Классы арматуры. Арматурные изделия

Арматура — это гибкие и жесткие стальные стержни, размеща­емые в бетонной массе согласно расчетам или в соответствии с кон­структивными или производственными требованиями.

Классифицируют арматуру по назначению, технологии изготов­ления, профилю поверхности.

В зависимости от назначения арматура подразделяется на сле­дующие виды:

• рабочая, которая в изгибаемых или растянутых элементах воспринимает растягивающие усилия. При расположении ее в сжатой зоне железобетонного элемента, она воспринимает усилия на сжатие (как центральное, так и внецентренное). К рабочей арматуре относится и косая (отогнутые под углом стержни);
• распределительная, которая воспринимает местные и дополни­тельные усилия. Эти усилия не учитываются расчетом. Распре­делительная арматура обеспечивает совместную работу стерж­ней рабочей арматуры. Эта арматура назначается в основном в плитах;
• поперечная (хомуты), которая обеспечивает неизменное поло­жение рабочей арматуры и одновременно воспринимает часть поперечных сил. Такая арматура используется в балках, колон­нах, рамах, арках и др. конструкциях;
• монтажная, которая необходима для сборки арматурного кар­каса. Эта арматура обеспечивает заданное положение попереч­ных стержней или хомутов.

Помимо перечисленных видов иногда применяется специаль­ная противоусадочная арматура, которая воспринимает усадочные и температурные расширения.

По технологии изготовления арматура бывает горячекатаная (стержневая) и холоднотянутая (проволочная).

По профилю поверхности арматура подразделяется на глад­кую и периодического профиля (рис. ниже). На поверхности арма­туры периодического профиля имеются часто расположенные коль­цевые выступы. Эти выступы обеспечивают надежное сцепление арматуры с бетоном без устройства анкерных зацеплений на кон­цах стержней.

Виды арматуры периодического профиля

а — стержневая класса А300; б — то же, А400 и А600; в — высокопрочная проволока

Железобетонные конструкции армируют рабочей, конструктив­ной и монтажной арматурой (рис. ниже).

Рабочую арматуру устанавливают по расчету на действующие усилия для воспринятая растягивающих напряжений и усиления сжатых зон конструкции. В зависимости от воспринимаемых уси­лий ее подразделяют на продольную 3 и поперечную, включающую хомуты 4 (поперечные стержни) и отогнутые стержни 5 (рис. ниже). Конструктивную и монтажную арматуру устанавливают по конст­руктивным и технологическим соображениям. Конструктивная — воспринимает не учитываемые расчетом усилия от усадки бетона, изменения температуры, равномерно распределяет усилия между отдельными стержнями и т. д. Монтажная — обеспечивает проект­ное положение рабочей арматуры, объединяет ее в каркасы и т. п.

Арматура железобетонных элементов

В сборных конструкциях для подъема и транспортирования эле­мента устанавливают монтажные (строповочные) петли 7, трубки и др. Для сопряжения и стыкования сборных конструкций применя­ют стальные закладные детали 8. Всю арматуру объединяют в ар­матурные изделия — сварные или вязаные сетки и каркасы.

В местах пересечения стержни арматуры свариваются или свя­зываются проволокой диаметром 0,8-1 мм.

В качестве гибкой арматуры применяются стальные стержни, главным образом круглого сечения, которые, по сравнению с пря­моугольными, дают лучшее сцепление с бетоном и не имеют ост­рых ребер, врезающихся в бетон и способствующих образованию трещин. Кроме того, круглые стержни более удобны в работе. Чаще всего употребляются стержни диаметром от 6 до 40 мм, реже при­меняются стержни диаметром до 5 мм и от 40 до 100 мм.

Круглую сталь диаметром более 40 мм (или сталь прямоуголь­ного сечения площадью более 10 см 2 ) разрешается применять толь­ко в сварных каркасах.

При применении арматуры диаметром более 60 мм для гидро­технических сооружений необходима анкеровка по длине стержней.

В конструкциях из легкого железобетона диаметр круглой ар­матуры, применяемой без специальной анкеровки, не должен пре­вышать 20 мм.

Стержни диаметром более 10 мм для удобства транспортиро­вания изготовляются длиной 10-12 м; стержни меньших диамет­ров, так называемая катанка, доставляются в кругах (бухтах), по­этому их делают длиной 40 м и более.

Иногда применяется арматура квадратного, полосового и дру­гих видов сечений площадью до 10 см 2 . Для полосового сечения отношение большей стороны сечения к меньшей должно быть, как правило, не более 2. Круглые стержни бывают гладкие и периоди­ческого профиля, на поверхности которых имеются выступы, рас­положенные через определенные промежутки.

Благодаря выступам стержни обладают большей связью с бето­ном, чем гладкие стержни, что особенно важно при применении сталей повышенных марок, и, кроме того, дают возможность отказаться от крюков на концах.

Жесткая арматура в виде прокатных двутавров, швеллеров, угол­ков до отвердения бетона работает как металлическая конструкция на нагрузку от собственной массы, массы подвешиваемой к ней опа­лубки и свежеуложенной бетонной смеси.

Механические свойства арматурных сталей. Арматурные стали по механическим свойствам подразделяют на мягкие, сопро­тивление которых характеризуется физическим пределом текучес­ти σy и твердые, для которых основным показателем прочности является временное сопротивление разрыву σu (рис. ниже).

Мягкая сталь пластична и обладает значительным удлинением после разрыва (до 25%, кривая 2). За нормативное сопротивление таких сталей принимают браковочный минимум предела текучести, который меньше, чем предел прочности. Повышение прочности ар­матурной стали и уменьшение удлинения при разрыве достигается механическим или термическим упрочнением, а также введением в ее состав углерода и различных легирующих добавок. Сущность упрочнения горячекатаной арматурной стали вытяжкой заключается в следующем.

Диаграммы σs-εs

Термическое упрочнение стали заключается в закалке (нагрев до 800 °С и быстрое охлаждение в масле) и частичном отпуске (на­грев до 300-400 °С и постепенное охлаждение). Термически упроч­ненная сталь переходит в пластическую область работы постепен­но (кривая 4).

Для таких сталей устанавливают условный предел текучести σ0,2 — напряжение, при котором остаточные деформации состав­ляют 0,2%.

Для работы железобетонных конструкций под нагрузкой, меха­низации арматурных работ большое значение имеют такие свой­ства арматурных сталей, как пластичность, свариваемость, устало­стное разрушение, ползучесть, релаксация и др. Так, снижение пла­стических свойств стали может явиться причиной хрупкого разрыва арматуры в конструкциях под нагрузкой, излома напрягаемой арма­туры в анкерах и т. п. Пластические свойства арматурных сталей характеризуются относительным удлинением образцов при испы­тании их на разрыв. Длина образцов должна быть равна пяти диа­метрам стержня. Нельзя сваривать арматурные стали, упрочненные термической обработкой, кроме специальных «свариваемых», или вытяжкой, так как при сварке утрачивается эффект упрочнения. Поэтому их применяют только в вязаных каркасах.

Классификация арматуры и её применение в конструкци­ях. При проектировании железобетонных зданий и сооружений в соответствии с требованиями, предъявляемыми к бетонным и же­лезобетонным конструкциям, должны быть установлены вид арма­туры, ее нормируемые и контролируемые показатели качества.

Для железобетонных конструкций следует применять следующие виды арматуры, установленные соответствующими стандартами:

• горячекатаную гладкую и периодического профиля диаметром 3-80 мм;
• термомеханически упрочненную периодического профиля ди­аметром 6-40 мм;
• механически упрочненную в холодном состоянии (холоднодеформированная) периодического профиля или гладкая, диамет­ром 3—12 мм;
• арматурные канаты диаметром 6-15 мм;
• неметаллическую композитную арматуру.

Кроме того, в большепролетных конструкциях могут быть при­менены стальные канаты (спиральные, двойной свивки, закрытые).

Для дисперсного армирования бетона следует применять фиб­ру или частые сетки.

Для сталежелезобетонных конструкций (конструкций, состоящих из стальных и железобетонных элементов) применяют листовую и профильную сталь по соответствующим нормам и стандартам.

Вид арматуры следует принимать в зависимости от назначения конструкции, конструктивного решения, характера нагрузок и воз­действий окружающей среды.

Основным нормируемым и контролируемым показателем каче­ства стальной арматуры является класс арматуры по прочности на растяжение, обозначаемый:

А — для горячекатаной и термомеханически упрочненной ар­матуры;

В — для холоднодеформированной арматуры;

К — для арматурных канатов.

Класс арматуры соответствует гарантированному значению пре­дела текучести (физического или условного) в МПа, устанавливае­мому в соответствии с требованиями стандартов и технических усло­вий, и принимается в пределах от А240 до А1500, от В500 до В2000 и от К1400 до К2500.

Классы арматуры следует назначать в соответствии с их парамет­рическими рядами, установленными нормативными документами.

Кроме требований по прочности на растяжение к арматуре предъявляют требования по дополнительным показателям, опреде­ляемым по соответствующим стандартам: свариваемость, вынос­ливость, пластичность, стойкость против коррозионного растрес­кивания, релаксационная стойкость, хладостойкость, стойкость при высоких температурах, относительное удлинение при разрыве и др.

К неметаллической арматуре (в том числе фибре) предъявляют также требования по щелочестойкости и адгезии к бетону.

Необходимые показатели принимают при проектировании же­лезобетонных конструкций в соответствии с требованиями расче­тов и изготовления, а также в соответствии с условиями эксплуа­тации конструкций с учетом различных воздействий окружающей среды.

Арматурные изделия. Для армирования железобетонных конст­рукций используют различные арматурные изделия. В целях индуст­риализации и механизации арматурных работ ненапрягаемую армату­ру преимущественно применяют в виде сварных сеток и каркасов.

Сварные сетки изготавливают из сталей классов В500, А240, А300, А400.

При конструировании сварных сеток и каркасов необходимо учитывать технологические возможности контактной точечной свар­ки (недопущение пережога тонких стержней, беспрепятственное размещение электродов и т. п.).

Требования к соотношению диаметров свариваемых стержней приведены в таблице ниже.

Соотношения между диаметрами стержней при контактной точечной сварке

Диаметры продоль­ных стержней, мм

Наименьшие диамет­ры поперечных стержней, мм

Сварные сетки применяют главным образом для армирования плитных конструкций.

В зависимости от направления рабочих стержней они бывают трех типов: 1) с продольной рабочей арматурой; 2) с поперечной рабочей арматурой; 3) с рабочей арматурой в обоих направлениях. Стержни, расположенные перпендикулярно рабочим, являются рас­пределительными (монтажными). Сетки могут быть стандартными и индивидуального проектирования.

Стандартные рулонные сетки имеют ширину В < 3,5 м, длину рулона L = 50-100 м. Диаметр продольной рабочей арматуры не более d = 5 мм. При диаметре рабочей арматуры более 5 мм приме­няют рулонные сетки с поперечной рабочей арматурой или плоские сетки. Ширина стандартных плоских сеток принята до 2,5 м, а дли­на— до 9 м.

Нестандартные сетки конструируют, исходя из технологичес­ких параметров многоэлектродных сварочных машин. Шаг рабо­чих стержней сетки диаметром d в средней части (в месте макси­мального изгибающего момента) принимают s1 = 100-250 мм, на остальных участках — не более 400 мм, часть рабочих стержней может не доходить до конца сетки. Распределительную арматуру диаметром d1 располагают перпендикулярно рабочей с шагом s2 = = 200-300 мм, но не реже чем через 500 мм. Сечение ее должно составлять не менее 10% рабочей в месте максимального момента. На всех участках плиты расстояние между стержнями как рабочей, так и распределительной арматуры должно быть не менее 50 мм. Размеры концевых выпусков продольных и поперечных стержней должны быть не менее 20 мм.

Сварные каркасы применяют для армирования линейных эле­ментов (балок, колонн, ребер плит и т. д.). Они могут быть плоски­ми и пространственными.

В зависимости от диаметра продольных стержней такие сетки подразделяют на легкие (при d < 12 мм) и тяжелые (при d > 14 мм). В нестандартных сетках рабочие стержни могут не доходить до кон­ца (рис. ниже) или иметь петли на концах (рис. ниже).

Сварные сетки

При проектировании железобетонных конструкций кроме се­ток, предусмотренных сортаментом, широко применяют индивиду­альные плоские сетки из стержней диаметром до 40 мм, например, для фундаментов.

Сварные каркасы применяют для армирования линейных эле­ментов (балок, колонн и т. п.). Они могут быть плоскими и про­странственными.

Плоские каркасы состоят из продольных рабочих и монтажных стержней и приваренных к ним поперечных стержней (рис. ниже). В сварных каркасах для армирования изгибаемых элементов про­дольные рабочие стержни могут быть расположены в один ряд (рис. ниже) и в два ряда (рис. ниже), по отношению к попереч­ным стержням иметь одностороннее (рис. ниже) и двусторон­нее (рис. ниже) расположение. Рекомендуется применять каркасы с односторонним размещением продольных стержней, так как при этом улучшаются условия контактной точечной сварки и достигается лучшее сцепление арматуры с бетоном. В отдельных случаях применяют сдвоенные каркасы (рис. ниже) или каркасы, в которых к рабочему стержню приваривают дуговой сваркой до­полнительный рабочий стержень (рис. ниже). Плоские каркасы для армирования колонн имеют, как правило, одностороннее расположение продольных стержней (рис. ниже). Проектирование плоских сварных каркасов производят с учетом требований таблице выше. При двустороннем расположении продольных стержней (рис. ниже) диаметр поперечных стержней dw > 0,5d. Мини­мальная длина концов выступающих стержней в сварных каркасах приведена на рис. ниже.

Плоские сварные каркасы

Арматуру железобетонных элементов проектируют преимуще­ственно в виде пространственных каркасов целиком на все изде­лие или в виде крупных блоков с последующей их сборкой у места формовки.

Вязаные сетки и каркасы (рис. ниже) применяют в основном в монолитных конструкциях сложной конфигурации при малой по­вторяемости арматурных изделий, а также в конструкциях, подвер­женных воздействию динамических или многократно повторяющих­ся нагрузок, либо эксплуатируемых при отрицательных температурах (ниже -30 °С).

Вязаные сетки и каркасы образуют перевязкой стержней в мес­тах их пересечения мягкой вязальной проволокой. Этот способ обра­зования сеток и каркасов требует больших затрат ручного труда. Од­нако он позволяет изготовлять арматурные изделия из стержней лю­бой формы (прямых, ломаных и др.) и при любом их расположении.

Проволочные изделия применяют для напрягаемой арматуры в предварительно напряженных конструкциях в виде канатов, паке­тов и пучков.

Армирование балки вязаным каркасом

Арматурные канаты свиты из семи или девятнадцати высоко­прочных проволок (рис. ниже) диаметром 2-5-5 мм. Периодичес­кий профиль канатов обеспечивает их надежное сцепление с бето­ном, что позволяет применять их при натяжении арматуры на упоры (до бетонирования).

Для проволочной арматуры, натягиваемой на упоры в виде паке­тов, используют унифицированные ненапрягаемые арматурные элементы (УНАЭ). Они состоят из анкерных прямоугольных коло­док, в которых закреплены проволоки диаметром 5 мм с высажен­ными головками. Арматурные элементы унифицированы по мар­кам в зависимости от количества проволок в поперечном сечении (3, 4, 6, 8, 12 и 14 проволок) (рис. ниже).

Арматурные проволочные изделия

При натяжении арматуры на бетон (после бетонирования) при­меняют пучки, состоящие из параллельно расположенных высоко­прочных проволок. Пучки бывают однорядные из проволоки диа­метром 5 мм (рис. выше) или канатов диаметром 12 и многорядные из про­волок (рис. выше). Для образования однорядного пучка применяют спирали длиной 60 мм из проволоки диаметром 2 мм. По внешне­му контуру спиралей располагают проволоки и закрепляют их скрут­ками из мягкой проволоки. Спирали и скрутки устанавливают при сборке пучка через 1 м и более. Для последующего заполнения ра­створом пространства между проволоками пучка и каналом вместо отдельных проволок устанавливают коротыши длиной 200 мм, бла­годаря чему образуются зазоры.

Арматурные конструкции гидротехнических сооружений.

Массивные железобетонные конструкции гидротехнических со­оружений армируют несущими и ненесущими армоконструкциями.

Ненесущие арматурные конструкции применяют в тех частях сооружения, где опалубка подвергается лишь боковому давлению бетонной смеси и не требуется устройства лесов и других поддер­живающих конструкций, т. е. в массивах, плитах и балках основа­ний, в быках, устоях, водосливах и т. п. Они подразделяются на па­кеты, сетки и армокаркасы.

Пакеты представляют собой конструкции из рабочих стерж­ней, объединенных монтажными элементами (рис. ниже). Расстоя­ние между рабочими стержнями назначают (2-4)d, между монтаж­ными элементами — 2-4 м, длина пакетов принимается не более 400d и 20 м. Пакеты бывают плоские — одноярусные (рис. ниже) и пространственные — многоярусные (рис. ниже).

Конструкции пакетов и вертикальных сеток

1 — рабочие стержни; 2 — монтажный элемент из стержня: 3,4 — то же, из уголка и швеллера; 5 — шпренгсль

Сетки, как правило, проектируют сварными. Если сетки наве­шивают в вертикальной плоскости на другие армоконструкции, то они должны быть обеспечены от прогиба гнутыми стержнями, об­разующими шпренгель совместно с верхним горизонтальным стер­жнем (рис. выше). Армокаркасы конструируют из рабочих стерж­ней, расположенных в сжатой и растянутой зонах и связанной меж­ду собой косыми или поперечными стержнями через всю толщу бетона. Косые и поперечные стержни могут быть расчетными или заменить опалубочные тяжи и монтажные стойки, поддерживаю­щие арматуру. На рис. ниже показана схема размещения пакетов, сеток и армокаркасов в сооружении.

Схема расположения армоконструкции в сооружении

Несущие арматурные конструкции — армофермы представля­ют собой решетчатые сварные элементы, обладающие достаточной прочностью и жесткостью для воспринятая в процессе возведения сооружения технологических нагрузок (собственного веса, веса опалубки и бетонной смеси, монтажных нагрузок при бетонирова­нии, давления ветра на опалубку и др.). Их применяют для арми­рования отдельных балок, плит тяжелых перекрытий, колонн, рам­ных конструкций, подпорных стен и других массивных сооруже­ний и подразделяют на вертикальные и горизонтальные армофермы. Несущая способность армоферм обеспечивается их конструирова­нием и расчетом как металлических ферм с геометрически неизме­няемой решеткой. При этом все растянутые элементы ферм выпол­няют из круглой арматурной стали, а сжатые — из профильной.

Соединения арматуры. Ненапрягаемую арматуру соединяют стыковой или дуговой сваркой и внахлестку (без сварки).

В заводских условиях для соединения арматурных стержней диаметром 10 мм и более при d2 > 0,85d1 применяют контактную стыковую сварку (рис. ниже). Для соединения встык в построеч­ных условиях стержней диаметром 20 мм и более применяют дуго­вую ванную сварку (рис. ниже), а меньшего диаметра — дуговую сварку с накладками с четырьмя фланговыми швами (рис. ниже). Допускается также сварка двумя удлиненными фланговыми швами (рис. ниже).

Стыковые сварные соединения арматуры и закладные детали с анкерами

Соединение арматурных стержней внахлестку без сварки при d< 36 мм применяют в тех местах, где прочность арматуры исполь­зуется не полностью. Так стыкуют стержни сварных и вязаных се­ток и каркасов. Длину перепуска (нахлестку) стержней определяют в зависимости от классов бетона и арматуры. Стыкуемые стержни располагают вплотную друг к другу или с расстоянием в свету не более 4d. В местах стыка обязательно устанавливают дополнитель­ные хомуты. Во всех случаях стыки следует делать вразбежку по длине элемента.

Стыкование предварительно напрягаемой арматуры допускает­ся, как исключение, с помощью соединительных муфт или сращи­ванием канатов и высокопрочных проволок.

Закладные детали. Это стальные детали, выходящие обычно на поверхность железобетонного элемента и надежно заанкерен- ные в нем. Они служат для соединения сборных деталей между со­бой, а также для крепления стальных конструкций, технологического и другого оборудования к железобетонным элементам. Закладные детали могут быть расчетными, т. е. воспринимать действующие на них усилия, и нерасчетными (конструктивными).

Наибольшее распространение получили закладные детали в виде листового или фасонного проката из стали марки ВСтЗкп2, с приваренными анкерами из стержневой арматуры. Анкерные стер­жни соединяют с прокатом (например пластинами) сваркой в тавр или внахлестку (рис. выше). Диаметр анкера принимается не менее 8 мм, а длина (15-65)d в зависимости от условий анкеровки, классов бетона и стали. Толщину пластин принимают не менее 6 мм, а толщину полок фасонного проката — не менее 5 мм. При проек­тировании закладных деталей необходимо учитывать технологичес­кие требования по размещению сварных швов (рис. выше).

Нормативные сопротивления арматуры Rs ser принимают равны­ми наименьшим контролируемым значениям (с обеспеченностью не ниже 0,95): для стержневой арматуры — пределу текучести (фи­зическому σу или условному ε0,2), для проволочной арматуры — временному сопротивлению разрыву σu.

Расчетные сопротивления арматуры растяжению Rs для первой группы предельных состояний определяют делением нормативных сопротивлений на коэффициенты надежности по арматуре, которые в зависимости от ее класса принимаются γs = 1,05-1,2.

Расчетные сопротивления арматуры для второй группы предель­ных состояний установлены при γs = 1.

При расчетах по предельным состояниям первой группы рас­четные сопротивления умножаются на коэффициенты условий ра­боты, учитывающие:

• многократное действие нагрузки (γs3 = 0,3-1,0),
• наличие сварных соединений при многократном повторении нагрузки (γs4 = 0,2-1,0) и т. п.

При расчете прочности железобетонных элементов с армату­рой классов А500 и выше и при соблюдении условия ξ < ξR вводит­ся коэффициент условий работы

где η — максимальное значение коэффициента γs6; ξ — относитель­ная высота сжатой зоны бетона; ξR — граничное значение относи­тельной высоты сжатой зоны бетона.