АРМАТУРНЫЙ КАРКАС ДЛЯ МНОГОПРОЛЕТНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОК
REINFORCING CAGE FOR MULTISPAN REINFORCED CONCRETE BEAMS

Изобретение относится к строительным конструкциям, в частности к плоским арматурным каркасам - сварным сеткам, используемым в производстве и изготовлении многопролетных железобетонных балок и при их усилении.
макс
мин
Известен плоский арматурный каркас для армирования железобетонных элементов с перпендикулярным расположением продольных и поперечных стержней, образующих прямоугольный контур. Диаметры продольных рабочих стержней d=(10-40) мм, монтажных стержней d=(10-25) мм, поперечных стержней d=(3-12) мм. Шаг поперечных стержней принимается кратным 50 мм или 100 мм. Максимальный шаг поперечных стержней u=600 мм. Поперечный стержень крепится к продольным точками сварки в количестве от 2 до 8. Наименьший шаг поперечных стержней u=50 мм. Размер концевых выпусков для стержней принять не менее 20 мм. Руководство по конструированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона (без преднапряжения). - М.: Стройиздат, 1978, с. 13-17, рисунок 5 (фигуры е, ж); / [1].
К основным причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, относится то, что при производстве известного арматурного каркаса затрачивается большое количество электроэнергии и расходных материалов, как при частой резке стержней, так и при сварочных работах в силу большого количества точек сварки поперечных стержней к продольным. Также расположение поперечных стержней под углом в 90 градусов к продольной оси элемента приводит к снижению прочности наклонных сечений в приопорных зонах балки.
Также известен арматурный каркас для однопролетных балок, состоящий из продольных стержней и зигзагообразного поперечного стержня по всей длине каркаса. Диаметры продольных рабочих стержней d=(6-40) мм, монтажных стержней dм≥0.5d мм, где d - диаметр продольного стержня, поперечного зигзагообразного стержня d=(3-12) мм. Шаг поперечных стержней принимается кратным 50 мм или 100 мм. Значение шага варьируется от (1/3÷1/4)*h, где h - высота балки. Поперечный стержень крепится к продольным точками сварки в количестве от 1 до 2. /Патент RU №2388876, МПК Е04С 5/06. Способ изготовления арматурного каркаса для железобетонных элементов / Н.А. Ильин, П.Н. Славкин, А.П. Шепелев, заявл. 08.07.2008, опубл. 10.05.2010. Бюл. №13/ [2].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, относится: повышенная трудоемкость при изготовлении арматурного каркаса и металлоемкость в месте узла внутренней опоры балки, а также низкая прочность наклонных сечений.
Известен пространственный арматурный каркас для железобетонных элементов, состоящий из плоских, узких, легких и тяжелых товарных сеток с прямоугольным контуром, содержащий взаимно перпендикулярные продольные и поперечные стержни арматуры. /Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелых и легких бетонов без преднапряжения арматуры. - М.: ЦИТП Госстроя, 1986; (с. 148-151: Плоские сварные сетки, таблица 40); / [3], - принят за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, относится то, что при изготовлении известного арматурного каркаса требуется большое количество стержней, образующих каркас, большое количество трудо-часов и энергоресурсов, особенно при производстве сварочных работ, поскольку каждый поперечный стержень приваривается к продольным не менее чем в двух точках (для сеток 2-го типа количество точек сварки увеличивается с 2 до 8). Также для обеспечения большей силы зацепления гладкой арматуры с бетоном производится устройство отгибов и крюков на концах продольной арматуры, что увеличивает сроки производства каркаса и его материалоемкость.
Сущность изобретения заключается в повышении качества многопролетных железобетонных балок и в повышении экономической эффективности при изготовлении арматурных каркасов для этих балок.
Технический результат - повышение прочности, трещиностойкости и долговечности многопролетных железобетонных балок, увеличение прочности наклонных сечений в приопорных зонах многопролетных балок, а также снижение трудоемкости, энергоемкости и материалоемкости при изготовлении арматурных каркасов для многопролетных железобетонных балок.
Технический результат достигается тем, что в известном арматурном каркасе для железобетонных балок с прямоугольным контуром, содержащем грани из плоских каркасов, выполненных из взаимно перпендикулярных, жестко закрепленных продольных и поперечных стержней арматуры, особенность заключается в том, что он изготовлен с возможностью восприятия повышенной нагрузки и предназначен для многопролетных железобетонных балок с промежуточными опорами, при этом плоские каркасы боковых граней имеют цельную по всей длине пролета конструкции зигзагообразную поперечную арматуру с определенным шагом и наклоном ветвей, образованных в результате навивки стержня арматуры на выступающие концы поперечных стержней арматуры верхних и нижних плоских каркасов. Направление наклона и его угол, а также длина и шаг ветвей зигзагообразной поперечной арматуры заданы исходя из расчета железобетонной балки на прочность по наклонному сечению согласно требованиям нормативных документов. Зигзагообразная поперечная арматура на концах имеет загибы в 180°.
Зигзагообразная поперечная арматура имеет отгибы ветвей под углом 90° и далее от 45°до 60° к продольной оси балки, а в зоне опирания многопролетной балки на промежуточную опору - горизонтальный отгиб. Ветви зигзагообразной поперечной арматуры зеркально меняют направление наклона относительно вертикальной оси промежуточной опоры многопролетной железобетонной балки. Для изготовления зигзагообразной поперечной арматуры могут быть использованы стержни периодического профиля классов: А300, А400, А400С, А500, А500С. Поперечные стержни арматуры верхних и нижних плоских каркасов прикреплены к продольным стержням вязальной проволокой или сваркой. В зависимости от нагрузки арматурный каркас имеет три или более плоских каркасов с зигзагообразной поперечной арматурой, два из которых расположены по бокам, образуя боковые грани арматурного каркаса, а остальные - равномерно между ними.
Зигзагообразная поперечная арматура на концах имеет отгибы стержней под углом в 180 градусов для лучшей фиксации в плоскости грани балки. Зигзагообразная поперечная арматура для лучшего восприятия усилий имеет наклонные ветви в пролете среза. Шаг загибов ветвей равен шагу горизонтальной поперечной арматуры верхнего и нижнего плоского каркаса и может быть как увеличен, так и уменьшен. Вне пролета среза при меньших значениях влияния поперечной силы зигзагообразная поперечная арматура увеличивает шаг наклонных ветвей для экономии материала. Установка зигзагообразной поперечной арматуры отличается быстротой за счет навивки его на заранее подготовленные выпуски поперечных стержней арматуры верхнего и нижнего плоских каркасов. Крепление зигзагообразной поперечной арматуры может быть, как сваркой, так и вязальной проволокой. Изготовление зигзагообразной поперечной арматуры производится в качестве отправочной марки длиной, равной сумме половин соседних пролетов балки. Для изготовления зигзагообразной поперечной арматуры используется сталь гладкого профиля диаметром от 6 до 40 мм, класса А240, а также периодического профиля, классов A300, А400, А400С, А500, А500С, что улучшает его технологическую эффективность. Наклонные ветви зигзагообразной поперечной арматуры имеют противоположное направление наклона навивки, которое зеркально меняется относительно вертикальной оси промежуточной опоры балки в центре пролета. Крайние наклонные ветви выполнены с отгибами под углом в диапазоне от 45° до 60° к продольной оси балки, в зависимости от шага точек навивки на выпуски поперечных арматурных стержней верхних и нижних плоских каркасов длиной, равной не менее 3d4, что не должно нарушать защитный слой арматуры в бетоне. Защитный слой бетона в арматуре, а также диаметр перегибов равный диаметру оправки, устанавливаются согласно нормам проектирования железобетонных конструкций. Зигзагообразная поперечная арматура, выполненная в виде наклонных ветвей, под углом к продольной оси α=(45±20) град, и β=(45±10) град, имеет требуемый шаг по длине U=(1/3-1/4)h, мм.
Кроме того, особенностью зигзагообразной поперечной арматуры является то, что длина арматуры может быть произвольной, стыковка ее производится в центральном сечении пролета, где минимально влияние перерезывающей силы. При изготовлении предлагаемую зигзагообразную поперечную арматуру можно как навивать на горизонтально установленные поперечные стержни верхнего и нижнего плоских каркасов, навивать на продольные рабочие стержни арматурного каркаса, так и приваривать к ним через точки сварки в количестве не более одной в одной вершине перегиба.
Изобретение поясняется чертежами. На чертежах представлено:
На фиг. 1 показан фрагмент продольного разреза многопролетной железобетонной балки на промежуточной опоре с зигзагообразной поперечной арматурой, где приняты следующие обозначения:
1
1 - поперечная верхняя арматура d, мм;
2
2 - поперечная нижняя арматура d, мм;
3
3 - продольная рабочая арматура d, мм;
4 - зигзагообразная поперечная арматура;
5 - промежуточная опора балки;
С - пролет среза, мм;
Q - поперечная сила, действующая на промежуточной опоре, кН;
F - сосредоточенная нагрузка на изгибаемую железобетонную балку около приопорной зоны, кН;
h - высота балки, мм;
L - длина пролета балки, мм.
На фиг. 2 изображено поперечное сечение многопролетной железобетонной балки с тремя плоскими каркасами с зигзагообразной поперечной арматурой, установленными в центре и у двух боковых граней сечения, где приняты следующие обозначения:
1
1 - поперечная верхняя арматура d, мм;
2
2 - поперечная нижняя арматура d, мм;
3
3 - продольная рабочая арматура d, мм;
4 - зигзагообразная поперечная арматура.
На фиг. 3 изображен верхний плоский каркас арматурного каркаса, где приняты следующие обозначения:
1
1 - поперечная верхняя арматура d, мм;
3
3 - продольная рабочая арматура d, мм;
U - шаг горизонтальной поперечной арматуры, мм.
На фиг. 4 изображена зигзагообразная поперечная арматура, где приняты следующие обозначения:
α - угол наклона ветвей зигзагообразной поперечной арматуры при учащенном шаге в пролете среза, град;
β - угол наклона ветвей зигзагообразной поперечной арматуры при уряженном шаге вне пролета среза, град;
R1 - радиус оправки ветви зигзагообразной поперечной арматуры вокруг поперечных стержней верхнего или нижнего плоских каркасов в пролете среза, мм;
R2 - радиус оправки ветви зигзагообразной поперечной арматуры вокруг поперечных стержней верхнего или нижнего плоских каркасов вне пролета среза, мм;
L1, L2 - длины ветвей зигзагообразной поперечной арматуры в пролете среза и вне, соответственно, мм.
На фиг. 5 изображена расчетная конечно-элементная модель многопролетной железобетонной балки с применением зигзагообразной поперечной арматуры для пространственного арматурного каркаса с наклонными ветвями, расположенными под углом α и β, град к продольной оси балки, где приняты следующие обозначения:
3
3 - продольная рабочая арматура d, мм;
4 - зигзагообразная поперечная арматура;
С - пролет среза, мм;
где желтым цветом показано изополе главных растягивающих напряжений, а синим - изополе главных сжимающих напряжений.
На фиг. 6 изображена расчетная конечно-элементная модель железобетонной балки - прототипа с применением плоской сетки для пространственного арматурного каркаса с перпендикулярными продольными и поперечными арматурными стержнями, где приняты следующие обозначения:
3
3 - продольная рабочая арматура d, мм;
4
6 - рабочая поперечная арматура d, мм;
С - пролет среза, мм;
где желтым цветом показано изополе главных растягивающих напряжений, а синим - изополе главных сжимающих напряжений.
Арматурный каркас для многопролетных железобетонных балок с прямоугольным контуром состоит из плоских каркасов, выполненных из взаимно перпендикулярных, жестко закрепленных продольных рабочих арматур 3 и стержней поперечной верхней арматуры 1, и стержней поперечной нижней арматуры 2, образующих верхнюю и нижнюю грани арматурного каркаса, а также из зигзагообразных поперечных арматур 4, образующих боковые грани арматурного каркаса, которые получены путем навивки арматурного стержня на стержни поперечной верхней арматуры 1 и поперечной нижней арматуры 2, которые в свою очередь крепятся к стержням продольной рабочей арматуры 3.
Арматурный каркас для многопролетных железобетонных балок изготавливают из гладких арматурных стержней класса А240, а также стержней периодического профиля классов А300, А400, А400С, А500, А500С. Место огибания зигзагообразной поперечной арматурой горизонтальных стержней поперечной верхней и нижней арматуры плоских каркасов свариваются одной точкой сварки либо связывается вязальной проволокой. Сборка арматурного каркаса может производиться как отдельно от опалубочной формы, так и непосредственно в ней. Сборка начинается с установки в проектное положение, с помощью временных монтажных стержней, поперечных стержней арматуры верхнего и нижнего плоских каркасов, с последующим жестким закреплением к ним продольных рабочих арматурных стержней. После чего производится навивка зигзагообразной поперечной арматуры на стержни поперечной верхней и нижней арматуры плоских каркасов. Расположение арматурного каркаса в опалубочной форме фиксируется специальными пластиковыми прокладками, которые формируют при бетонировании защитный слой арматуры в бетоне по контуру сечения, по всей длине балки. Каждая многопролетная железобетонная балка может иметь в себе от двух и более плоских каркасов с зигзагообразной поперечной арматурой, установленных на расстоянии не менее 50 мм друг от друга по ширине балки. Их количество зависит от результатов расчета балки на прочность. Установка двух зигзагообразных поперечных арматур применяется в слабонагруженных балках, не подверженных усилиям кручения. При больших нагрузках на балку, исходя из расчетов на прочность, производится установка от трех и более зигзагообразных поперечных арматур, для восприятия кроме перерезывающих усилий, дополнительно усилия от кручения.
Нами был произведен плоский расчет прочности наклонного сечения железобетонной балки с известным плоским прямоугольным арматурным каркасом - прототипа, который сравнивался с плоским расчетом прочности наклонного сечения многопролетной железобетонной балки, изготовленной по предлагаемому техническому решению с установлением в арматурный каркас зигзагообразной поперечной арматуры. Результаты расчета показаны на фигурах 5 и 6.
Расчет балки, произведенный методом конечных элементов в программном комплексе «Лира-САПР 2013», изготовленной с использованием зигзагообразной поперечной арматуры по предложенному изобретению показал, что средние значения главных напряжений растяжения в зоне пролета среза С составляют в пределах от 0,87 до 0,92 от предельных главных напряжений (см. фигуру 5), а для балки, изготовленной с использованием известного арматурного каркаса – прототипа, средние значения главных напряжений растяжения в зоне пролета среза С составляют 1,1 от предельных главных напряжений (см. фигуру 6). Данные значения взяты среднеквадратичными с цветных изополей главных напряжений, изображенных на фигурах 5 и 6, где желтым цветом обозначено изополе главных растягивающих напряжений, а синим цветом - изополе главных сжимающих напряжений. Прочность наклонного сечения балки, изготовленной по предложенному варианту, за счет создания каркаса с использованием зигзагообразной перечной арматуры, повышается примерно на 10-13%.
Таким образом, использование предложенного арматурного каркаса с зигзагообразной поперечной арматурой при изготовлении многопролетной железобетонной балки повышает прочность конструкции в приопорной зоне, делает процесс изготовления многопролетной железобетонной балки более технологичным, быстрым и с меньшими энерго-, материало- и трудоемкостью.
Источники информации
1. Руководство по конструированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона (без преднапряжения). - М.: Стройиздат, 1978. с. 14, рис. 5 (фиг. е, ж).
2. Патент RU №2388876, МПК Е04С 5/06. Способ изготовления арматурного каркаса для железобетонных элементов / Н.А. Ильин, П.Н. Славкин, А.П. Шепелев, заявл. 08.07.2008, опубл. 10.05.2010. Бюл. №13/.
3. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелых и легких бетонов без преднапряжения арматуры. – М.: ЦИТП Госстроя, 1986 (с. 148-151. Плоские сварные сетки, табл. 40).