Арматура для железобетонных конструкций

· Арматурув железобетонных конструкциях устанавливают для восприятия растягивающих напряжений или усиления сжатого бетона. В качестве арматуры применяют в основном сталь. В ряде случаев возможно применение и других материалов, например стеклопластика, обладающего высокой прочностью, химической стойкостью. Однако этот материал значительно дороже стали и его целесообразно применять лишь в конструкциях, к которым предъявляются специальные требования коррозионной стойкости, электроизолирующей способности и т.п.

Рис. 1.4. Расположение арматуры в изгибаемых (а, б) и сжатых (в) элементах: 1—рабочая арматура; 2—конструктивная арматура; 3—монтажная арматура.

Виды арматуры. По назначению различают арматуру рабочую, устанавливаемую по расчету, конструктивную и монтажную, применяемые из конструктивных и технологических соображений. Конструктивная арматура воспринимает не учитываемые расчетом усилия от усадки бетона, изменения температуры, равномерно распределяет усилия между отдельными стержнями и т. п.; монтажная обеспечивает проектное положение рабочей арматуры, объединяет ее в каркасы и т.п. (рис. 1.4).

По способу изготовления различают арматуру горячекатаную (получаемую способом проката) — стержневую и холоднотянутую (изготовляемую путем вытяжки в холодном состоянии) — проволочную.

По профилю поверхности различают арматурные стали гладкие и периодического профиля (рис. 1.5). Последние обладают лучшим сцеплением с бетоном и в настоящее время являются основной арматурой.

По способу применения арматуру делят на напрягаемую и ненапрягаемую.

Рис. 1.5. Арматура периодического профиля:

а, б — стержневая; в — проволочная

Горячекатаная и холоднотянутая арматура называется гибкой. Помимо нее в конструкциях в ряде случаев применяют жесткую (несущую) арматуру из прокатных или сварных двутавров, швеллеров, уголков и т. п.

Физико-механические свойства. Эти свойства арматуры зависят от химического состава, способа производства и обработки. В мягких сталях содержание углерода составляет обычно 0,2...0,4 %. Увеличение количества углерода приводит к повышению прочности при одновременном снижении деформативности и свариваемости. Изменение свойств сталей может быть достигнуто введением легирующих добавок. Марганец, хром повышают прочность без существенного снижения деформативности. Кремний, увеличивая прочность, ухудшает свариваемость.

Повышение прочности может быть достигнуто также термическим упрочнением и механической вытяжкой. При термическом упрочнении вначале осуществляют нагрев арматуры до 800...900°С и быстрое охлаждение, а затем нагрев до 300...400°С с постепенным охлаждением. При механическом вытягивании арматуры на 3...5 % вследствие структурных изменений кристаллической решетки — наклепа сталь упрочняется. При повторной вытяжке (нагрузке) диаграмма деформирования 4 будет отличаться от исходной (рис. 1.6), а предел текучести существенно повысится.

· Основные механические свойства сталей характеризуются диаграммой «напряжения — деформации», по­лучаемой путем испытания на растяжение стандартных образцов. Все арматурные стали по характеру диаграмм «σ - ε» подразделяются на (рис. 1.6): 1) стали с явно выраженной площадкой текучести (мягкие стали); 2) стали с неявно выраженной площадкой текучести (низколегированные, термически упрочненные стали); 3) стали с линейной зависимостью «σ - ε» почти до разрыва (высокопрочная проволока).

· Основные прочностные характеристики: для сталей вида 1 — физический предел текучести σ_y; для сталей видов 2 и 3 — условный предел теку­чести σ_0,2, принимаемый равным напряжению, при котором остаточные деформации составляют 0,2 %, и условный предел упругости σ_0,02, при котором остаточные деформации 0,02 %. Помимо этого характеристиками диаграмм являются предел прочности σ_su (временное сопротивление) и предельное удлинение при разрыве, характеризующее пластические свойства стали. Малые предельные удлинения могут послужить причиной хрупкого обрыва арматуры под нагрузкой и разрушения конструкции; высокие пластические свойства сталей создают благоприятные условия для работы железобетонных конструкций (перераспределение усилий в статически неопределимых системах, при интенсивных динамических воздействиях и т. п.).

В зависимости от типа конструкций и условий эксплуатации наряду с основной характеристикой — диаграммой «σ - ε» в ряде случаев необходимо учитывать другие свойства арматурных сталей: свариваемость, реологические свойства, динамическое упрочнение и т. п.

Рис. 1.6. Диаграммы деформирования арматурных сталей:

1 — мягких: 2 — низколегированных и термически упрочненных;

3 — высокопрочной проволоки; 4 — механически упрочненных вытяжкой

· Под свариваемостью понимают способность арматуры к надежному соединению с помощью электросварки без трещин, каверн и других дефектов в зоне сварного шва. Хорошей свариваемостью обладают горячекатаные малоуглеродистые и низколегированные стали. Нельзя сваривать термически упрочненные стали (кроме специальных «свариваемых») и упрочненные вытяжкой, так как при сварке утрачивается эффект упрочнения.

· Реологические свойства характеризуются ползучестью и релаксацией. Ползучесть арматурных сталей проявляется лишь при больших напряжениях и высоких температурах. Более опасна релаксация—падение напряжений во времени при неизменной длине образца (отсутствии деформаций). Релаксация зависит от химического состава стали, технологии изготовления, напряжения, температуры и др. Она наиболее интенсивно протекает в первые часы, но может продолжаться длительное время. Учет ее важен при расчете предварительно напряженных конструкций.

· Усталостное разрушение наблюдается при действии многократно повторяющейся нагрузки при пониженном сопротивлении и носит хрупкий характер. Прочность при многократно повторной нагрузке (предел выносливости) арматуры зависит от числа повторений нагрузки n и характеристики цикла нагружения ρ_s.

· Динамическое упрочнение имеет место при действии кратковременных (t ≤ 1с) динамических нагрузок большой интенсивности (взрывных, сейсмических). Превышение динамического предела текучести σ_y,d над статическим σ_y объясняется запаздыванием пластических деформаций и зависит от химического состава стали и скорости деформации. Для мягких сталей σ_y,d = (1,2...1,3) σ_y.

Классификация арматуры. Все арматурные стали разделяют на классы, объединяющие стали с одинаковыми прочностными и деформативными свойствами. При этом к одному классу могут относиться стали, отличающиеся по химическому составу, т. е. разных марок.

· Стержневая арматура обозначается буквой А и римской цифрой и бывает: горячекатаная — гладкая класса A-I; периодического профиля классов А-II, А-III, A-IV, AV и А-VI; термически и термомеханически упрочненная — периодического профиля классов Ат-III, Aт-IV, Aт-V, Aт-VI и механически упрочненная класса А-III в.

Для дополнительной характеристики стержневой арматуры, необходимой при использовании ее в определенных условиях, к обозначениям классов вводятся индексы. Индекс «С» в обозначении термически и термомеханически упрочненной арматуры указывает на возможность соединения стержней с помощью сварки (At-IVC); «К» — на повышенную стойкость к коррозии под напряжением (Ат-IVK); «СК» — на возможность сварки и повышенную стойкость к коррозии под напряжением (Ат-VCK). Индекс «с» употребляется для арматуры, рекомендуемой к использованию в условиях низких температур, например класса Ас-II из стали марки 10ГТ.

Рис. 1.7. Арматурные изделия:

1 — пучок; 2 — анкер; 3 — вязальная проволока; 4 — коротыш

· Холоднотянутая проволочная арматура обозначается буквой В и римской цифрой и подразделяется на обыкновенную арматурную проволоку рифленую (периодического профиля) класса Вр-I и гладкую класса B-I, а также высокопрочную гладкую проволоку класса В-II и периодического профиля класса Вр-II.

Основные прочностные и деформативные характерис­тики различных арматурных сталей приведены в табл. 2.2. Сортамент стержней и проволочной арматуры дан на форзаце. Приведенные в сортаменте диаметры горячекатаной арматурной стали периодического профиля соответствуют номинальному диаметру равновеликих по площади круглых гладких стержней.

Арматурные изделия. Для ускорения производства работ ненапрягаемая гибкая арматура (отдельные стержни) объединяется в каркасы и сетки, в которых стержни в местах пересечений соединяются контактной точечной сваркой или вязкой. В отдельных случаях допускается применение дуговой сварки.

· Сварные каркасы (рис. 1.7, а) образуются из продольных и поперечных стержней. Продольные рабочие стержни устраивают в один или два ряда. Приварка продольных стержней к поперечным с одной стороны более технологична, чем с двух.

Плоские каркасы обычно объединяются в пространственные, которые должны обладать достаточной жесткостью для возможности складирования, транспортирования и сохранения проектного положения в форме.

При назначении диаметров продольных и поперечных стержней необходимо учитывать условия технологии сварки во избежание пережога более тонких стержней:

Диаметры продольных

стержней, мм................ 3...10 12...16 18...20 22 25...32 36...40

Наименьшие диаметры

поперечных стержней, мм .. 3 4 5 6 8 10

· Сварные сетки (ГОСТ 8478—81) выполняют из сталей классов B-I, Bp-I, A-I, A-II, А-III.

● Сварные сетки можно конструировать, предусматривая их последующее сгибание в одной плоскости на специальных станках. Сетки бывают плоские и рулонные, с продольной и поперечной рабочей арматурой. Рулонные сетки с продольной рабочей арматурой изготовляют при диаметре продольных стержней не более 5 мм (рис. 1.7,б). При диаметре более 5 мм применяют сетки с поперечной рабочей арматурой (рис. 1.7, в) или плоские. Максимальный диаметр поперечных стержней плоских и рулонных сеток 8 мм. Длина сетки в рулоне 50...100 м, поэтому для использования в конструкциях сетки разрезают по месту.

· Арматурные канаты и пучки. Армирование конструкции отдельными высокопрочными проволоками (вследствие их большого числа) трудоемко и часто приводит к излишнему развитию сечений элементов. В связи с этим проволоку укрупняют в канаты и пучки. Канаты (рис. 1.7, г) обычно изготовляют из 7 или 19 проволок одного диаметра (обозначение К-7 или К-19), навивая на центральную прямолинейную проволоку остальные в один или несколько слоев. Диаметр проволок канатов К-7 от 2 до 5 мм. Расчетные характеристики канатов приведены в табл. 2.2. Пучки состоят из параллельных высокопрочных проволок (14, 18, 24 шт.) или канатов (рис. 1.7,д). Пучки могут иметь по концам анкеры, а по длине обматываются мягкой проволокой.

Рис. 1.8. Соединения арматуры

Соединения арматуры [6]. Для соединения арматурных стержней по длине в заводских условиях реко­мендуется применять контактную стыковую сварку (рис. 1.8, а) на специальных сварочных машинах. Для соединения встык при монтаже используют дуговую сварку. При этом в случае свариваемых стержней d ≥ 20 мм применяют дуговую ванную сварку в инвентарных (медных) формах (рис. 1.8, б). При d < 20 мм дуговую сварку осуществляют с накладками с четырьмя фланговыми швами (рис. 1.8, в). Допускается также сварка односторонними удлиненными швами (рис. 1.8, г). Стык рабочих стержней внахлестку без сварки применяют при d ≤ 36 мм (рис. 1.8, д) в тех местах, где прочность арматуры используется не полностью. Стыки внахлестку не допускаются в растянутых элементах. В местах стыка обязатель­но устанавливают дополнительные хомуты. Во всех случаях стыки следует делать вразбежку по длине элемента. Стыки внахлестку сварных сеток в рабочем направлении, так же как и стержней, должны иметь длину перепуска l>l_an, определяемую по формуле (1.12). Длину нахлестки сетки в направлении распределительной арматуры принимают 50..100 мм в зависимости от диаметра.

Применение арматуры в железобетонных конструкциях. Выбор класса арматурных сталей производят в зависимости от типа конструкции, наличия предварительного напряжения, условий возведения и эксплуатации здания.

В качестве ненапрягаемой рабочей арматуры приме­няют в основном сталь класса A-III и проволоку класса Bp-I (B-I) в сетках и каркасах. Арматуру классов A-II и A-I допускают в качестве поперечной арматуры, а в качестве продольной — только при соответствующем обосновании (например, если прочность стали A-III не может быть полностью использована из-за чрезмерного раскрытия трещин и прогибов). Стержневую арматуру класса A-IV и выше применяют в качестве продольной арматуры только в вязаных каркасах.

В качестве напрягаемой рабочей арматуры при нормальных условиях эксплуатации и длине железобетонных элементов до 12 м используют преимущественно стаяли классов Ат-VI и Aт-V, а также В-II, Вр-II, К-7, К-19, A-IV, A-V, A-VI, А-IIIв, для элементов длиной более 12 м — главным образом арматурные канаты, пучки, проволоку классов В-II, Вр-II, а также свариваемую арма­туру A-VI, A-V, A-IV и А-IIIв.

Железобетон

Сцепление арматуры с бетоном. Сцепление арматуры с бетоном является одним из фундаментальных свойств железобетона, которое обеспечивает его существование как строительного материала. Сцепление обеспечивается: склеиванием геля с арматурой; трением, вызванным давлением от усадки бетона; зацеплением за бетон выступов и неровностей на поверхности арматуры. Выявление влияния каждого из этих факторов затруднительно и не имеет практического значения, так как они действуют совместно. Однако наибольшую роль в обеспечении сцепления (70...80 %) играет зацепление за бетон выступов и неровностей на поверхности арматуры (рис. 1.9, а).

При выдергивании стержня из бетона (рис. 1.9,6) усилия с арматуры на бетон передаются через касательные напряжения сцепления τ_bd, которые распределяются вдоль стержня неравномерно. Наибольшие их значения τ_bd,max действуют на некотором расстоянии от торца элемента и не зависят от длины заделки стержня в бетонеl_an. Для оценки сцепления используют средние напряжения на длине заделки

Рис. 1.9. Сцепление арматуры с бетоном

Для обычных бетонов и гладкой арматуры τ_bd,m = 2,5...4 МПа, а для арматуры периодического профиля τ_bd,m ≈7 МПа. С увеличением прочности бетона τ_bd,m возрастает. Выражая продольное усилие через напряжение в арматуре (см. рис. 1.9, б), из формулы (1.10) получают

Из формулы (1.11) видно, что длина заделки, при которой обеспечивается сцепление (зона анкеровки), должна быть тем больше, чем выше прочность арматуры и диаметр стержня, и может быть уменьшена при увеличении τ_bd,m. Для уменьшения 1_an (в целях экономии металла) следует ограничивать диаметр растянутой арматуры, повышать класс бетона и применять арматуру периодического профиля.

Нормами проектирования значение сцепления не устанавливается, но даются рекомендации по конструированию, которые обеспечивают надежное сцепление арматуры с бетоном.

Анкеровка арматуры в бетоне. Анкеровка — это закрепление концов арматуры внутри бетона или на его поверхности, способное воспринять определенное усилие. Анкеровка может осуществляться либо силами сцепления, либо специальными анкерными устройствами на концевых участках, либо теми и другими совместно.

Анкеровка арматуры периодического профиля обеспечивается силами сцепления. Анкерные устройства на концах такой арматуры применяют в редких случаях. Для гладкой круглой арматуры, наоборот, сцепление недостаточно, и устройство крюков на концах стержней или приварка поперечных стержней на концевых участках, как правило, обязательны.

Ненапрягаемую арматуру периодического профиля заводят за нормальное к продольной оси элемента сечение, в котором она учитывается с полным расчетным сопротивлением, на длину зоны анкеровки

где Δλ_an — коэффициент запаса; ω_an— коэффициент условий работы; в соответствии с нормами [1] l_an,min = 20...25 см. Формула (1.12) - эмпирическая.

Усадка бетона в железобетонных конструкциях. Стальная арматура вследствие сцепления ее с бетоном является внутренней связью, препятствующей свободной усадке бетона при твердении на воздухе и свободному набуханию бетона при твердении в воде.

Стесненная деформация усадки бетона в железобетонном элементе приводит к возникновению начальных напряжений: растягивающих в бетоне, сжимающих в арматуре. При достаточно высоком содержании арматуры в бетоне элемента могут возникнуть усадочные трещины.

Усадке бетона в статически неопределимых железобетонных конструкциях препятствуют лишние связи. В таких системах усадка рассматривается как внешнее воздействие (подобное температурному), вызывающее появление усилий в элементах (см. рис. 11.4). Средняя деформация усадки равна 15·10^-5, что равносильно понижению температуры на 15°С (так как коэффициент линейной температурной деформации α_bt≈1·10^-5). Это позволяет заменить расчет на действие усадки расчетом на температурное воздействие. Отрицательное влияние усадки в этом случае может быть снижено путем устройства деформационных швов, которые обычно совмещают с температурными и называют температурно-усадочными.

В предварительно напряженных элементах усадка бетона также оказывает отрицательное влияние, приводя к уменьшению предварительного напряжения в арматуре.

Ползучесть бетона в железобетонных конструкциях. Арматура в железобетонных конструкциях, являясь, как и при усадке, внутренней связью, препятствует свободной деформации ползучести в бетоне. Вследствие сцепления арматуры с бетоном при продолжительном действии нагрузки ползучесть приводит к перераспределению напряжений между арматурой и бетоном. С течением времени напряжения в бетоне уменьшаются, в арматуре элементов без предварительного напряжения возрастают. Этот процесс происходит непрерывно, пока деформации ползучести не достигнут своего предельного значения.

В зависимости от вида железобетонных конструкций и напряженного состояния ползучесть может оказывать положительное или отрицательное влияние на их работу. В коротких центрально сжатых элементах ползучесть оказывает положительное влияние, обеспечивая более полное использование прочностных свойств арматуры. В гибких сжатых элементах ползучесть вызывает увеличение начальных эксцентриситетов и снижение несущей способности. В изгибаемых элементах ползучесть приводит к увеличению прогибов, в предварительно напряженных железобетонных конструкциях — к потерям предварительного напряжения. В статически неопределимых системах ползучесть играет положительную роль, смягчая концентрацию напряжений и вызывая перераспределение усилий.

Коррозия железобетона и меры защиты от нее. Для обеспечения долговечности железобетонных конструкций необходимо принимать меры против развития коррозии бетона и арматуры. Коррозия бетона зависит от его прочности и плотности, свойств цемента и агрессивности среды. Коррозия арматуры вызывается недостаточным содержанием цемента или наличием в нем вредных добавок, чрезмерным раскрытием трещин, недостаточной толщиной защитного слоя. Коррозия арматуры может возникать независимо от коррозии бетона. Для уменьшения коррозии ограничивают агрессивность среды в процессе эксплуатации (отвод агрессивных вод, улучшение вентиляции помещений), применяют плотные бетоны на сульфатостойких и других специальных вяжущих, устраивают на поверхности бетона защитные покрытия, защитный слой необходимой трещины, ограничивают раскрытие трещин и т. д. При систематическом действии агрессивной среды производят расчет конструкций на это воздействие (см. § 15.5).

Защитный слой бетона. В железобетонных конструкциях арматуру следует располагать на некотором расстоянии от их наружной поверхности, чтобы вокруг нее образовался защитный слой. Защитный слой обеспечивает совместную работу арматуры с бетоном на стадиях изготовления, монтажа и эксплуатации конструкций, а также защиту арматуры от коррозии, высоких температур и других воздействий.

При назначении толщины защитного слоя учитывают вид и размеры конструкции, условия эксплуатации, диаметр и назначение арматуры (рабочая, распределительная) [1]. Так, для продольной рабочей арматуры толщина защитного слоя должна быть не менее диаметра стержня и не менее: в плитах и стенках толщиной h < 100 мм — 10 мм; толщиной h ≥ 100 мм, а также балках и ребрах с h <250мм — 15мм; в балках и ребрах h ≥ 250 мм и в колоннах — 20 мм; в блоках сборных фундаментов — 30 мм; для нижней арматуры монолитных фундаментов: при наличии бетонной подготовки — 35 мм, при ее отсутствии — 70 мм. Для поперечной и распределитель­ной арматуры защитный слой должен быть при h <250 мм — не менее 10 мм и при h > 250 мм — не менее 15 мм. Расстояние от концов продольной ненапрягаемой арматуры до торцов элементов должно быть 10...20 мм. Для конструкций, эксплуатируемых в агрессивных средах, при повышенной температуре или влажности толщина защитного слоя увеличивается на 10...20 мм.

Толщина защитного слоя бетона у концов предварительно напряженных элементов на длине зоны передачи напряжений (см. § 3.3) должна составлять для арматуры классов A-IV, А-IIIв и канатов не менее 2 d и для арматуры классов A-V, А-VI — не менее 3 d. Кроме того, эта величина на указанном участке должна быть для стержневой арматуры — не менее 40 мм и для канатов — не менее 20 мм.