Создание напряженного состояния в конструкции на стадии изготовления, когда знак напряжения в материале противоположен знаку напряжений от эксплуатационной нагрузки, является одним из крупнейших достижений инженерной мысли ХХ века. У истоков этой концепции в ее современном понимании стояли Эжен Фрейссине (Франция) и Виктор Васильевич Михайлов (Россия). В развитии преднапряженного железобетона важную роль сыграли Мерш, Леонгард, Финстервальдер, Витфохт (Германия), Эванс (Великобритания), Моранди, Леви (Италия), Гийон, Лакруа, Вирложе (Франция), Гервик, Лин (США), Вальтер (Швейцария), Торроха (Испания), Борджес (Португалия) и многие другие. Весомый вклад внесли и многие российские специалисты.
Предварительное напряжение развивалось непросто. Интересно отметить, что в 30-х годах при защите докторской диссертации В.В. Михайлова, посвященной развитию этого метода, два оппонента из трех выступили против. А в Германии только совсем недавно было разрешено применять в мостах напрягаемую арматуру, расположенную вне сечения. Считалось, что арматура, расположенная вне бетона, не защищена от коррозии. Сейчас запрет отменили по тем соображениям, что арматуру от коррозии можно как раз надежнее защитить, если иметь к ней свободный доступ. Сегментная сборка железобетонных мостов с помощью напрягаемой арматуры – метод, получивший широкое распространение в СССР и многих других странах – в Германии не разрешена до сих пор.
В СССР предварительное напряжение широко применялось, в основном, при изготовлении конструкций массового применения в гражданском и промышленном строительстве. Преднапряженных железобетонных конструкций из обычного и легкого бетона выпускалось около 30 млн. кубометров в год, существенно больше, чем в какой-либо другой стране. На долю предварительно напряженных конструкций приходилось более 20% общего объема сборного железобетона. Предварительно напряженные конструкции изготавливались, как правило, с натяжением арматуры на упоры, во всех регионах страны. Такая широкая география этой технологии стала возможной благодаря, прежде всего, внедрению электротермического способа натяжения стержневой арматуры повышенной прочности. Авторы этого способа были по заслугам удостоены высокого звания лауреатов престижной Ленинской премии. Для народного хозяйства были сэкономлены сотни тысяч тонн металла.
Был разработан значительный объем нормативной литературы по проектированию и технологии изготовления предварительно напряженных железобетонных конструкций, в том числе СНиП 2.03.01.84, который прямо указывал: «При выборе элементов должны предусматриваться преимущественно предварительно напряженные конструкции из высокопрочных бетонов…».
Более того, профессор А.А. Гвоздев рассматривал железобетон с обычной арматурой как частный случай (разновидность) предварительно напряженного железобетона. О внимании к этому материалу в тот период свидетельствует факт организации в бывшей академии строительства и архитектуры специальной комиссии по предварительно напряженному и сборному железобетону.
В настоящее время объем выпуска преднапряженных конструкций снизился в 10 раз, в то время как обычных железобетонных конструкций «только» в 6 раз.
Такое резкое снижение объемов применения предварительно напряженных конструкций в России следует однозначно квалифицировать как регресс железобетона в целом.
Не получили у нас должного изучения и применения предварительно напряженные конструкции с натяжением арматуры на бетон в результате чего эти эффективные конструкции очень редко используются при строительстве инженерных сооружений. Некоторые успехи, правда, следует отметить в области расширения применения преднапряжения в построечных условиях при возведении зданий различного назначения.
Среди областей и республик, располагающих производственными мощностями более 1 млн. кубометров сборного, в том числе предварительно напряженного железобетона в год, следует назвать г. Москва, республики Татарстан и Башкортостан, области: Челябинскую, Свердловскую, Тюменскую, Пермскую, Новосибирскую, Омскую, Московскую, Самарскую, Ленинградскую, Иркутскую, Воронежскую, Волгоградскую, Кемеровскую, Ростовскую, Приморский и Красноярский край. Практически нет областей строительства, где не мог бы найти применение предварительно напряженный железобетон. Предварительно напряженными изготавливаются элементы конструкций зданий (стены, покрытия, перекрытия), пролетные строения и опоры мостов, сваи, трубы, шпалы, градирни, опоры ЛЭП, мачты, различные ограждения, защитные оболочки, телебашни, корпуса понтонов и т. д.
В высшей степени убедительной демонстрацией эксплуатационной надежности предварительного напряжения сборного железобетона является его успешное использование для производства железобетонных шпал. Во всем мире в настоящее время их установлено более 1 миллиарда штук. Жесткие динамические нагрузки, ощутимые температурные перепады, увлажнение, замораживание, попадание смазочных и иных материалов предъявляют исключительно высокие требования к надежности и долговечности железобетонных шпал. Эти требования выполняются путем применения бетонов повышенных классов по прочности, строгим выдерживанием технологии изготовления. Есть шпалы, установленные 40 лет назад и эксплуатирующиеся до сих пор без каких-либо повреждений. Также надежно ведут себя преднапряженные забивные сваи, напорные трубы, опоры ЛЭП и т. д. Следует отметить, что объем выпуска шпал в России снизился за последние годы существенно менее, что других железобетонных конструкций.
В настоящее время в большинстве развитых стран мира из предварительно напряженного железобетона изготавливается основной объем конструкций перекрытий и покрытий для одноэтажных и многоэтажных производственных, жилых и общественных зданий, значительная часть изделий, используемых в инженерных сооружениях для всех отраслей строительства.
Из преднапряженного монолитного железобетона возводятся промышленные и жилые здания, объекты соцкульта, плотины, энергетические комплексы, телебашни и так далее. Самая высокая в мире телебашня построена из монолитного преднапряженного железобетона.
Обширной областью применения монолитного предварительно напряженного железобетона являются инженерные сооружения (градирни, трубы, резервуары, защитные оболочки АЭС и т. д.). Современные градирни достигают высоты 150 м. Резервуары для хранения воды, сжиженного газа и т. д. могут достигать объема в несколько сот тысяч кубометров.
Особенно эффективно выглядят из преднапряженного железобетона телевизионные башни, являющиеся достопримечательностями многих городов, особенно в Германии. Выдающимся сооружением явилась, построенная по проекту Н.В. Никитина, московская телебашня, при общей высоте которой 537 м, железобетонная часть составляет 380 м. На сегодня телебашня в Торонто является самым высоким в мире отдельно стоящим сооружением (555 м). Есть более высокие стальные мачты, но они раскреплены растяжками. Поперечное сечение башни в виде трилистника оказалось весьма удачным для выполнения работ в скользящей опалубке и размещения напрягаемой арматуры. Ветровой опрокидывающий момент на башню составляет почти полмиллиона тоннометров при собственном весе высотной части башни чуть более 60 тыс. тонн.
В Германии и Японии широко строятся резервуары яйцевидной формы для очистных сооружений. К настоящему времени их построено общей емкостью более 1 млн. кубометров. Единичные емкости таких резервуаров от 1000 до 12 тыс. кубометров.
За последние годы в США было построено более 100 млн. м2 монолитных перекрытий с натяжением арматуры на бетон. Значительный объем таких перекрытий возведен в Канаде.
Предварительно напряженная арматура в монолитных железобетонных конструкций (перекрытия, мосты, высотные сооружения и т. д.) в последнее время применяется без сцепления с бетоном, то есть наблюдается отказ от инъецирования каналов, как средства защиты арматуры от коррозии. Для защиты от коррозии арматурные элементы (канаты) помещаются в специальные оболочки, заполненные антикоррозионным составом.
Следует отметить, что монолитный предварительно напряженный железобетон, помимо традиционных строительных целей, нашел широкое применение для возведения корпусов реакторов и защитных оболочек АЭС. В настоящее время мощность атомных электростанций в мире превышает 150 млн. кВт, в том числе доля АЭС с применением преднапряженного железобетона для корпусов реакторов и защитных оболочек составляет более 40 млн. кВт. Защитных оболочек реакторов АЭС из преднапряженного железобетона построено уже более 100. Отсутствие защитной оболочки реактора на Чернобыльской АЭС привело к тому, что авария реактора вызвало катастрофу, последствия которой неясно когда сойдут на нет.
Ярким примером строительных возможностей преднапряженного железобетона являются морские платформы для добычи нефти высотой в несколько сот метров.
Построенная в 1995 г. в Норвегии платформа «Тролл» для добычи нефти, (а всего их построено более 20) имеет полную высоту 472 м, что в полтора раза выше Эйфелевой башни. Платформа установлена на участке моря с глубиной воды более 300 м и рассчитана на воздействие ураганного шторма с максимальной высотой волны 31,5 м. На её изготовление было израсходовано 250 тысяч кубометров высокопрочного бетона класса С80, 100 тысяч тонн обычной стали и 11 тысяч тонн напрягаемой арматурной стали. Расчетный срок эксплуатации платформы 70 лет.
Обширной областью применения предварительно напряженного железобетона является мостостроение. Только в США построено более 500 тыс. железобетонных автодорожных мостов с различными пролетами. За последнее время там построено более 20 вантовых мостов длиной 600-700 м с центральными пролетами от 192 до 400 м. Из предварительно напряженного железобетона сооружаются там не только внеклассные мосты. Мосты пролетом до 50 м в США сооружаются только в сборном варианте из железобетонных преднапряженных балок.
Достижения в мостостроении имеют не только США. В г. Брисбен (Австралия) построен балочный мост с центральным пролетом 260 м, наибольшим среди мостов этого типа. Вантовый мост «Баррнос де Луна» в Испании имеет пролет 440 м, мост «Анасис» в Канаде – 465 м, мост в Гонконге – 475 м. Арочный мост в Южной Африке – наибольший пролет 272 м и т. д. Мировой рекорд для вантовых мостов принадлежит мосту «Нормандия», где достигнут пролет 864 м, ненамного ему уступает мост «Васко да Гама» в Лиссабоне, построенный к Всемирной выставке ЭКСПО-98. Общая протяженность мостового перехода превышает 18 км. Основные несущие конструкции моста пилоны и пролетные строения были выполнены из бетона класса С45 (по старому – марка 600). Гарантированный срок службы моста 120 лет по критерию долговечности бетона. В России же в последнее время большепролетные мосты чаще строятся из стали.
Выдающийся вклад в развитие преднапряженного железобетона принадлежит российским ученым, которые создали и применили принципиально новые, эффективные самонапряженные и непрерывно армированные конструкции. Из самонапряженного железобетона выполнены различные емкости, плавательные бассейны, ледовые стадионы, плиты покрытий и многие другие. Метод непрерывного армирования позволил максимально механизировать и автоматизировать раскладку и напряжение высокопрочной проволоки и канатов в плитных конструкциях перекрытий и покрытий гражданских и промышленных зданий. Создание машины для выполнения этих работ успешно работают на заводах ЖБИ уже много лет.
Развитие преднапряженных конструкций перекрытий жилых и общественных зданий связано с увеличением их пролетов, поскольку переход к проектированию зданий с широким шагом поперечных стен и колонн будет развиваться все интенсивнее.
В структуре сборных конструкций в США из общего объема производства сборных железобетонных конструкций (26 млн. м3) объем производства плит Т и 2Т превышает 25%, а всего преднапряженных конструкций к этому объему выпускается 40%. Плиты «на пролет» широко производятся также в Великобритании, ФРГ, ВНР, ПНР и других странах. Значительная часть конструкций стропильных и подстропильных балок, ферм, ригелей, стеновых панелей изготовляются предварительно напряженными с применением высокопрочной проволочной и стержневой арматуры и бетонов классов до В50.
Возможности повышения эффективности сборных железобетонных конструкций через применение предварительного напряжения можно показать на примере производства покрытий и перекрытий. Увеличение пролетов плитных конструкций до 9-12 м при ограничении их толщины может быть достигнуто при создании неразрезности плит средствами предварительного напряжения без использования сварки для соединения конструкций между собой. В России на долю этих изделий приходится более трети общего производства сборных элементов. В последние годы, правда, имеются случаи отказа от предварительного напряжения арматуры при изготовлении плит перекрытия, (старое оборудование устарело, нового нет, электроэнергия дорожает) и перехода на выпуск плит с обычной арматурой, с повышенным ее расходом. Плиты перекрытий, производятся в России, главным образом, по агрегатно-поточной технологии, высотой 22 см и пролетом до 7 м.
Следует сказать несколько слов об изготовлении плит перекрытий методом безопалубочного формования на длинных стендах. За рубежом безопалубочное производство плит на длинных стендах получило значительное распространение. Обычной практикой является производство плит пролетом до 17 м, высотой сечения 40 см под нагрузку до 5 KN/m2 (500 кгс/м2). В Финляндии железобетонные многопустотные плиты под такую же нагрузку выпускаются высотой сечения даже 50 см при пролете 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. Разработаны различные системы безопалубочного формования на длинных стендах «Спайрол», «Спэнкрит», «Спандек», «Макс Рот», «Партек» и др., отличающиеся производительностью, применяемой арматурой, технологическими требованиями к бетону, формой поперечного сечения панелей и другими параметрами. На стендах длиной до 250 м изготавливают плиту со скоростью до 4 м/мин; по высоте в пакете можно бетонировать 6 плит. Ширина плит достигает 2,4 м, максимальный пролет при разрезке может достигать 21 м. Только плит «Спэнкрит» применяют в США более 15 млн. м2 ежегодно. В свое время, бывая на заводах сборного железобетона за рубежом, отечественные специалисты познакомились с технологией изготовления плит перекрытий по этой технологии. Появились длинные стенды для безопалубочного формования и в России (технология «Мах-Рот»). Однако эта технология не получила дальнейшего распространения. В широко используемых у нас конструктивных системах зданий соединения элементов осуществляется через закладные детали. В плитах, изготавливаемых на длинных стендах методом экструзии, возможности размещения закладных деталей ограничены. Однако для сборно-монолитных зданий плиты без закладных деталей могут найти самое широкое распространение, что и имеет место за рубежом, особенно в скандинавских странах и в США. В последние годы в России появились линии «Партек» (Москва, 17-ый завод ЖБК, Санкт-Петербург, Барнаул), что свидетельствует о появлении спроса на такие плиты. Совершенствование конструктивных систем зданий даст толчок к развитию технологии производства плитных изделий.
Для заводской технологии весьма эффективным может быть применение арматурно-намоточных агрегатов, разработанных в НИИЖБ.
Арматурно-намоточные агрегаты разработаны трех типов:
- стационарный арматурно-намоточный агрегат для работы в составе конвейерных или агрегатно-поточных технологических линий по производству плитных железобетонных конструкций;
- самоходный арматурно-намоточный агрегат для изготовления железобетонных конструкций с одноосным и двухосным армированием, включая такие сложные, как фермы с криволинейным верхним поясом и напряженным армированием на стендах, в том числе фермы с напряженным армированием всех элементов решетки и обоих поясов;
- арматурно-намоточный агрегат с вращающейся платформой для навивки каркасов преимущественно для объемных или криволинейных элементов емкостей, тоннелей, водоводов и т. п.
С применением таких агрегатов можно изготавливать обширную номенклатуру конструкций различного назначения.
Следует иметь в виду, что разработка непрерывно армированной конструкции, даже имеющей аналог среди других конструкций, не может быть сведена к простой замене одного вида арматуры на другой.
Непрерывное армирование конструкции обладает рядом особенностей, обусловленных методом изготовления, которые необходимо учитывать при проектировании.
Важное значение имеет расширение областей применения предварительного напряжения в резервуаростроении, особенно в емкостях для хранения нефти и нефтепродуктов, в центрифугированных конструкциях (колоннах, пролетных строениях, сваях, трубах и др.), в несущих конструкциях каркасных и крупнопанельных зданиях. Зарубежный опыт показывает значительную эффективность применения предварительного напряжения в монолитных плитных фундаментных большой протяженности, безбалочных монолитных перекрытиях, опорных устройствах и постаментах под тяжелое оборудование, несущих монолитных конструкциях подземных сооружений, в том числе многоэтажных. Имеются интересные примеры применения предварительного напряжения при реставрации памятников старины.
Исключительно плодотворной является идея двух и трехосного напряжения конструкций. Обширные исследования подобных конструкций были проделаны профессором В.В. Михайловым и его учениками. В.В. Михайлов разработал даже проект башни высотой 2 км, смонтированной из трехосно предварительно напряженных элементов заводского изготовления.
Расчетные сопротивления сжатию в стойках башни составляли 150 МПа. Такие элементы изготавливаются из бетонов, по нынешним понятиям, средних классов (В40-В50). В реальных испытаниях элементов, имеющих спиральную предварительно напряженную обойму, напряжения в бетоне достигали 300 МПа при сохранении линейной зависимости между приростом напряжения и приростом деформаций до 150 МПа.
В объемно-напряженных архитравах гидравлических прессов с железобетонными станинами бетон работал упруго при напряжениях втрое превышающих его кубиковую прочность.
Иными словами, предварительное напряжение в трех направлениях позволяет создавать качественно иной железобетон. Причем повышение несущей способности материала достигается конструктивными, а не технологическими приемами.
Напряжение в конструкции может создаваться и путем применения напрягающего цемента, о чем говорилось выше. Напрягающий цемент в затвердевшем состоянии обладает особой фиброобразной структурой, отличающейся практически полной водонепроницаемостью, высокой прочностью при растяжении, трещиностойкостью и долговечностью. Такими же свойствами обладают и изготавливаемые на его основе напрягающие бетоны (НБ).
Напрягающие цементы могут с большим эффектом использоваться вместо равнопрочных портландцементов практически в любых сборных конструкциях и монолитных сооружениях притом, что расход НЦ на единицу прочности бетона в среднем на 10% меньше, чем портландцемента той же активности.
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 президентом ФИП стал Эжен Фрейссине. За почти 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 ныне называется теперь ЕКБ-ФИП или просто ФИБ. Членами ФИБ являются национальные ассоциации по железобетону многих стран, в том числе и России, что свидетельствует о широкой географии распространения преднапряженного железобетона. Основанная Фрейссине же одноименная компания, осуществляет свою работу через 50 своих филиалов на всех пяти континентах. Компания построила в разных странах более 80 вантовых мостов. Среди крупнейших проектов последнего времени, осуществленных компанией «Фрейссине интернейшнл», является расширение стамбульского аэропорта, где площадь монолитных перекрытий с предварительным напряжением составила 140 тыс. м2. Перечень выдающихся объектов, выполненных с применением предварительного напряжения железобетона, можно продолжить. Некоторые проекты, осуществленные этой компанией, будут показаны по окончании настоящего доклада.
Поступательному развитию преднапряженного железобетона способствует дальнейшее улучшение прочностных и технологических свойств применяемых материалов. Конец ХХ века ознаменовался разработкой особопрочных бетонов и неметаллической арматуры на основе углепластиков, открывающих новые возможности совершенствования конструктивно-технологических решений зданий и сооружений и методов предварительного напряжения.
Этому должно способствовать расширение исследований этих материалов высоких технологий, разработка конструктивных и проектных решений принципиально нового уровня.
Основными областями применения предварительно напряженных железобетонных конструкций в ближайшие годы в России будут: жилищное строительство (плиты перекрытий и покрытий), мостостроение (мосты, эстакады) и спецжелезобетон (шпалы, опоры ЛЭП и освещения, трубы и сваи).
В ХХ? 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.
Увеличение этажности и размера сеток колонн многоэтажных производственных зданий потребует более широкого использования предварительного напряжения в конструкциях колонн, ригелей, узлах связевых рам, диафрагм и большепролетных плитах перекрытий.
В производстве конструкций для зданий различного назначения необходимо существенно увеличить долю механического натяжения арматуры, расширить выпуск непрерывно армированных и самонапряженных конструкций, увеличить применение зданий с натяжением арматуры в построечных условиях.
Необходимо больше внимания 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; 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, главным образом, путем уменьшения металлоемкости ряда железобетонных несущих и ограждающих конструкций, а также путем вытеснения металлических конструкций из различных отраслей строительства.
Нет сомнения, что развитие 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.