АРМАТУРНЫЙ ПУЧОК ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО СООРУЖЕНИЯ
ARMATURE BUNDLE OF PRESTRESSED REINFORCED CONCRETE STRUCTURE

Предлагаемое изобретение относится к области строительства и может быть использовано при изготовлении или возведении предварительно напряженных железобетонных конструкций сложной конфигурации и с высокими параметрами усилий в напрягаемой арматуре, в том числе для атомных станций.
Известны предварительно напряженные железобетонные сооружения, содержащие арматурные пучки, состоящие из множества стальных арматурных канатов, помещенных в защитную полиэтиленовую оболочку с наличием антикоррозионной и антифрикционной смазки во внутренней ее полости (см. патент FR №2690189 опубл. 22.10.93, В28В 23/04, Е04С 5/08).
Канаты, имеющие защитную полиэтиленовую оболочку, встроены в отвержденную цементную массу, а концы выступают из этой массы. Натяжение канатов осуществляется после затвердевания цементной массы. Отвержденная цементная масса изолирует канаты друг от друга и исключает воздействие их друг на друга в момент натяжения. Полиэтиленовая оболочка каждого стального каната после затвердевания цементной массы становится ее принадлежностью, однако наличие смазки внутри защитной оболочки обеспечивает подвижность стального каната внутри защитной оболочки с небольшим коэффициентом трения.
Натяжение арматурных пучков обычно осуществляют с помощью домкрата, закрепленного на одном конце арматурного пучка, а контроль проводят с помощью датчика силы, закрепленного на другом конце арматурного пучка.
На действующих АЭС с энергоблоком ВВЭР-1000 контроль усилия натяжения арматурных пучков осуществляют на концах в районе опорных (анкерных) плит двумя способами:
- в процессе натяжения арматурных пучков по усилию, развиваемому домкратом;
- в процессе натяжения и при эксплуатации с применением датчика силы НВ 005.
(см. статью «Некоторые особенности разработки и применения датчика силы НВ 005 для измерения усилия натяжения армоканатов защитных оболочек реакторных установок АЭС». Рогов А.А. - Пенза: ФГУП «Научно-исследовательский институт физических измерений»,  УДК 531.78.001.89.892.)
Недостаток данного метода контроля усилия натяжения по усилию, развиваемому домкратом с применением датчика силы НВ 005 заключается в том, что он позволяет определить только усилие, приложенное к концам арматурного пучка, и не позволяет определить усилие натяжения в любой необходимой точке по длине арматурного пучка.
Усилие, развиваемое домкратом на одном конце пучка, превысит показание датчика силы на другом конце пучка. Разница в показаниях домкрата и датчика силы равна силе трения канатов арматурного пучка о стенки проходных каналов железобетонного сооружения.
Данный метод контроля позволяет определить лишь общую потерю усилия на всей длине арматурного пучка.
При однообразной траектории арматурного пучка (либо прямолинейной, либо криволинейной с постоянным радиусом кривизны) можно с достаточной степенью достоверности утверждать, что эти потери монотонно нарастают по длине арматурного пучка. В этом случае данный метод контроля усилия натяжения арматурного пучка позволяет определить усилие натяжения в любой точке по длине арматурного пучка методом простейшего математического пересчета по известным параметрам усилий на концах пучка.
При сложной конфигурации железобетонного сооружения с наличием прямолинейных и криволинейных участков различных радиусов кривизны потери от трения по длине арматурного пучка не изменяются монотонно. На прямолинейных участках потери от трения меньше. На криволинейных участках, где велика составляющая усилия натяжения, прижимающая канаты к бетону, потери от трения более значительны. Особенно значительны потери от трения на криволинейных участках с малым радиусом кривизны, например, на участках изгиба арматурных канатов вокруг люков (фиг 2). При неправильно подобранных радиусах кривизны на этих участках возможно даже защемление канатов арматурного пучка. В этом случае данный метод контроля усилия натяжения арматурного пучка не позволяет определить усилие натяжения на любом отрезке по длине арматурного пучка при известных значениях усилий на концах пучка.
Известны железобетонные сооружения, в которых производится контроль усилия натяжения стальных арматурных канатов с помощью ультразвукового сигнала.
В патенте US №6327912 В2, опубл. 31.05.2001, G01L 5/24, усилие напряжения стержня, растянутого между двумя анкерными устройствами, определяется путем измерения времени прохождения ультразвукового сигнала между двумя противоположными концами стержня. Усилие напряжения определяется как функция времени прохождения ультразвукового сигнала от одного конца стержня до другого и обратно по формуле, заявленной авторами изобретения.
Принцип измерения усилия напряжения в соответствии с этим техническим решением основан на изменении геометрических параметров напрягаемого стержня, поскольку при его растяжении (увеличении длины) одновременно уменьшается диаметр стержня, изменяя при этом проходное сечение для распространения ультразвуковой волны.
Недостаток этого метода заключается в том, что им невозможно выявить характер неравномерности напряжения стержня по его длине при криволинейной траектории стержня.
При криволинейной траектории стержень напряжен по длине неравномерно. Относительные удлинения отдельных участков и соответственно уменьшение их диаметра также отличаются друг от друга. Время прохождения ультразвукового сигнала по напрягаемому стержню является усредненной величиной, зависящей от усредненных геометрических параметров напрягаемого стержня по длине. В этом случае данным методом можно определить только среднюю величину напряжений в стержне по его длине.
Другой недостаток измерения усилия напряжения методом измерения времени прохождения ультразвукового сигнала заключается в том, что он применим для напрягаемой арматуры длиной не более 5 м.
Известен патент Франции №2652866, опубл. 12.04.1991, E04G 21/12, в котором описан метод контроля и устройство для размещения многожильных кабелей под натяжением.
В предложенном по данному патенту техническом решении устройства для контроля усилия натяжения кабелей также расположены на конце арматурного пучка.
С целью более равномерного натяжения кабелей, составляющих арматурный пучок, предлагается осуществлять натяжение не всего пучка сразу, а каждого кабеля в отдельности. Производят натяжение одного кабеля, осуществляют постоянный контроль за усилием его натяжения, а все остальные кабели натягивают в определенной последовательности по усилию натяжения кабеля в соответствующий момент времени
Недостаток заключается в том, что устройства контроля усилия натяжения кабелей расположены на их концах. Поэтому данное техническое решение также не позволяет оценить неравномерность напряженно-деформированного состояния кабелей по их длине и влияние этой неравномерности на прочность железобетонного сооружения, особенно арматурного пучка, расположенного в криволинейном канале.
По наибольшему числу общих признаков и достигаемому результату за прототип принимаем техническое решение по патенту Франции №2652866.
Технической задачей является обеспечение контроля напряженно-деформированного состояния кабеля по всей длине арматурного пучка за счет определения степени натяжения различных участков кабеля.
Решение поставленной задачи позволяет повысить прочность железобетонного сооружения, содержащего преимущественно арматурные пучки, расположенные в криволинейном канале.
Поставленная задача решается за счет того, что арматурный пучок предварительно напряженного железобетонного сооружения, содержащий множество арматурных канатов, размещенных в защитной оболочке и расположенных в канале, заполненном бетоном, опорную плиту, в которой закреплены концы арматурных канатов, устройство для натяжения и контроля усилия натяжения, снабжен контрольными канатами различной длины, один конец которых неподвижно закреплен в бетоне, а другой конец с возможностью свободного перемещения пропущен через опорную плиту и соединен с устройством для натяжения и контроля усилий натяжения и перемещения указанных канатов, а конец контрольного каната, закрепленный в бетоне, освобожден от защитной оболочки и снабжен соединительным (крепежным) элементом.
Сущность технического решения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 показан вертикальный разрез железобетонного сооружения;
на фиг.2 показано расположение контрольных канатов;
на фиг.3 показан криволинейный участок канатов, огибающих люки;
на фиг.4 показан узел крепления конца контрольного каната.
Железобетонное сооружение 1 содержит арматурный пучок 2, установленный в канале этого сооружения. Концы арматурного пучка неподвижно закреплены на выходе из бетона в опорных (анкерных) плитах 3, передающих усилие натяжения арматурного пучка на бетон. Железобетонное сооружение 1 содержит люки 4, огибаемые арматурным пучком 2. На одном конце арматурного пучка установлен датчик контроля усилия 5.
Арматурный пучок 2 состоит из высокопрочных канатов, воспринимающих усилие натяжения, которые являются напрягаемыми рабочими канатами 6, и контрольных канатов 7, у которых один конец закреплен в точке 8. В качестве контрольных канатов 7 использованы точно такие же канаты, как и рабочие напрягаемые канаты, равномерно внедренные в состав арматурного пучка 2. Поэтому при приложении к контрольным канатам 7 усилий натяжения, они напрягаются и растягиваются точно так же, как и рабочие напрягаемые канаты 6 арматурного пучка 2.
Крепление конца контрольного каната 7 во внутренней полости канала, образованной стенками 9 и заполненной бетоном 10, осуществлено с помощью устройства 11.
В точке крепления конец каната 7 освобожден от защитной полиэтиленовой оболочки 12 и соединен с устройством 11 прочным соединением (например, сваркой или цанговым зажимом), по прочности не уступающим прочности каната.
На фиг.4 изображен один из вариантов конструкции устройства 11, состоящего из разрезной конической цанги 13, конической опорной втулки 14 и накидной гайки 15. При закручивании накидной гайки 15 разрезная коническая цанга 13 углубляется в коническое отверстие опорной втулки 14, прочно обжимая стальные жилы контрольного каната 7.
После заполнения внутренней полости канала бетоном 10 и набора им прочности устройство 11 и конец каната 7 становится составной частью бетона и не имеет возможности перемещения. В то же время остальная часть каната 7, находящаяся внутри защитной оболочки 12, имеет возможность перемещения внутри оболочки при растяжении каната.
Другой конец контрольного каната 7 не закреплен в опорных плитах 3 и не участвует в процессе напряжения арматурного пучка 2, а предназначен для контроля.
Конфигурация и количество контрольных канатов 7 определены конфигурацией железобетонного сооружения 1, траекторией и принятой схемой натяжения (с одного или обоих концов) арматурного пучка.
Устройства 11 могут быть равномерно распределены по траектории арматурного пучка 2. Однако более целесообразно расположение устройства 11 с учетом траектории арматурного пучка 2 и возможных мест резкого изменения величины силы трения по его длине.
На прямом участке арматурного пучка 2 сила трения незначительна, усилие натяжения уменьшается по длине пучка на незначительную величину, поэтому размещение контрольной точки крепления 8 каната на этом участке нецелесообразно.
На криволинейных участках, а именно в местах изгиба арматурного пучка 2 вокруг люков 4 и по сферическому куполу, сила трения достаточно велика, усилие натяжения на этих участках может резко измениться. Поэтому на этих участках целесообразно разместить контрольные точки крепления 8.
Контроль усилий натяжения осуществляется следующим образом.
Предварительно для каждого прямолинейного контрольного каната 7 заданной длины на основе расчетных или экспериментальных данных строится градуировочная характеристика зависимости величины растяжения каната от усилия натяжения, охватывающая рабочий диапазон усилий натяжения контрольных канатов.
Производится натяжение арматурного пучка 2, при этом на домкрате (не показан) фиксируется усилие натяжения канатов. Это зафиксированное усилие является эталоном для натяжения контрольных канатов 7.
Затем осуществляется натяжение контрольных канатов 7 усилием, зафиксированным для каната арматурного пучка 2, и при этом фиксируется величина фактического растяжения контрольного каната 7.
По градуировочной характеристике и по величине фактического растяжения контрольного каната 7 определяется фактическая величина усилия, которое должно быть приложено к канату заданной длины для получения такого растяжения. При криволинейной траектории каната эта величина будет меньше усилия, приложенного к концу каната домкратом. Разница между значениями усилия на домкрате и фактической величиной усилия, необходимого для получения зафиксированного растяжения контрольного каната, равна потере усилия домкрата на длине контрольного каната.
Потеря усилия домкрата по длине напряженных рабочих канатов 6 арматурного пучка 2, на длине, равной длине контрольного каната 7, будет точно такой же, поскольку рабочие канаты 6 и контрольные канаты 7 в составе арматурного пучка 2 имеют одинаковые технические и геометрические характеристики и расположены в однородном бетонном массиве, исключающем воздействие канатов друг на друга. Все канаты в составе арматурного пучка 2 имеют одинаковый коэффициент трения каната о внутреннюю поверхность его защитной оболочки.
В качестве контрольных канатов используются канаты, аналогичные рабочим канатам арматурного пучка, что упрощает и повышает точность при определении величин усилий, действующих по длине арматурного пучка.
В качестве контрольных канатов можно использовать более тонкие стальные канаты в защитной оболочке, которые менее заметны в конструкции арматурного пучка. Однако при этом несколько усложняется процесс пересчета усилий натяжения.