Преимущества использования предварительно натянутой и постнапряженной престрессовой стали

Введение в стрессовую сталь в современном строительстве

Престрессовая сталь является основополагающей технологией в современном гражданском строительстве, позволяющей конструкциям, которые являются более прочными, легкими и долговечными, чем те, которые построены только с обычным железобетонным. Путем преднамеренного индуцирования сжимающих напряжений в бетонные элементы, прежде чем они подвергаются эксплуатационным нагрузкам, предварительное напряжение противостоит естественной слабости бетона в напряжении. Два основных метода - предварительное натяжение и постнатяжение - каждый предлагает различные преимущества, которые влияют на результаты проекта с точки зрения стоимости, графика, производительности и геометрии проектирования. Понимание этих различий имеет важное значение для инженеров-строителей, подрядчиков и владельцев, стремящихся оптимизировать крупномасштабные строительные проекты, такие как мосты, гаражи, высотные напольные плиты и стадионы. Эта статья обеспечивает авторитетное изучение обоих методов, включая их инженерные принципы, эксплуатационные преимущества и практические соображения для выбора соответствующей системы.

Что такое преднапряженная сталь?

Преднатяжение - это метод, при котором высокопрочные стальные нити или провода натягиваются на неподвижные переборки или локти перед тем, как бетон помещается вокруг них. сухожилия растягиваются до заданной силы, обычно с использованием гидравлических домкратов, и удерживаются в напряжении, в то время как бетон отливается и отверждается. Как только бетон достигает адекватной прочности (обычно 70-80% от его конструктивной прочности на сжатие), сухожилия освобождаются от их точек крепления. Сталь пытается сократить, но предотвращает это от окружающего бетона, таким образом перенося растягивающее усилие в бетон через напряжение связи.

Этот метод почти исключительно выполняется на сборном заводе в контролируемых фабричных условиях, хотя его можно выполнять на месте для определенных длинных литейных слоев. Связь между сухожилием и затвердевшим бетоном имеет решающее значение: для того, чтобы предварительное натяжение было эффективным, бетон должен полностью инкапсулировать и захватывать сталь. В результате предварительно натяжные элементы обычно прямые или имеют мягкие кривые, потому что сухожилия не могут быть значительно отклонены после натяжения. Общие сборные элементы, изготовленные с предварительным натяжением, включают полые ядра плит, мостовые балки, железнодорожные галстуки, сваи и балки с двойным тросом.

Ключевые инженерные принципы предварительного натяжения

Фундаментальный принцип предварительного натяжения основан на переносе напряжения с помощью связи. Когда сухожилие высвобождается, оно вызывает сжимающее напряжение в бетоне, которое противодействует растягивающим напряжениям от приложенных нагрузок. Эффективная сила предварительного натяжения уменьшается с течением времени из-за упругого укорочения бетона, ползучести, усадки и расслабления стали. Конструкторы должны учитывать эти потери, чтобы обеспечить окончательный предварительный натяжение является достаточным. Преднатяжение особенно эффективно для производства стандартизированных повторяющихся элементов, потому что одна и та же установка кровати может быть повторно использована много раз, снижая удельные затраты.

Преимущества предварительно натянутой стали

Высокое качество контроля: Фабричное производство обеспечивает согласованную бетонную смесь, уплотнение, отверждение и выравнивание сухожилий. Испытания бетонных цилиндров и натяжного оборудования могут проводиться с точностью, что приводит к предсказуемым конструктивным характеристикам.
Быстрое строительство: Предустановленные члены изготавливаются одновременно с подготовкой площадки, затем доставляются и устанавливаются в течение нескольких дней. Это ускоряет графики проектов и снижает требования к труду на месте.
Минимальное натяжное оборудование на месте: Поскольку сухожилия предварительно натянуты на заводе, на рабочем месте не требуется никаких гидравлических разъемов или оборудования для крепления после натяжения. Это упрощает логистику и снижает риски безопасности.
Экономическая эффективность для повторяющихся конструкций: Применяются масштабные экономики: сотни одинаковых балок или плит могут быть сделаны из одной кровати с предельной стоимостью на единицу.
Долговечность: Стальные сухожилия полностью инкапсулированы в плотном бетоне, обеспечивая отличную защиту от коррозии, если поддерживается надлежащее покрытие.

Что такое постнапряженная сталь?

Постнатяжение принципиально отличается от преднатяжения последовательности и механизма нанесения престресса. В постнатяжной конструкции стальные сухожилия (цепи или стержни) помещаются внутри протоков или рукавов, которые отливаются в бетонный элемент. Бетон заливается и допускается отверждать до требуемой прочности. Только тогда с помощью гидравлического разъема сухожилия натягиваются на затвердевший бетон. Сила передается на бетон через конечные крепления (обычно клиновидные захваты или наконечники кнопок). После натяжения протоки обычно затираются для склеивания сухожилий и защиты их от коррозии, или в склеенных системах сухожилия остаются несвязанными и смазываются и обшиваются для защиты от коррозии.

Постнатяжение преимущественно используется для литых на месте структур, таких как длиннопролетные напольные плиты, сегментные мосты, балки для переноса и структуры удержания. Это позволяет использовать гибкие сухожилия - изогнутые, драпированные или арфованные - которые могут быть оптимизированы для выравнивания с внутренним моментом и сдвига оболочек. Эта адаптивность делает постнатяжение идеальным для сложных геометрий и неправильных форм.

Ключевые инженерные принципы постнапряжения

При постнатяжении сила престресса прикладывается непосредственно к бетонному элементу после его затвердевания. Якорные крепления должны быть рассчитаны на обработку высоких локализованных несущих напряжений, часто требующих дополнительного усиления (бурение стали). Сила сухожилия передается через якорную стоянку и окружающий бетон. Потери при постнатяжении включают трение вдоль протока, проскальзывание крепления, упругое укорочение бетона и зависящие от времени потери. Потери трения значительны для изогнутых сухожилий, но они могут быть компенсированы за счет перенапряжения или с помощью многонапряженных стадий.

Существуют два основных типа: скреплённые и несвязанные постнатяжения. В скреплённых системах затирка заполняет протоки после напряжённости, полностью скрепляя сухожилия с бетоном и обеспечивая дополнительную гибкую прочность и избыточность. В несвязанных системах сухожилия постоянно свободны для перемещения относительно бетона, полностью полагаясь на конечные крепления. Несвязанные сухожилия проще устанавливать и легче осматривать, но они предлагают меньшую пластичность и требуют тщательной детализации якорей.

Преимущества посттенсионной стали

Гибкость дизайна: Профили Tendon могут быть изогнуты для отслеживания моментальных диаграмм, что позволяет использовать более длинные пролеты (до 50 метров или более в мостах) и более тонкие плиты (отношение пролета к глубине 40-50 для этажей).
На месте Настройка: После отверждения можно выполнить постнатяжение, поэтому можно внести коррективы, если прочность бетона ниже ожидаемой.В некоторых системах сухожилия могут быть повторно натянуты, если это необходимо.
Сокращение потребления материалов: Поскольку постнапряженные элементы более эффективны в использовании как стали, так и бетона, общий структурный вес уменьшается. Это снижает нагрузку на фундамент и затраты на материал. Исследования показали, что постнапряженные плиты могут использовать на 20-30% меньше бетона и на 30-40% меньше стали, чем обычно армированные плиты.
Плавматичность для сложных форм: Изогнутые мосты, нерегулярные строительные следы и непрямоугольные плиты могут извлечь выгоду из постнатяжения, потому что протоки могут быть легко сформированы для того, чтобы следовать геометрии.
Фазированная конструкция: Постнатяжение может применяться поэтапно по мере развития строительства, что полезно для сегментных мостов и многоэтажных зданий, где разные уровни этажей нуждаются в независимом напряжении.
Контроль отклонения: Постнатяжение позволяет точно контролировать камбер и отклонение. Тендоны могут быть напряжёнными, чтобы сбалансировать часть мёртвой нагрузки, в результате чего более плоские плиты имеют меньше проблем с растрескиванием.

Подробное сравнение: преднатяжение против постнатяжения

Производство и рассмотрение сайта

Преднатяжение почти всегда является процессом на заводской основе. Это дает превосходный контроль качества, поскольку окружающая среда стабильна, бетонное отверждение может быть ускорено паром или теплом, а натяжное оборудование калибруется регулярно. Однако транспортировка сборных элементов на участок может ограничивать размер и увеличивать логистические затраты. Постнатяжение, напротив, выполняется на месте (или на сегментарном литейном дворе), устраняя транспортные ограничения для крупных членов. На месте литье позволяет использовать более крупные и тяжелые детали, но контроль качества зависит от полевых условий и квалифицированной рабочей силы. Задержки и изменения прочности на сжатие бетона могут влиять на графики натяжения.

Структурная эффективность и потенциал спа

Оба метода достигают высоких прочных до весовых соотношений, но постнатяжение позволяет пролеты в литых на месте структур, потому что сухожилия могут быть профилированы, чтобы соответствовать диаграмме изгиба момент. Типичные постнатяжные напольные плиты могут легко охватывать 10-15 метров; специализированные системы могут достигать более 20 метров. Преднатяженные сборные элементы, в то же время эффективные, ограничены длиной заводского кровати и транспортными ограничениями. Однако, предварительно натяжные мосты (такие как I-girders) обычно охватывают 25-40 метров. Для очень длинных пролетов (более 50 метров), постнатяжные сегментарные конструкции становятся стандартным решением.

Анализ затрат

Начальная стоимость предварительного натяжения включает в себя заводскую установку (раскладные кровати, натяжные кровати, формы), но стоимость единицы значительно падает для производства большого объема. Например, проект моста, требующий 200 идентичных I-гирдеров, вероятно, выиграет от предварительного натяжения, потому что стоимость за пучок ниже, чем каждый отдельно на месте. Расходы после натяжения включают воздуховоды, крепления, шлифовку и больше полевых работ. Однако для нерегулярных конструкций или когда уменьшенные количества материала компенсируют более высокую удельную стоимость, постнатяжение может быть более экономичным в целом. Должен быть выполнен комплексный анализ стоимости жизненного цикла, включая техническое обслуживание, защиту от коррозии и будущую адаптируемость.

Защита от коррозии и долговечность

Связанные системы постнатяжения (закатывание) обеспечивают аналогичную коррозионную защиту предварительно натянутых элементов при условии, что затирка высокого качества и проток полностью заполнен. Несвязанные системы более уязвимы, поскольку нарушение в оболочке может позволить влаге достичь сухожилия; однако они позволяют легче проверять и заменять. Преднатяженные сухожилия полностью встроены в бетон с самого начала, а связь обеспечивает непрерывную коррозионную защиту. В агрессивных средах (обледенение солей, морской), предварительно натянутые элементы с адекватным покрытием и низкопроницаемым бетоном работают исключительно хорошо. Основной уязвимостью предварительно натянутых элементов являются области конечного якоря, которые могут испытывать расщепляющиеся напряжения, если не усилены должным образом.

Сроки строительства

Преднатяжение часто сокращает время строительства на месте, потому что сборные элементы готовы к установке до завершения работ на площадке. Мост может быть возведен за недели, а не месяцы. Постнатяжение требует опалубки и фальшборта, бетонного литья, затем времени отверждения с последующим натяжением, затиркой и удалением временных опор. Этот последовательный процесс может удлинить график. Однако для многоэтажных зданий плоские плиты с натяжением позволяют быстрое циклическое напольное покрытие (часто 5-7 дней на этаж), потому что постнатяжение может быть сделано вскоре после того, как бетон достигнет прочности, и формы могут быть повторно использованы быстрее, чем с обычным железобетоном.

Приложения и пригодность

Где преднапрягает Excel

Стандартные сборные мостовые балки (ААШТО I-лучи, балки-Т)
Следующие ядра плит для жилых и коммерческих полов
Железнодорожные шпалы (ties) , требующие постоянного качества и высокой устойчивости к усталости цикла
Пилы и столбы (полюсы электроснабжения, осветительные столбы)
Двухдиапазонные балки для парковочных сооружений и промышленных зданий
Сегментная конструкция моста , где сборные сегменты постнапряжены вместе, но каждый сегмент может быть предварительно натянутым

Где постнапрягающие Excel

Бетонные плиты пола длинного пролета (офисные здания, больницы, музеи)
Изогнутые балочные или боковые балочные мосты со сложными выравниваниями
Перенос балок и тяжелонагруженных конструктивных элементов
Структуры для содержания воды и сточных вод (цистерны, силосы)
Основания с большими матовыми плитами или плотными основаниями, требующими контроля трещин
Преднапряженные бетонные столбы с коническими или различными секциями
Реабилитация и укрепление существующих структур (внешнее постнатяжение)

Устойчивость и экологические соображения

Оба метода предварительного натяжения способствуют устойчивости за счет сокращения использования материала по сравнению с обычным железобетоном. Меньше бетона означает более низкое потребление цемента и сокращение выбросов углекислого газа. Преднатяженные сборные элементы могут быть высоко оптимизированы для низкого использования материала и могут включать переработанную сталь. Постнатяжные конструкции также могут уменьшить общую воплощенную энергию структурной рамы. Кроме того, более длинные промежутки, возможные с постнатяжением, уменьшают количество колонн и фундаментов, еще больше снижая экологический след. Долговечность правильно спроектированных предварительно напряженных бетонных конструкций часто превышает 100 лет, сводя к минимуму необходимость ремонта и замены. Для получения дополнительной информации об устойчивом бетонном строительстве, посетите ресурсы устойчивости ACI .

Типичный процесс проектирования и установки

Преднапряженный рабочий процесс

Набор:Стальные формы расположены вдоль длинной литейной кровати. Наконечники на каждом конце удерживают гидравлические домкраты для натяжения.
Напряжение: Сухожилия (обычно семипроводные нити) притягиваются к заранее определенной силе (например, 75% от предельной прочности на растяжение) и запираются на переборках.
Бетон помещается вокруг напряженных сухожилий. Вибрация консолидирует смесь.

Обработка: Ускоренное отверждение (паровые или нагревательные одеяла) часто используется для быстрого достижения прочности на выпуск (обычно 8-18 часов).

Освобождение: Сухожилия разрезаются на концах, и сила предварительного нажатия переносится на бетон. Элемент поднимается с кровати.

Концы обрезаются, и применяются любые необходимые поверхностные обработки (например, шероховатость для композитного действия).

Постнапряженный рабочий процесс

Формирование и усиление: Формворк возводится, а мягкое подкрепление размещается. Дюкты (изготавливаемый металл или пластик) выкладываются с требуемой драпой. Якорные пластины и трубы закреплены на концах.

Бетон тщательно помещается и вибрирует, чтобы избежать вытеснения протоков.

Напряжение: После достижения бетоном заданной прочности (обычно 3–14 дней) сухожилия вставляются в протоки и натягиваются с помощью калиброванного домкрата. Сила контролируется манометрами и измерениями удлинения.

Усиление: Клинки или другие захватные устройства закрепляют сухожилия на активном конце. Сила разъема высвобождается, перенося нагрузку на якорную стоянку.

Грутация (связанные системы): Цементарная затирка вводится для заполнения протока, вытеснения воздуха и защиты сухожилий.Граут должен быть малопроницаемым и часто смешиваться с антикровоточащими добавками.

Защита: Обнаженные якоря заколочены и часто покрыты коррозионно-ингибирующими соединениями.В несвязанных системах смазанные и обшитые сухожилия не требуют затирки, но карманы конечной крепления должны быть надлежащим образом герметизированы и огнезащитны по мере необходимости.

Пример сравнения затрат

Factor Pre-tensioning Post-tensioning
Capital investment High for bed setup, low recurring Lower capital, higher per-project
Labor cost Lower field labor Skilled field labor required
Material cost per unit Lower for repetitive elements Higher due to ducts, anchorages, grout
Transportation cost Significant for large elements Minimal (most materials shipped flat)
Formwork cost Factory forms amortized On-site formwork each project
Schedule impact Faster on-site erection Slower on-site but flexible

Примечание: Фактические затраты варьируются в зависимости от региона, уровня занятости и наличия материалов. Для получения подробного руководства обратитесь к публикациям Института посттензионного анализа (PTI) и Предварительный/Прессированный бетонный институт (PCI) .

Структурная избыточность и долговечность

Одним из важных аспектов в сейсмическом проектировании является пластичность и избыточность. Связанные постнапряженные элементы имеют более высокую пластичность, чем несвязанные члены, потому что нити могут давать более высокую протяженность по всей длине, если их стирать. Преднапряженные члены, будучи полностью связаны, также демонстрируют хорошую пластичность при условии, что коэффициент армирования не является чрезмерным, а адекватная ограничительная сталь обеспечивается в зонах сжатия. Однако несвязанные системы после натяжения могут страдать от недостатка пластичности, потому что сила сосредоточена на креплениях; для достижения пластичного поведения необходима специальная детализация (например, добавление мягкой стальной армации). Инженеры должны проконсультироваться с местными строительными кодами (такими как ACI 318 или Еврокод 2) и структурный анализ, который учитывает систему предварительного натяжения.

Выбор правильного метода: контрольный список критериев принятия решений

Тип и масштаб проекта: Тождественные элементы большого объема → предварительное натяжение; разовые или сложные структуры → постнатяжение.

Длина и геометрия размаха: Расширение более 15 м с изогнутыми профилями → постнатяжение; прямые или умеренно длинные простые пролеты → преднатяжение.

Ограничения на месте: Ограниченное пространство для сборной доставки или доступа к крану может способствовать отливке на месте после натяжения.Наоборот, ограниченный доступ к сайту может способствовать сборным элементам, которые могут быть быстро сняты на место.

График строительства: Жесткий график с одновременным составлением сайта предполагает сборные элементы предварительного натяжения. Но если ожидаются задержки фундамента, постнатяжение позволяет повысить гибкость графика.

Доступность работы: Квалифицированные команды после натяжения могут быть доступны не везде; предварительный натяжение зависит от фабричного труда с меньшим количеством полевых экспертных знаний.

Долгосрочное техническое обслуживание: Если коррозионный риск является основной проблемой (например, морские среды), скрепленные элементы предварительного натяжения с достаточным покрытием или скрепленные после натяжения с утвержденной затиркой обеспечивают отличную производительность.

Бюджет для проектирования и проектирования: Постнапряжение часто требует более детального анализа потерь трения и конструкции крепления, что потенциально увеличивает инженерные сборы.

Заключение

Как натяжные, так и натяжные престрессовые стальные системы обеспечивают значительные структурные преимущества, которые произвели революцию в современном бетонном строительстве. Преднатяжение предлагает непревзойденный контроль качества, скорости и экономической эффективности для повторяющихся сборных элементов, что делает его предпочтительным методом для стандартизированных мостовых балок, полых ядер и железнодорожных шпал. Постнатяжение обеспечивает замечательную гибкость конструкции, материальную экономию и способность достигать больших пролетов и сложных геометрий, особенно в литых зданиях, сегментных мостах и резервуарах.

Выбор между ними не является вопросом, который является «лучше» в абсолютных терминах, а скорее, который более подходит для конкретных требований проекта. Такие факторы, как пролет, геометрия, график строительства, условия на месте, трудовые навыки и затраты на жизненный цикл должны быть взвешены. Понимая инженерные принципы, преимущества и ограничения каждого метода, инженеры-строители и владельцы могут принимать обоснованные решения, которые приводят к безопасным, долговечным и экономичным структурам.

Для дальнейшего чтения руководство Американского института бетона Прессинг стали для бетонных конструкций (ACI 423) предоставляет комплексные стандарты. Кроме того, тематические исследования Федерального управления автомобильных дорог (FHWA) иллюстрируют реальные применения обоих методов в строительстве мостов.