Инженерные конструкции. Железобетонные и каменные конструкции

ИНЖЕНЕРНЫЕ 
КОНСТРУКЦИИ

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ 
И КАМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Т.К. КСЕНОФОНТОВА
М.М. ЧУМИЧЕВА

Под общей редакцией кандидата технических наук, 
доцента Т.К. Ксенофонтовой

Москва
ИНФРА-М
2022

УЧЕБНИК

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом профессионального 
образования в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлениям подготовки 08.03.01 «Строительство»,
20.03.01 «Техносферная безопасность», 20.03.02 «Природообустройство 
и водопользование» (квалификация (степень) «бакалавр») 
(протокол № 11 от 10.06.2019)

УДК 693(075.8)
ББК 38.5я73
 
К86

Ксенофонтова Т.К.
К86  
Инженерные конструкции. Железобетонные и каменные конструкции : учебник / Т.К. Ксенофонтова, М.М. Чумичева ; под общ. ред. 
Т.К. Ксенофонтовой. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 386 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/textbook_5cf772d9aa4
1e1.64804474.

ISBN 978-5-16-014329-3 (print)
ISBN 978-5-16-106819-9 (online)
В учебнике изложены основы расчета и проектирования железобетонных и каменных конструкций в соответствии с нормативными документами СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения» и СП 15.13330.2012 «Каменные и армокаменные 
конструкции». Рассмотрены физико-механические свойства бетона, арматуры, каменных материалов, отражены современные классы арматуры, 
используемые в строительстве, приведены их характеристики и сортамент. 
Большое внимание уделено вопросам расчета и конструирования сооружений водохозяйственного назначения, а также природоохранных сооружений и сооружений, контактирующих с грунтом, таких как подпорные 
стены, подземные железобетонные резервуары для питьевой воды, железобетонные трубопроводы.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Может быть рекомендован для использования в учебном процессе 
для подготовки бакалавров по направлениям подготовки «Строительство», 
«Природообустройство и водопользование», «Техносферная безопасность», 
профиль «Инженерная защита окружающей среды».

УДК 693(075.8)
ББК 38.5я73

А в т о р ы:
Ксенофонтова Т.К., кандидат технических наук, доцент, профессор Российского государственного аграрного университета — МСХА имени К.А. Тимирязева;
Чумичева М.М., кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой 
инженерных конструкций Российского государственного аграрного университета — МСХА имени К.А. Тимирязева

Р е ц е н з е н т ы:
Волшаник В.В., доктор технических наук, профессор кафедры гидравлики 
и гидротехнического строительства Национального исследовательского Московского государственного строительного университета;
Пономарев О.И., кандидат технических наук, доцент, заместитель директора 
Центрального научно-исследовательского института строительных конструкций имени В.А. Кучеренко Научно-исследовательского центра «Строительство»

ISBN 978-5-16-014329-3 (print)
ISBN 978-5-16-106819-9 (online)
© Ксенофонтова Т.К., 
Чумичева М.М., 2019

Предисловие

Продовольственная независимость России является стратегической задачей нашего государства. Для ее решения используются 
различные направления сельского хозяйства. В частности, очень 
важным является решение проблемы обеспечения его водой. Ввиду 
этого возникает потребность в строительстве и реконструкции водохозяйственных сооружений мелиоративного и гидротехнического назначения.
В связи с поставленной задачей импортозамещения происходит 
интенсивное возрождение сельскохозяйственного производства, 
что неразрывно связано с необходимостью реконструкции и строительства объектов, обеспечивающих его водоснабжение и водоотведение, а также возрождается мелиорация сельскохозяйственных 
земель. Большинство объектов, применяемых в водохозяйственном 
и мелиоративном строительстве, возводят из железобетона и каменных материалов. Поэтому необходима подготовка студентов, 
будущих специалистов, хорошо владеющих методами проектирования железобетонных и каменных конструкций.
В последние годы в строительной отрасли произошли большие 
изменения: появились современные классы арматуры, вышли 
новые нормативные документы, в практике проектирования используются компьютерные технологии. Вместе с тем нельзя не учитывать опыт, накопленный предшествующими поколениями инженеров. В настоящем учебнике авторы постарались в свете сказанного выше привести материалы по использованию сооружений 
из железобетона и каменных материалов в водохозяйственном 
и мелиоративном строительстве, основы расчета их по предельным 
состояниям.
Курс «Инженерные конструкции» является базовым курсом 
образовательной программы подготовки специалистов в области 
мелиорации и водного хозяйства. Знания, полученные при изучении дисциплины «Железобетонные и каменные конструкции» 
курса «Инженерные конструкции», призваны сформировать 
у студентов общекультурные компетенции: нравственного совершенствования личности (ОК-1), возможность самостоятельного 
обучения в своей профессиональной деятельности (ОК-2), а также 
профессиональные компетенции: способность демонстрировать 
знания основных законов технических дисциплин (ПК-1), использование передовых технологий (ПК-2), самостоятельное приобре

тение в практической работе знаний для выполнения конструкторской деятельности (ПК-3) и другие компетенции.
В результате изучения дисциплины «Железобетонные и каменные конструкции» студенты будут:
знать
 
• основные свойства материалов;
 
• методы экспериментальных исследований железобетонных 
и каменных конструкций;
уметь
 
• пользоваться современной нормативной, учебной и научной литературой;
 
• проектировать гидротехнические и водохозяйственные сооружения, а также производственные здания различного назначения;
владеть
 
• навыками расчетов сооружений и их элементов по предельным 
состояниям.
Предисловие, раздел «Железобетонные конструкции», приложения 1–6 и 10 написаны кандидатом технических наук Т.К. Ксенофонтовой, раздел «Каменные и армокаменные конструкции» 
и приложения 7–9 написаны кандидатом технических наук 
М.М. Чумичевой. Общая редакция учебника выполнена кандидатом технических наук Т.К. Ксенофонтовой.

Раздел I. 

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Глава 1. 

ЖЕЛЕЗОБЕТОН — СОВРЕМЕННЫЙ 
СТРОИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ. ВИДЫ 
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

1.1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

Железобетон как строительный материал появился в середине 
XIX в. Арматура совместно с бетоном впервые была использована во 
Франции в 1850 г. инженером Ламбо. Он построил лодку, стенки которой имели каркас из стальных стержней квадратного сечения, покрытых цементным раствором. В этот период использование арматуры в железобетоне происходило интуитивно, без научной основы, 
и только к концу XIX в. начало приходить осознание ее роли и появились первые предпосылки расчета железобетонных конструкций.
Большой вклад в развитие теории расчета железобетона внесли 
ученые и инженеры различных стран мира. Среди отечественных 
ученых следует отметить работы Н.А. Белелюбского, Д.Ф. Жаринцева, А.Ф. Лолейта, Н.С. Стрелецкого, А.А. Гвоздева, П.Л. Пастернака, О.Я. Берга, В.В. Михайлова, В.И. Мурашева, Б.Г. Скрамтаева, С.М. Крылова, А.С. Залесова, Г.А. Гениева, Н.И. Карпенко, 
В.М. Бондаренко и многих других.
В настоящее время железобетонные конструкции находят широкое применение во многих отраслях, в том числе в гидротехническом и водохозяйственном строительстве. Из бетона и железобетона возводят плотины гидроузлов, водопропускные и водосбросные сооружения, шлюзы, тоннели, трубопроводы, резервуары, 
подпорные стены, здания ГЭС и насосных станций.

1.2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ЖЕЛЕЗОБЕТОНЕ

Железобетон — это строительный материал, который состоит 
из бетона и арматуры, работающих совместно при внешних силовых воздействиях.

В качестве арматуры могут быть использованы различные материалы. Арматурой могут быть стальные и композитные (полимерные) стержни, прокатные профили, тканевые материалы и др. 
В настоящее время в железобетоне преимущественно используется 
стальная арматура.
Бетон представляет собой искусственный камень, который хорошо работает при сжатии и в 10…20 раз хуже при растяжении. Арматура хорошо сопротивляется растяжению. Ввиду этого арматура 
при совместной работе с бетоном дополняет его и воспринимает 
растягивающие усилия, возникающие в железобетонных элементах 
при силовых воздействиях, препятствует их разрушению.
Роль арматуры в работе железобетонных конструкций можно 
оценить при рассмотрении работы под нагрузкой двух балок, показанных на рис. 1.1. Одна из балок сделана из бетона (см. рис. 1.1, а), 
другая балка имеет продольное армирование стальными стержнями, близко расположенными к нижней грани (см. рис. 1.1, б). 
При действии нагрузки в балках ниже нейтральной оси возникают 
растягивающие усилия. В бетонной балке уже при малой нагрузке 
у растянутой грани появятся трещины, которые приведут к ее разрушению. При этом прочность бетона в сжатой зоне будет использована не полностью. В связи с этим бетонные элементы не рекомендуется применять в конструкциях, предназначенных для работы на изгиб или растяжение, их используют преимущественно 
при работе на сжатие как, например, в сжатых колоннах.

1
1

а
2

б

в

N

N

F

F

Рис. 1.1. Схемы работы железобетонных элементов под нагрузкой:

а — бетонной балки при изгибе; б — железобетонной балки при изгибе; 
в — сжатая железобетонная колонна; 1 — растянутая арматура; 
2 — сжатая арматура

В балке, армированной продольной арматурой, образование 
первых трещин в растянутой зоне не приводит к разрушению, так 
как растягивающие усилия в трещинах берет на себя арматура, 

которая препятствует их развитию по высоте. Прочность армированной балки будет определяться появлением в наиболее напряженном сечении с трещиной предела текучести в арматуре, а также 
прочностью сжатой зоны бетона над трещиной. Разрушение армированной балки будет происходить при нагрузке в 10…20 раз 
большей, чем в случае неармированной бетонной балки. Аналогично арматура повышает несущую способность армированных 
колонн (см. рис. 1.1, в).
Совместная работа бетона и арматуры обеспечивается за счет 
следующих факторов:
 
• имеется сцепление арматуры с бетоном, которое зависит от вида 
поверхности арматурных стержней и возникает при твердении 
бетона;
 
• бетон и арматура имеют близкие по величине коэффициенты 
линейных температурных деформаций, которые для бетона составляют bt = (0,7…1)·105°C1, для арматуры, соответственно, 
st = 1,2·105°C–1. Ввиду этого при изменении температуры в железобетоне не возникают начальные напряжения;
 
• бетон защищает арматуру от коррозии, огня, механического повреждения.
В большинстве случаев для железобетонных конструкций допускается их работа с трещинами ограниченной ширины (0,1…0,4 мм), 
при которой обеспечивается сохранность арматуры от коррозии 
в период нормативного срока эксплуатации. Вместе с тем существуют сооружения, в которых при эксплуатации трещины не допускаются. Примерами таких сооружений могут служить напорные 
трубопроводы, цилиндрические резервуары для воды. Стенки этих 
сооружений работают при растягивающих усилиях от гидростатического и напорного давления воды, поэтому в них могут образовываться сквозные трещины и возможны значительные потери 
воды. Кроме того, в практике проектирования встречаются случаи, 
когда по условиям эксплуатации необходимо уменьшить расчетную 
ширину раскрытия трещин или увеличить жесткость изгибаемых 
железобетонных элементов. Для того чтобы добиться повышения 
трещиностойкости и жесткости, могут быть использованы предварительно напряженные конструкции, у которых зоны, растянутые 
под действием эксплуатационной нагрузки, подвергают предварительному обжатию арматурой.
Предварительное напряжение конструкций может быть выполнено натяжением арматуры: а) до бетонирования на упоры; 
б) на изготовленный ранее бетонный или железобетонный элемент 
(натяжение арматуры на бетон); в) физико-химическим способом.

Натяжение арматуры на упоры используется преимущественно 
в случаях, когда железобетонные элементы изготавливаются 
на железобетонных заводах. Через отверстия в стальной опалубочной форме пропускается арматура, закрепляется и натягивается 
на упоры (рис. 1.2). Упоры могут располагаться снаружи по отношению к опалубке или находиться непосредственно на форме. Затем 
опалубку заполняют бетонной смесью. Для ускорения процесса 
твердения бетона изготавливаемый элемент, как правило, пропаривают, за счет чего через 10…24 ч бетон набирает необходимую 
передаточную прочность (не менее 50% от проектной прочности 
бетона). После этого арматуру снимают с упоров, и она, стремясь 
укоротиться, сжимает железобетонный элемент. Передача сжимающих напряжений на бетон происходит благодаря совместной работе бетона и арматуры.

1
I
2

II

Рис. 1.2. Способ натяжения арматуры на упоры:

I — натяжение арматуры и бетонирование элемента; II — передача 
предварительного напряжения на железобетонный элемент; 1 — упор; 
2 — домкрат

Арматуру на упоры можно натягивать механическим или электротермическим способами, а также комбинацией этих способов. 
При механическом способе арматуру натягивают специальными 
механизмами — домкратами, арматурно-навивочными машинами 
и другими [34, с. 177]. При электротермическом способе арматуру закрепляют на упорах, пропускают через нее электрический ток и нагревают до 300…350°С. В результате нагрева арматура удлиняется 
и возникает излишек длины, который подтягивают. При остывании 
арматура стремится укоротиться, но упоры ее не пускают, и в ней 
возникают растягивающие усилия. При комбинированном способе 
натяжения арматуру вначале натягивают электротермическим способом, а затем дополнительно подтягивают домкратами.
В последнее время при изготовлении предварительно напряженных элементов при натяжении арматуры на упоры стала ис

пользоваться технологическая линия «Тэнсиланд» [48, с. 3], предназначенная для производства железобетонных элементов методом 
безопалубочного формования. Изготовление предварительно напряженных элементов с использованием линии «Тэнсиланд» происходит следующим образом. На бетонном поле, имеющем металлическое покрытие, имеется ряд дорожек для формовки изделий 
с рельсами для перемещения технологического оборудования. 
По всей длине дорожек механизмами раскладывается проволока, 
которая затем натягивается домкратами на упоры. С помощью 
мостового крана формовочная машина устанавливается в начале 
дорожки, затем, двигаясь, она подает вдоль дорожки бетон в виде 
бруса заданной формы. После того как бетон приобретет передаточную прочность, снимается натяжение проволок и бетонный брус 
нарезается на изделия необходимой длины машиной, имеющей 
нож в виде диска с алмазным напылением.
Способ натяжения арматуры на бетон в основном используется при строительстве железобетонных конструкций, возводимых 
непосредственно на строительной площадке. При натяжении 
арматуры на бетон возможны две модификации этого способа: 
при сцеплении предварительно напряженной арматуры с бетоном 
и без сцепления. В первом случае сначала изготавливают бетонный 
или слабо армированный элемент с каналами (рис. 1.3).

1
I

2
II

Рис. 1.3. Способ натяжения арматуры на бетон 
при сцеплении арматуры с бетоном:

I — элемент во время натяжения арматуры; II — готовый элемент; 
1 — домкрат; 2 — анкер

Каналы могут быть образованы специально заложенными 
до бетонирования трубками, например, из кровельного железа [33, 
с. 150], пластикового материала. При достижении бетоном требуемой передаточной прочности в каналы заводят пучки арматуры, 
которые натягивают на элемент с упором анкера натяжного приспособления на торец элемента и закрепляют. Арматурные пучки 

обжимают бетонный элемент. Для сцепления арматуры с бетоном 
через отверстия в анкерах в каналы нагнетают под давлением цементный или цементно-песчаный раствор. Этот способ создания 
предварительного натяжения имеет существенный недостаток: 
при возможном обрыве части предварительно напряженной арматуры внутри каналов в процессе эксплуатации, например, вследствие ее коррозии, нельзя произвести ремонт конструкции. Ввиду 
этого описанный выше способ натяжения арматуры на бетон в настоящее время в строительстве практически не применяют.
Способ натяжения арматуры на бетон при сцеплении ее с бетоном 
используется также в случае натяжения арматуры на поверхность 
круглых бетонных конструкций, например, труб, цилиндрических 
резервуаров для воды [45, с. 84], других круглых емкостей. Напряжение арматуры в этом случае может быть выполнено механическим 
способом при ее навивке на конструкцию с одновременным обжатием специальными арматурно-навивочными машинами (рис. 1.4).

Навиваемая 
арматура

Звеньевая 
цепь

Рис. 1.4. Обжатие стен круглых емкостей арматурно-навивочными машинами

При натяжении арматуры на бетон цилиндрических емкостей 
может быть использован и электротермический способ, когда 
по поверхности конструкции располагают отдельные кольца арматуры. Каждое кольцо составляют из 2...4 отдельных стержней, 
к концам которых встык приваривают короткие стержни, называемые коротышами (рис. 1.5). Один из коротышей сваркой соединяется с анкерным упором, закрепленным на стене сооружения. 
Второй коротыш завинчивается в анкерный упор другого стержня, 
образующего кольцо, и закрепляется на нем гайкой.
При пропуске электрического тока и удлинении стержня вследствие нагрева производят дополнительное завинчивание гаек, 
за счет чего при остывании в кольце создается предварительное напряжение. После натяжения арматуры на поверхность конструкции 
наносят торкретированием защитный слой бетона.