§ 1.2. Арматура

1. 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, технологическим соображениям, по условиям монтажа, носит назва­ние конструк­тивной арматуры. Конструк­тивная арматура обеспе­чивает проектное положение рабочей арматуры в конструкции и более равномерно распределяет усилия между отдельными стержнями рабочей арматуры. Кроме того, конструк­тивная арматура может воспринимать обычно не учитываемые расчетом усилия от усадки бетона, из­менения температуры конструкции и т. п.

Рис. 1.16. Железобетонные элементы и их арматура

а —сетка; б —плоские карка­сы; в — пространственный кар­кас; 1 —плита; 2 — балка; 3 —колонна

Проволока - в прутках (d^\2 мм, длиной до 13 м) или в мотках, бухтах (rf<10 мм, массой до 1300 кг).

В зависимости от способа последующего упрочне­ния горячекатаная арматура может быть термически уп­рочненной — подвергнутой термической обработке, или упрочненной в холодном состоянии — вытяжкой, волоче­нием.

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 (рис. 1.17).

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.

2. Механические свойства арматурных сталей

Характеристики прочности и деформаций арматурных сталей устанавливают по диаграмме os—sStполучаемой | из испытания образцов на растяжение (рис. 1.18). Горя­чекатаная арматурная сталь с площадкой текучести на 0.2%

Рис. 1.18. Диаграммы а8—е« при растяжении арматурной стали

a— с площадкой текуче­сти (мягкой); б —с условным пределом теку­чести

диаграмме (мягкая сталь) обладает значительным удли­нением после разрыва-до 25% (рис. 1.18,а). Напряже­ние, при котором деформации развиваются без заметно­го увеличения нагрузки, называется физическим преде­лом текучести арматурной стали а„, напряжение, непо­средственно предшествующее разрыву, носит название временного сопротивления арматурной стали а«.

Повышение прочности горячекатаной арматурной стали и уменьшение удлинения при разрыве достигаются введением в ее состав углерода и различных легирую­щих добавок: марганца, кремния, хрома и др. Содержа­ние углерода свыше 0,3—0,5 % снижает пластичность и ухудшает свариваемость стали. Марганец повышает прочность стали без существенного снижения ее пластич­ности. Кремний, повышая прочность стали, ухудшает ее свариваемость. Содержание легирующих добавок не­большое и обычно составляет 0,6—2 %.

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 постепенные охлаждением).

Высоколегированные и термически упрочненные арматурные стали переходят в пластическую область по­степенно — без ярко выраженной площадки текучести (рис. 1.18, б). Для этих сталей устанавливают условный предел текучести — напряжение Оч>,2, при котором оста­точные деформации составляют 0,2 %, а также условный предел упругости — напряжение Оо,о2, при котором оста­точные деформации равны 0,02 % и предел упругости о5е=0,8а02- Пластические деформации арматурных ста­лей при напряжениях, превышающих предел упругости в диапазоне а5=(0Д..1,3)а0,2, могут определяться по эмпирической зависимости =* 0,25 (ав/0о,2-0,8)з. (1Л8)

Сущность упрочнения холодным деформированием арматурной стали состоит в следующем. При искусст­венной вытяжке в холодном состоянии до напряжения, превышающего предел текучести ok>oyyпод влиянием структурных изменений кристаллической решетки (на­клепа) арматурная сталь упрочняется. При повторной вытяжке, поскольку пластические деформации уже вы­браны, напряжение а* становится новым искусственно поднятым пределом текучести (см. рис. 1.18, #)• 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 Вр11,

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 б, ,%, устанавливается по изменению первоначальной дли­ны образца, включающей длину шейки разрыва, а отно­сительное равномерное удлинение после разрыва бр, ,%,— 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. другие 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. Предел выносливости арматурной стали в железобетонных конструкциях за­висит от числа повторений нагрузки п, характеристики цикла p=Oimn/omax, качества сцепления и наличия трещин в бетоне растянутой зоны и др. 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 ао,2 сталей легирован­ных и термически упрочненных (не имеющих явно вы­раженной площадки текучести) и практически совсем не отражается на пределе прочности ои 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.