Влияние предварительного давления на сталь на сокращение структурного образования крэка

Введение в структурное крекинг и стрессоустойчивость стали

Бетон является наиболее широко используемым строительным материалом в мире, ценится за его прочность на сжатие, долговечность и универсальность. Однако бетон по своей природе слаб в напряжении. При эксплуатационных нагрузках, условиях окружающей среды или сдержанной усадке растягивающие напряжения могут превышать ограниченную прочность на растяжение материала, что приводит к трещинам. В то время как некоторые растрескивания неизбежны и даже разрешены кодами конструкции, неконтролируемое или чрезмерное растрескивание подрывает структурную целостность, ускоряет коррозию арматуры, снижает исправность и сокращает срок службы конструкции. Именно здесь предварительное напряжение стали входит в качестве преобразующего решения. Активно вводя сжимающие силы в бетон, прежде чем он подвергается эксплуатационным нагрузкам, предварительное напряжение стали значительно снижает образование, ширину и распространение трещин. В этой статье исследуются механизмы, с помощью которых предварительное напряжение сталь контролирует растрескивание, преимущества, которые он обеспечивает, его практическое применение и ключевые соображения проектирования, которые инженеры должны рассмотреть, чтобы использовать его полный потенциал.

Понимание стресса стали

Престрессовая сталь состоит из высокопрочных стальных нитей, проводов или стержней, используемых для применения устойчивой силы сжатия к бетонному элементу. Сталь натягивается до заданного уровня - обычно от 70% до 80% ее предельной прочности на растяжение - и крепится к бетону, чтобы сжатие поддерживалось на протяжении всего срока службы конструкции. Это активное предварительное сжатие эффективно противодействует растягивающим напряжениям, которые в противном случае вызывали бы растрескивание.

Типы престрессовой стали

В строительстве используются три основные формы престрессовой стали:

• Транзиты: Семипроводные нити (например, 0,5-дюймовые или 0,6-дюймовые диаметры) являются наиболее распространенными для постнатяжных конструкций. Они обеспечивают высокую прочность и отличные характеристики связи.
• Жидкие провода: Отдельные высокопрочные провода, часто сжатые или изрезанные, используются в предварительно натянутых сборных элементах, таких как полые ядра плит.
• Бары: Высокопрочные сплавные бруски, обычно с резьбовыми концами, используются в приложениях, требующих коротких сухожилий, таких как мосты или ремонтные работы.

Преднапряжение vs. постнапряжение

Сроки и метод натяжения определяют две широкие категории:

• Преднатяжение: Стальные сухожилия натягиваются перед отливкой бетона. Как только бетон достигает достаточной прочности, сухожилия высвобождаются, перенося силу сжатия на бетон через связь. Этот метод характерен для сборных элементов, изготовленных на заводе.
• Постнатяжение: Сухожилия помещаются в протоки или оболочки внутри бетонного элемента. После того, как бетон отверждён, сухожилия натягиваются и крепятся к затвердевшему бетону. Протоки затем затираются для защиты стали от коррозии. Постнатяжение является общим для литых на месте конструкций, мостов большого пролета и плит.

Механика образования крэка в неукрепленном бетоне

Чтобы понять, как предварительный натяжение стали уменьшает трещины, важно понять, почему бетонные трещины в первую очередь. Бетон является композитным материалом с относительно низкой прочностью на растяжение - обычно около 10% его прочности на сжатие. Когда внешние нагрузки (такие как вес, ветер или сейсмические силы) вызывают растяжные напряжения, которые превышают этот предел, бетонные трещины также образуются из-за изменений объема от усадки сушки, термического сокращения и ползучести.

В традиционно железобетонном стальном арматуру помещают там, где ожидаются растягивающие напряжения. Сталь несет напряжение после бетонных трещин, ограничивая ширину трещины до приемлемых уровней. Однако бетон по-прежнему предполагается растрескать в процессе эксплуатации; арматуру не предотвращают растрескивание, она только контролирует его. Это означает, что при эксплуатационных нагрузках присутствуют микротрещины, подвергая сталь влаге, хлоридам и другим агрессивным агентам, которые могут привести к коррозии и длительному износу.

Почему крекинг является структурной проблемой

• Потеря жесткости и увеличение отклонений — трещины уменьшают эффективный момент инерции, приводя к большим деформациям под нагрузкой.
• Снижение прочности — трещины обеспечивают пути для воды, обледенения солей и углекислого газа, ускоряя коррозию арматуры.
• Проблемы с эстетикой и исправностью — видимые трещины могут тревожить пассажиров или снижать воспринимаемое качество структуры.
• Потенциальный отказ усталости — повторная загрузка может распространять трещины, уменьшая срок службы усталости бетонных элементов.

Как стрессовая сталь смягчает стрекозы

Престрессовая сталь коренным образом изменяет состояние напряжения в бетонном элементе. Вместо того, чтобы ждать, пока будут развиваться растягивающие напряжения, а затем контролировать ширину трещин, престресс проактивно накладывает оболочку сжимающего напряжения, которая удерживает бетон в значительной степени в сжатии при эксплуатационных нагрузках. Это предварительное сжатие эффективно устраняет или резко снижает растягивающие напряжения, что означает, что бетон никогда не достигнет своей прочности на растрескивание.

Механизм предварительного сжатия

Напряженная сталь действует как пружина, тянущая бетон. Получающееся осевое сжимающее напряжение (или комбинированное осевое и гибкое сжатие в эксцентрических сухожилиях) противодействует растягивающим напряжениям от изгиба. Например, в просто поддерживаемом луче нижние волокна находятся в напряжении при гравитационных нагрузках. Престрессирование помещает нижние волокна в сжатие до того, как будет применена любая нагрузка, так что при добавлении рабочих нагрузок напряжение сети может оставаться сжимающим или становиться лишь слегка растягивающимся — значительно ниже порога растрескивания.

Контроль над сухими ширинами крэка, когда происходит стрекотание

В тех случаях, когда растягивающие напряжения неизбежны, например, при конечных нагрузках или в концентрированных точках напряжения, стрессовая сталь по-прежнему обеспечивает превосходное управление шириной трещины. Высокая растягивающая сила в сухожилии остается постоянной по несвязанной длине (в системах с натяжением) или распределяется через связь (в системах с предварительным натяжением). Эта растягивающая сила стягивает бетон обратно вместе, сохраняя ширину трещины очень маленькой, часто менее 0,1 мм. Такие микротрещины не ставят под угрозу долговечность и часто закрываются эластично, когда нагрузка удаляется.

Сокращение раннего возраста

Престрессинг также эффективен в борьбе с растрескиванием в раннем возрасте, вызванным тепловыми градиентами, сухим усадкой или сдержанной деформацией.Применяя компрессию на ранней стадии, особенно в плитах с постнатяжением, интенсивные напряжения от сдержанного сокращения нейтрализуются, предотвращая образование неприглядных и структурно повреждающих трещин во время строительства.

Преимущества помимо Crack Reduction

Хотя основной акцент в этой статье делается на крекинг, использование подвесной стали приносит каскад дополнительных преимуществ, которые усиливают ее роль в качестве важного материала в современном строительстве.

Увеличение грузоподъемности

Поскольку предварительно напряжённые элементы предназначены для того, чтобы оставаться неразорвавшимися под рабочими нагрузками, они имеют более высокую эффективную жесткость и могут нести большие нагрузки, чем эквивалентные железобетонные секции. Сама сила предварительного натяжения добавляет сопротивляющийся момент, который дополняет мертвые и живые нагрузки. Например, предварительно напряжённый бетонный пучок может охватывать 40-50% дольше, чем железобетонный пучок той же глубины.

Уменьшенные отклонения

Невзломанные секции имеют гораздо более высокий момент инерции, чем трещинные секции. Следовательно, предварительно напряжённые балки демонстрируют значительно меньшие отклонения под рабочими нагрузками. Восходящая камера, индуцированная предварительным натяжением, также может быть спроектирована для частичного смещения долгосрочных отклонений ползания, что приводит к более плоским, более исправным полам и мостовым палубам.

Улучшение долговечности и более длительный срок службы

Поскольку предварительно напряжённый бетон остаётся неразрезанным в обычных условиях эксплуатации, стальные сухожилия защищены от агрессивных агентов. Более того, высококачественные материалы, используемые и тщательная затирка протоков (в системах после натяжения) обеспечивают дополнительную защиту от коррозии. Такие конструкции, как мост Сутун в Китае и мост Конфедерации в Канаде продемонстрировали, что правильно спроектированный предварительно напряжённый бетон может превышать 100 лет срока службы при минимальном обслуживании.

Гибкость дизайна и более длительные затраты

Престресс позволяет делать более тонкие, легкие секции и более длинные пролеты. Эта гибкость необходима для архитектурной свободы в зданиях и для сокращения числа пирсов в мостах. В парковочных сооружениях и промышленных полах более длинные пролеты означают меньше колонн и больше полезного пространства.

Применение в современном строительстве

Престрессовая сталь является краеугольным камнем многих типов конструкций, где контроль трещин и длинные пролеты имеют решающее значение.

Мостовые гирдеры и декки

Большинство мостов среднего и дальнего пролета используют предварительно натянутые бетонные. Преднатяженные сборные I-гирдеры и коробчатые балки возводятся быстро, а постнатяжение часто применяется к сплайс-гирдерам или к построению сегментарных сбалансированно-кантильных мостов. Без трещин состояние гарантирует, что соли обледенения не проникают в сухожилия, что является общей причиной коррозии в обычных мостах.

Строительные плиты и фундаменты

Постнапряженные плиты широко используются в коммерческих и жилых зданиях. Эти плиты тоньше обычных усиленных плит, снижая высоту здания и нагрузки на фундамент. Отсутствие трещин в плите улучшает звуко- и теплоизоляцию и устраняет утечку воды в гаражах и террасах. Фундаментные плоты и передаточные плиты также выигрывают от предварительного нажатия для контроля сдержанного усадочного растрескивания.

Бетонные продукты Precast

Полые ядра плит, свай, железнодорожных связей и коммунальных столбов, как правило, предварительно натянуты.Производственный процесс обеспечивает стабильное качество, а без трещин продукт предлагает превосходную долговечность в агрессивных средах, таких как прибрежные районы или промышленные предприятия.

Контейнерные конструкции и танки

Жидко- или газонепроницаемые резервуары требуют непроницаемого бетона. Постнапряженные цистерны с скрепленными сухожилиями поддерживают бетон в сжатии, предотвращая утечку и обеспечивая долгосрочную целостность. Тот же принцип применяется к ядерным зданиям, где предотвращение трещин имеет решающее значение для безопасности.

Материалы и дизайн для эффективного управления крэком

Для достижения предполагаемых преимуществ по уменьшению трещин инженеры должны тщательно указывать детали предварительного натяжения стали и конструкции в соответствии с установленными кодами, такими как ACI 318, EN 1992-1-1 и типовой код fib.

Свойства стали и релаксация

Престрессовая сталь должна иметь высокую прочность на растяжение (обычно 1860 МПа для прядей), низкую релаксацию (менее 2,5% после 1000 часов при 20 ° C) и хорошую пластичность. Сталь с низким уровнем релаксации сохраняет престрессовую силу с течением времени, предотвращая потерю сжатия, которая может позволить растрескивание. Инженеры вычисляют зависящие от времени потери из-за релаксации стали, ползучести бетона и усадки, и часто применяют более высокое первоначальное напряжение для компенсации.

Защита от коррозии

Поскольку сталь находится под постоянным напряжением, даже небольшая коррозионная яма может вызвать коррозионное растрескивание под напряжением и внезапный отказ. Меры защиты включают эпоксидное покрытие, оцинковку или инкапсуляцию в пластиковых протоках, заполненных цементной затиркой. В высококоррозионных средах могут быть указаны нити из нержавеющей стали или катодная защита. Институт посттенсионного контроля обеспечивает обширное руководство по системам защиты от коррозии.

Даже при предварительном напряжении некоторые конструкции могут испытывать ограниченные напряжения растяжения при экстремальных эксплуатационных нагрузках. Стандарты проектирования определяют допустимые ширины трещин (обычно 0,2 мм для умеренного воздействия, 0,1 мм для агрессивных сред). Инженеры проверяют, что напряжение растяжения в стали при трещине ниже предела выхода и что расчетная ширина трещины соответствует требованиям. Американский бетонный институт предлагает подробные процедуры проектирования для этих проверок.

Термические и сдерживающие эффекты

В массивных наливах или длинных непрерывных конструкциях перепады температуры и удерживание от смежных элементов могут вызывать растягивающие напряжения, преодолевающие начальное сжатие. В этих областях часто добавляют дополнительное мягкое стальное усиление в качестве второй линии защиты. Комбинированное действие предварительного натяжения и обычного усиления известно как «частичное предварительное натяжение» и используется во многих практических конструкциях.

Тематические исследования и долгосрочная эффективность

Реальные структуры демонстрируют эффективность предварительного натяжения стали в контроле трещин. Мост Чесапикского залива в Мэриленде, США, использует бетонные сегменты после натяжения для своих схваток; инспекции после 40 лет показывают минимальное растрескивание, несмотря на интенсивное движение и морское воздействие. Аналогичным образом, сборные предварительно напряженные бетонные сваи, используемые в новой системе железнодорожного транзита Гонолулу, не показали структурного растрескивания после многих лет службы в коррозионной приливной зоне, благодаря высококачественному предварительному натяжению и защитным покрытиям, указанным.

Заключение

Престрессовая сталь — это не просто армирующий материал; это активный инструмент для управления напряженными состояниями в бетоне и предотвращения образования повреждающих трещин. Навязывание предварительного сжатия, компенсирующего растягивающие нагрузки, предстрессовая сталь эффективно удерживает бетонные конструктивные элементы в сжатии при нормальных условиях эксплуатации, уменьшая как возникновение, так и ширину трещин. Это приводит к повышению долговечности, более длительному сроку службы, снижению технического обслуживания и большей гибкости конструкции. Инженеры, которые понимают механику образования трещин и роль престрессинга, могут проектировать конструкции, которые не только прочнее, но и более устойчивы. По мере того, как требования к конструкции увеличиваются, а условия окружающей среды становятся более сложными, использование престрессовой стали останется жизненно важной стратегией для достижения надежной, долговечной инфраструктуры.