Материалы, применяемые для вантовых покрытий

Для вантовых покрытий с точки зрения использования различных материалов представляют интерес гибкие ванты, так как жесткий опорный контур не имеет существенных отличий по сравнению с обычными конструкциями, работающими на сжатие, изгиб, кручение или на различные комбинации этих воздействий.

Основным материалом для вант на ближайшие 10—15 лет, по-видимому, следует считать сталь. Тем более это очевидно в связи с тенденцией существенного повышения прочностных характеристик сталей, разрабатываемых на основе улучшения их структурного строения.

Для вант применяют стальные изделия: канаты, арматурные пучки из высокопрочной проволоки и арматурные стержни. Сечения других видов стальных изделий (полосовая и профильная прокатная сталь) обладают чрезмерной жесткостью в плоскости или из плоскости покрытия и в вантовых сетях применяются в исключительных случаях. Неметаллические материалы (органические, синтетические и др.) применяются редко и не могут быть рекомендованы для стационарных сооружений.

Стальные канаты изготовляют на заводах из канатной проволоки по ГОСТ 7372—66. Расчетный предел прочности проволоки при растяжении колеблется в пределах 120—260 кг/мм² и определяется сортом катанки, диаметром проволок и типом покрытия (светлая или оцинкованная).

Покрытия оцинкованных проволок в канатах в зависимости от условий эксплуатации последних определяются легкими условиями работы (ЛС), средними (СС), жесткими (ЖС). При температур-но-влажностных условиях, влияющих на интенсивную коррозию металлов (испарения химически активных веществ, наличие пыли и влаги), следует принимать канаты с цинковым покрытием по группе ЖС

Наиболее употребительная проволока с расчетным пределом прочности 120—200 кг/мм². Проволока, а следовательно, и канаты выпускаются нашей промышленностью трех марок: высшей, первой и второй. Канаты марки В (высшей) отличаются от канатов марок I (первой) и II (второй) минимально допустимым разбегом предела прочности проволоки, из которой они выполнены. В ответственных вантовых покрытиях необходимо принимать канаты из проволок марки В.

В зависимости от методов изготовления различают канаты одинарной свивки в пряди — (спиральные); двойной свивки — тросовые, т. е. когда проволоки скручиваются в пряди, а пряди в канаты, и многократной свивки (кабельтовые).

Для вантовых покрытий наибольший интерес представляют стальные канаты одинарной и двойной свивки. В зависимости от типа свивки или, иначе, от касания проволок между слоями в прядях, канаты разделяют на канаты точечного касания — ТК, линейного — ЛК и точечно-линейного качания — ТЛК. При этом проволоки

Таблица VII.!

 

гост	Свивка каната	Количество проволок в канате, шт.	Формула размещения проволок в прядях	Диаметр каната, мм
3062—69	Одинарная: с линейным каса-
3063—66	• нием проволок в пряди (ЛК —О) с точечным касанием отдельных	1X7 = 7	1+6	0,65—11,5
3064—66 3065—66 3066—66	проволок между слоями пряди (ТК) то же » » Двойная: с линейным каса-	1 X 19= 19 1 х 37 = 37 1 X 61 =61	1+6+12 1 + 6+12+18 1+6+12+18 + 24	1,1—19,0 1,6—27,0 2,0—34,5
3067—66	нием проволок в пряди (ЛК —О) с точечным касанием отдельных	7 х 7 = 49	1+6	1,9—27,5
3068—66	проволок между слоями (ТК) то же	7X19= 133 7X37 = 259	1+6+12 1 + 6+12+18	3,1—57,5 4,7—76,0

в слоях могут быть одинакового или разных диаметров, например ЛК-О или ЛК-Р.

Канаты точечного касания проволок в прядях получают путем свивки проволок в прядь, сохраняя одинаковые углы наклона свивок по слоям. Отсюда шаг свивки по слоям разный, проволоки перекрещиваются и касаются друг друга в отдельных точках. При свивке, обеспечивающей линейное касание проволок в прядях, шаг ее во всех слоях пряди сохраняется одинаковым. Канаты ЛК являются более гибкими по сравнению с канатами типа ТК.

По направлению свивки канаты могут быть правой или левой свивки, а по сочетанию направлений свивки элементов каната различают крестовую и одностороннюю свивки. В последней конструкции направление свивки проволок в пряди и прядей в канаты одинаковое. Кроме того, по способам свивки канаты классифицируют на раскручивающиеся и нераскручивающиеся.

Канаты для вантовых покрытий желательно употреблять нерас-кручивающиеся крестовой или односторонней свивки. Канаты односторонней свивки более гибки, чем крестовой.

В вантовых покрытиях рекомендуется применять канаты с металлическим сердечником, изготовленные из проволок диаметром не менее 1 мм. Краткая характеристика некоторых типов стальных канатов с металлическим сердечником приведена в табл. VII. 1.

Сопротивление каната характеризуется двумя величинами: Р_с — суммарным разрывным усилием проволок каната и Р_а — действительным разрывным усилием каната, разница между ними в процентах характеризует потери от свивки. В зависимости от конструкции каната эти потери составляют 10—20%. В качестве расчетных разрывных усилий для канатов из светлой и оцинкованной проволоки принимают соответственно Р_р = 0,65Р_а и Р = 0,60Я_а.

Последние исследования напряженно-деформированного состояния канатов показывают, что обрыв стальных проволок происходит прежде всего за счет хрупкого разрушения проволок, подвергнутых коррозии, и затем от разрыва оставшихся проволок при пластическом течении материала, сопровождающемся образованием «шеек». При этом оказывается, что проволока канатов подвергается коррозии не только по наружному слою, но и со стороны внутренних межпрядевых пустот в теле каната, образовавшихся при свивке последнего.

В отличие от электрохимической коррозии, которая в обычных условиях ведет к простому ослаблению сечения, наблюдается также явление межкристаллитной коррозии, которое приводит к появлению межкристаллитных трещин, обусловливающих в дальнейшем хрупкое разрушение проволок. Склонность проволок каната к коррозионному растрескиванию, связанная с составом стали и технологией изготовления каната, предопределяет необходимость учета особой характеристики — предела коррозионного растрескивания, величину которого определяют по следующей зависимости: а я= 0,48сг_с, где а_а — агрегатное разрывное сопрогивление каната*.

Недостатком канатов как элементов строительных конструкций является их сравнительно невысокий первоначальный модуль упругости, обусловленный витой структурой. Если модуль упругости проволоки, из которой изготавливается канат, равен 2 000 000 кг/см², т. е. близок к своему теоретическому пределу, то для канатов одинарной свивки он меньше на 15—35, а для канатов двойной свивки — на 50—65%.

Большее снижение модуля упругости для каната двойной свивки объясняется большим числом повторных скручиваний проволок и большими углами скручивания по сравнению с канатами одинарной свивки. Известные формулы академика А. Н. Динника устанавливают количественные соотношения между модулем упругости проволок и геометрическими параметрами каната:

для канатов одинарной свивки Е = Е_пр соз*ф; то же двойной Е — Е_пр со$⁴ф • со^ф', где ф и ф' — соответственно угол наклона оси пряди к оси каната и средний угол наклона проволоки к оси пряди. Очевидно, что увеличенный шаг свивки проволок и прядей уменьшает углы наклона и соответственно повышает первоначальный модуль упругости.

Для повышения первоначального модуля упругости и устранения неупругих деформаций канаты подлежат обязательной предварительной вытяжке усилием 65—75% разрывного усилия каната

Таблица VII.2

 

Е, кг/смг

		Количество
гост	Тип каната	проволок	без предвари-	с предварительным
		в канате, шт.	тельного вытягивания	вытягиванием
3062—69	Спиральный	1 X 7	1 480 000	1750 000—2 100 000
3063—66		I X 19	1 450 000	1 700 000—1 800 000
3064—66		1 Х37	1 250 000	I 530 000—1 610 000
3065—66		1 Х61	1 150 000	1 500 000
3066—66	Трос	7X7	1 250 000	1 400 000
3067—66		7Х 19	1 100 000	1 250 000
3068—66		7х 37	980 000	1 150 000

в течение 0,5—2 ч. Модули упругости для некоторых типов канатов, без предварительного вытягивания и с предварительным вытягиза-нием, приведены в табл. VI 1.2.

Средний модуль упругости для канатов одинарной свивки может быть принят 1 650 000—1 700 000 кг/см².

Необходимо обратить внимание, что по данным натурных и лабораторных исследований в действительности модуль упругости канатов обычно на 15—25% ниже величин, указанных в СНиП П-В. 3—62*. Это объясняется тем, что на результаты определения модуля упругости оказывают влияние дополнительные факторы: длина образцов и базы измерения, диаметр каната, неравномерность и шаг свивки. Так, при увеличении длины каната (примерно до 145 м) модуль упругости уменьшается. Определение модуля упругости должно производиться на более длинных образцах, чем это предусматривается ГОСТ 3241—66. В [63] длину образца рекомендуется принимать не менее 65й (й — диаметр каната), база измерения должна быть равна примерно 25й, а границы ее должны отстоять от торцов анкеров, чтобы исключить влияние обжатия каната анкером, не менее, чем на 20й.

Очевидно, что при строительстве крупных сооружений с применением канатов, последние должны быть обязательно испытаны для определения действительного модуля- упругости и несущей способности анкерных креплений. В других случаях модуль

упругости канатов может приниматься по СНиПу с введением поправочного коэффициента 0,8—0,85.

Для ответственных сооружений при соответствующих технико-экономических обоснованиях могут применяться канаты закрытого типа по ГОСТ 3090—55, ГОСТ 7645—69, ГОСТ 7676—55. Наружные слои таких канатов состоят из профилированной проволоки и обладают повышенной коррозиеустойчивостью.

Пучки или пряди для вант изготавливают из высокопрочной проволоки на специально оборудованных стендах, иногда непосредственно на строительной площадке. Для пучков применяют проволоку круглую углеродистую по ГОСТ 7348—63 и холоднотянутую периодического профиля по ГОСТ 8480—63.

 

				Та	блица	УН.З
Диаметр проволоки, мм	3	4	5	6	7	8
Площадь поперечного сечения, см2	0,0706	0,1256	0,1963	0,2826	0,3847	0,5024
Временное сопротивление разрыву, кг/см2, для проволоки по ГОСТ 7348—63	19 000	18000	17 000	16 000	15 000	14 000
То же, по ГОСТ 8480—63	18 000	17 000	16 000	15 000	14 000	13-000
Расчетное сопротивление разрыву, кг/см2, для проволоки по ГОСТ 7348—63	10 600	10 100	9500	9000	8300	7800
То же, по ГОСТ 8480—63	10 000	9500	9000	8300	7800	7200
Относительное удлинение, проц.	4	4	4	5	6	6

Основные характеристики этих проволок приведены в табл. VII. 3.

Расчетные сопротивления высокопрочной арматурной проволоки зависят от ее диаметра и уменьшаются с его увеличением. Приемлемые расчетные характеристики и сравнительно хорошая корро-зиеустойчивость делают проволоку диаметром 4—6 мм наиболее употребительной.

В зависимости от расчетного усилия в вантах, типа анкерного крепления и конструкции домкрата формируют пучок по форме и количеству проволок в нем. Конструкции некоторых анкеров требуют изготовления пучков одновременно с их монтажом.

Через 70—100 см по длине пучков проволоки их связывают мягкой вязальной проволокой диаметром 1—1,5 мм. Иногда для придания пучку трубчатого сечения между проволоками устанавливают спиральные вставки. В целях повышения коррозие-устойчивости пучок покрывают битумом или свинцовым суриком.

Это делается в том случае, когда ванты не подлежат обетонированию вместе с ограждающими плитами.

Модуль упругости пучков из высокопрочной проволоки принимается равным 1 800 000—1 900 000 кг/см². Для выравнивания проволок и создания равномерного распределения усилий между ними пучки рекомендуется вытягивать усилием, превышающим расчетное разрывное примерно на 10%. Этим одновременно достигается повышение модуля упругости до 2 000 000 кг /см².

Предварительное вытягивание канатов и пучков необходимо выполнять вместе с присоединенными концевыми креплениями (см. § 2 гл. VII).

Арматурная сталь, круглая или периодического профиля, имеющая прочностные характеристики ниже, чем у канатов, но более коррозиеустойчива, позволяет применять сварку и более простые соединения.

Рекомендуется применять арматурные стержни периодического профиля класса А—III (7?_а = 3400 кг/см²) и А—IV (Я_а = 5100 кг/ см²), изготовленные из стали марок Ст.5, 35ГС, 25Г2С, 15Г2С, 30ХГ2С и др.

Арматурная сталь может применяться в вантовых покрытиях значительных пролетов. Максимальный диаметр одиночных арматурных стержней для вант по условиям жесткости обычно не превышает 40 мм. При больших площадях сечения применяют спаренные ванты с расположением стержней в поверхности сети в один ряд.

Термическая обработка или холодная вытяжка (наклеп) повышают прочность арматурных стержней. Термически обработанные круглые стержни можно применять в вантах без сварных соединений, так как при сварке прочность таких сталей несколько падает. При холодной вытяжке увеличивается область упругой работы материала. При применении холодноупроченных стержней следует особое внимание обращать на конструирование узлов вант, не допуская концентрации напряжений, так как вместе с повышением предела упругости (для арматуры класса А—III Н_а увеличивается до 4500 кг/см²) пластичность падает и возрастает опасность хрупкого разрушения. В дальнейшем предполагается полностью заменить упрочненную вытяжкой арматуру и в предварительно напряженных конструкциях в основном применять свариваемую арматуру класса А-У с пределом текучести не менее 8000 кг/см².

Соединять арматурные стержни необходимо контактной электросваркой в стык ванным или электрошлаковым способом. Типы сварных стыковых соединений могут быть приняты в соответствии с табл. 35 СНиП П-В.1—62 «Бетонные и железобетонные конструкции». Хорошо отвечает условиям работы вант ванная сварка на удлиненных стальных подкладках.

Технология сварки принимается по действующим нормативным документам. При применении термически упрочненных стержней соединение вант желательно выполнить на муфтах с резьбой. Ванная сварка таких холодноупрочненных стержней не рекомендуется, так как приводит к снижению предела текучести и тем больше, чем больше диаметр стыкуемых стержней.

При выборе марок стали для вант в виде арматурных стержней можно руководствоваться положениями 2.7—2.19 и табл. 32 СНиП П-В.1—62 «Бетонные и железобетонные конструкции».

Ванты, не подлежащие в дальнейшем обетонированию, защищают от коррозии различными составами, например, покрывают лаками на основе эпоксидной смолы, содержащей сурик и др.