Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ НАТЯЖЕНИЯ АРМАТУРНЫХ КАНАТОВ

Изобретение относится к средствам и методам строительства армированных бетонных и железобетонных сооружений, а более конкретно - к методам создания напряженно-деформированного состояния строительных конструкций. В частности, изобретение может быть использовано в системе предварительного напряжения защитных оболочек энергоблоков атомных электростанций (АЭС).

Способ равномерного натяжения многопрядных пучков (арматурных канатов) и система, предназначенная для его осуществления, описаны в международной заявке WO 2011/076287 A1 (опубликована 30.06.2011). Согласно данному способу натяжение арматурных канатов производится индивидуально, при этом обеспечивается возможность контроля натяжения каждого отдельного каната арматурного пучка (кабеля). Способ включает установку индивидуальных средств измерений на арматурные канаты, натяжение каждого арматурного каната с помощью домкрата до первого общего для всех канатов уровня усилия натяжения F₁ и измерение усилий натяжения каждого каната. Измерение усилий осуществляется с помощью блока датчиков магнитно-индукционного типа.

Натяжение канатов производится блоком домкратов с общей гидравлической системой питания. Для натяжения каждого каната используется индивидуальный домкрат, входящий в состав блока домкратов. Датчики нагрузки калибруют после установки арматурных канатов и их натяжения по величине давления в домкратах. После первого этапа натяжения и измерения усилий натяжения в каждом отдельном канате проводится второй этап, включающий натяжение арматурных канатов до второго общего уровня усилия натяжения F₂. Процесс натяжения арматурного каната контролируется по показаниям индивидуальных датчиков нагрузки. Измеряется также относительное изменение усилий натяжений между отдельными канатами. По измеренному значению расхождения усилий натяжения канатов изменяют усилия натяжения отдельных канатов. Следует отметить, что данный метод натяжения канатов не включает какие-либо операции, направленные на восстановление проектного усилия натяжения каната после анкеровки и окончания перемещения каната в каналообразователе.

Известен другой способ натяжения арматурных канатов, описанный в патенте JP 3443734 B2 (опубликован 08.09.2003). Согласно данному способу для натяжения арматурных канатов, имеющих различное относительное удлинение при приложении растягивающего усилия, используется один домкрат. В подвижной части домкрата с помощью цанговых зажимов закрепляются все канаты пучка. При натяжении пучка канатов до достижения проектного усилия одного из канатов, имеющего наименьшее удлинение по сравнению с другими канатами, данный канат закрепляют в анкерном блоке и отсоединяют от домкрата. Процесс натяжения повторяется многократно для остальных арматурных канатов, образующих кабель (пучок арматурных канатов), которые закреплены в цанговых зажимах домкрата.

Наиболее близким аналогом изобретения является способ натяжения арматурных канатов, описанный в патенте RU 2178045 C1 (опубликован 10.01.2002). Данный способ используется для изготовления предварительно напряженных железобетонных конструкций с арматурными пучками. В процессе осуществления способа арматурный пучок, состоящий из высокопрочных канатов, помещают в каналообразователь с гофрированной поверхностью. Способ включает установку анкеров, укладку бетонной смеси и натяжение арматурных пучков домкратами, расположенными с противоположных сторон арматуры. На одном из концевых участков арматурного пучка устанавливают анкерный стакан, охватывающий пучок по периметру. Анкерный стакан контактирует со стороны торцевой части с анкером. Противоположная торцевая часть анкерного стакана соединена с переходником, выполненным из полимерного материала. Переходник связывает каналообразователь с анкерным стаканом. Поперечное сечение переходника сужается в направлении от контактирующего с ним анкерного стакана.

Натяжение арматурных канатов проводят с помощью домкратов по меньшей мере в два этапа. На первом этапе прикладывают усилие, величина которого составляет от 0,2 до 0,3 от проектного значения усилия. При достижении усилия натяжения, величина которого составляет не менее чем проектное значение, проводят выдержку пучка арматурных канатов под номинальным давлением домкрата в течение не менее 5 минут. Не позднее чем через 15 суток после натяжения арматурных канатов каналообразователь заполняют затвердевающей массой, в качестве которой предпочтительно используют водоцементный раствор.

В результате измерений, проведенных после натяжения арматурных канатов, установлено, что перемещение канатов вдоль каналообразователя не прекращается после силового воздействия и анкеровки концевых частей каната. Перемещение канатов продолжается в течение 3÷5 минут после приложения нагрузки со стороны домкратов.

Поддержание растягивающего усилия на уровне проектного значения в течение определенного периода времени необходимо для полного перемещения всех участков каната в каналообразователе. Выдержка каната под номинальным давлением домкрата после натяжения позволяет существенно снизить потери усилий по длине каната, которые вызваны трением между канатом и каналообразователем и взаимным трением канатов в пучке. Продолжительность выдержки выбирается в зависимости от длины арматурных канатов, количества канатов в пучке (кабеле) и от формы каналообразователя. Период ожидания может продолжаться более 5 минут. В течение периода выдержки происходит полное перемещение канатов по длине каналообразователя.

Однако для выдержки арматурного каната после натяжения под усилием, величина которого должна быть не меньше проектного значения, требуется сложное технологическое оборудование. Гидравлические домкраты должны обеспечивать поддержание давления жидкости в рабочем цилиндре на уровне номинального проектного значения Р₀ в течение 15 минут. Данное условие существенно усложняет применяемое для натяжения канатов оборудование, в состав которого входят домкраты, гидравлические насосы, распределители и электроприводы насосов.

Метод поэтапного натяжения арматурных канатов используется для натяжения кабелей (модулей) многопрядной системы, разработанной компанией VSL International Ltd. Многопрядная система VSL состоит из пучка прядей (арматурных канатов), выполненных из высокопрочной стали. Перед натяжением арматура вместе со связанными с ней креплениями устанавливается в каналообразователе. Используемые арматурные канаты состоят из семи проволочных прядей. Номинальный диаметр канатов составляет 15,2 мм или 15,7 мм. На проволочные пряди предварительно наносится защитная смазка.

В рабочем состоянии все канаты кабеля находятся в напряженном состоянии. Каждый канат индивидуально блокирован в отверстии анкерной плиты с помощью секционированных клиньев. Поэтапное напряжение кабеля производится при прямом ходе поршня домкрата. Фиксация канатов осуществляется в процессе их обратного движения после сброса давления в домкратах.

Для напряжения кабеля используются домкраты, гидравлические насосы, средства измерения натяжения и перемещения канатов и система сбора информации. Применяемые гидравлические домкраты содержат опорное кольцо, опирающееся на анкерную головку, рабочий цилиндр с поршнем, в котором выполнено центральное отверстие, направляющую металлическую трубу, установленную в центральном отверстии, и съемный анкерный блок. Гидравлические насосы, подключенные к домкратам, приводятся в действие электродвигателями. Насосы снабжены распределителями, предохранительными клапанами и средствами измерения рабочих параметров.

Сила натяжения канатов определяется по измеренным с помощью манометра значениям давления в рабочем цилиндре домкрата. Величину силы натяжения канатов определяют с учетом потерь в домкрате и креплениях и потерь на трение между канатами и стенками канала. Удлинение канатов в процессе их натяжения контролируют по меткам, нанесенным на концевые части канатов. На основании полученных данных о давлении в рабочих цилиндрах домкратов и удлинении канатов производится экстраполяция измеренных величин.

В результате проведенных исследований было установлено, что перемещение канатов при приложении усилия происходит замедленно. При этом скорость перемещения каната зависит от скорости его натяжения до заданного уровня усилия и от времени, затраченного на анкеровку канала. При использовании арматурного каната, один конец которого закреплен, а второй - соединен с домкратом, через 2 минуты 45 секунд после временного увеличения усилия натяжения с 766 до 802 тс суммарное усилие на активном участке каната снизилось на 52 тс, а на пассивном участке - увеличилось на 17 тс. После этого изменения усилий в канате не прекратились и продолжались еще в течение 3 минут.

Полученные данные свидетельствуют о том, что перемещение каната не прекращается после его натяжения и анкеровки и продолжается в течение определенного периода времени. Вследствие этого для достижения требуемых проектных значений усилия натяжения арматурных канатов требуется достаточно длительная выдержка канатов под номинальным усилием нагрузки. В реальных условиях, при строительстве защитных оболочек энергоблоков АЭС, для создания напряженно-деформированного состояния строительных конструкций после натяжения арматурных канатов требуется выдержка в течение 15 минут при условии поддержания усилия натяжения на уровне проектного значения Р₀. Однако для выполнения данного условия необходимо сложное и дорогостоящее технологическое оборудование.

Изобретение направлено на обеспечение требуемого проектного значения усилия натяжения арматурных канатов, образующих арматурные пучки, без использования сложного технологического оборудования. Такое оборудование необходимо для длительного (более 120 секунд) поддержания номинального рабочего давления в домкратах. Решение данной технической задачи позволяет повысить эффективность технологического процесса натяжения арматурных канатов при создании напряженно-деформированного состояния строительных конструкций, упростить используемое технологическое оборудование и снизить его стоимость.

Способ натяжения арматурных канатов бетонных строительных конструкций включает размещение по крайней мере одного пучка арматурных канатов в каналообразователе строительной конструкции и закрепление по меньшей мере одной концевой части каждого каната пучка в крепежном элементе перемещаемой части домкрата. После закрепления концевых частей канатов производится поэтапное натяжение каждого каната пучка до достижения проектного значения усилия натяжения, которое соответствует напряженно-деформированному состоянию строительной конструкции. При достижении проектного усилия натяжения осуществляют поэтапную выдержку каждого каната. Выдержка каната проводится в течение по крайней мере трех этапов длительностью не менее 2 минут каждый. Перед началом каждого этапа выдержки увеличивают натяжение каната, по меньшей мере, до проектного значения усилия натяжения. Силовое воздействие на канат при его натяжении перед этапами выдержки проводят в течение периода времени, не превышающего длительность последующего этапа выдержки.

Способ натяжения арматурных канатов, включающий перечисленные выше операции, обеспечивает достижение проектного значения усилия натяжения Р₀ для каждого арматурного каната. Данный результат достигается за счет поэтапной выдержки с определенной длительностью при увеличении усилия натяжения каната перед началом каждого этапа выдержки. Достигаемый результат связан с процессом перемещения (вытягивания) каната в каналообразователе после прекращения увеличения нагрузки. Последующее кратковременное силовое воздействие на канат в процессе выдержки производят после прекращения этапа интенсивного перемещения каната в каналообразователе.

После кратковременного приложения проектного усилия Р₀ к канату интенсивное снижение нагрузки (на 3÷4%) происходит в течение интервала времени, длительность которого не превышает двух минут. При этом существенное значение имеет многократность (не менее трех раз) проведения процедуры выдержки каната. В результате последовательного проведения операций выдержки уже после третьего этапа выдержки достигается требуемое проектное значение Р₀ усилия натяжения канатов.

Важным преимуществом способа натяжения арматурных канатов является отсутствие сложного технологического оборудования, которое необходимо для длительного поддержания усилия натяжения арматурных канатов (на уровне не менее Р₀) в течение времени перемещения канатов в каналообразователе. При осуществлении способа силовое воздействие на канат с помощью домкратов производится в течение периода времени, длительность которого не превышает длительность последующего этапа выдержки. В реальных условиях создания напряженно-деформированного состояния строительных конструкций процесс увеличения нагрузки перед началом каждого этапа выдержки длится не более двух минут.

Длительность этапов выдержки канатов предпочтительно выбирается в диапазоне от 4 до 7 минут. При этом силовое воздействие на канат перед этапами выдержки может осуществляться в течение 1÷2 минут.

В преимущественных вариантах осуществления способа перед началом каждого этапа выдержки натяжение каната увеличивают до величины, не превышающей 1,2 Р₀ (P₀ - проектное значение усилия натяжения каната).

В процессе натяжения канатов и их выдержки необходимо получать данные в текущем режиме времени о величине усилия натяжения канатов. Для этого используют данные измерений давления жидкости в рабочем цилиндре домкрата, полученные с помощью манометров. Усилие натяжения канатов может определяться с помощью тензометрических датчиков нагрузки, установленных на канатах.

Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера реализации способа натяжения арматурных канатов. Рассматриваемый пример реализации способа реализуется в системе предварительного напряжения защитной оболочки энергоблока №3 Ростовской АЭС. На прилагаемом чертеже (см. фиг.1) схематично изображено оборудование, с помощью которого осуществляется способ. На фиг.1 показан местный разрез конструкции в области опорной плиты.

Оборудование, предназначенное для реализации способа натяжения арматурных канатов 1, включает в свой состав гидравлический домкрат 2, анкерный блок 3 с цанговыми зажимами, нажимной фланец 4, систему контроля усилий натяжения канатов с измерительным преобразователем 5 и опорную плиту 6. Данное оборудование закрепляется на пучке арматурных канатах 1 и устанавливается на опорной поверхности бетонной строительной конструкции 7.

В рассматриваемом примере реализации изобретения в качестве строительной конструкции используется армированная бетонная защитная оболочка энергоблока АЭС. Многопрядная система преднапряжения защитной оболочки состоит из пучка арматурных канатов, выполненных из высокопрочной стали. Каждый пучок сформирован из 46 арматурных канатов. Пучки арматурных канатов помещают в каналообразователи 8 строительной конструкции 7.

Силовое оборудование системы натяжения арматурных канатов состоит из домкратов 2, гидравлических насосов, приводимых в действие электродвигателями, и системы контроля, включающей средства измерения параметров. В частности, для контроля усилия натяжения арматурных канатов используются манометры (не показаны на чертеже), соединенные с полостью рабочего цилиндра домкрата 2. Арматурные канаты 1 проходят через осевое отверстие поршня домкрата 2 и закреплены в зажимных устройствах, связанных с подвижным поршнем. Для контроля удлинения арматурных канатов 1 в процессе их натяжения на свободные концевые части канатов 1 предварительно наносят метки. Удлинение канатов 1 может также контролироваться в процессе их натяжения по перемещению поршня домкрата 2, с которым соединены концевые части канатов.

Система контроля усилий натяжения арматурных канатов (СКУ) обеспечивает постоянный контроль натяжения арматурных канатов 1 защитной оболочки. СКУ представляет собой аппаратно-программный комплекс. Аппаратная часть СКУ включает в свой состав измерительные преобразователи 5, установленные в анкерных узлах системы преднапряжения строительной конструкции, контроллер обмена информацией, коммутаторы и кабели. Программная часть СКУ представляет собой программные модули, обеспечивающие непрерывную обработку измеренных параметров и диагностику состояния арматурных канатов 1 в процессе их натяжения.

Измерительный преобразователь 5 предназначен для преобразования воздействующей на него силы, величина которой может изменяться в диапазоне от 0 до 12 МН, в цифровой сигнал. Измерительные преобразователи 5 состоят из тензометрического датчика силы и преобразователя сигнала. Датчик силы состоит из шести модулей измерения силы, равномерно установленных вокруг пучка арматурных канатов 1 между двумя опорными кольцами. Приведенная погрешность измерений усилий натяжения каната с помощью датчика составляет ±1,5% (в рабочем диапазоне температур).

Предварительное напряжение защитной оболочки создается путем обжатия монолитной железобетонной строительной конструкции 7 при натяжении пучков арматурных канатов 1, пропущенных через каналообразователи 8, в цилиндрической и купольной части защитной оболочки. В рассматриваемом примере используется геликоидально-петлевая схема расположения пучков арматурных канатов в цилиндрической части и ортогональная схема расположения пучков арматурных канатов в купольной части строительной конструкции. Защитная оболочка содержит 132 каналообразователя: в цилиндрической части выполнено 96 каналообразователей, а в купольной - 36. Концы арматурных канатов 1 закрепляются с помощью цанговых зажимов в конических отверстиях анкерных блоков 3.

Перед началом процесса натяжения арматурных каналов выполняются следующие операции: проверяются размеры каналообразователей 8, осуществляется сборка пучков из 46 арматурных канатов 1 и их протяжка в каналообразователях 8, проводится инъектирование каналообразователей цементным раствором. После этого со стороны концевых частей арматурных канатов 1 устанавливаются опорные плиты 5, которые закрепляются на опорной поверхности защитной оболочки (строительной конструкции). На опорной плите 5 устанавливается измерительный преобразователь 5, к которому последовательно крепятся нажимной фланец 4 и анкерный блок 3.

Концевой участок пучка арматурных канатов 1 протягивается через осевое отверстие в поршне домкрата 2. Перед натяжением канатов домкрат 2 подвешивается на балке и перемещается с помощью регулируемой системы, обеспечивающей выравнивание положения домкрата 2 относительно пучка канатов 1. С помощью цанговых зажимов домкрата осуществляется крепление канатов 1 к перемещаемому поршню домкрата. При увеличении давления в камере обратного хода домкрата до 50 бар цанги разжимаются, что обеспечивает протяжку канатов 1 через осевое отверстие поршня домкрата.

Пучки арматурных канатов 1 натягиваются одновременно с двух концов с помощью двух домкратов 2, установленных на противоположных концевых участках каждого пучка. В процессе натяжения контролируется перемещение арматурных канатов 1 по перемещению меток, предварительно нанесенных на концевые участки канатов.

Натяжение арматурных канатов производится поэтапно. Усилие натяжения канатов может определяться по величине давления жидкости в рабочем цилиндре домкрата. При проведении калибровочных измерений натяжение одного пучка канатов усилием 9000 кН с помощью домкрата C1500F соответствовало проектному значению усилия натяжения при давлении в рабочем цилиндре домкрата ~460 бар. В ходе проведения четырех последовательных этапов натяжения канатов усилия натяжения фиксировались при следующих значениях давления в рабочем цилиндре домкрата: 150, 300, 450 и 465 бар.

После окончания каждого этапа натяжения измерялось удлинение канатов по нанесенным на них меткам. При достижении давления 450 бар (98% от Р₀) проверялось удлинение канатов для принятия решения о продолжении натяжения до максимального уровня давления в рабочем цилиндре - 465 бар.

После достижения проектного значения Р₀ усилия натяжения, которое соответствует заданному напряженно-деформированному состоянию строительной конструкции (защитной оболочки энергоблока АЭС), проводилась поэтапная выдержка канатов пучка. Период ожидания после натяжения необходим для преодоления сопротивления на сдвиг каната в каналообразователе и сопротивления перемещению каната по всей длине каналообразователя.

Выдержка каната осуществлялась в течение трех этапов длительностью 5 минут каждый. Перед началом каждого этапа выдержки осуществлялось кратковременное увеличение натяжения каната до величины усилия, не превышающей 1,2 Р₀ (P₀ - проектное значение усилия натяжения каната). Силовое воздействие на канат при его натяжении перед этапами выдержки производилось в течение не более одной минуты. При выбранных временных интервалах период времени силового воздействия на канаты не превышал длительность последующего этапа выдержки.

При достижении после выдержки требуемого значения усилия натяжения арматурных канатов на уровне 951÷956 тс производилась анкеровка пучка арматурных канатов. Для этого осуществлялась гидравлическая блокировка домкрата 2, обеспечивающая фиксацию цанговых зажимов на канатах 1 в анкерном блоке 3.

Нагрузка в анкерный блок 3 передавалась при медленном снижении давления в рабочем цилиндре домкрата до уровня ~50 бар. Остаточное давление поддерживалось на уровне ~50 бар. Снижение усилия натяжения канатов в процессе анкеровки составило ~65 тс. Затем проводилось измерение удлинения канатов по перемещению нанесенных на канаты меток.

Силовая нагрузка с анкерного блока 3 равномерно распределялось с помощью нажимного фланца 4 и передавалось на первое опорное кольцо измерительного преобразователя 5. С помощью тензометрического датчика силы, состоящего из шести модулей, осуществлялось измерение величины усилия натяжения канатов. Модули датчика равномерно расположены по окружности вокруг пучка канатов. Усилие со второго опорного кольца передавалось на опорную поверхность строительной конструкции 7 через опорную плиту 6.

На завершающем этапе технологического процесса натяжения арматурных канатов, после завершения операций, непосредственно связанных с натяжением канатов, проводилась консервация концевых частей арматурных канатов раствором парафина. На свободных концевых участках канатов были установлены защитные колпаки.

Усилия, возникающие в арматурных канатах после натяжения и анкеровки, приближаются к проектным значениям. Среднее усилие натяжения канатов после передачи нагрузки с домкрата 2 на анкерный блок 3 составило ~891 тс при максимальном значении усилия натяжения канатов с помощью домкрата перед выдержкой ~956 тс. Достигнутое значение усилия натяжения канатов соответствует проектным требованиям, согласно которым усилие натяжения канатов в цилиндрической части защитной оболочки должно быть не менее 887,15 тс (8,7 МН).

Достигаемый эффект непосредственно связан с многократной (не менее трех этапов) выдержкой арматурных канатов и предварительным (перед каждым этапом выдержки) натяжением канатов до величины не менее проектного значения усилия натяжения. Данные результаты существенно отличаются от соответствующих результатов натяжения арматурных канатов, полученных при однократной и двукратной выдержке арматурных канатов после приложения к ним нагрузки. Так, например, после натяжения канатов до достижения величины усилия натяжения 955 тс при давлении в домкрате 465 бар и однократной выдержки в течение 15 минут усилие натяжения снизилось после анкеровки канатов пучка до значения 864 тс. Данный результат не обеспечивает требуемую величину усилия натяжения канатов в цилиндрической части защитной оболочки, которая должна быть не менее 887,15 тс (8,7 МН).

Перемещение каната в каналообразователе не прекращается после снятия нагрузки. На основании проведенных измерений установлено, что в течение первой минуты после силового воздействия усилия в канатах быстро снижаются на 15 бар (по показаниям манометра, установленного на домкрате). Интенсивное снижение усилия натяжения каната обусловлено его перемещением в каналообразователе. Для завершения процесса перемещения каната требуется период ожидания длительностью 3-5 минут.

В процессе реализации способа натяжения арматурных канатов выдержка канатов проводится в течение не менее трех этапов. Продолжительность этапов выдержки предпочтительно выбирается в диапазоне от 4 до 7 минут. Давление в рабочих цилиндрах домкратов увеличивалось перед каждым этапом выдержки до 465 бар. На первом этапе выдержки давление в домкрате интенсивно снижалось после приложения усилия в течение первой минуты на 15 бар. На втором этапе выдержки снижение давления составило от 5 до 6 бар, а на третьем - от 2 до 3 бар.

При осуществлении способа перед передачей нагрузки с домкрата 2 на анкерный блок 3 усилия натяжения канатов имеют более высокое значение и более стабильный характер по сравнению с однократной выдержкой в течение 15 минут. Данное явление характеризует равномерное распределение усилий по длине каждого каната в каналообразователе. Увеличение усилия натяжения канатов, в зависимости от свойств канатов и характеристик используемого оборудования, составляет от 30 до 50 тс. Следует отметить, что при осуществлении способа не требуется сложное технологическое оборудование, обеспечивающее длительное (в течение 15 минут) поддержание проектного усилия натяжения до полного завершения процесса перемещения канатов в каналообразователе.

Применение способа позволяет повысить эффективность технологического процесса натяжения арматурных канатов, образующих пучки канатов, при создании напряженно-деформированного состояния строительных конструкций. Вследствие этого упрощается используемое технологическое оборудование и, соответственно, снижается его стоимость. При осуществлении способа достигаются требуемые проектные значения усилий натяжения арматурных канатов после их анкеровки и обеспечивается стабильность получаемых результатов.

Вышеописанный пример осуществления способа натяжения канатов основывается на конкретных свойствах и размерах используемых арматурных канатов, характеристиках применяемого технологического оборудования, форме и назначении строительной конструкции. Однако приведенное описание примера осуществления изобретения не исключает возможности достижения технического результата и в других частных случаях реализации способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы.

Способ может использоваться для создания напряженно-деформированного состояния строительных конструкций иного назначения. В зависимости от свойств материала канатов, размеров канатов и количества канатов в пучке (модуле) могут выбираться иные значения усилий натяжения, а также технологическое оборудование, наиболее приемлемое для решения поставленной технической задачи. Для измерения усилия натяжения арматурных канатов могут использоваться различные типы датчиков, например электромагнитные.

Изобретение может использоваться при строительстве сложных сооружений различного назначения, в которых требуется создание напряженно-деформированного состояния строительных конструкций. В частности, способ может применяться при строительстве мостовых конструкций. Наиболее широкое применение способ может найти при строительстве защитных оболочек энергоблоков АЭС.