НАПРЯГАЕМЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
STRESSED ELEMENT OF PRE-STRESSED BUILDING STRUCTURES

Изобретение относится к области изготовления предварительно напряженных строительных конструкций, в частности к различным видам напрягаемых элементов преднапряженных конструкций при различных способах натяжения арматуры.
Известны напрягаемые элементы, в частности, предварительно напряженных железобетонных конструкций («Железобетонные и каменные конструкции» под ред. В.М.Бондаренко. М.: Высш. Шк. 2004, с. 97-110), напрягаемая арматура которых бывает в виде жесткой или гибкой арматуры.
Наиболее близкой по технической сущности является гибкая арматура преднапряженных железобетонных конструкций в виде горячекатаной стержневой и холоднотянутой проволочной арматуры сплошного сечения. Напрягаемый элемент из данных видов арматуры состоит из напрягаемой арматуры сплошного сечения, которая имеет на концах анкера и установлена в пазы силовых упоров. Однако данный напрягаемый элемент с позиции обеспечения технологических возможностей изготовления предварительно напряженных железобетонных конструкций не эффективен.
Одним из последних способов натяжения гибкой арматуры преднапряженных строительных конструкицй является термический способ автора (патент на изобретение РФ №2396399 «Термический способ натяжения напрягаемых элементов предварительно напряженных строительных конструкций и устройство для его осуществления», где натяжение напрягаемой арматуры сплошного сечения выполняют с помощью их нагрева высокотемпературным теплоносителем при Т°С=350°-400°С, который циркулирует в предварительно одетые на данную арматуру съемные герметичные кожухи-оболочки, где температурное удлинение напрягаемой арматуры, соответствующее заданному удлинению и величине предварительного напряжения напрягаемой арматуры, регистрируют с помощью фиксаторов. Однако при всей свой эффективности, в сравнении с электротермическим способом натяжения, данный способ имеет и недостатки - трудоемкость изготовления термостойких съемных герметичных кожухов-оболочек и обеспечение их полной герметизации, а также недостаточная пожаробезопасность при возможных протечках высокотемпературного теплоносителя с температурой нагрева Т°С=350°-400°С.
Техническим решением задачи является повышение эффективности напрягаемого элемента, которое выражается в расширении возможности его применения, а также повышение производительности и качества изготовления предварительно-напряженных строительных конструкций.
Задача достигается тем, что напрягаемый элемент предварительно напряженных строительных конструкций, включающий напрягаемую арматуру с анкерами на концах, силовые упоры, в пазах которых она установлена, отличающийся тем, что его напрягаемая арматура выполнена полого сечения с профилем на наружной поверхности и наружной резьбой по концам, для установки в пазы неподвижных силовых упоров с помощью анкеров-фиксаторов в виде силовых гаек, а также снабжена по концам заглушками с внутренней резьбой и с входными и выходными патрубками для циркуляции высокотемпературного теплоносителя с температурой Т°С=350°-400°С, а устройство для натяжения арматуры в форме, включающее напрягаемую арматуру сплошного сечения с анкерами на концах, установленную в пазах неподвижных и подвижного силовых упоров, отличающееся тем, что состоит из термического блока, содержащего напрягаемый и силовой элементы, где напрягаемый элемент, расположенный в верхней части термического блока, имеет напрягаемые арматурные стержни полого сечения с теплоизоляцией, один конец которых установлен в отверстиях неподвижного силового упора и снабжен анкерами-фиксаторами в виде силовых гаек, и заглушками с выходными патрубками для циркуляции высокотемпературного теплоносителя, а второй конец расположен в отверстиях подвижного силового упора и закреплен в нем анкерами в виде силовых заглушек с упором, причем подвижный силовой упор имеет также пазы для напрягаемой арматуры сплошного сечения изготавливаемой предварительно напряженной железобетонной конструкции в термоформе (термоопалубки), при этом входной патрубок для высокотемпературного теплоносителя расположен на самой напрягаемой арматуре полого сечения ближе к подвижному силовому упору, а силовой элемент термического блока, расположенный в его нижней части, представляет собой систему взаимно-перпендикулярных силовых прокатных балок и предназначен для восприятия усилий предварительного напряжения арматуры сплошного сечения изготавливаемой преднапряженной железобетонной конструкции и арматуры полого сечения напрягаемого элемента, причем один торец силового элемента термоблока закреплен к неподвижному силовому упору напрягаемого элемента, а другой - к силовой термоформе (термоопалубке) изготавливаемой железобетонной конструкции, которая содержит свой силовой элемент, термоизоляцию, термоподдон с входным и выходным патрубками для теплоносителя, на котором расположен неподвижный, откидной и съемные опалубочные борта, а также неподвижный силовой упор, в пазах которого закреплена одним концом напрягаемая арматура сплошного сечения с анкерами, другим концом - в пазы подвижного силового упора напрягаемого элемента термоблока, низ которого расположен ниже уровня верха термоподдона термоформы (термоопалубки).
Сравнительный анализ заявляемого устройства с другими решениями в данной области не позволил выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами (см. фиг.1-фиг.12), где на фиг.1 представлен в плане напрягаемой элемент с напрягаемой арматурой полого сечения, на фиг.2 - сечение 1-1 плана фиг.1, на фиг.3 и на фиг.4 - соответственно, план силовой формы (опалубки) с поперечным разрезом 2-2, на фиг.5, фиг.6, фиг.7, фиг.8 соответственно, план нового устройства механического способа натяжения напрягаемой арматуры сплошного сечения с использованием напрягаемого элемента с полой напрягаемой арматурой, продольный 3-3, поперечный 4-4 разрезы плана фиг.5, а также разрез напрягаемой арматуры 5-5 полого сечения, на фиг.9-фиг.12 представлены области применения напрягаемой арматуры полого сечения для различных железобетонных конструкций, например, изгибаемых - железобетонной плиты - фиг.9, сечение внецентренно сжатого элемента - фиг.10, сечение центрально-сжатого (со случайным эксцентриситетом) элемента - фиг.11, сечение изгибаемого элемента - балки - фиг.12.
Предлагаемый напрягаемый элемент (см. фиг.1) представляет собой напрягаемую арматуру полого сечения 1, неподвижные силовые упоры 2, шайбы 3, анкера, например, в виде силовых гаек 4, 5 - торцевые заглушки с входными 6 и выходными 7 патрубками для циркуляции высокотемпературного теплоносителя в напрягаемой арматуре 1 полого сечения. Силовая форма (опалубка) для изготовления предварительно напряженных железобетонных конструкций с использованием предлагаемого напрягаемого элемента (см. фиг.3, фиг.4) содержит: неподвижные продольные силовые упоры 8 с пазами 9 для напрягаемой арматуры 1 полого сечения; неподвижный 10, съемные 11 и откидной 12 опалубочные борта; лист поддона 13, термоизоляцию 14 и силовой элемент 15.
Устройство для создания нового механического способа натяжения напрягаемой арматуры сплошного сечения (см. фиг.5-фиг.8) предварительно напряженных строительных конструкций состоит из термического блока, содержащего напрягаемый и силовой элементы, где напрягаемый элемент, расположенный в верхней части термического блока, имеет напрягаемые стержни полого сечения 16 с наружной теплоизоляцией 17, один конец которых установлен в отверстиях 18 неподвижного силового упора 19 и снабжен анкерами-фиксаторами 20, например, в виде силовых гаек, и заглушками 21 с выходными патрубками 22 для высокотемпературного теплоносителя.
Второй конец напрягаемых стержней 16 расположен в отверстиях 18 подвижного силового упора 23 и закреплен в нем анкерами 24 в виде заглушек с упором, причем подвижный силовой упор 23 имеет также пазы 25 для напрягаемой арматуры сплошного сечения 26 изготавливаемой предварительно напряженной железобетонной конструкции в термоформе (термоопалубки). Входной патрубок 27 для высокотемпературного теплоносителя расположен на самой напрягаемой арматуре полого сечения 16 ближе к подвижному силовому упору 23.
Силовой элемент 28 термического блока, расположенный в его нижней части, жестко соединен одним торцом к неподвижному силовому упору 19 напрягаемого элемента, другим торцом - к силовой термоформе (термоопалубке) изготавливаемой железобетонной конструкции 29, которая содержит силовой элемент 30 для восприятия усилий предварительного напряжения напрягаемой арматуры сплошного сечения 26, термоизоляцию 31, термоподдон 32 с входным 33 и выходным 34 патрубками для высокотемпературного теплоносителя.
Причем термоподдон 32 является независимым, т.е. не соединяется с силовым элементом 30 и в отличие от него не воспринимает деформации и усилия от предварительного напряжения арматуры сплошного сечения 26.
На термоподдоне 32 расположены неподвижный 35, откидной 36 и съемные 37 опалубочные борта, а также неподвижный силовой упор 38, в пазах 39 которого закреплена одним концом напрягаемая арматура 26 сплошного сечения с анкерами 40 на концах, другим концом - в пазы 25 подвижного силового упора 23.
Напрягаемый элемент с использованием напрягаемой арматуры полого сечения для изготовления предварительно напряженных строительных конструкций работает следующим образом (см. фиг.1).
Напрягаемую арматуру полого сечения 1 с резьбой по концам устанавливают в проектное положение - в пазы силовых упоров 2 и закрепляют через шайбы 3 силовыми гайками 4. По торцам напрягаемой арматуры 1 одевают торцевые заглушки 5 с внутренней резьбой и с входными 6 и выходными 7 патрубками для циркуляции высокотемпературного теплоносителя. После этого к патрубкам 6 и 7 подсоединяют трубопроводную систему и включают систему нагрева и циркуляцию высокотемпературного теплоносителя с температурой нагрева Т°С=350°-400°С. При нагреве напрягаемой арматуры полого сечения 1 происходит ее температурное удлинение, которое постоянно фиксируют подтягиванием силовых гаек 4. Контроль за температурным удлинением и, соответственно, величиной предварительного натяжения арматуры 1 ведут по температуре нагрева теплоносителя с помощью специальных приборов. При достижении требуемой температуры Т°С=350°-400°С (время нагрева 5-7 минут) отключают систему нагрева теплоносителя и включают в систему циркуляции холодный теплоноситель, с помощью которого охлаждают напрягаемую арматуру 1 до нормальной температуры Т°С=20°С (время охлаждения 5-7 минут) и получают в ней заданное предварительное напряжение. После чего отключают систему циркуляции теплоносителя, отсоединяют с патрубков 6 и 7 трубопроводную систему и откручивают в торцевые заглушки 5.
Изготовление предварительно напряженной, например, железобетонной конструкции - сплошная железобетонная плита (см. фиг.3, фиг.4) с использованием нового напрягаемого элемента выполняют следующим образом.
Первоначально собирают силовую форму, для чего к силовому отсеку 15 крепят с продольных торцов продольные силовые упоры 8, а с поперечных торцов неподвижный 10 и откидной 12 опалубочные борта.
Далее в пазы 9 продольных силовых упоров 8 устанавливают напрягаемую арматуру полого сечения 1, закрепляют ее анкерами 4 и ставят торцевые заглушки 5 с входными и выходными патрубками 6 и 7. Натяжение напрягаемой арматуры 1 полого сечения выполняют аналогично напрягаемому элементу фиг.1, только трубопроводную систему и систему циркуляции теплоносителя не отключают. После этого закрывают откидной борт 12 и устанавливают в проектное положение съемные опалубочные борта 11. После этого силовую форму заполняют бетоном требуемого класса прочности. Затем включают систему циркуляции теплоносителя определенной температуры нагрева, согласно заданного режима тепловой обработки бетона. С помощью специальной аппаратуры строго соблюдают все периоды тепловой обработки бетона - период подъема температуры, период изотермического прогрева бетона и период остывания. В данном случае важным является строгое соблюдение по времени периода остывания, для чего в системе циркуляции используют холодный теплоноситель.
Следует отметить, что при новой циркуляции теплоносителя через полую напрягаемую арматуру 1 в первую очередь прогревается и приобретает прочность зона контакта напрягаемой арматуры и бетона, а именно защитный слой бетона, что является эффективным при данной тепловой обработки бетона.
После тепловой обработки бетона, выполняют отпуск напряженной арматуры 1 на бетон, для чего предварительно производят дополнительно циркуляцию теплоносителя через напряженную арматуру 1 с температурой нагрева Т°С=100°-200°С, что приводит к потере напряжения в арматуре 1 на ее свободных участках и передачи данного напряжения на бетон изделия. После этого с помощью специальных устройств откручивают силовые гайки 4 и выполняют полный отпуск напряженной арматуры 1 на бетон, далее освобождают концы арматуры 1 от торцевых заглушек 5, силовых гаек 4 и шайб 3, после чего концы напряженной арматуры за пределами торца бетона либо обрезают, либо используют для дальнейших различных целей.
Изготовление предварительно напряженной железобетонной конструкции с использованием сплошной напрягаемой арматуры и нового механического способа натяжения, в котором предлагаемый напрягаемый элемент является силовым элементом, выполняют следующим образом (см. фиг.5, фиг.6, фиг.7, фиг.8). Данное изготовление разбивают на 3 этапа.
1 этап - до натяжения напрягаемой арматуры сплошного сечения изготавливаемой железобетонной конструкции. На данном этапе собирают термический блок, для чего к готовому его силовому элементу 28 с торца жестко соединяют неподвижный силовой упор 19 с отверстиями 18. На силовой элемент 28 также ставят в проектное положение подвижный силовой упор 23 с отверстиями 18 и пазами 25 для напрягаемой арматуры 26 изготавливаемого железобетонного изделия 29. Затем в отверстия 18 силовых упоров 19 и 23 устанавливают в проектное положение напрягаемую арматуру полого сечения 16 с теплоизоляцией 17 и с входным патрубком 27 для циркуляции теплоносителя. Далее арматуру 16 закрепляют одним концом в силовом неподвижном упоре 19 силовыми гайками 20, другим концом - в подвижном силовом упоре 23 торцевыми силовыми заглушками 24 с упором. Со стороны силового упора 19, на напрягаемую арматуру 16 на конец одевают торцевые заглушки 21 с выходными патрубками 22 для циркуляции теплоносителя.
2 этап - натяжение напрягаемой арматуры сплошного сечения изготавливаемой железобетонной конструкции. К силовому элементу 28 термического блока жестко крепят силовой элемент 30 термоформы, к концу которого соединяют неподвижный силовой упор 38. Далее на силовой элемент 30 устанавливают термоизоляцию 31 и затем термоподдон 32 с входом 33 и выходом 34 патрубка для циркуляции теплоносителя при тепловой обработке бетона. После этого напрягаемую арматуру сплошного сечения 26 одним концом устанавливают с помощью анкеров 40 в пазы 39 неподвижного силового упора 38 термоформы (термоопалубки) и другим концом в пазы 25 подвижного силового упора 23 термоблока. В данном случае силовой упор 23 является общим как для напрягаемой арматуры 16 напрягаемого элемента термоблока, так и для напрягаемой арматуры 26 сплошного сечения термоформы (термоопалубки) железобетонной конструкции 29. При этом горизонтальные линии центров тяжести напрягаемых арматур 16 и 26 должны совпадать, для чего поверхность силового элемента 28 термоблока, на котором находится подвижный силовой упор 23, располагают ниже уровня поверхности термоподдона 32 термоформы (см. фиг.26). С помощью силовых гаек 20 выполняют небольшую подтяжку обоих видов напрягаемых арматур 16 и 26.
Далее выполняют натяжение напрягаемой арматуры сплошного сечения 26, для чего первоначально запускают термический блок и на входные 27 и выходные 22 патрубки одевают трубопроводную систему и включают систему нагрева и циркуляции высокотемпературного теплоносителя с температурой нагрева Т°С=350°-400°С. Дальнейшее натяжение напрягаемой арматуры 26 выполняют аналогично напрягаемому элементу фиг.1.
При этом в процессе натяжения напрягаемой арматуры 16 термоблока через подвижный силовой упор 23 передается механическое натяжение на напрягаемую арматуру 16 изготавливаемой железобетонной конструкции 29. По окончанию натяжения арматуры 16, трубопроводную систему от входных 27 и выходных 22 патрубков не отключают.
3 этап - после натяжения напрягаемой арматуры изготавливаемой железобетонной конструкцией. В термоформе крепят с торца неподвижный опалубочный борт 35, закрывают откидной опалубочный борт 36 и устанавливают съемные борта 37. Далее в термоформу заливают бетон требуемого класса прочности и включают тепловую обработку бетона через поддон 32. Для этого на входной 33 и выходной 34 патрубки термоподдона подключают трубопроводную систему, систему нагрева и циркуляции теплоносителя с температурой нагрева ≤100°С. Выдерживают все периоды тепловой обработки бетона, включая циркуляцию холодного теплоносителя в термоподдоне. По окончанию тепловой обработке бетона выполняют отпуск напряженной арматуры 26 на бетон изделия 29, где для этих целей используют напрягаемую арматуру 16 термоблока. Через входные 27 и выходные 22 патрубки циркулируют теплоноситель с температурой нагрева Т°С=100°-200°С, что приводит к температурному удлинению напрягаемой арматуры 16 и, соответственно, к падению напряжений в арматуре 26 на ее свободных участках. Падение напряжений передается на обжатии бетона в опорных зонах, т.е. имеет место плавная передача усилий натяжение арматуры на бетон, что повышает качество изготовления предварительно напряженных железобетонных конструкций.
Окончательный отпуск натяжения арматуры будет иметь место после откручивания силовых гаек 20 с напрягаемой арматуры 16 полого сечения. После этого систему нагрева и циркуляции теплоносителя отключают, отсоединяют трубопроводную систему от патрубков 27 и 22 и выполняют обрезку напрягаемой арматуры 26 на ее свободных участках. Далее снимают борта 37, открывают откидной борт 36 и готовую предварительно напряженную железобетонную конструкцию используют по назначению.
Значимость и эффективность предлагаемого напрягаемого элемента следующая.
Напрягаемый элемент для изготовления предварительно напряженных железобетонных конструкций позволяет использовать силовую форму без термоподдона и выполнять тепловую обработку бетона без какого-либо специального оборудования для этих целей, при этом строго соблюдать по времени все периоды тепловой обработки бетона за счет использования холодного теплоносителя. Кроме того, первоочередной прогрев зоны контакта арматуры с бетоном - защитного слоя бетона повышает качество изготовления. Также наличие в бетоне напрягаемой арматуры полого сечения увеличивает за счет большего диаметра арматуры площадь контакта сцепления арматуры с бетоном, что повышает прочность сцепления. Вместе с тем полость напрягаемой арматуры предварительно напряженной железобетонной конструкции можно использовать для различных целей, например для создания теплых полов перекрытия 41 (см. фиг.9), где к концам арматуры 1 через соединительные муфты 42 подсоединяют систему отопления помещения 43. Через полости напрягаемой арматуры железобетонных конструкций можно также проводить элементы инженерных сетей.
Следует отметить, что в данном изобретении одновременно используют два способа натяжения напрягаемой арматуры предварительно напряженных строительных конструкций - механический способ натяжения напрягаемой арматуры сплошного сечения изготавливаемой железобетонной конструкции и термический способ натяжения напрягаемой арматуры полого сечения, как непосредственно силовой элемент предварительного напряжения.
За счет сокращения времени натяжения напрягаемой арматуры преднапряженных железобетонных конструкций и тепловой обработки бетона имеет место значительное повышение производительности изготовления преднапряженных железобетонных конструкций.
Применение предлагаемого напрягаемого элемента для изготовления преднапряженных железобетонных конструкций возможно как для изготовления сборного железобетона, так и для монолитного.