность и свариваемость.

2. Марки и классы арматурной стали. Арматурные изделия. Марки горячекатаных мягких сталей обозначают, как правило, их химический состав. Двузначные числа слева характеризуют среднее содержание углерода (в сотых долях процента), а буквы и цифры после них — содержание легирующих элементов: хрома X, марганца Г, кремния С, титана Т, циркония Ц.

Например, сталь марки 25Г2С содержит: 0,2—0,29% углерода 25; 1,2—1,6% марганца Г2; 0,6—0,9% кремния С1; хрома и меди не больше чем по 0,3%, поэтому в марке стали эти элементы не обозначены.

Стержневую арматуру подразделяют на классы: горячекатаная A-I, A-II, A-III, A-IV и A-V; термически упрочненная AT-IV, AT-V, Ат-VI, AT-VII.

Сталь класса A-I (марка СтЗ) круглая (гладкая) диаметром 6—40 мм. Из-за относительно невысокого предела текучести (240 МПа) и гладкого профиля применять ее для рабочей арматуры не рекомендуется.

Сталь класса A-II диаметром 10—40 мм изготовляют из углеродистой стали марки Ст5, а диаметром 40—90 — из низколегированной стали марки 18Г2С.

Стержни периодического профиля различают по номерам. Номер стержня соответствует расчетному диаметру равновеликого по площади круглого стержня. Периодический профиль образуется часто расположенными выступами, идущими по трехзаходной винтовой линии с двумя продольными ребрами ( 1.11, а).

Минимальное значение предела текучести при растяжении стали класса A-II 300 МПа.

Сталь класса A-II1 (марок 25Г2С н 35ГС) периодического профиля с выступами, образующими «елочку» ( 1.11,6), прокатывают диаметром 6—40 мм; минимальное значение предела текучести 400 МПа.

Сталь класса A-IV (марок 20ХГ2Ц, 20ХГСТ, 80С) такого же периодического профиля, как сталь класса A-III, прокатывают диаметром 10—32 мм; минимальное значение предела текучести 600 МПа.

Сталь класса A-V (марки 23Х2Г2Т) такого же периодического профиля и тех же диаметров, как сталь класса А-Ш; минимальное значение предела текучести 800 МПа.

Для повышения предела текучести горячекатаные арматурные стали классов A-II и А-Ш в ряде случаев подвергают упрочнению вытяжкой с контролем напряжений и удлинений. Упрочненная сталь относится соответственно к классам А-Пв и A-IIIB-

Предельные значения напряжений и удлинений при вытяжке арматуры ограничиваются следующими значениями: для класса А-Пв—450 МПа и 5,5%; A-IIIB — 550 МПа и 3,5%.

 Термически упрочненные арматурные стали классов Лт-lV, Ат-V и AT-VI изготовляют диаметром 10—25 мм; наименьшие значения условных пределов текучести равны соответственно 600, 800 и 1000 МПа, а относительные удлинения при разрыве—8, 7 и 6%.

Кроме горячекатаных сталей для армирования железобетонных конструкций широко применяют обыкновенную арматурную проволоку классов B-I и Вр-1 (рифленую) диаметром 3—5 мм, получаемую холодным волочением низкоуглеродистой стали. Наименьшее временное сопротивление при растяжении проволоки B-I должно быть не ниже 550 МПа, а проволоки Вр-I при диаметре 3—4 мм —550 МПа, при диаметре 5 мм —525 МПа.

Способом холодного волочения изготовляют также высокопрочную арматурную проволоку классов B-II и Вр-И гладкую и периодического профиля, диаметром 3—8 мм с пределом прочности 1900—1300 МПа.

Сталь для арматуры железобетонных конструкций выбирают при проектировании с учетом назначения арматуры, марки и вида бетона (при более высоких марках стали требуется более прочный и плотный бетон), условий изготовления арматуры (сваривание, вязка) и конструкций, условий эксплуатации (опасность коррозии) и т. п.

Для основной рабочей арматуры обычных железобетонных конструкций преимущественно следует применять горячекатаную сталь классов A-II и A-III и обыкновенную арматурную проволоку классов B-I и Вр-1.

В предварительно-напряженных конструкциях для напрягаемой арматуры применяют преимущественно высокопрочную арл?атурную проволоку классов B-II и Вр-П, горячекатаную стержневую сталь классов A-IV н A-V, а также термически упрочненную сталь.

Армирование предварительно-напряженных конструкций высокопрочной проволокой весьма эффективно, однако из-за малой площади сечения проволок число их в конструкции бывает очень велико, что усложняет арматурные работы, захват и натяжение арматуры.

Для уменьшения трудоемкости арматурных работ широко применяют заранее свитые пряди, пучки параллельно расположенных проволок и стальные канаты (тросы).

Нераскручивающиеся стальные пряди класса П изготовляют из трех проволок (П-3), из семи проволок (П-7)> и 19 проволок (П-19) ( 1.12).

Стальные канаты К свивают из двух и более прядей. Для обозначения арматурного каната! к букве К добавляют две цифры: первая указывает число свиваемых прядей, вторая — число проволок в каждой пряди (например, К2Х7 — двухпрядевый канат из семипроволоч- ных прядей).

Арматурные каркасы и сетки. Для армирования железобетонных конструкций применяют арматурные изделия в виде вязаных или сварных сеток и каркасов. Объединение отдельных стержней арматуры в сетки н каркасы при помощи сварочных машин на заводах позволяет индустриализировать арматурные работы, значительно снизить их трудоемкость и удешевить монтаж заготовок арматуры. Вязаные сетки и каркасы образуются перевязкой стержней в местах их пересечения мягкой вязальной проволокой (диаметром 0,8—1 мм). Для снижения трудоемкости обычно перевязывают только часть пересечений — достаточную для придания каркасу жесткости. Этот способ образования сеток и каркасов требует больших затрат ручного труда. Однако он позволяет изготовлять арматурные сетки и особенно каркасы из стержней любой формы (прямых, ломаных, криволинейных) при пересечениях под различными углами и при любом расположении стержней в пространстве.

армирование простой балки вязаными каркасами. Из четырех рабочих стержней, сечение которых определяется расчетом, два средних отогнуты у опор вверх. Для образования жесткого пространственного каркаса в верхних углах балки поставлены два монтажных стержня, которые обычно в расчете не учитываются. Монтажные и рабочие стержни охвачены поперечными стержнями-хомутами.

Для сварки каркасов применяют контактную точечную сварку, обеспечивающую высокую механизацию арматурных работ. Наибольший эффект достигается при членении арматуры на плоские элементы — сварные сетки или каркасы, которые затем объединяются в пространственные каркасы.

Сварные сетки бывают рулонными и плоскими. Рулонные сетки стандартизированы по диаметрам и размерам ячеек, что позволило организовать их производство на заводах метизной промышленности. В рулонных сетках стержни одного направления обычно являются рабочими, а стержни другого направления— монтажными (распределительными). Стержни арматуры, сгибаемые при сворачивании сетки в рулон, принимают из обыкновенной арматурной (холоднотянутой) проволоки диаметром 3—5 мм и из горячекатаной стали класса A-III диаметром 6—10 мм.

При проектировании железобетонных конструкций кроме сеток, предусмотренных сортаментом, широко применяют индивидуальные плоские сетки из стержней диаметром до 40 мм, например для фундаментов.

Плоские сварные каркасы состоят из продольных и поперечных стержней.

Продольные стержни могут быть расположены в один ряд ( 1.15, а—в) и в два ряда ( 1.15, г, <3), а по отношению к поперечным стержням могут иметь одностороннее ( 1.15,в,г) или двухстороннее ( 1.15, а, б, д) расположение. Рекомендуется применять карка

сы с односторонним расположением продольных стержней, так как при этом улучшаются условия сварки и обеспечивается лучшее сцепление арматуры с бетоном в конструкции.

В отдельных случаях могут применяться сдвоенные каркасы ( 1.15, е, ж) или каркасы, усиленные на части своей длины дополнительными рабочими стержнями.

Пространственные каркасы собирают из плоских каркасов поперечными стержнями, привариваемыми к продольным стержням плоских каркасов контактной точечной сваркой при помощи сварочных клещей ( 1.15, и).

Анкеровка и стыки арматуры. Для надежного заанкеривания в бетоне растянутые гладкие стержни вязаных каркасов и сеток снабжают на концах полукруглыми крюками (см.  1.13).

Сила сцепления сжатых стержней с бетоном значительно больше, чем силы сцепления растянутых. Поэтому сжатые гладкие стержни вязаных каркасов могут не иметь крюков.

В сварных сетках и каркасах из гладких стержней крюки не нужны, поскольку для каждого стержня стержни перпендикулярного направления являются анкерами, предотвращающими его проскальзывание в бетоне.

Стержни периодического профиля во всех случаях делают без крюков по концам, так как характер их поверхности обеспечивает надежное заанкерива- ние.

Длина зоны анкеровки рабочих стержней зависит от вида конструкции и характера ее работы под нагрузкой. Так, продольные сжатые стержни должны быть заведены за сечение, где они уже не нужны по расчету, на длину не менее 15 d, а гладкие стержни вязаных каркасов без крюков на концах — на длину не менее 20 d.

В сварных каркасах и сетках из гладких стержней в пределах длины зоны анкеровки 15 d к обрываемому продольному стержню должно быть приварено не менее двух поперечных стержней.

Высокопрочная проволочная арматура, пряди и тросы заводы выпускают в мотках большого диаметра (1,2—2 м), и длина их обычно достаточна для самых протяженных конструкций. Арматура из мягкой стали диаметром до 8 мм включительно выпускается также в мотках.

Арматура диаметром 10 мм и выше из мягких сталей всех классов поставляется обычно в прутках, длина которых зависит от транспортных условий, а также от заказа и может колебаться от 6,5 до 14 м. Поэтому в ряде случаев, когда по условиям армирования требуются стержни большей длины, их надо соединять. Сты- ки арматурных стержней могут быть заводскими при изготовлении на заводах железобетонных конструкций и монтажными — на строительных площадках.

При соединении арматурной стали необходимо учитывать ее свариваемость. Хорошо свариваются контактной сваркой горячекатаная арматура классов от A-I до A-V и обыкновенная арматурная проволока в сетках. Нельзя сваривать термически упрочненную арматуру всех классов и высокопрочную проволоку, так как сварка приводит к утрате эффекта упрочнения. Нельзя также сваривать дуговой сваркой стержни классов A-IV и A-V.

Заводские стыки стержней следует осуществлять по возможности контактной стыковой сваркой ( 1.16,а). При отсутствии надлежащего оборудования стыки осуществляются ванной сваркой ( 1.16,6).

При монтажной сварке приходится считаться с тем, что расстояния между торцами соединяемых стержней могут меняться в значительных пределах. В этих условиях наиболее удобным является стык с накладками из круглой стали ( 1.16,в), приваренными электродуговой сваркой. Возможно применение стыков внахлестку без накладок, особенно для малых диаметров ( 1.16, д). При больших диаметрах соединяемых стержней (22—36 мм) зона термического влияния относительно мала, поэтому при односторонних швах можно сваривать и холоднодеформированную сталь.

При отсутствии необходимого оборудования делают вязаные стыки, которые образуются нахлесткой стержней с перевязкой их вязальной проволокой. Круглые стержни при этом заканчивают крюками ( 1.17, а), а стержни периодического профиля оставляют без крюков ( 1.17,6). Длина нахлестки зависит от условий работы стыка, марки бетона и класса стали. В растянутых стыках длину принимают 25—45 d для бетона марки 200 и выше, но не меньше 250 мм. В сжатых стыках длина нахлестки уменьшается на 10 d, но она не должна быть меньше 200 мм. Вязаные стыки следует по возможности располагать в сжатой зоне бетона или в зонах небольших растягивающих напряжений. В одном сечении элемента следует соединять не больше 25% стержней гладкой арматуры и не более 50% стержней арматуры периодического профиля.

Стыки сварных сеток, как правило, устраивают внахлестку без сварки с такой же величиной перепуска, как и в каркасах ( 1.18,с). Иногда укладывают дополнительные стыковые сетки ( 1.18, д).

Стыки сварных сеток в нерабочем направлении выполняют внахлестку с перепуском 50 мм при диаметре распределительной арматуры   мм и 100 мм при

d>4 мм ( 1.18,г). При диаметре рабочей арматуры 16 мм и более стык сварных сеток в нерабочем направлении перекрывают специальными сетками с перепуском в каждую сторону не менее 15d распределительной арматуры и не менее 100 мм.

При контактной сварке холоднодеформированных сталей (например, классов А-Пв, А-Шв) в результате местного отжига механическая прочность стали снижается, и поэтому расчетное сопротивление такой арматуры принимается пониженным. Высокопрочную арматурную проволоку, пряди и канаты сваривать нельзя.

Неметаллическая арматура. Для повышения коррозионной стойкости конструкций и экономии металла и настоящее время проводятся широкие исследования по созданию неметаллической арматуры железобетонных конструкций  . Такую арматуру получают из тонких стекловолокон, объединяемых в арматурный стержень связывающими пластинками из синтетических смол. Стеклопластиковые арматурные стержни имеют высокую прочность, малую объемную массу (втрое меньше, чем у стали) и благодаря негладкой поверхности хорошее сцепление с бетоном. Вместе с тем стеклопластики обладают повышенной деформативностью (модуль упругости в несколько раз меньше, чем у стали) и пока относительно высокой стоимостью.

В странах тропического и субтропического климата, где произрастает бамбук, в качестве арматуры используют стволы бамбука.