Глава 1
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ КАНАТЫ КАК ОСНОВНОЙ НЕСУЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

1.1. Характеристики канатов

Канатные элементы предназначены для восприятия больших растягивающих усилий в конструкциях и передаче их на опорный контур, анкерные узлы и якоря. Они характеризуются относительно малым поперечным сечением и весом. Такие свойства канатов обеспечиваются за счет высоких прочностных характеристик благодаря их химическому составу, технологии изготовления и термической обработке проволок, являющихся составной частью канатов и прядей.

Рассмотрим некоторые из этих характеристик.

1.1.1. Канатные проволока и пряди

Стальная проволока для канатов изготовляется обычно из углеродистой нелегированной стали с содержанием углерода от 0,4 до 0,9% (ГОСТ 7372-79, проволока стальная канатная). Легирующие добавки других элементов незначительны и составляют: кремний - 0,1 - 0,3 %, марганец - 0,3 - 0,7 %, содержание фосфора и серы не превышает 0,04 %. С увеличением содержания углерода увеличивается предел прочности и уменьшается относительное удлинение при разрушении. Высокое содержание серы и фосфора уменьшает вязкость металла.

В последнее время при изготовлении канатов иногда используется высокопрочная нержавеющая и атмосферостойкая проволока. Чаще всего это хромоникелемолибденовые стали (стали 17Х12Н7, 5Х17Н12Мо2, 12Х17Н7, 5Х17Н12М² - за рубежом и ОХ18Н9, Х18Н9Т - в нашей стране). Нержавеющие стали имеют аустенитную структуру. Канаты из таких сталей немагнитные в отличие от канатов из обычных углеродистых сталей к ним не применим магнитно-индуктивный способ контроля качества.

Проволока из легированной нержавеющей стали не обладает коррозионной стойкостью для абсолютно всех окружающих сред и потому при выборе материалов необходимо принимать во внимание коррозионные свойства среды области применения.

Проволоки из углеродистой и нержавеющей сталей изготавливаются прокаткой и волочением. Нержавеющая проволока имеет более низкие прочностные характеристики, чем углеродистая. Прочность низколегированной проволоки из условия работы на изгиб несколько ниже прочности углеродистой.

Проволока для канатов получает высокую прочность благодаря термообработке и волочению. Исходным полуфабрикатом для изготовления

8

проволоки для канатов является катаная проволока диаметром 5,5 мм и больше. С нее удаляют окалину и патентируют. Патентирование проволоки заключается в ее разогреве до получения аустенитной структуры и последующем быстром охлаждении в ванне (обычно из расплавленного свинца) нагретой до температуры от 400°С до 600°С в зависимости от вида стали, выдержке при этой температуре и охлаждении на воздухе. На рис 1.1 показан график изменения температуры при патентировании.

Сталь благодаря патентированию получает сорбитную структуру, представляющую собой смесь феррита и цементита и отличающуюся от перлита более тонким дисперсным строением, пригодную для процесса волочения.

В последнее время вместо патентирования используется процесс многоступенчатого охлаждения при прокатке. С помощью такого многоступенчатого охлаждения и его различной интенсивности достигается структура, аналогичная той, которая получается при патентовании.

При многоступенчатом волочении в зависимости от содержания углерода поперечное сечение уменьшается на 75 - 95 %. К примеру, можно вытянуть из проволоки диаметром 6 мм за шесть ступеней проволоку диаметром 2 мм.

Для изготовления профильной проволоки может использоваться вместо волочения прокатка. В зависимости от способов изготовления проволоки сильно изменяются ее свойства. Так, чем больше будет изменение диаметра проволоки при волочении и содержания углерода в ней, тем выше ее прочностные свойства.

При этом уменьшается величина пластичности стали при работе на растяжение и изгиб.

У тонкой проволоки диаметром менее 0,8 мм предел прочности достигает 4000 Н/мм², у толстой - 2500 Н/мм². Для изготовления канатов применяется

9

проволока, предел прочности которой при растяжении не превышает 2160 Н/мм².

Защита канатной проволоки от коррозии осуществляется, как правило, с помощью цинкования. Для покрытия проволоки применяется горячее и гальваническое цинкование. При горячем цинковании на пограничной области "цинк - железо" образуется легирующий слой твердого цинка. Внешний слой состоит из чистого цинка. Слой твердого цинка обладает повышенной хрупкостью, что может привести к откалыванию его и нарушению поверхности защиты, с другой стороны, твердый цинк корродирует медленнее.

При гальваническом цинковании легирующего слоя не образуется. Слой цинка может быть достаточно толстым. Вследствие относительно высокой стоимости и отрицательного воздействия такого технологического процесса на окружающую среду подобный способ покрытия применяется в последнее время значительно реже.

При горячем цинковании температура цинковой ванны составляет от 440°С до 460°С, что приводит к некоторому снижению прочности проволоки при нанесении покрытия. Поэтому для восстановления прочностных характеристик оцинкованной проволоки производят последующее волочение.

Различают (по ГОСТ 7372 - 79) три группы плотности цинкового покрытия: ОЖ - для особо жестких условий работы, Ж - для жёстких условий работы, С - для средних условий работы проволоки. Поверхностная плотность цинка должна соответствовать нормам. Так, например, для проволоки диаметром 1,6 мм поверхностная плотность цинка в г/м² должна быть не менее: для групп ОЖ - 200, Ж - 170, С - 70. Аналогичные показатели для проволок зарубежного производства равны соответственно: 190 -110 - 90. Оцинкование проволоки позволяет обеспечивать надлежащую антикоррозийную защиту. Повреждение цинкового слоя образует активную защиту, где цинк является разрушающимся анодом. В последнее время нашла применение проволока с эвтектическим цинко-алюминиевым легированием покрытия (с 5 % алюминия). Оболочка из такого покрытия обладает хорошей коррозионной устойчивостью и устраняет недостатки твёрдого цинкового слоя. Однако износоустойчивость такого покрытия несколько ниже, чем покрытие из чистого цинка.

Как правило, проволока для канатов имеет круглый профиль сечения. Однако применяется проволока с отклонениями профиля сечения от круглого. Такая проволока называется профильной, основные её представители приведены на рис. 1.2.

Z-образные, приталенные и клиновые профили применяются для изготовления закрытых спиральных канатов. Трёхгранные, плоские и овальные профили используются в прядях специальной формы.

10

Круглая стальная проволока для канатов изготавливается диаметром от 0,2 до 6 мм с временным сопротивлением разрыву - 1370 Н/мм², 1570 Н/мм², 1770 Н/мм², 1960 Н/мм². При этом для ограниченного числа диаметров поперечного сечения временное сопротивление разрыву может составлять 2160 Н/мм² и 2450 Н/мм²", однако для большинства канатов прочность проволоки не превышает 1570 Н/мм² и 1770 Н/мм².

Для контроля качества проволоки производятся её испытания на растяжение ГОСТ 1.0446 - 80, перегиб ГОСТ 1579- 80, скручивание ГОСТ 1545-80.

Испытаниями на изгиб и скручивание устанавливаются качественные параметры проволоки. С помощью испытаний на растяжение находят временное сопротивление разрыву.

11

Типичная диаграмма работы на растяжение канатной проволоки изображена на рис. 1.3.

Для такой проволоки отсутствует площадка текучести на диаграмме и за предел текучести принимается напряжение, при котором остаточные деформации s составляют 0.2%.

Напряжения предела текучести для стальной проволоки составляют от 75 до 80% от напряжений предела прочности.

На диаграмме σ - ε (рис. 1.3) можно также определить общую относительную деформацию ε_t остаточную деформацию ε_rи пластическую деформацию ε_рl.Общая относительная деформация проволоки составляет от 1.5 до 4%.

Для определения действительных значений предела прочности σ_bp и модуля упругости Е необходимо как можно точнее определить площадь поперечного сечения проволоки. Ошибка в измерении не должна превышать 1%. Для проволок круглого профиля сечения площадь поперечного сечения определяется путём измерения диаметра. Для профильной проволоки начальную площадь поперечного сечения (т.е. до приложения внешней нагрузки) можно определить путём взвешивания куска массой т и длиной l из выражения:

A =

m

l · ρ

(1.1)

Здесь ρ - объемная масса стали, которая для высокоуглеродистой стали принимается равной 7,8 кг/дм³, а не 7,85 KT/ДM³, т.к. относительно высокое содержание углерода приводит к уменьшению объемной массы.

Измерение деформаций и напряжений осуществляется после предварительного загружения, величина которого не должна превышать 10%.

При отсутствии площадки текучести на диаграмме работы материала условный предел текучести σ_{Т УСЛ} = R_{p 0,2} определяется следующим образом. Проволока загружается внешней нагрузкой до достижения величины напряжения, превышающего ожидаемый предел текучести, затем разгружается до исходного состояния и нагружается вновь. Далее проводят среднюю линию в полученной петле гистерезиса. Параллельно средней линии на оси абсцисс отсекают отрезок, равный относительному удлинению ε = 0.2%, и далее на кривой диаграммы напряжений находят точку, соответствующую условной величине предела текучести (рис. 1.4).

Модуль упругости Е может быть определён при испытаниях канатной проволоки на растяжение и измерении относительной деформации в процессе загружения.

Как показали многочисленные испытания, модуль упругости для углеродистой проволоки составляет в среднем E = 196000 Н/мм², для низколегированных нержавеющих сталей модуль упругости составляет 150000 - 160000 Н/мм².

12

Пряди

Простая конструкция пряди состоит из одного центрального сердечника и нескольких проволок, обвивающих центральный сердечник по винтовой линии. Чаще всего периферийный слой включает шесть проволок (рис. 1.5).

Рис. 1.5 наглядно поясняет величины длины шага свивки l и угла свивки α.

Длина шага свивки l определяется как расстояние между смежными выступами проволоки, навитой вокруг сердечника. Угол свивки - это угол между проекциями осей проволоки и пряди на плоскость. Соотношения

13

между углом свивки, радиусом центров проволоки свивки и длиной шага свивки имеет вид

tg α =

2 · π · r

l

(1.2)

Пряди могут быть правой или левой свивки. Если при рассмотрении пряди с торца проволока при свивке перемещается по часовой стрелке, то такая свивка называется правой, если против часовой - левой. На рис. 1.6 изображены направления свивки прядей.

Пряди с большим количеством слоев проволоки имеют различную конструкцию. Проволока для стандартных прядей во всех слоях имеет одинаковый угол и направление свивки. Длины шагов свивки различных слоев для таких прядей различны. Достоинством такого решения является то, что все проволоки, кроме сердечника, имеют равную длину и при приложении растягивающих усилий имеют равные растягивающие напряжения. Недостаток заключается в том, что при перекрещивании отдельных слоев происходит точечное касание проволок и их интенсивный износ при загружении.

Обозначение прядей и проволок нормированных стандартных канатов осуществляется по слоям от середины к периферии, например, 1+6+12 или 1+6+12+18 проволок. Перечисленные пряди изображены на рис. 1.7.

Проволоки стандартных прядей имеют одинаковые размеры, и только диаметр сердечника несколько больше для получения более плотной упаковки.

14

Другое конструктивное решение прядей осуществляется с параллельным расположением проволок в отдельных смежных рядах и одинаковой длиной шага. При таком расположении происходит линейное касание проволок, и они не пересекаются друг с другом.

Для подобного конструктивного решения следует, что перекрещивание проволок в прядях в существенной мере ухудшает работу каната по сравнению с линейным касанием проволок. Для проволок с точечным касанием износоустойчивость при работе на динамическую нагрузку и при перегибах в процессе нагружения значительно ниже, чем для канатов и прядей с линейным касанием. Известные конструктивные решения прядей с линейным касанием приведены на рис. 1.8.

При линейном касании проволок предъявляются повышенные требования к измерению их диаметра, т.к. уменьшение или увеличение диаметра проволоки при её укладке приводит к искажению формы пряди, западанию или выпучиванию отдельных элементов.

Такие повышенные требования предъявляются главным образом при укладке на сердечник первых проволок, потому что они определяют дальнейшую форму прядей и каната в целом.

Сердечник образует ядро прядевого каната, и на него опираются внешние пряди при сплетении. Он может состоять из органического или искусственного материала, стальных канатов и прядей.

Вид и материал сердечника оказывают существенное влияние на качество канатов, особенно на его износоустойчивость. Для строительных предварительно напряжённых конструкций, как правило, используются канаты и пряди со стальным сердечником.

15