История применения преднапряженного бетона (преднапряжения) в отечественном строительстве
| Автор доклада : ВОЙЛОКОВ И.А. | |
|---|---|
| доцент кафедры «Технология, организация и экономика | |
| строительства» Государственного образовательного | |
| учреждения высшего профессионального образования | |
| «Санкт-Петербургский Государственный политехнический | |
| университет», член НТО Строителей Северо-Запада |
За многие годы эволюции строительных материалов ученые всегда стремились создать некий суррогат камня, как следствие появился бетон, увы обладающий весьма отрицательным качеством — невысокой прочностью при растяжении. Использование стальной арматуры, фибры позволяют бетону не разрушаться, но все же на его поверхности появляются трещины; данное условие можно исключить применив арматуру и фибру одновременно, но в этом случае конструкция будет материалоемка и экономически невыгодна. Поэтому, чтобы повысить эксплуатационные свойства конструкций в целом, требовалось найти новое решение данной проблемы. Оно было найдено. На стадии изготовления или строительства создается напряженное состояние в конструкции: знак напряжения в бетоне становится противоположен знаку напряжения от эксплуатационной нагрузки.
Преднапряжение было изобретено Эженом Фрейссине почти сто лет назад, хотя пальму первенства с ним может разделить и россиянин Виктор Васильевич Михайлов. Ещё в 1936 году прошлого века, при защите
Хотя, в той же самой передовой Германии до последнего времени, нельзя было применять напрягаемую арматуру вне сечения бетонной конструкции, разрешение на применение данной технологии вышло совсем недавно, а сегментная сборка железобетонных мостов с помощью натяжения арматуры запрещена и по сей день.
В Советском Союзе использование предварительного напряжения было весьма популярным, оно применялось в промышленном, жилищном, транспортном и специальном строительстве. Предварительно напряженных конструкций выпускалось более 30 млн. м³ в год, что составляло порядка 20% общего объема производства сборного железобетона. Здесь мы действительно занимали передовые позиции.
Наибольшее распространение получила технология натяжения арматуры на упоры. Данный метод стал так хорошо использоваться, благодаря, прежде всего, внедрению электротермического способа натяжения стержневой арматуры.
Сущность данного способа натяжения арматуры заключается в том, что арматурную заготовку (стержневую, проволочную или прядевую), нагретую электрическим током до нужного удлинения, закрепляют в нагретом состоянии в жестких упорах или на торцах затвердевшего элемента. Специальные упоры и торцы препятствуют укорочению заготовки при остывании, благодаря чему в ней возникают заданные растягивающие напряжения. Требуемую арматурную заготовку, предназначенную для натяжения на упоры форм, поддонов или стендов, снабжают по концам анкерами, расположенными так, чтобы расстояние между внутренними (опорными) плоскостями анкеров было на заданную величину меньше расстояния между наружными гранями упоров. Удлиненная заготовка должна свободно укладываться в нагретом состоянии между упорами. Для стержневой арматуры максимальная температура нагрева не должна превышать 350°, а для проволочной — 300°С.
Благодаря авторам этого способа были сэкономлены миллионы тонн дефицитного тогда металла и резко улучшена технология и экономика конструкций.
Одновременно с этим способом был введен и электротермомеханический (комбинированный) способ натяжения. Он сочетает в себе электротермический и механический способ натяжения, осуществляемые одновременно. При электротермомеханическом способе натяжения около 50% напряжения обеспечивается механическим натяжением и 50% при остывании нагретой проволоки. Это вдвое увеличивает производительность машин, облегчает их конструкцию, позволяет повысить контролируемое предварительное напряжение. Особенно эффективен этот способ при натяжении арматуры на затвердевший бетон криволинейных элементов, так как он позволяет снизить неравномерность натяжения и уменьшить потери натяжения в результате трения.
Успех был закреплен в
В этот период ученые и специалисты отрасли разработали значительный объем
Дальнейшее развитие предварительного напряжения оказало серьезное влияние на технологии высокопрочных бетонов. В преднапряженных конструкциях появилась возможность максимально эффективно использовать повышенную прочность бетона при сжатии.
В Советском Союзе появились линии «Partek». Данные высокопроизводительные линии позволяли и позволяют производить плиты безопалубочным способом. Они установлены в Москве на
С началом перестройки процесс интенсивного развития преднапряженного железобетона был фактически остановлен. Мы потеряли темп развития строительной и железобетонной отрасли в частности. Повсеместно происходила остановка производств. Стенды, опалубка, металлоемкое оборудование уходило в металлолом. Только Москва сумела сохранить определенный задел в данной отрасли.
Сильнее всего пострадал и снизился объем применения сборных предварительно напряженных конструкций. Объем выпуска преднапряженных конструкций упал более, чем в 10 раз, в то время, как объем выпуска железобетонных конструкций без предварительного напряжения снизился в 6 раз. Этому есть несколько причин, в том числе и сильно подорожавшая электроэнергия, что сделало электротермический способ натяжения арматуры экономически невыгодным.
В настоящее время фактически все регионы в России обладают производственными мощностями, способными производить более 1 млн. м³ в год сборного, в том числе предварительно напряженного железобетона. Достаточно велика и номенклатура изделий, которые целесообразно изготавливать с предварительным напряжением: покрытия зданий, пролетные строения и опоры мостов, железобетонные сваи и трубы, шпалы, градирни, опоры ЛЭП и мачты освещения, телебашни, защитные оболочки, морские и шельфовые сооружения, плавучие доки, корпуса понтонов и многое другое.
Альтернативой традиционным шпалам и шпалам из фибробетона являются шпалы с использованием технологии предварительно напряженного бетона. Данные изделия показывают высокую эксплуатационную надежность предварительного напряжения. В мире, в настоящее время их установлено более миллиарда штук. Жесткие динамические нагрузки, ощутимые температурные перепады, увлажнение и высушивание, замораживание и оттаивание, воздействие нефтепродуктов и других агрессивных веществ предъявляют исключительно высокие требования к надежности и долговечности этих изделий. Есть участки железной дороги, где преднапряженные железобетонные шпалы прослужили более 40 лет и не имеют
За рубежом из сборного предварительно напряженного железобетона все больше и больше наращивается объемов конструкций перекрытий и покрытий зданий различного назначения, значительная часть изделий, используемых в инженерных сооружениях и в транспортном строительстве; появились производства элементов наружного архитектурного оформления зданий. Если же обратиться к истории, то в
В США от общего объема производства сборных железобетонных изделий в 26 млн. м³ преднапряженные конструкции составляют 40%. Четверть из них — так называемые плиты Т и 2Т, в поперечном разрезе представляющие одинарную и двойную букву Т. Плиты «на пролет» широко производятся также в Великобритании, Германии, Венгрии, Польше и в других странах.
Большая часть стропильных и подстропильных балок, ферм, ригелей, стеновых панелей изготовляют также
К сожалению, общий экономический кризис в области применения сборного, в том числе и преднапряженного железобетона, частично связан ещё и с тем, что у нас не получили должного изучения и применения предварительно напряженные конструкции с натяжением арматуры на бетон, в том числе в построечных условиях. В связи с этим, практически отсутствует современное, эффективное, отечественное оборудование для реализации такой технологии на практике. Но западные технологи не стояли на месте. Сегодня в мире из преднапряженного монолитного железобетона возводятся промышленные, гражданские и жилые здания, плотины и энергетические комплексы, телебашни и многое другое.
Высотные сооружения, особенно такие, как телебашни из монолитного преднапряженного железобетона, выглядят особенно эффектно, став достопримечательностями многих стран и городов. В качестве примера может служить телебашня в Торонто (Канада), она является самым высоким в мире отдельно стоящим железобетонным сооружением. Её высота 555 м. Конструкция поперечного сечения башни в виде трилистника оказалась весьма удачным решением для размещения напрягаемой арматуры и бетонирования в скользящей опалубке. Ветровой опрокидывающий момент, на который рассчитана эта башня, составляет почти полмиллиона тоннометров при собственном весе наземной части башни чуть более 60 тыс. т.
За счет применения гидротехнических бетонов и преднапряжения в Германии и в Японии широко строятся тонкие оболочки яйцевидной формы для очистных сооружений. К настоящему времени такие резервуары возведены суммарной емкостью более 1,2 млн. м³. Отдельные сооружения этого типа имеют емкость от 1 до 12 тыс. м³. В западном полушарии, в таких странах как Канада и США, ежегодно возводится более 10 млн. м3 конструкций монолитных перекрытий увеличенного пролета с натяжением арматуры на бетон.
С развитием технологий напрягаемая арматура в монолитных конструкциях все чаще применяется без сцепления с бетоном,
Где, как не при строительстве АЭС, можно применять монолитный предварительно напряженный железобетон? Именно в области атомной энергетики он нашел широкое применение, из него изготавливаются корпуса реакторов и защитных оболочек атомных электростанций. Суммарная мощность АЭС в мире превышает 150 млн. кВт, в том числе мощность станций, корпуса реакторов и защитные оболочки которых построены из монолитного преднапряженного железобетона, составляет почти 40 млн. кВт. Защитные оболочки для реакторов АЭС стали обязательными. Именно отсутствие такой оболочки явилось причиной чернобыльской катастрофы.
Широкое распространение преднапряженный бетон получил и в гидротехническом строительстве, ярким примером его строительных возможностей являются морские платформы для добычи углеводородов. В настоящее время таких сооружений возведено более двух десятков.
Ярким примером такой платформы может служить построенная в 1995 г. в Норвегии платформа «Тролл». Она имеет полную высоту 472 м, что в полтора раза выше Эйфелевой башни. Платформа установлена на участке моря с глубиной более 300 м и рассчитана на воздействие ураганного шторма с высотой волны 31,5 м. На её изготовление было израсходовано 250 тыс. м³ высокопрочного бетона, 100 тыс. т обычной стали и 11 тыс. т напрягаемой арматурной стали. Расчетный срок службы платформы 70 лет.
Традиционно обширной областью применения предварительно напряженного железобетона является мостостроение. В США, например, сооружено более 500 тысяч железобетонных мостов с различными пролетами. За последнее время там построено более двух десятков вантовых мостов длиной 600–700 м с центральными пролетами от 192 до 400 м. Из предварительно напряженного железобетона сооружаются внеклассные мосты, которые строятся по индивидуальным проектам. Мосты пролетом до 50 м возводятся в сборном варианте из железобетонных преднапряженных балок. В Австралии, в г. Брисбен, построен балочный мост с центральным пролетом 260 м, наибольшим среди мостов этого типа. Вантовый мост «Баррнос де Луна» в Испании имеет пролет 440, «Анасис» в Канаде — 465, мост в Гонконге — 475 м. Арочный мост в Южной Африке имеет наибольший пролет — 272 м. Мировой рекорд для вантовых мостов принадлежит мосту «Нормандия», где пролет 864 м. Ненамного уступает ему мост «Васко да Гама» в Лиссабоне, построенный к Всемирной выставке
Начало массового строительства преднапряженных монолитных пролетных строений связано с реконструкцией МКАД и транспортных лучей от Москвы: Видновкая эстакада на
В 2006 году в Азербайджане в городе Баку введены в действие две эстакады с монолитными преднапряженными пролетными строениями, причем одно из них коробчатого сечения с пониженной высотой. Оборудование, материалы и технология преднапряжения — из России. В этом году азербайджанские коллеги строят ещё четыре сооружения.
С применением российских технологий и оборудования начинается строительство монолитного путепровода в столице Украины городе Киеве. У нас в России сейчас проектируется несколько мостовых переходов с использованием данной технологии. Лидером в проектировании таких мостовых переходов является институт «Стройпроект» и «Омскмост». Из последних проектов «Стройпроекта " можно выделить вантовый мост через реку Неву, он имеет название Обуховский. Большой Обуховский мост является частью Кольцевой автодороги. Первая очередь моста была открыта 15 декабря 2004 года. Полная длина мостового перехода — 2824 м, длина самого вантового моста — 994 м, длина руслового пролета — 382 м. Подмостовой габарит (расстояние от уровня воды до пролета моста) — 30 м. Ширина моста — 8 полос движения, по 4 в каждом направлении.
Но мостовые сооружения не занимают господствующее место в объеме капитального строительства России. Приоритетные объемы за объектами ПГС: жилищные комплексы, торговые центры, автостоянки, производственные и складские помещения. Кроме того, гигантскими темпами развивается строительство домов частного сектора, где работы выполняют в основном рабочие низкой квалификации. При проектировании несущих конструкций у большинства проектных организаций преобладает традиционный, сложившийся десятилетиями, подход: шаг несущих колонн — 6 -9 м, толщина плиты — 300 мм, класс бетона — не выше В20.
По последним данным в
Общую мировую тенденцию повышения эффективности сборных железобетонных конструкций можно показать на примере плит перекрытий. В России на долю этих изделий приходится более трети общего производства сборных элементов. За рубежом значительное распространение имеет безопалубочное Общую мировую тенденцию повышения эффективности сборных железобетонных конструкций можно показать на примере плит перекрытий. В России на долю этих изделий приходится более трети общего производства сборных элементов. За рубежом значительное распространение имеет безопалубочное формование плитных конструкций на длинных стендах. Там обычной практикой является производство плит пролетом до 17 м, высотой сечения 40 см под нагрузку до 500 кгс/м². В Финляндии железобетонные многопустотные плиты под такую же нагрузку выпускаются высотой сечения даже 50 см, с пролетом до 21 м, то есть применение предварительного напряжения позволяет выпускать сборные элементы качественно иного уровня. Натяжение канатной арматуры на таких стендах, как правило, групповое при мощности домкратов 300–600 т. Сегодня разработаны различные системы безопалубочного формования на длинных стендах «Спайрол», «Спэнкрит», «Спандек», «Макс Рот», «Партек» и других, отличающиеся высокой производительностью, применяемой арматурой, технологическими требованиями к бетону, формой поперечного сечения панелей и другими параметрами. На стендах длиной до 250 м плиту изготавливают со скоростью до 4 м/мин, по высоте в пакете можно бетонировать 6 плит. Ширина плит достигает 2,4 м, при максимальном пролете 21 м. Только плиты «Спэнкрит» применяют в США более 15 млн. м² ежегодно.
В свое время длинные стенды для безопалубочного формования по технологии «Макс Рот» появились и в России. Однако эта технология не получила дальнейшего распространения. В широко используемых у нас конструктивных системах зданий соединение элементов осуществляется через закладные детали. В плитах, изготавливаемых на длинных стендах, как правило методом экструзии, возможности размещения закладных деталей ограничены. Однако для
Есть три основных типа
- стационарный
арматурно-намоточный автомат, предназначенный для работы в составеагрегатно-поточной линии; - арматурно-намоточный агрегат с вращающейся платформой для навивки арматуры на объемные, криволинейные или круглые элементы емкостей, тоннелей, водоводов и др. сооружений;
- арматурно-намоточный комплекс в составе стенда длиной до 72 м, самоходной арматурно-намоточной машины, машин для обрезки арматуры, для укрывания изделий при ТВО и для чистки стенда после снятия с него изделия. Этот комплекс позволяет изготавливать практически любые необъемные изделия с двухосным напряженным или ненапряженным армированием, в том числе формы с напряженным армированием всех элементов решетки и обоих поясов.
Имея на производстве такие агрегаты, можно изготавливать обширную номенклатуру современных конструкций и изделий различного назначения, в том числе элементы городского благоустройства.
Как уже говорилось ранее, важное значение имеет расширение области применения предварительного напряжения. Например, его можно широко и эффективно использовать в гражданском и жилищном строительстве. Несущий каркас такого здания представляет собой стержневую систему, выполняемую в монолите или из отдельных элементов, с натяжением арматуры непосредственно в процессе строительства. Рассчитанный с использованием новейших методов, учитывающих геометрическую и физическую нелинейность, такой каркас на 20–40% легче, чем традиционные. Перекрытия и внутренние стены здания сооружаются путем заполнения соответствующих частей каркаса монолитным пенобетоном с необходимыми
При сооружении зданий по предлагаемой технологии используются новые приемы возведения преднапряженного каркаса, а все работы по приготовлению и укладке монолитного поробетона выполняются одним агрегатом, что позволяет снизить суммарные трудозатраты на строительство более, чем в два раза. Собственный вес здания снижается в 2–2,5 раза, и почти вдвое снижается его себестоимость. Таким образом, вместо одного обычного здания получаются два в безригельном исполнении, с увеличенными пролетами и с широкими возможностями для планировки. Кроме прочего, такие здания обладают высокой сейсмостойкостью, надежностью и долговечностью, а после исчерпания срока службы могут быть легко разобраны, чего не скажешь о зданиях со сварными соединениями в каркасе.
На базе этой технологии может быть сделан существенный шаг вперед в области высотного строительства, где основная проблема связана с тем, что верхние этажи чрезвычайно нагружают нижние. В предлагаемом варианте этажность здания может быть увеличена вдвое без повышения нагрузки на нижний этаж и основание.
Существующий опыт показывает высокую эффективность применения предварительного напряжения в монолитных плитных фундаментах большой протяженности, в монолитных безбалочных перекрытиях, в опорных устройствах и постаментах под тяжелое оборудование, в несущих монолитных конструкциях подземных сооружений, в том числе многоэтажных. Широко используется данная технология и в конструкциях полов. Имеются интересные примеры предварительного напряжения при реставрации памятников старины.
Исключительно плодотворной является идея двух- и трехосного напряжения конструкций. Обширные исследования в этой области были проведены профессором
На практике эта идея была реализована в
Предварительное напряжение бетона в конструкции демонстрирует новые возможности и определяет перспективу развития железобетона в качестве материала для возведения современных зданий и сооружений.
Идея применения предварительного напряжения в железобетоне в свое время оказалась настолько плодотворной, что в 1953 году была основана Международная федерация по предварительно напряженному железобетону — ФИП. Первым её президентом стал Эжен Фрейссине. Почти за полвека своего существования федерация получила значительное развитие. В последнем XIII конгрессе ФИП в Амстердаме приняли участие более полутора тысяч человек. На этом конгрессе ФИП объединилась с Европейским комитетом по бетону — ЕКБ и теперь называется
Поступательному развитию производства преднапряженного железобетона способствует дальнейшее улучшение прочностных и технологических свойств применяемых материалов. Конец XX века ознаменовался разработкой особо прочных бетонов и неметаллической арматуры на основе углепластиков, открывающих новые возможности совершенствования
В XXI столетии по всей стране должно развернуться массовое строительство автомобильных дорог, что потребует возведения большого количества мостов малых, средних и больших пролетов. Международный опыт говорит, что автодорожные мосты целесообразно строить из преднапряженного железобетона.
В производстве конструкций для зданий различного назначения целесообразно существенно увеличить долю механического натяжения арматуры, расширить выпуск непрерывно армированных и самонапряженных конструкций, увеличить применение зданий с натяжением арматуры в построечных условиях.
Имеет смысл большее внимание уделить разработке различных предсамонапряженных железобетонных конструкций, в которых комплексно используются механическое натяжение высокопрочной арматуры и преимущества напрягающего бетона.
Для крупных инженерных сооружений следует применять предварительно напряженные железобетонные конструкции с натяжением арматуры на бетон, а для напрягаемой арматуры использовать канаты и высокопрочную стержневую арматуру больших диаметров, производство которых должно быть освоено металлургической промышленностью.
Широкое использование преднапряженного железобетона открывает значительные возможности для снижения расхода стали в строительстве. Это может быть достигнуто, главным образом, за счет уменьшения металлоемкости ряда железобетонных несущих и ограждающих конструкций, а также путем замены металлических конструкций железобетонными.
Нет сомнения, что развитие производства предварительно напряженного железобетона необходимо для дальнейшего совершенствования отечественного капитального строительства. В прошлом году в экономике России произошел некоторый позитивный сдвиг. Надо полагать, что и предварительно напряженный железобетон в России также откроет новую страницу в своей истории.
Но у нас есть определенные проблемы с качеством канатов. На настоящий момент российские производители предлагают канаты не отвечающие современным требованиям по следующим позициям:
- канаты при размотке имеют остаточную волнистость, что затрудняет формирование пучков, укладку в арматурный каркас и приводит к дополнительным потерям на трение при натяжении;
- бухты канатов не сформированы по слоям, что приводит к невозможности заправки канатов в каналообразователи машинным способом;
- отсутствует антикоррозионная упаковка на период транспортировки бухт. Как правило, на строительство бухты приходят, в лучшем случае, с налетом коррозии;
- большой разброс характеристик упругости (модуль упругости и отрносительное удлинение) канатов как в пределах партии бухт, так и по длине отдельных бухт. Это приводит к большим разбросам в показаниях упругой вытяжки при натяжении и в постоянных комиссионных согласованиях результатов натяжения;
- низкое временное сопротивление (1670 Н/мм²) позволяет натягивать каждый канат диаметром 15,2 мм только на 15 т. Зарубежные аналоги, с временным сопротивлением 1869 Н/мм² преднапрягаются на 20 т, что позволяет уменьшить общее количество канатов в конструкции;
- большие потери от релаксации приводят к необходимости перезакладывать количество канатов;
- отечественные заводы не покрывают канаты антикоррозионной смазкой «Дромос», которая снижает коррозию канатов на период использования и уменьшает потери на трение при натяжении;
- отечественные заводы не выпускают канаты в двойной защите типа «Моностренд», потребность в которых, особенно в промышленно-гражданском строительстве, очень высока.
Перечисленные недостатки приводят к необходимости использования канатов зарубежного производства по высоким ценам, что очень часто приводит вообще к отказу от преднапряжения.
По нашим данным, в России за год в среднем в строительстве потребляется до 20 тыс. т канатов. В США — 350–400 тыс. т. Цифры говорят сами за себя.
Сегодня мы понимаем, что внедрение любых новых, или отличных от традиционно применяемых, строительных технологий всегда встречает определенное сопротивление со стороны проектировщиков и строителей.
Потребности России в новом капитальном строительстве огромны, и, по нашему мнению, строить надо в соответствии с современными требованиями,
Мы надеемся, что и строительный комплекс России в конечном итоге выйдет на необходимый современный уровень применения конструкций с преднапряженными несущими элементами. Нет сомнения, что развитие производства предварительно напряженного железобетона необходимо для дальнейшего совершенствования отечественного капитального строительства.
2009 год.
