Зона передачи нагрузки от анкера СПН на бетон является критически важной областью железобетонной конструкции. Разработчик системы предварительного напряжения несет ответственность только за локальную область в зоне анкера, предусматривая в ней косвенное армирование для восприятия сжимающих напряжений, возникающих в бетоне. Общая зона влияния анкеров является зоной ответственности проектировщика сооружения. Локальная зона указана на общей схеме анкерной области на рисунке 1.
Конструкция косвенного армирования анкерной зоны должна соответствовать применяемой системе предварительного натяжения [1], отвечать требованиям прочности, надежности и быть удобной при монтаже.
Основные типы косвенного армирования:
— спираль косвенного армирования;
— хомуты косвенного армирования;
— двойное косвенное армирование – комбинация спирали и хомутов.
— спираль косвенного армирования;
— хомуты косвенного армирования;
— двойное косвенное армирование – комбинация спирали и хомутов.
При монтаже косвенного армирования критически важно соблюдать проектное положение – обеспечивать соосность с анкером. Значительные отклонения в положении косвенного армирования могут приводить к разрушению анкерной зоны в процессе натяжения причем до достижения уровня контролируемого усилия. На рисунке 2 показан случай разрушения анкерной зоны балки на объекте гражданского строительства. Одной из главных причин разрушения стало смещение спирали косвенного армирования относительно центра анкерного стакана.
К косвенному армированию, как и к другим элементам арматурного каркаса предъявляются требования по точности монтажа, устанавливаются допуски на отклонение от проектного положения.
В статье рассмотрено влияние величины допускаемых отклонений соосности спирали косвенного армирования и анкеров СПН для пучков из 19 и 55 канатов типа К7. Анкер с ОС-19 является наиболее распространенным для объектов транспортного строительства, а анкер с ОС-55 используется в СПЗО АЭС.
В таблице 1 приведен результат анализа отечественной и иностранной нормативной документации на предмет допускаемых отклонений косвенного армирования от оси анкера. Стоит отметить, что в указанных документах допускаемые отклонения не зависят от количества канатов в пучке, закрепляемом анкером.
Таблица 1. Допускаемые отклонения на соосность косвенного армирования с анкером.
| Документ | Соосность косвенного армирования с анкером |
| СП 46.13330.2012 «Мосты и трубы», п. 7.40, таблица 2 – [2] | ±10 мм |
| СП 70.13330.2012 «Несущие и ограждающие конструкции», п. 5.16.16, таблица 5.10 – [3] | ±h/25, но не более 25 мм |
| ACI 117 «Specification for Tolerances for Concrete Construction and Materials», sect. 2.2 – [4] | — при глубине расположения или толщине элемента менее 4 дюймов ±1/4дюйма = 6,35 мм |
| — от 4 до 12 дюймов ±3/8 дюйма = 9,52 мм | |
| — свыше 12 дюймов ±1/2 дюйма = 12,7 мм | |
| PTI/ASBI M50.3-12 «Guide specifications for grouted Post-Tensioning», sect. 9.3 – [5] | — от ±1/4 до ±1/2 дюйма = от 6,35 до 12,7 мм в зависимости от положения пучка и направления отклонения |
| EN 13670:2009 «Execution of concrete structures», sect. 10.6 – [6] | — при h ≤ 150 мм ±10 |
| — при h = 400 мм ±15 | |
| — при h ≥ 2500 мм ±20 мм | |
| Примечание: h – высота сечения, мм; 1 дюйм = 25,4 мм | |
В российской нормативной документации для атомного строительства нет определенных требований к допускаемым отклонениям косвенного армирования. Данная величина назначается проектировщиком СПН СПЗО атомной станции. Анкер ОС-55 имеет массу около 200 кг и спираль косвенного армирования диаметром витка 570-600 мм. При таких габаритах допускаемое отклонение, регламентируемое в [2] обеспечить затруднительно.
Следовательно, в исследовании поставлено две задачи:
— расчетом определить допускаемое отклонение косвенного армирования анкерной зоны ОС-55;
— проверить допускаемое отклонение, регламентируемое в [2] для анкерной зоны ОС-19.
— расчетом определить допускаемое отклонение косвенного армирования анкерной зоны ОС-55;
— проверить допускаемое отклонение, регламентируемое в [2] для анкерной зоны ОС-19.
Исследование выполнялось на основании результатов конечно-элементных расчетов двух железобетонных призм. На основе рекомендаций, изложенных в приложении С.4 [7], к анализу приняты железобетонные призмы с нижеописанными параметрами. Аналогичные рекомендации приведены в проекте ГОСТ на системы предварительного напряжения конструкций с натяжением на бетон, утверждение которого планируется в 2025 году.
Призма для ОС-55 имеет размеры сторон 850х850 мм и высоту 1700 мм. Размеры призмы соответствуют шагу по осям анкеров 720 мм. Класс бетона по прочности на сжатие при натяжении – В55, спираль косвенного армирования запроектирована из арматуры класс А500. Рассмотрены следующие варианты диаметров спиралей косвенного армирования и величины смещения:
— 570 (в осях) мм со смещениями 0, 10, 20, 30, 40 и 50 мм;
— 580 (в осях) мм со смещениями 0, 10, 20, 30, 40 и 50 мм;
— 590 (в осях) мм со смещениями 0, 10, 20, 30, 40 и 50 мм;
— 600 (в осях) мм со смещениями 0, 10, 20, 30, 40 и 50 мм.
— 570 (в осях) мм со смещениями 0, 10, 20, 30, 40 и 50 мм;
— 580 (в осях) мм со смещениями 0, 10, 20, 30, 40 и 50 мм;
— 590 (в осях) мм со смещениями 0, 10, 20, 30, 40 и 50 мм;
— 600 (в осях) мм со смещениями 0, 10, 20, 30, 40 и 50 мм.
Призма для ОС-19 имеет размеры 470х470 мм и высоту 940 мм. Размеры призмы соответствуют шагу по осям анкеров 400 мм. Класс бетона по прочности на сжатие при натяжении – В36, спираль косвенного армирования запроектирована из арматуры класс А400 диаметром 380 мм (в осях) и возможными смещениями 0, 5, 10, 15, 20, 25 мм.
Различные величины смещения оси спирали косвенного армирования относительно оси анкеров обусловлены геометрическими габаритами анкеров и спиралей. Максимальные значения смещения 25 мм для ОС-19 и 50 мм для ОС-55 соответствуют ситуации касания спирали тела анкера.
Контроль и сравнение результатов выполнены по следующим параметрам:
— предельная нагрузка при разрушении призмы;
— напряжения в спирали косвенного армирования;
— напряжения в хомутах призмы при 80% от разрывного усилия пучка;
— напряжения в стакане при 95% от разрывного усилия пучка;
— ширина раскрытия трещин по боковой грани призмы при 80% от разрывного усилия в пучке.
— предельная нагрузка при разрушении призмы;
— напряжения в спирали косвенного армирования;
— напряжения в хомутах призмы при 80% от разрывного усилия пучка;
— напряжения в стакане при 95% от разрывного усилия пучка;
— ширина раскрытия трещин по боковой грани призмы при 80% от разрывного усилия в пучке.
Конструктивное армирование призм выполнено из арматуры класса А500 по [8]. Количество арматуры подобрано из условия обеспечения расхода армирования 50 кг/м3, что идёт в запас по сравнению с реальным армированием конструкций как защитной оболочки, так и пролетного строения моста.
ОС-19 и ОС-55 произведены из чугуна ВЧ-50 [10].
Стоить отдельно отметить, что согласно требованиям, [8], [10] зона передачи нагрузки на бетон анкера СПН должна воспринимать нагрузку не менее 110 % от нормативного разрывного усилия пучка. Согласно требованиям [1] прочность анкеров и анкерных зона бетона (с косвенным армированием) должна составлять не менее 95% прочности арматурных элементов. При этом согласно [10] и агрегатная прочность пучка канатов, закрепляемых клиновыми зажимами, должна быть не менее 95 % нормативного разрывного усилия пучка.
Завышение прочности зоны передачи нагрузки от анкера на бетон относительно нормативного разрывного усилия пучка на 15 % связано с возможной вариацией прочности бетона в реальной конструкции, отклонением соосности косвенного армирования, несоблюдением межосевого расстояния соседних анкеров и т.д.
Данный факт используется при дальнейшем анализе результатов.
Конечно-элементные расчеты выполнены в программном комплексе Midas FEA NX. В одной расчетной модели совместно деформируются бетон, арматура и опорный стакан. Общий вид расчетной схемы с ОС-55 приведен на рисунке 3, а с ОС-19 на рисунке 4.
Подробное описание расчетной модели и её верификация с результатами физических полномасштабных испытаний приведены в ранее выполненном исследовании [11].
В каждой из расчетных схем рассмотрены вышеописанные ситуации со смещением оси спирали косвенного армирования относительно оси анкера (рисунок 5).
Результаты исследований
На основании результатов конечно-элементных расчетов построены графики, отражающие зависимость различных параметров от принятого смещения спирали косвенного армирования. На рисунках 6 – 9 приведены результаты расчетов для ОС-55.
На реальных объектах СПЗО АЭС для анкера с ОС-55 в составе СПН ООО «СТС» используется спираль диаметром 600 мм (в осях) из арматуры класса А500 при расстоянии между осями соседних анкеров 720 мм. Согласно результатам расчета, для данной конфигурации косвенного армирования при классе бетона по прочности на сжатие В55 возможно принять допускаемое отклонение оси спирали от оси анкера до 50 мм включительно. Исходя из конструктивных особенностей армирования реальной анкерной зоны в СПЗО допускаемое отклонение ограничено величиной 25 мм.
На рисунках 10 – 13 приведены результаты расчетов для ОС-19.
При отклонении оси спирали косвенного армирования от оси анкерной зоны на 10 мм для анкера с ОС-19 выявлено снижение прочности зоны передачи нагрузки на бетон со 110 % до 108 % нормативного разрывного усилия пучка. При этом требование [1] по прочности анкерной зоны выполняется до величины смещения спирали в 25 мм.
При величине отклонения оси спирали 10 мм ширина раскрытия трещин по боковой грани призмы превышает допустимое значение на 3 %, но в виду того, что реально измеренная ширина раскрытия трещин в аналогичных испытаниях в среднем на 15-20 % ниже, чем полученные в расчете значения, то превышение на 3 % не является определяющим фактором.
По результатам расчета выявлено, что зона передачи нагрузки на бетон от анкера с ОС-19 при классе бетона по прочности на сжатие В36 и косвенном армировании из спирали диаметром 380 мм (в осях) из арматуры класса А400 при расстоянии между осями соседних анкеров 400 мм удовлетворяет требованиям [2] в части допускаемого отклонения спирали и анкера.
