Устройство для анкеровки композитной арматуры
DEVICE FOR ANCHORING COMPOSITE REINFORCEMENT

Изобретение относится к области строительства, а именно к оборудованию для производства предварительно напряженных строительных конструкций, в частности к устройствам для анкеровки концов композитной арматуры, используемой при армировании строительных конструкций с целью создания предварительного напряжения, противоположного по знаку напряжениям от внешней нагрузки.
Известны конструктивные решения устройств для анкеровки композитной арматуры, например стеклопластиковой, базальтопластиковой арматуры, используемых при армировании строительных конструкций (см., например, SU 435337 A1, 05.07.1974; SU 545733 А1, 05.08.77; SU 669031 А1, 25.06.79; SU 1222788 А1, 07.04.1986; SU 522313 А1, 25.07.76; RU 2613370 С1, 16.03.2017). Эти устройства состоят из корпуса с коническим отверстием, в которое установлены разновидности конических клиньев с арматурными стержнями.
Однако такие технические решения не обеспечивают гарантированной надежности анкеровки арматуры в устройстве по причине неравномерного обжатия стержней по длине, так как заанкеривание стержней первоначально осуществляется путем приложения к коническим клиньям внешнего впрессовочного усилия для заклинивания концов арматуры. Арматурные концы стержней подвергаются неравномерному обжатию. Причина в том, что поверхность композитной арматуры образована матрицей из эпоксифенольного связующего и волокнистых нитей из низкомодульного материала. Наружная поверхность стержней после полимеризации связующего формируется неровной, шероховатой, имеют некруглую форму сечения и большой разброс в размерах сечения, что ухудшает условия анкеровки. В процессе сборки анкерного устройства с арматурным пучком выполняют не контролируемое принудительное заклинивание конических клиньев, такое усилие способствует заклиниванию концов арматуры. В результате, в пучке напрягаемой арматуры при предварительном растяжении, часть стержней будет не донапряжена до контролируемой величины, а оставшаяся часть стержней окажется перенапряженной. Эффект создания ожидаемого предварительного напряжения в арматурном пучке и строительной конструкции в целом ставится под сомнение.
Наиболее близким по совокупности признаков к изобретению является устройство для анкеровки композитной арматуры, включающее телескопический корпус, состоящий из отдельных конических тонкостенных колец с внутренним коническим отверстием, в котором размещен составной конический клин, выполненный из секторов, имеющих пазы для арматуры на боковых плоскостях (RU 2613370 С1, 16.03.2017). Сектора клина обжимаются вдоль оси конусного отверстия с арматурными стержнями при приложении внешнего трансформируемого усилия путем взаимно противоположного перемещения отдельных конических тонкостенных колец устройства. При этом арматурные стержни обжимаются равномерно по длине пазов составного конического клина. Технический результат достигается за счет принципиального изменения корпуса самого устройства, позволившего применить принцип «дробности» обжатия секторов составного конического клина и арматуры по длине анкеровки. После этого осуществляется натяжение пучка стержней.
Однако использование такого устройства для создания растягивающего предварительного напряжения в пучке арматуры и крепление его в строительной конструкции является недостаточным по причине неконтролируемости полноты степени обжатия концевых участков стержней по длине анкеровки. Конструктивное исполнение устройства и испытания показали, что обжатие концевых участков арматуры в пазах секторов клина происходило не равномерно по длине, происходило разрушение стержней у основания конуса клина в виде образования «метелки» из стекловолокон (см. Накашидзе Б.В., Накашидзе Д-К.Г. Проблемы использования композитной арматуры в строительных конструкциях // Научный журнал Воронеж ВГТУ. 2020. Вып. № 3 (26), С. 95-118). Неравномерное обжатие концевых участков арматуры происходило по причине высокой изгибной жесткости секторов конического клина, также значительного влияния тангенциальных механических воздействий, что и не позволило эффективно использовать принцип «дробности» обжатия секторов составного конического клина, соответственно и арматуры. Величина сдвига арматуры и заклинивающих деталей в устройстве для анкеровки зависит от отношения их модулей упругости. Например, для стальной стержневой и проволочной арматуры, а также стальных канатов это отношение равняется единице, а для композитной арматуры находится в пределах 5-6. При этом, соотношение временного сопротивления композитной арматуры на растяжение и сжатие находится в пределах от 3 до 4. Из-за высокой прочности композитной арматуры и относительно низкого модуля упругости, этот материал весьма хрупкий, с низким пределом прочности при поперечном сжатии. Неконтролируемость полноты степени обжатия концевых участков стержней по длине анкеровки в устройстве приводит к недостаточному по надежности закреплению стержней из-за возможного проскальзывания и повреждения арматуры при ее натяжении. При сдвиге арматуры с заклинивающими деталями в устройстве происходит частичное разрушение от смятия существующих неровностей и некруглых форм сечения арматуры.
Поэтому несущая способность композитных стержней при испытании на растяжение, по длине между захватными устройствами, недоиспользовалась и разрушалась у основания составного конуса в устройстве.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является улучшение анкеровки и надежности закрепления стержней композитной арматуры в устройстве при растяжении, максимальное использование нормативных прочностных свойств арматуры за пределами захватных устройств, чтобы реализовать ее потенциальные возможности по использованию и сохранению предварительного растягивающего напряжения в арматуре, а также упрощение сборки и разборки анкерующего устройства.
Технический результат достигается за счет принципиального изменения конструкции конического клина, а также способа размещения, закрепления и обжатия концов композитной арматуры. Это позволило усовершенствовать работу устройства, применить принцип «дробности» обжатия стержней арматуры по длине анкеровки, осуществлять поэтапно равномерное приложение усилия обжатия и тем самым увеличить коэффициент трения в пазах, чтобы препятствовать продольному сдвигу стержней в устройстве, но при этом снизить трение между перемещающимися относительно друг друга деталями обжатия. Степень обжатия арматурных стержней в захватном устройстве влияет на длину анкеровки и устройства в целом, это связано с оригинальностью принятого решения по принципиальному изменению радиуса расположения пазов для арматуры благодаря установленным попарно продольным составным пластинам, которые расположены соосно к внутренним ребрам жесткости конического клина, а в плоскостях сопряжения составных пластин выполнены продольные открытые пазы по внутренним граням, причем пазы расположены зеркально симметрично по всей длине пластин, при этом со стороны внутренней полости корпуса устройства пластины выполнены разрезными по длине, а стыки их установлены вразбежку по отношению к длине телескопических колец устройства.
Разрезная и неразрезная схема передачи сил обжатия на арматурные стержни ориентировочно отличается в 1,5-2 раза, для этого и необходимо было осуществлять последовательное равномерное обжатие стержней арматуры, несмотря на имеющиеся возможные технологические дефекты, образующиеся при формовании арматурных стержней.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в устройстве для анкеровки композитной арматуры, содержащем телескопический корпус из тонкостенных колец с коническими отверстиями, установлен внутрь тонкостенный кольцевой усеченный конический клин с внутренней усеченной полостью, в которой установлены продольные ребра жесткости, при этом между корпусом устройства и коническим клином установлены попарно продольные составные пластины, которые расположены соосно к внутренним ребрам жесткости конического клина, при этом пластины, размещенные со стороны внутренней полости корпуса устройства выполнены разрезными по длине, а стыки установлены вразбежку по отношению к длине телескопических колец устройства, причем в составных взаимно соприкасающихся плоскостях пластин выполнены продольные открытые пазы по внутренним граням, причем пазы расположены зеркально симметрично по всей длине пластин и выполнены фасонными в форме открытой полукруглой канавки, либо выполнены в форме открытой прямоугольной канавки. Кроме этого на внутренние открытые пазы пластин нанесен слой из фрикционного материала.
Выполнение конического клина тонкостенным, с внутренней усеченной полостью, в которой установлены ребра жесткости, позволяет получить в сравнении с известным техническим решением новые свойства, заключающееся в том, что это позволило усовершенствовать работу устройства путем увеличения сил трения и уменьшения проскальзывания при обжатии стержней арматуры в пазах. При этом представилась возможность, при тех же параметрах конического клина, увеличить угол наклона и радиус привязки стержней арматуры к продольной оси устройства, тем самым выравнить осевое усилие растяжения с радиальным усилием обжатия и уменьшить влияние тангенциальных механических воздействий на целостность сечения матрицы арматуры, тем самым увеличить несущую способность устройства в целом. Для этого, между корпусом устройства и коническим тонкостенным клином установлены попарно продольные составные пластины, которые расположены соосно к внутренним ребрам жесткости конического клина; при этом пластины, размещенные со стороны внутренней полости корпуса устройства выполнены разрезными по длине, а стыки установлены вразбежку по отношению к длине телескопических колец устройства, с целью достижения принципа «дробности» обжатия стержней арматуры по длине анкеровки, поэтапно и равномерно по длине прикладывать усилия обжатия; причем в составных взаимно соприкасающихся плоскостях пластин выполнены продольные открытые пазы по внутренним граням, при этом пазы расположены зеркально симметрично по всей длине пластин и выполнены фасонными в форме открытой полукруглой канавки, либо выполнены в форме открытой прямоугольной канавки, заключающееся в возможности использовать такое устройство для анкеровки не только круглой по сечению арматуры, но и ленточной прямоугольной арматуры; при этом с целью улучшить условия анкеровки, на открытые пазы пластин нанесен слой из фрикционного материала для увеличения коэффициента трения в пазах пластин.
На фиг. 1 - изображено анкерное устройство с пучком арматуры, общий вид; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - конический тонкостенный клин, общий вид; на фиг. 4 - временный конусный пространственный каркас из пучка стержней арматуры, общий вид; на фиг. 5 - кольцо, типа сильфонной пружины, общий вид; на фиг. 6 - обжимные пластины для стержней арматуры, общий вид.
Устройство для анкеровки арматуры содержит телескопический корпус 1, который взаимодействует с коническим клином 2. Конический клин 2 выполнен круглым тонкостенным с внутренней усеченной полостью, в которой установлены продольные ребра жесткости 3, при этом между корпусом устройства 1 и коническим клином 2 установлены попарно продольные составные пластины 4, 5, которые расположены между собой соосно к внутренним ребрам 3 жесткости. Пластины 4 опираются на корпус усеченного конуса 2 вдоль образующей, а пластины 5 прилегают к внутренней полости устройства 1 и зеркально размещены по отношению к пластинам 4. Пластины 5 могут быть выполнены из состыкованных отрезков разных по длине, стыки выполнены последовательно по длине и вразбежку по отношению к длине телескопических колец устройства 1.
В составных, взаимно соприкасающихся плоскостях пластин 4 и 5 выполнены продольные открытые пазы 6 по внутренним граням, при этом пазы 6 расположены зеркально симметрично по всей длине пластин 4 и 5. Продольные открытые пазы 6 выполнены фасонными в форме открытой полукруглой канавки, либо в форме открытой прямоугольной канавки, причем на внутренние открытые пазы 6 пластин 4 и 5 нанесен слой из фрикционного материала.
Сборку устройства для анкеровки композитной арматуры производят следующим образом. Композитную арматуру 7, по крайней мере из четырех, либо восьми стержней объединяют в пучок. Последовательность сборки производят таким образом, чтобы корпус 1 устройства в сложенном виде (кольцо в кольце) свободно одевался на концевой участок пучка стержней 7. Концы стержней 7 запасовывают между пластинами 4 и 5, которые затем зеркально совмещают, ориентируясь при помощи направляющих стерженьков 8, которые предварительно установлены на пластинах 4, а также гнезд 9, под эти стерженьки 8, которые выполнены на пластинах 5. После установки стержней 7 арматуры между обжимными пластинами 4, 5 и временного закрепления всех концевых участков арматуры 7, осуществляют их раздвижку за концы таким образом, чтобы сформировать пространственный каркас в виде конуса, куда впоследствии необходимо установить усеченный конический клин 2. Для временного сохранения и фиксирования такого каркаса в виде конусообразного пространства используется инвентарное кольцо в виде сильфона 10, в пазы которого и устанавливают свободные концы арматуры 7. Затем осуществляют установку конического клина 2 сквозь кольцо 10, в сформированное конусообразное пространство, при этом ориентируют положение конуса 2 так, чтобы его внутренние ребра 3 жесткости были соосны с составными пластинами 4 и 5, в которых уже установлены арматурные стержни 7. После этого осуществляют надвижку и телескопическую раздвижку составных колец 1 устройства. Для фиксирования соосности расположения обжимных пластин 4 и 5 с арматурными концами 7 по отношению к ребрам 3 жесткости конуса 2 можно воспользоваться временно обжимными стопорными кольцами (не показано). При начальной раздвижке колец 1 устройства вдоль конического клина 2 с обжимными пластинами 4 и 5 с арматурными концами 7, стопорное кольцо удаляется, корректируется соосность расположения обжимных пластин 4 и 5, по отношению к ребрам 3 жесткости конического клина 2, также размещение в пазах 6 концов арматуры 7. После завершения контрольного осмотра всего устройства по анкеровке арматуры осуществляют окончательное требуемое обжатие арматурных стержней путем телескопической раздвижке составных колец 1 устройства.
Устройство для анкеровки композитной арматуры работает следующим образом. Для надежного анкерного закрепления арматуры необходимо осуществлять ее обжатие в радиальном, тангенциальном и продольном направлениях. Обжатие стержней 7 арматуры осуществляется составными пластинами 4 и 5, имеющих в плоскости сопряжения пазы 6 покрытые фрикционным материалом, причем обжатие выполняется при взаимной раздвижке телескопических колец 1 устройства относительно конического клина 2. Фасонные пазы 6 в плоскости сопряжения пластин 4 и 5, выполнены для укладки арматурных стержней 7. Пазы 6 могут быть выполнены в форме открытой полукруглой канавки, либо в форме открытой прямоугольной канавки. Так, например, для круглых арматурных стержней 7 необходимо использовать пазы 6 полукруглой формы сечения, выполненных в пластинах 4 и 5, а для ленточной, прямоугольной формы сечения арматурных стержней 7, пазы 6 должны быть выполнены в пластинах 4 и 5 в форме открытой прямоугольной канавки. Для надежной анкеровки арматурных стержней 7 в пластинах 4 и 5, осуществляют взаимно противоположное перемещение отдельных конических тонкостенных колец 1 устройства таким образом, чтобы усилия обжатия в радиальном и продольном направлениях, не превысили основных физико-механических характеристик композитной арматуры на поперечное сжатие, так, например, для высокопрочной стеклопластиковой арматуры нормативное сопротивление поперечному обжатию составляет Rcп=400 МПа (см. Фролов Н.П. Стеклопластиковая арматура и стекло-пластбетонные конструкции. - М.: Стройиздат, 1980, с. 46). Телескопическое трансформирование конических колец 1 устройства между собой, путем взаимно противоположного перемещения, создает внутренние силы обжатия и передает их на пластины 4 и 5, которые в свою очередь обжимают арматурные стержни 7, а так же при этом передаются на внутренний конический клин 2, который передает на пластины 4 и 5 реактивные силы обжатия. Такое конструктивное решение устройства для анкеровки композитной арматуры позволило увеличить угол наклона и радиус привязки стержней арматуры 7 к продольной оси устройства 1, тем самым, это способствует выравниванию осевого усилия растяжения с радиальным усилием обжатия, в результате уменьшается влияние тангенциальных механических воздействий, которые влияют на целостность сечения матрицы арматуры, увеличивается несущая способность устройства в целом. При таком способе обжатия арматурных стержней 7 значительно повышается коэффициент трения в пазах 6 между арматурными стержнями 7 и пластинами 4 и 5. Увеличенный коэффициент трения и предварительные силы обжатия препятствуют продольной подвижке стержней 7 в устройстве. Выравнивание осевого усилия растяжения арматурных стержней 7 с радиальным усилием их обжатия достигается благодаря снижения трения между перемещающимися относительно друг друга деталями обжатия. При этом составные пластины 4 и 5 с обжатыми стержнями 7 приобретают свойство «плавающего поплавка», так как трение скольжения можно снижать между основными трущимися деталями (телескопические кольца 1 и конический клин 2, с одной стороны, обжимные пластины 4 и 5, с другой стороны) путем технологических приемов, как, например, механической обработкой поверхности классом чистоты, или смазкой трущихся поверхностей. Например, конический клин 2 может быть изготовлен из твердых антифрикционных материалов, либо поверхность его покрыта антифрикционным материалом, например, фторопласт-4, обладающий самым низким коэффициентом трения. Выполнение пластин 5 разрезными по длине, расположенных со стороны внутренней полости трансформируемых колец 1, а стыки при этом установлены вразбежку, например, с шагом 1,5:1:0,5 по отношению к длине телескопических колец 1 устройства, начиная от вершины к основанию клина 2, позволило осуществлять последовательное равномерное обжатие стержней арматуры 7, также применить принцип «дробности» обжатия стержней арматуры по длине анкеровки, несмотря на имеющиеся всевозможные технологические дефекты, образующиеся при формовании арматурных стержней.
Благодаря выполнению усеченного конического клина 2 тонкостенным с внутренней усеченной полостью, в которой установлены продольные ребра 3 жесткости, устройство 1 приобретает дополнительные преимущества в сравнении с известными техническими решениями - позволило увеличить угол наклона и радиус привязки стержней арматуры 7 к продольной оси устройства 1, тем самым уменьшить влияние тангенциальных механических воздействий на целостность сечения матрицы арматуры, повысить коэффициент трения в пазах обжимных пластин 4 и 5, снизить вес устройства в целом.
После сборки всех деталей устройства в единую конструкцию и выполнения требуемой силовой раздвижки телескопических колец, путем взаимно противоположного перемещения отдельных конических тонкостенных колец 1 устройства и обеспечения надежного крепления арматурных стержней 7 при помощи обжимных пластин 4 и 5, изобретение позволяет реализовать высокий прочностной потенциал композитной арматуры при осуществлении предварительного напряжения растяжения всего пучка стержней 7 и крепить в строительной конструкции (не показано) известными способами, тем самым значительно увеличить надежность длительного предварительного напряжения при действии внешних нагрузок, также повысить изгибную жесткость, уменьшить сечение и вес строительных конструкций.
Изобретение позволяет повысить и длительно сохранять эффект фиксирования концевых участков арматуры в разработанном устройстве благодаря повышению коэффициента трения и надежности обжатия в пазах при помощи обжимных пластин, также значительно снизить вес самого устройства. Использование разработанного конструктивного решения устройства для пучков стержней из композитного высокопрочного низкомодульного материала, позволяет реализовать его при напряженном армировании строительных конструкций, а также при усилении аварийных зданий и сооружений.
Источники информации:
1. Авторское свидетельство SU 522313 Е04С 5/12 А1, 25.07.76.
2. Авторское свидетельство SU 545733 Е04С 5/12 А1, 25.05.77.
3. Патент РФ 2613370, Е 04С 5/12, С1, 16.03.2017.