Назначение и виды арматуры

Арматура в железобетонных конструкциях устанавливается преимущественно для восприятия растягивающих усилий и усиления бетона сжатых зон конструкций. Необходимое количество арматуры определяют расчетом элементов конструкций на нагрузки и воздействия.
Арматура, устанавливаемая по расчету, носит название рабочей арматуры; устанавливаемая по конструктивным и технологическим соображениям, носит название монтажной арматуры. Монтажная арматура обеспечивает проектное положение рабочей арматуры в конструкции и более равномерно распределяет усилия между отдельными стержнями рабочей арматуры. Кроме того, монтажная арматура может воспринимать обычно не учитываемые расчетом усилия от усадки бетона, изменения температуры конструкции и т. п.
Рабочую и монтажную арматуру объединяют в арматурные изделия — сварные и вязаные сетки и каркасы, которые размещают в железобетонных элементах в соответствии с характером их работы под нагрузкой. Арматуру разделяют по четырем признакам.
1. В зависимости от технологии изготовления стальная арматура железобетонных конструкций подразделяется на горячекатаную стержневую и холоднотянутую проволочную. Под стержневой в данной классификации подразумевается арматура любого диаметра и независимо от того, как она поставляется промышленностью — в прутках (d>12 мм, длиной до 13 м) или в мотках, бунтах (d>10 мм, массой до 1300 кг).
2. В зависимости от способа последующего упрочнения горячекатаная арматура может быть термически упрочненной — подвергнутой термической обработке, или упрочненной в холодном состоянии — вытяжкой, волочением.
3. По форме поверхности арматура может быть периодического профиля и гладкой. Выступы в виде ребер на поверхности стержневой арматуры периодического профиля, рифы или вмятины на поверхности проволочной арматуры значительно улучшают сцепление с бетоном.
4. По способу применения при армировании железобетонных элементов различают напрягаемую арматуру, подвергаемую предварительному натяжению, и ненапрягаемую.
Жесткая арматура в виде прокатных двутавров, швеллеров, уголков до отвердения бетона работает как металлическая конструкция на нагрузку от собственного веса, веса подвешиваемой к ней опалубки и свежеуложенной бетонной смеси. Она может быть целесообразной для монолитных большепролетных перекрытий, сильно загруженных колонн нижних этажей многоэтажных зданий и др. Механические свойства арматурных сталей Существенного повышения прочности горячекатаной арматурной стали (в несколько раз) достигают термическим упрочнением или холодным деформированием. При термическом упрочнении осуществляются закалка арматурной стали (нагревом до 800, 900 °С и быстрым охлаждением), затем частичный отпуск (нагревом до 300—400°С и постепенным охлаждением).
Высоколегированные и термически упрочненные арматурные стали переходят в пластическую область постепенно — без ярко выраженной площадки текучести. Для этих сталей устанавливают условный предел текучести — напряжение, при котором остаточные деформации составляют 0,2 %, а также условный предел упругости — напряжение, при котором остаточные деформации равны 0,02 % и предел упругости.
Сущность упрочнения холодным деформированием арматурной стали состоит в следующем. При искусственной вытяжке в холодном состоянии до напряжения, превышающего предел текучести, под влиянием структурных изменений кристаллической решетки (наклепа) арматурная сталь упрочняется. При повторной вытяжке, поскольку пластические деформации уже выбраны, напряжение становится новым искусственно поднятым пределом текучести.
Вытяжка в холодном состоянии позволяет получать высокую прочность стержней большого диаметра. Многократное волочение (через несколько последовательно уменьшающихся в диаметре отверстий) в холодном состоянии позволяет получать высокопрочную проволоку. При этом временное сопротивление значительно увеличивается, а удлинения при разрыве становятся малыми — 4—6%. Чтобы получить структуру проволоки, необходимую для такого холодного волочения, производится патентирование — предварительная термообработка, нагрев до температуры порядка 800 °С с последующим специальным охлаждением. По такой технологии изготовляют высокопрочную проволоку классов В-Н, Вр-Н.
Пластические свойства арматурных сталей имеют большое значение для работы железобетонных конструкций под нагрузкой, механизации арматурных работ, удобства натяжения напрягаемой арматуры и др. Арматурная сталь обладает достаточной пластичностью, однако понижение ее пластических свойств может стать причиной хрупкого (внезапного) разрыва арматуры в конструкциях под нагрузкой, хрупкого излома напрягаемой арматуры в местах резкого перегиба или при закреплении в захватах и т. п. Пластические свойства арматурных сталей характеризуются относительным удлинением при испытании на разрыв образцов длиной, равной пяти диаметрам стержня, или 100 мм, а также оцениваются испытанием на загиб в холодном состоянии вокруг оправки толщиной 3—5 диаметров стержня.
Полное относительное удлинение после разрыва устанавливается по изменению первоначальной длины образца, включающей длину шейки разрыва, а относительное равномерное удлинение после разрыва — по изменению длины образца на участке, не включающем длину шейки разрыва. Минимально допустимое относительное удлинение и требования при испытании на холодный загиб установлены стандартами и техническими условиями.
Свариваемость арматурных сталей характеризуется надежным соединением, отсутствием трещин и. другиз пороков металла в швах и прилегающих зонах. Свариваемость имеет существенно важное значение для механизированного изготовления сварных сеток и каркасов, выполнения стыков стержневой арматуры, анкеров, различных закладных деталей и т. п. Хорошо свариваются горячекатаные малоуглеродистые и низколегированные арматурные стали. Нельзя сваривать арматурные стали, упрочненные термической обработкой или вытяжкой, так как при сварке утрачивается эффект упрочнения — происходят отпуск и потеря закалки термически упрочненных сталей, отжиг и потеря наклепа проволоки, упрочненной вытяжкой.
Хладноломкостью, или склонностью к хрупкому разрушению под напряжением при отрицательных температурах (ниже минус 30 °С), обладают горячекатаные арматурные стали периодического профиля некоторых видов — из полуспокойной мартеновской и конвертерной стали и др. Арматурные стали из высокопрочной проволоки и термически упрочненные обладают более низким порогом хладноломкости.
Реологические свойства арматурной стали характеризуются ползучестью и релаксацией. Ползучесть арматурной стали нарастает с повышением напряжений и ростом температуры. Релаксация, или уменьшение напряжений, наблюдается в арматурных стержнях при неизменной длине — отсутствии деформаций. Релаксация зависит от механических свойств и химического состава арматурной стали, технологии изготовления и условий применения и др. Значительной релаксацией обладают упрочненная вытяжкой проволока, термически упрочненная арматура, а также высоколегированная стержневая арматура. Релаксация горячекатаных низколегированных арматурных сталей незначительна. Как показывают опыты, наиболее интенсивно релаксация развивается в течение первых часов, однако она может продолжаться длительное время. Релаксация арматурной стали оказывает большое влияние на работу предварительно напряженных конструкций, так как приводит к частичной потере искусственно созданного предварительного напряжения.
Усталостное разрушение арматурной стали наблюдается при действии многократно повторяющейся нагрузки, оно носит хрупкий характер. С увеличением числа циклов предел выносливости уменьшается. Термически упрочненные арматурные стали имеют пониженный предел выносливости.
Динамическая прочность арматурной стали наблюдается при нагрузках большой интенсивности, действующих на сооружение за весьма короткий промежуток времени. В условиях высокой скорости деформирования арматурные стали работают упруго при напряжениях, превышающих физический предел текучести, при этом происходит запаздывание пластических деформаций. Превышение динамического предела текучести над статическим пределом текучести связано с временем запаздывания. В меньшей степени динамическое упрочнение проявляется на условном пределе текучести сталей легированных и термически упрочненных (не имеющих явно выраженной площадки текучести) и практически совсем не отражается на пределе прочности аи всех видов арматурных сталей, в том числе высокопрочной проволоки и изделий из нее.
Высокотемпературный нагрев арматурных сталей приводит к изменению структуры металла и снижению прочности. Так, при нагреве до 400 °С предел текучести горячекатаной арматуры класса A-III уменьшается на 30 %, классов А-Н и A-I — на 40 %, модуль упругости уменьшается на 15 %. Заметное проявление ползучести арматуры в конструкциях под нагрузкой наблюдается при температуре свыше 350 °С. При нагреве происходит отжиг и потеря наклепа арматуры, упрочненной холодным деформированием, поэтому временное сопротивление у высокопрочной арматурной проволоки снижается интенсивнее, чем у горячекатаной арматуры. После нагрева и последующего охлаждения прочность горячекатаной арматурной стали восстанавливается полностью, а прочность высокопрочной арматурной проволоки — лишь частично. Классификация арматуры Стержневая горячекатаная арматура в зависимости от ее основных механических характеристик подразделяется на шесть классов с условным обозначением: A-I, А-Н, A-III, A-IV, A-V, A-VI . Термическому упрочнению подвергают стержневую арматуру четырех классов, упрочнение в ее обозначении отмечается дополнительным индексом «т»: Ат-III, Ат-IV, AT-V, AT-VI. Дополнительной буквой С указывается на возможность стыкования сваркой, К — на повышенную коррозионную стойкость.
Каждому классу арматуры соответствуют определенные марки арматурной стали с одинаковыми механическими характеристиками, но различным химическим составам. В обозначении марки стали отражается содержание углерода и легирующих добавок. Например, в марке 25Г2С первая цифра обозначает содержание углерода в сотых долях процента (0,25 %), буква Г — что сталь легирована марганцем, цифра 2 — что его содержание может достигать 2%, а буква С — наличие в стали кремния (силиция). Наличие других химических элементов, например в марках 20ХГ2Ц, 23Х2Г2Т, обозначается буквами: X — хром, Т — титан, Ц — цирконий.
Периодический профиль имеет стержневая арматура всех классов, за исключением круглой (гладкой) арматуры класса A- I. Физический предел текучести = 230...400 МПа имеет арматура классов A-I, A-II, A-III, условный предел текучести =600... 1000 МПа имеет высоколегированная арматура классов A-IV, A-V, A-VI и термически упрочненная арматура.
Относительное удлинение после разрыва зависит от класса арматуры. Значительным удлинением обладает арматура классов A-II, A-III (6=14...19%), сравнительно небольшим удлинением — арматура классов A-IV, A-V, A-VI и термически упрочненная всех классов (6=6...8%).
Модуль упругости стержневой арматуры Es с ростом ее прочности несколько уменьшается и составляет: 2-105 МПа для арматуры классов A-I, A-II; 2-105 МПа для арматуры классов A-III, A-IVC; 1,9-105 для арматуры класса A-V и термически упрочненной арматуры.
Арматурную проволоку диаметром 3—8 мм подразделяют на два класса: Вр-1 — обыкновенная арматурная проволока (холоднотянутая, низкоуглеродистая), предназначенная главным образом для изготовления сварных сеток; В-П, Вр-П — высокопрочная арматурная проволока (многократно волоченная, углеродистая), применяемая в качестве напрягаемой арматуры предварительно-напряженных элементов. Периодический профиль обозначается дополнительным индексом «р»: Вр -1, Вр-П. Основная механическая характеристика проволочной арматуры — ее временное сопротивление, которое возрастает с уменьшением диаметра проволоки. Для обыкновенной арматурной проволоки = 550 МПа, для высокопрочной проволоки = 1300...1900 МПа. Относительное удлинение после разрыва сравнительно невысокое 6=4...6 %. Разрыв высокопрочной проволоки носит хрупкий характер. Модуль упругости арматурной проволоки классов В-П, Вр-П равен 2- 105 МПа; класса Вр-1 равен 1,7-105 МПа; арматурных канатов равен 1,8-10 МПа.
Сортамент арматуры составлен по номинальным диаметрам, что соответствует для стержневой арматуры периодического профиля диаметрам равновеликих по площади поперечного сечеяия круглых гладких стержней, для обыкновенной и высокопрочной арматурной проволоки периодического профиля — диаметру проволоки до профилирования.
Применение арматуры в конструкциях В качестве ненапрягаемой арматуры применяют имеющие сравнительно высокие показатели прочности стержневую арматуру классов Ат-III, A-III, арматурную проволоку класса Вр-I. Возможно применение арматуры класса А-IV, если прочность арматуры класса A-III не полностью используется в конструкции из-за чрезмерных деформаций или из-за раскрытия трещин. Арматуру класса A-I можно применять в качестве монтажной, хомутов вязаных каркасов, поперечных стержней сварных каркасов.
В качестве напрягаемой рекомендуется применять стержневую термически упрочненную арматуру классов Ат-VI, AT-V, AT -IVC, горячекатаную арматуру классов A-VI, A-V и A-IV; для элементов длиной свыше 12 м целесообразно применять арматурные канаты и высокопрочную проволоку, допускается применение стержней классов A-IV, A-V.
В конструкциях, предназначенных для эксплуатации при отрицательных температурах (на открытом воздухе и в неотапливаемых помещениях), не применяют арматурные стали, подверженные хладноломкости: при температуре ниже — 30 °С — класса А-Н марки ВСт5пс2 и класса A-IV марки 80С; при температуре ниже — 40 °С— класса A-III, марки 35ГС. При выборе арматурной стали для применения в конструкциях учитывают ее свариваемость. Хорошо свариваются контактной сваркой горячекатаная арматура классов от A-I до A-VI, AT-IVC И обыкновенная арматурная проволока в сетках. Нельзя сваривать термически упрочненную арматуру и высокопрочную проволоку, так как сварка привoдит к утрате эффекта упрочнения. Арматурные сварные изделия Ненапрягаемую арматуру железобетонных конструкций изготовляют на заводах, как правило в виде арматурных сварных изделий — сварных сеток и каркасов. Продольные и поперечные стержни сеток и каркасов в местах пересечений (обычно под прямым углом) соединяют контактной точечной электросварки.Такое объединение отдельных стержней арматуры в сетки и каркасы на сварочных машинах позволяет индустриализовать арматурные работы, значительно cокращать их трудоемкость и удешевить монтаж заготовок арматуры.
Сварные сетки изготовляют по стандарту из обыкновенной арматурной проволоки диаметром З—5 мм и арматуры класса А- III диаметром 6—10 мм; они бывают рулонные и плоские. В рулонных сетках наибольший диаметр продольных стержней 7 мм Рабочей арматурой могут служить продольные или поперечные стержни сетки; стержни, расположенные перпендикулярно рабочим, являются распределительными (монтажными). В качестве рабочей арматуру можно также использовать стержни сеток обоих направлений. Ширина сетки ограничивается размером до 3 мм, длина сетки принимается по проекту, но не более 9000 мм, длина рулонной сетки ограничивается массой рулона 900 - 1300 кг .
Сварные каркасы изготовляют из одного или двух продольных рабочих стержней монтажного стержня и привариваемых к ним поперечных стержней.
Качество точечной электросварки сеток и каркасов зависит от соотношения диаметров свариваемых поперечных и продольных стержней, которое должно быть не менее 0,3. Наименьшее расстояние между осями свариваемых стержней также зависит от диаметров стержней. Арматурные проволочные изделия Напрягаемую арматуру предварительно напряженных конструкций изготовляют из отдельных проволок, объединяемых в арматурные изделия — канаты и пучки.
Армирование одиночными напрягаемыми проволоками повышает затраты труда, а соблюдение необходимых расстояний между проволоками приводит к излишнему развитию сечения предварительно напряженного элемента.
Арматурный канат — наиболее эффективная напрягаемая арматура, он состоит из группы проволок, свитых так, чтобы было исключено их раскручивание. Вокруг центральной прямолинейной проволоки по спирали в одном или в нескольких концентрических слоях располагают проволоки одного диаметра. В процессе изготовления каната проволоки деформируются и плотно прилегают друг к другу. Периодический профиль арматурных канатов обеспечивает их надежное сцепление с бетоном, а благодаря большой длине канатов они могут применяться в длинномерных конструкциях без стыков.
Арматурные канаты класса изготовляют из большого числа тонких проволок диаметром 1—3 мм. Применяют их в качестве напрягаемой арматуры для крупных сооружений. Они обладают повышенной деформативностью; чтобы уменьшить неупругие деформации их подвергают предварительной обтяжке.
Арматурные пучки состоят из параллельно расположенных высокопрочных проволок. Проволоки (14,18 и 24 шт.) располагают по окружности с зазорами, обеспечивающими проникание цементного раствора внутри пучка, и обматывают мягкой проволокой. В более мощных арматурных пучках вместо отдельных проволок применяют параллельно расположенные канаты. В многорядных пучках число отдельных проволок диаметром 4—5 мм достигает 100 шт. Арматурные пучки промышленностью не поставляются, их изготовляют на строительных площадках или на предприятиях строительной индустрии. Соединения арматуры Сварные стыки арматуры. Основным видом соединения арматурных стержней является сварное соединение встык, которое в заводских условиях и на монтаже выполняется различными способами.
В заводских условиях для соединения арматурных стержней классов от A-I до A-VI, Ат-III, AT-IVC (например, для соединения заготовок арматурных стержней, приварки коротышей большого диаметра и т. п.) применяют контактную сварку.
На монтаже для соединения арматурных стержней классов A-I, A-II, A-III, Ат-III (например, для соединения выпусков арматуры сборных железобетонных элементов и т. п.) применяют дуговую ванную сварку в инвентарных формах. Если диаметр соединяемых стержней d<20 мм, то применяют дуговую сварку стержней с накладками с четырьмя фланговыми швами или с односторонним расположением швов и удлиненными накладками. При этом должны соблюдаться требования о размерах высоты сварного шва и ширины сварного шва.
Соединение стержней с пластиной (из листовой или полосовой стали) производится автоматической дуговой сваркой под слоем флюса. Соединение внахлестку арматурных стержней d=8...40 мм с пластиной или с плоскими элементами проката может выполняться дуговой сваркой фланговыми швами.
Стыки арматуры внахлестку (без сварки). Арматурные стержни классов A-I, А-II и А-III допускается соединять внахлестку с перепуском концов на 20—50 диаметров без сварки в тех местах железобетонных элементов, где прочность арматуры используется не полностью. Однако такой вид соединения арматуры вследствие излишнего расхода стали и несовершенства конструкции стыка применять не рекомендуется.
Стыки сварных сеток в рабочем направлении могут выполняться внахлестку. Рабочие стержни соединяемых сеток могут располагаться в разных плоскостях или в одной плоскости. В каждой из соединяемых в растянутой зоне сеток на длине нахлестки должно быть расположено не менее двух поперечных стержней, приваренных ко всем продольным стержням сетки. Если рабочая арматура сеток из стержней периодического профиля, то одна из соединяемых сеток или обе сетки в пределах стыка могут быть без приваренных поперечных стержней. Необходимая длина перепуска (нахлестки) сеток для создания необходимой заделки устанавливается по формуле.
Стыки плоских сварных каркасов внахлестку допускаются при одностороннем расположении продольных стержней и выполняются как стыки сварных сеток в рабочем направлении; при этом на длине стыка устанавливают дополнительные хомуты или поперечные стержни с шагом не более 5 диаметров продольной арматуры.
Стыки сварных сеток и каркасов в конструкциях следует располагать вразбежку. Стыки сварных сеток в нерабочем направлении (когда соединяется распределительная арматура) также выполняют внахлестку. Длину перепуска принимают равной 50 мм при диаметре распределительной арматуры до 4 мм и равной 100 мм при диаметре распределительной арматуры более 4 мм. Эти же стыки при диаметре рабочей арматуры 16 мм и более осуществляются укладкой дополнительных стыковых сеток с перепуском распределительной арматуры в каждую сторону на 15 диаметров, но не менее 100 мм. Неметаллическая арматура В целях экономии металла проводятся исследования по созданию неметаллической арматуры конструкций. Неметаллическую стеклопластиковую арматуру получают из тонких стекловолокон, объединяемых в арматурный стержень с помощью связующих пластиков из синтетических смол. Стеклопластиковые арматурные стержни обладают хорошим сцеплением с бетоном, высокой прочностью на разрыв (до 1800 МПа), но низким модулем упругости (45 000 МПа). Высокая прочность и низкий модуль упругости предопределяют целесообразность применения стеклопластиковой арматуры для предварительно напряженных конструкций. К недостаткам стеклопластиковой арматуры относятся склонность к разрушению от щелочных реакций и старение, характеризуемое снижением прочности во времени.