БИТРУБОБЕТОННАЯ БАЛКА
DOUBLE-PIPE-CONCRETE BEAM

Изобретение относится к области строительства, а именно к предварительно напряженным элементам пролетных строений малых и средних мостов, а также к строительным конструкционным элементам общего назначения.
Из уровня техники известен «Трубобетонный преднапряженный элемент с веерным армированием» (патент РФ №2167985), в котором элемент состоит из наружной оболочки металлической трубы, бетонного ядра, выполненного из напрягающего бетона, и размещенного в нем сердечника, представляющего собой высокопрочные арматурные стержни периодического профиля, расходящиеся веером от середины к концам оболочки и жестко закрепленные в ее отверстиях с помощью дуговой сварки.
Недостатком аналога является то, что предложенная трубобетонная конструкция работает только на внецентренное сжатие (как в колоннах и в стойках), но не может работать на изгиб в качестве балки пролетных строений мостов и строительных элементов в виде перекрытий.
Близким аналогом заявляемому изобретению является трубобетонная предварительно напряженная балка, содержащая оболочку в виде трубы и железобетонное ядро с армирующими элементами, в которой поперечное сечение ядра содержит два сегмента, при этом первый из них имеет бетонное наполнение, а второй - бетонное наполнение и предварительно растянутые армирующие элементы, расположенные продольно и обеспечивающие в ненагруженной балке напряжения сжатия бетонного ядра с максимальными значениями, исходя из прочности бетона на сжатие в этом сегменте и максимальными напряжениями растяжения из условия отсутствия трещинообразования в бетоне в первом сегменте при рабочих нагрузках на балку, направленных от первого ко второму сегменту ядра (патент РФ №2632796).
Недостатком аналога является наличие одного неразделенного бетонного ядра. Такая балка представляет собой из-за наличия только одной трубы, заполненной бетоном, по сути монотрубобетонную предварительно напряженную балку (монотрубобетонную балку - МТБ). При такой конструкции балки значительная часть ее бетонного ядра, через которое проходит нейтральная ось (н.о.), не работает, что снижает нагрузочную способность балки, а в целом грузоподъемность, например от транспортной нагрузки.
Задача изобретения заключается в обеспечении повышения несущей способности балки.
Технический результат заключается в повышении несущей способности балки.
Технический результат достигается реализацией следующих основных признаков изобретения: битрубобетонная балка (БТБ), содержащая металлическую оболочку в виде трубы и бетонное ядро с армирующими элементами, отличающаяся тем, что она разделена на две трубобетонные части, соединенные жестко между собой решеткой или стенкой.
Кроме того:
- нижнее бетонное ядро преднапряжено арматурой или арматурным тросом до допустимого предела сжатия бетона;
- одно бетонные ядро или оба бетонных ядра армированы металлической или неметаллической фиброй;
- трубы выполнены разного диаметра и (или) переменного сечения по длине;
- трубы соединены швеллером.
Сущность изобретения состоит в использовании разделения балки на две трубы, заполненные бетоном, которые соединены между собой, например решетками как в ферме (треугольной, раскосной, крестовой, ромбической и др.), или сплошной листовой стенкой как в двутавре.
На фиг. 1 изображен поперечный разрез битрубобетонной балки (БТБ).
1
2
Балка состоит из верхней трубы 1 диаметром d с бетонным ядром 2, нижней трубы 3 диаметром d с преднапряженным бетонным ядром 4 с арматурой (или арматурными тросами) 5. Трубы жестко соединены между собой, например стенкой 6.
1
2
По аналогии с двутавром БТБ имеет высоту Н и стенку 6. Также по аналогии с двутавром обозначим верхнюю трубу 1 условно как «верхняя полка БТБ», а нижнюю трубу 3 как «нижняя полка БТБ». На фиг. 1 н.о. - нейтральная ось БТБ, h и h - расстояние от н.о. до центра тяжести верхней и нижней полок БТБ.
Сравним несущую способность монотрубной предварительно напряженной балки по патенту РФ №2632796 (аналог) с предлагаемой БТБ. Известно, что допускаемое нормальное напряжение σ определяет несущую способность бетонного ядра трубобетонной балки, работающей на изгиб, при этом нормальные напряжения изгиба определяются соотношением:
где Wx - момент сопротивления изгибу (осевой момент);
изг
М - изгибающий момент от поперечной, в нашем случае, транспортной нагрузки.
изг
Тогда при равном значении σ несущая способность балки (в качестве которой примем М) будет возрастать с увеличением Wx, т.к.:
изг
М=Wx⋅σ.
1
2
1
2
Поэтому в первом приближении оценим нагрузочную способность предлагаемой БТБ в сравнении с аналогом по моменту сопротивления изгибу Wx. В качестве расчетной схемы примем сечение БТБ как на фиг. 1, при d=d=d, h=h=h. Для сравнения предлагаемой балки с балкой-аналогом, у которой диаметр D, примем площадь двух бетонных ядер БТБ диаметрами d одинаковой с площадью ядра монотрубной предварительно напряженной балки. Тогда d=0,7D.
Осевой момент инерции относительно нейтральной оси (н.о.) БТБ (фиг. 1):
2
Jx=2(J'x+F⋅h),
где J'x - осевой момент инерции одного бетонного ядра («полки БТБ»);
F - площадь сечения бетонного ядра («полки БТБ»).Окончательно:
Момент сопротивления изгибу БТБ, учитывая (1):
Момент сопротивления монотрубной балки, учитывая что :
3
3
W'x=0,1 D=0,29d.
Для оценки повышения нагрузочной способности БТБ (без учета стенки 6 на фиг. 1) в сравнении с монотрубной предварительно напряженной балкой (МТБ) вводится коэффициент повышения нагрузочной способности в виде отношения моментов сопротивления изгибу:
Для примера примем реальные размеры труб: d=420 мм и D=600 мм. Увеличение коэффициента нагрузочной способности с увеличением высоты Н БТБ показано в таблице:
Из таблицы видно, что для разумных размеров БТБ, например Н=1600 мм, нагрузочная способность БТБ превышает нагрузочную способность монотрубной предварительно напряженной балки (МТБ) с одинаковыми площадями бетонных ядер в 5,8 раз. Другими словами, при одинаковой допустимой транспортной нагрузке и равной длине балок, балка БТБ будет иметь вес не меньше чем в 5,8 раз в сравнении с однотрубной трубобетонной балкой. При более точных расчетах следует учитывать работу бетонного ядра по всему сечению, при этом в балке Парышева работает все сечения обоих ядер т.к. н.о. проходит вне этих ядер. В прототипе работает только часть бетонного ядра из-за того, что н.о. проходит через центр сечения ядра. В связи с последним обстоятельстом дополнительно усиливаются преимущества предлагаемой битрубобетонной балки в сравнении с прототипом.