Жёсткое зубчатое соединение двухветвевых колонн с фундаментами
RIGID TOOTHED JOINT OF TWO-BRANCH COLUMNS WITH FOUNDATIONS

Предлагаемое изобретение относится к конструированию и изготовлению стальных колонн строительных конструкций и их надежных, жестких, анкерных, узловых соединений с фундаментами.
В настоящее время соединение стальных колонн с фундаментами выполняются при помощи металлоемких громоздких, стальных баз высотой до 1,5…1,6 м, соединенных с железобетонными фундаментами анкерными болтами диаметром до 80…100 мм. Анкерные болты снабжены плитами толщиной 45…60 мм [1, с. 170, рис. 8.30]. В [1, с. 156, рис. 8.11] показан каркас кислородно-конвертерного цеха.
Базы колонн изготавливают с использованием ручной электросварки. При выполнении сварки в зимнее время в плохих погодных условиях надежность и качество соединений резко снижаются, а производительность труда падает. Соединения с использованием ручной сварки не технологичны. Конструкции баз громоздки, поэтому их заглубляют ниже нулевой отметки, что увеличивает металлоемкость, так как длину каждой колонны увеличивают на 1,5…1,6 м. Рихтовка колонн по высоте с громоздкими базами, при опасных осадках фундаментов, исключена.
Соединения колонн с фундаментами с помощью, так называемых узлов «стаканного типа» [2, с. 450, рис. 364], [3, с. 445, рис. 163] устарели и ненадежны. Рихтовка проектного положения при таких фундаментах не производится.
В зимнее время при заполнении «стаканов» водой происходят опасные разрывы бетонных фундаментов. Известен «Способ жесткого соединения самонапрягающейся сталебетонной колонны, не имеющей базы, с железобетонным фундаментом. Способ жесткого соединения горячекатаной арматуры периодического профиля с фундаментами предложен Неждановым К.К. и разработан с аспирантами [5, RU №2581063].
Накатку рифтов на внешней поверхности арматуры выполняют в горячем состоянии на прокатном стане косой поперечной накаткой по винтовой спирали, однозаходной или многозаходной. Профиль рифов прокатывают плавно по синусоиде. Примем этот патент за прототип [5].
Преимущества винтовой арматуры [6] неоспоримы, так как она легко соединяется в продольном направлении винтовыми муфтами, которые аналогичны водопроводным муфтам (гайкам). Прокат такой арматуры высокопроизводителен.
Известны зубчатые стальные рейки (шлицевые соединения), широко применяемые в машиностроении, которые прокатывают высокопроизводительной продольной прокаткой [7, БЭС, с. 1375]. Зубчатые стальные рейки обеспечивают надежные равнопрочные соединения стальных конструкций. Известен патент RU №2228405 [4], примем его за аналог.
Техническая задача изобретения - разработка надежного технологичного способа жестких соединений стальных колонн с железобетонными фундаментами быстроразъемными зубчатыми стальными рейками, обеспечивающими рихтовку колонн по высоте и снижение трудоемкости монтажа и металлоемкости баз колонн в соответствии с ГОСТ 27751-2014 «Надежность строительных конструкций и оснований» [10].
Техническая задача по способу жесткого соединения каждой стальной колонны с железобетонным фундаментом решена - путем плотного смыкания зубьев зубчатых анкерных длинных реек-фиксаторов с ответными зубьями коротких анкерных реек.
Анкерные рейки имеют такой же профиль рельефа по синусоиде и плотное смыкание их друг с другом. Задача решена в следующей технологической последовательности.
Ленты для зубчатых реек отливают непрерывным литьем из расплава высокопрочной, легированной, хромистой, нержавеющей стали [8] (40Х «Селект»).
Площадь поперечного сечения каждой ленты на 10…12% больше площади сечения зубчатых анкерных реек. Ленты непрерывно-литых заготовок отливают способом непрерывного литья из стали 40Х «Селект».
Охлаждают непрерывно-литые ленты до температуры пластического состояния (950…1050°С) горячего проката и рольгангами подают в клеть продольного проката прокатного стана.
В клети стана продольно обкатывают «пластичную ленту (950…1050°С) системой валков и выдавливают в ней зубчатые рифы гребней и впадин с плавными, закругленными по синусоиде, впадинами и зубьями и получают зубчатые рейки.
Механизировано режут длинные зубчатые рейки на стандартные реши-анкеры длиной 2200…2600 мм. Механизировано удаляют заусенцы, получают готовые зубчатые рейки-анкеры и комплектуют их парами. Аналогично комплектуют и зубчатые рейки-фиксаторы 2 длиной 500…600 мм.
Также готовят прямоугольные гладкие прижимные пластины 4 из полосовой стали шириной, равной ширине полок двутавровых профилей, а длиной по 500…600 мм. В прижимных пластинах 4 вдоль длинных сторон сверлят отверстия (по 6…8 шт.) для фрикционных шпилек 5. Прижимные пластины используют как шаблоны для сверления отверстий 3 в полках колонн из стандартных двутавровых профилей 1.
В зубчатых рейках-фиксаторах отверстий нет (их приваривают к полкам каждой колонны зубьями наружу). На автоматизированной поточной линии сверлят отверстия 3 в полках ветвей колонн из стандартных двутавровых профилей 1.
К полкам ветвей колонн из двутавровых профилей 1 приваривают зубчатые рейки-фиксаторы 2. Зубчатые рейки и фрикционные шпильки 5 изготавливают из стали марки «40Х Селект» [8, 9].
Кр
Гайки 6 на фрикционных шпильках 5 затягивают механизировано гайковертом расчетным крутящим моментом М.
Образуют сдвигоустойчивые быстроразъемные соединения зубчатых реек-анкеров 4 с полками ветвей колонны 1 с помощью реек-фиксаторов 2.
Зубчатые рейки 4 прокатывают на прокатных станах. Рифы зубчатых реек (гребни и впадины) имеют плавный рельеф, например, по синусоиде (по аналогии с рельефом арматуры периодического профиля, имеющей профиль зубьев по синусоиде, винтовой спирали, правой или левой) [7, с. 1375].
В теле колонны также прошивают отверстия 3 для фрикционных шпилек, используя гладкие прямоугольные пластины 2 из полосовой стали длиной 500…600 мм как шаблоны. Согласно отверстиям 3 в этих гладких пластинах образуем отверстия 3 в полках ветвей колонны 1. К полкам каждой из ветвей колонны соосно с полками привариваем по контуру короткие зубчатые рейки-фиксаторы 2 зубьями наружу.
Зубчатые рейки-анкеры 4 длиной 2200…2600 мм неподвижно прикрепляем к рейкам-фиксаторам 2, совмещая их зубьями и фиксируя их положение на полках фрикционными высокоресурсными шпильками 5. Рейки-анкеры 4 выступают вниз точно до проектных отметок. Колонна готова к транспортировке ж/д транспортом на строящийся объект.
Процесс монтажа начинаем с бетонирования железобетонной плиты толщиной 200…300 мм. Монтаж каждой стальной колонны осуществляем безвыверочно по высоте, монтируя ее точно на пересечении осей сооружения с контролем совпадения центра тяжести колонны с пересечением осей с помощью лазерных нивелиров.
Затем производим аккуратное бетонирование нижнего слоя фундамента и фиксируем анкерные зубчатые рейки-анкеры 4 в проектном положении, как в плане, так и по высоте.
Вертикальность колонны проверяем теодолитом. Пока бетон не затвердел, имеется возможность корректировать вертикальность монтируемой колонны. Фиксируем колонну в проектном положении вертикальными связями. Аналогично монтируем четыре колонны по центру каркаса, соединяем их друг с другом вертикальными связями и распорками. Монтируем съемную стальную опалубку фундамента. Заполняем ее самонапрягающимся, расширяющимся бетоном, закачивая его по бетонопроводам бетононасосом [6, БЭС, с. 1055]. Бетон, при схватывании, в теле стальной опалубки расширяется.
Стальная обойма препятствует расширению, за счет чего бетон самонапрягается, пустот не образуется и возникновение усадочных трещин исключается. В результате получается жесткое соединение стальной колонны с зубчатыми рейками-анкерами 4 с железобетонным фундаментом.
Вертикальные опорные реакции от каждой из колонн передаются на фундаменты через рейки-анкеры 4, присоединенные к стальным колоннам. Рейки-анкеры 4 замоноличены в фундаменте, они фиксируют колонну точно на проектных точках. Однако, фрикционные соединения с зубчатыми рейками-анкерами 4 позволяют восстанавливать проектное положение колонн по высоте.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показан вид на анкерное крепление колонны сверху (план). Номера позиций следующие: 1 - двутавровый профиль; 2 - рейка-фиксатор зубцами к нам; 3 - отверстия для фрикционных шпилек; 4 - зубчатая рейка-анкер длиной 2200…2600 мм; 5 - фрикционные шпильки из стали 40Х-«Селект»; 6 - гайки; 7 - шайбы.
На Фиг. 2 показан вид сбоку на короткую, зубчатую рейку-фиксатор зубцами к нам, приваренную по контуру расчетным швом. На Фиг. 3 показан узел А в разрезе (видны полка двутаврового профиля с отверстием, короткая зубчатая рейка-фиксатор, приваренная по контуру расчетным швом к полке двутаврового профиля.
Кр
Видны: длинная зубчатая рейка-анкер ряд фрикционных шпилек с гайками и шайбами. Гайки 6 на шпильках 5 затянуты расчетным крутящим моментом М.
Кр
На Фиг. 4 показан узел А (вид сбоку) анкерного зацепления зубьев пары реек-анкеров 4 (зубьями внутрь) с зубьями пары коротких зубчатых реек-фиксаторов 2 приваренных к полкам колонны 1 зубьями наружу, а также фрикционные шпильки 5 (слева и справа) с гайками 6 и шайбами 7. Под колонной базальтовая плита. Гайки 6 на шпильках 5 затянуты расчетным крутящим моментом М.
Экономический эффект возникает из-за следующего:
1. Снижается трудоемкость изготовления в результате автоматизации проката зубчатых реек на прокатном стане;
2. Соединения стальных двухветвевых колонн с фундаментами при помощи зубчатых реек-анкеров, надежных, высокотехнологичных при изготовлении конструкций и монтаже колонн.
3. Снижается металлоемкость и трудоемкость изготовления и монтажа конструкций, повышается коррозиостойкость за счет хромистых легирующих добавок и обеспечивается безопасная эксплуатация объектов максимального уровня надежности ТЭЦ [9, ГОСТ 27751-2014] в течение 100 лет.
4. При возникновении неравномерных осадок фундаментов легко восстанавливается их первоначальное проектное положение.
Список литературы
1. Металлические конструкции / Под ред. Н.П. Мельникова. - 2-е изд - М.: Стройиздат, 1980. - 776 с - (Справочник проектировщика).
2. Сахновский К.В. Железобетонные конструкции. Учебник для инженерно-строительных вузов - Стройиздат, Москва - 1951 - Ленинград, 680 с.
3. Железобетонные и каменные конструкции: Учебник для строительных специальностей вузов / В.М. Бондаренко, В.Г. Назаренко, В.И. Римшин; под редакцией В.М. Бондаренко - М., Высш. шк., 2007, 887 с.
4. RU №2228405. Нежданов К.К, Туманов В.А. Нежданов А.К Анкерное устройство. С2. Е02D 27/50, Е04В 1/38. Бюл №.13. Зарег. 10.05.2004. Прототип.
5. Прототип RU №2581063 Нежданов К.К., Антонов С.А. «Способ жесткого соединения самонапрягающейся сталебетонной колонны, не имеющей базы, с железобетонным фундаментом. Заявка №2014 134258 20 августа 2014 г. Опубликовано 10.04.2016 Бюл. №10. Е04В 1/21.
6. RU №2467075. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Артюшин Д.В. Способ проката горячекатаной арматуры периодического профиля. С2, МПК C21D 8/08 (2006.01), В21Н 1/18 (2006.01), Е04С 5/03 (2006.01). Опубликовано: 20.11.2012 Бюл. №32.
7. Большой энциклопедический словарь. (БЭС). Главный редактор A.M. Прохоров. НАУЧНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО «БОЛЬШАЯ РОССИЙСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ» М. 1998. С. 1456.
8. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции / Госстрой СССР. - М. ЦИТП Госстроя СССР, 1990 - 96 с.
9. СП 16.13330.2011 Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81* (с Изменением N 1)
10. ГОСТ 27751-2014 «Надежность строительных конструкций и оснований», Москва, Стандартинформ. 2015.
11. Сахновский М.М. Справочник конструктора строительных сварных конструкций. - Днепропетровск: Промiнь, 1975 - 273 с.
12. RU 2477773. Нежданов К.К., Саранцева К.В., Клочков Е.В. Способ изготовления трубобетонных элементов двухветвевой стальной колонны. С1. МПК Е04С 3/30 (2006.01). Бюл. №23. Опубликовано: 20.03.2013 Бюл. №8.
13. Железобетонные конструкции. Общий курс / В.Н. Байков, Э.Е. Сигалов - Стройиздат, М, 1991, с. 767 с.