Железобетон как материал, обладая рядом достоинств — долговечностью, огнестойкостью, возможностью придавать конструкции любые формы, отличается большой массой, что обусловливает увеличение транспортных расходов и грузоподъемности монтажных приспособлений и механизмов. Изготовление сборных железобетонных конструкций требует большого парка стальных форм, что увеличивает стоимость изготовления.
Повышение конкурентоспособности железобетона по отношению к стали может быть достигнуто путем применения для несущих конструкций тяжелого бетона марок 600—800 и легкого бетона марок 300—500, использования высокопрочной прядевой, проволочной и стержневой арматуры, внедрения новых видов бетона, а также разработки новых конструктивных решений.
Применение бетона высоких марок
В настоящее время в энергостроительстве для каркасов главных корпусов освоен тяжелый бетон марки 500, для брусковых конструкций — марки 600. Следует считать перспективным для ближайшего десятилетия освоение бетонов марки 800 и в дальнейшем — 1000. Применение бетона высоких марок позволяет сократить объем конструкций за счет использования двутавровых, пустотелых, коробчатых, тонкостенных и других подобных типов сечений. Как показывают исследования, высокие марки бетона могут быть эффективно использованы не только для тяжело нагруженных колонн, но и для колонн одноэтажных производственных зданий, ферм, предварительно напряженных балок, панелей междуэтажных перекрытий и кровельных покрытий, а также ряда других конструкций (напорные трубы, опоры ЛЭП и др.) При этом сокращение объема бетона в зависимости от типа конструкций составит 15—30%. Следует отметить, что получение бетона марки 600 обеспечивается применением цемента марки 800.
Значительным резервом снижения массы несущих конструкций является применение легких бетонов — керамзитобетона, бетона на зольном аглопорите и др. В настоящее время может быть достигнута прочность легкого бетона 40 МПа при объемной массе до 1800 кг/м3. Перспективным является увеличение прочности до 50 МПа. Конструктивный легкий бетон может быть использован для большинства конструкций — фундаментов колонн, балок, панелей перекрытий, газоходов и т. п. Применение легких бетонов обеспечивает снижение массы конструкций на 25—30%. В ближайшее время планируется довести применение легких бетонов для несущих конструкций в строительстве до 30%.
Следует отметить, что наличие на электростанциях в большом количестве золы определяет необходимость развития производства зольного гравия и аглопорита в качестве составляющих для изготовления легких бетонов. Необходимо повысить эффективность применения легких бетонов для ограждающих конструкций. В настоящее время объемная масса керамзитобетона и зольного аглопорита на заводах Минэнерго СССР колеблется в пределах от 1100 до 1400 кг/м3. Необходимо обеспечить снижение объемной массы до 900—1000 кг/м3.
Применение высокопрочной арматуры
Для железобетонных конструкций в основном применяются стержневая арматура классов A-I, A-II и А-III и обыкновенная проволока, для напряженных конструкций — арматура А-II-в, в отдельных случаях — A-II-в и проволока высокопрочная гладкая и периодического профиля классов B-II и Вр-II. Для значительного уменьшения расхода арматурной стали необходим переход на применение высокопрочной арматуры классов A-V—A-VIII и термически упрочненной арматуры Ат-V—Ат-VII, а также прядей. Однако полноценное использование этой арматуры возможно только в предварительно напряженных конструкциях. Объем предварительно напряженных конструкций в сооружениях ТЭС относительно невелик и ограничивается междуэтажными и кровельными панелями и балками. Поэтому необходимо расширить область применения напряженных конструкций за счет их использоваания в ребрах сборных фундаментов под колонны с большими нагрузками, перекрытиях над конденсационным подвалом при увеличении размеров сетки колонн, для панелей подпорных стен и т. п. Конструкция предварительно напряженного ригеля этажерки бункерно-деаэраториого отделения с пропуском ригеля через колонну приведена на рис. 7.10.
В настоящее время имеется большое количество разработанных проектов конструкций с высокопрочной арматурой. К ним относятся кровельные и междуэтажные панели и балки с применением арматуры разных классов.
Применение новых типов железобетонных конструкций
Широкое применение находят тонкостенные железобетонные конструкции покрытий больших пролетов. К таким конструкциям относятся сводчатые, складчатые, купольные, висячие конструкции различных очертаний. Разработанная Атомтеплоэлектропроектом совместно с НИИЖБ многоволновая армоцементная оболочка с размером волны 45Х12 м соответствует сетке колонн машинного отделения. Оболочка имеет стальные диафрагмы в виде ферм. Такая оболочка по сравнению с обычным покрытием из железобетонных панелей по фермам сокращает расход бетона на 50% и стали на 30%. По сравнению с покрытием из профилированного стального листа экономия стали составляет 20—30%. Эта оболочка в натуральную величину (45X12 м) испытана на площадке Тюменской ТЭЦ.
НИИЖБ исследованы колонны из трубобетона — заполненная бетоном тонкостенная труба, внутри которой по периметру размещена продольная арматура высокой прочности (класса A-VI и выше). Применение трубобетона для сжатых элементов может значительно снизить расход стали.
Для повышения несущей способности колонн можно рекомедовать применение косвенного армирования в виде сеток, заменяющих хомуты. Исследования, проведенные НИИЖБ, подтвердили эффективность такого армирования. По предварительным подсчетам экономия стали в колоннах может составить 10—20%.
Разработаны конструкции для перекрытия пролетов 18 м и выше с сечениями типа Т и коробчатых шириной 3 м, совмещающие несущие балки и панели покрытия. Конструкции могут быть использованы не только для покрытий, но и для эстакад топливоподачи.
Применение полимеров для железобетонных конструкций
Полимербетоны изготовляются на основе вяжущих из полиэфирных, фурановых или эпоксидных смол. Особенностью этих бетонов являются: химическая стойкость, повышенные плотность и водонепроницаемость, повышенная морозостойкость, повышенная прочность при кратковременных нагрузках. Имеется опыт применения бетонов для конструкций, находящихся под воздействием агрессивной среды. В цветной и химической промышленности полимербетоны применяются для колонн, перекрытий, сборных плит для полов, для опор ЛЭП.
Для энергостроительства представляет интерес использования полимербетонов в сооружениях химводоочисток, для емкостей очистных сооружений, для газоходов, находящихся в условиях сернокислотной агрессии, и т. д.
Цементные бетоны с полимерными кремнеорганическими добавками (ГКЖ-94) характеризуются повышенной морозостойкостью, долговечностью, трещиностойкостыо и пониженной усадкой. Имеется опыт применения бетонов в суровых климатических условиях на железнодорожном транспорте, в частности при возведении мостов. Представляет интерес использование бетонов для открытых железобетонных конструкций и холодных зданий в суровых климатических условиях, а также для конструкции градирен и оболочек дымовых труб.
Целесообразно применение полимерных покрытий для перекрытия трещин размером до 3 мм, а также для конструкций, требующих повышенной трещиностойкости.
Применение напрягающего цемента
Напрягающий цемент представляет собой продукт помола портландцементного клинкера, глиноземистого шлака, гипсового камня и извести. Бетон, приготовленный на этом цементе, быстро твердеет (в возрасте 1—2 сут при температуре 20—25 °С достигает 50%-ной прочности) и отличается способностью расширяться после приобретения прочности 10—20 МПа, одновременно растягивая находящуюся в бетоне арматуру и создавая тем самым самонапряжение. Бетон на этом цементе дешевле бетона на расширяющемся цементе в 2—2,5 раза и может быть использован для заделки стыков, омоноличивания и усиления конструкций, томпонирования скважин и торкретирования. Имеется опыт успешного применения самонапряженного железобетона при производстве напорных труб, замоноличивания железобетонных резервуаров для хранения жидкостей.
Применение напрягающего цемента в энергостроительстве целесообразно при возведении фундаментов под турбоагрегаты, мазутных резервуаров и других предварительно напряженных конструкций. Отказ от предварительно напряженных узлов фундаментов под турбоагрегаты и от навивки арматуры и торкретирования мазутных резервуаров дает значительный эффект.
Применение дисперсного армирования
Бетоны, армируемые отрезками стальной проволоки, применяются для покрытий автодорог, взлетно-посадочных полос, панелей-настилов и др. К достоинствам такого армирования следует отнести исключение арматурных работ, а также высокие показатели по трещиностойкости, истираемости и усадочности. За счет использования некондиционной проволоки, отходов и изношенных стальных канатов стоимость бетона снижается. Изучение физико-механических характеристик тонкостенных оболочек из такого бетона показало его высокую прочность на изгиб и трещиностойкость. Оболочки армируются обрезками проволоки ?0,25—0,35 мм, длиной 25—10 мм.
Основные направления развития металлических конструкций
Строительство крупных ТЭС с блоками мощностью 500 и 800 МВт с высотой котельного отделения до 100—120 м и пролетами до 54 м требует возведения каркасов главных корпусов из высокопрочных стальных конструкций. Подвеска котла к каркасу главного корпуса предъявляет дополнительные требования к ограничению деформаций зданий (деформация не должна превышать 1/1000 высоты котельной от верха фундамента до низа хребтовых балок). Для обеспечения этих требований каркас главного корпуса должен быть запроектирован в виде развитой пространственной системы, включающей жесткие торцы в пределах каждой котельной ячейки. Котел подвешивается к хребтовой балке пролетом 39 и высотой 7 м. Балка выполняется на высокопрочных болтах из стали класса С 52/40 марки 10ХСНД.
Для обеспечения требования эксплуатации конструкций в районах с суровым климатом, обеспечения их надежности и долговечности необходимо использовать стали, отличающиеся высокой статической и динамической прочностью, выносливостью, стойкостью против хрупких разрушений. Наиболее перспективными для строительных стальных конструкций являются стали классов С 52/40, С 60/45 и С 70/60, применение которых обеспечивает экономию металла на 13—20%, снижение стоимости на 11—13% и трудозатрат примерно на 20 %.
В результате повышения степени готовности и точности изготовления конструкций, применения более простых и удобных в монтаже соединений на высокопрочных болтах производительность труда на монтаже должна возрасти. Использование высокопрочных болтов вместо распространенного ныне соединения на сварке примерно вдвое уменьшит трудоемкость соединения на монтаже. Для формирования сечений колонн, элементов диафрагм, горизонтальных дисков, балок и других конструкций целесообразно применять широкополочные прокатные двутавры, а для поясов ферм, ригелей и подкрановых балок — широкополочные тавры. Сортамент предусматривает выпуск двутавров и тавров высотой 1000—500 мм с шириной полок до 400 мм. Использование широкополочного проката позволит дополнительно снизить расход стали на 10—15% и трудозатраты на изготовление конструкций на 20—40%.
Предусматривается широкое использование гнутых профилей, двутавров с перфорированной стенкой (см. рис. 7.33), выполнение фрезерованных стыков, безвыверочный монтаж колонн, применение высокопрочных болтов. Весьма эффективен крупноблочный монтаж металлических конструкций, например кровельных покрытий главного корпуса и других зданий.
Облегчение всех видов конструкций, в том числе и металлических, весьма существенно и имеет особое значение для удаленных районов и районов с высокой сейсмичностью.
К числу новых перспективных металлических конструкций следует отнести мазутные резервуары емкостью от 50 до 100 тыс. м3. Для снижения массы затрачиваемого металла кровельное покрытие диаметром 40—70 м выполняется из растянутых шатровых поверхностей, изготовленных из тонколистовой стали или алюминия. Кровля подвешивается к опорной центральной стойке и контурному кольцу.
Некоторые новые технические решения
Важное значение приобретает изготовление строительно-технологических блоков, включающих несущие и ограждающие конструкции, а также теплотехническое, электротехническое, сантехническое и другое оборудование, и агрегатированных блоков вспомогательного оборудования и трубопроводов.
Перспективным является применение пленочных и надувных конструкций для складских и временных сооружений.
Существенное сокращение трудозатрат могут обеспечить безрулонные кровли. Для оконных переплетов, лестниц, дверей, эстакад топливоподачи, временных торцевых стен должны найти более широкое применение алюминиевые сплавы. Для ряда конструкций эффективны и конкурентоспособны тонкостенные электросварные трубы и замкнутые гнутосварные профили.