КОМПОЗИТНОЕ СТАЛЕБЕТОННОЕ ПЕРЕКРЫТИЕ С ВНЕШНИМ ЛИСТОВЫМ АРМИРОВАНИЕМ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДЛЯ ЛЕДОВОГО ПОЯСА МОРСКОЙ СТАЦИОНАРНОЙ ЛЕДОСТОЙКОЙ ПЛАТФОРМЫ
COMPOSITE STEEL-CONCRETE SLAB WITH EXTERNAL SHEET REINFORCEMENT, PREFERABLY FOR ICE BELT OF MARINE STATIONARY ICE-RESISTANCE PLATFORM

Изобретение относится к области судостроения, в частности к стационарным ледостойким платформам различного назначения, преимущественно для разведки и добычи углеводородов на континентальном шельфе морей, и касается вопросов создания ледостойких сталебетонных перекрытий ледового пояса морских стационарных платформ для арктических условий.
Известна конструкция сталебетонной балки с внешним полосовым армированием с двух противоположных сторон из листовой стали, при этом стальные полосы соединены между собой поперечными арматурными стержнями, приваренными к полосам с внутренней стороны (Ф.Е.Клименко. Сталебетонные конструкции с внешним полосовым армированием, Киев, изд. "Будiвельник", 1984 г., 88 с.).
Известна композитная слоистая конструкция ледостойкой стенки шельфовых нефте- и газодобывающих сооружений, состоящей из двух стальных пластин и бетонного ядра между ними, к которому они дискретно прикреплены некоторым механическим способом, в том числе с помощью стальных поперечных разделительных диафрагм, расположенных в отдельных характерных местах (M.J.Stephens, P.Hassinen, T.J.E.Zimmerman, J.Kouhi. Effects of Cyclic Loading on the Lateral Load Capacity of a Composite Ice-Resisting Wall System, Proceedings of POAC-89, Lulea, v.2, p.873-883).
Известна композитная слоистая конструкция типа "сэндвич", состоящая из стальных листов с бетонным наполнителем между ними, в которой листы соединены с бетонным наполнителем с помощью продольных и поперечных ребер жесткости Т-образного сечения (Masakatsu Matsuishi, S.Jwata. Strength of Composite Steel-Concrete Sandwich Structure, Proceedings of the Techno-Ocean'88 Symposium, Kobe, Japan, November 16-18, 1988).
Известен проект ледостойкой стационарной платформы гравитационного типа, наружная обшивка которой в виде усеченной конической оболочки большого диаметра выполнена из сталебетона с внешним листовым армированием, при этом внешние стальные листы композитной конструкции объединены с бетоном с помощью стальных полос Т-образного сечения, имеющих удлиненную высоту, равную 0,8-0,9 толщины оболочки и играющих роль анкеров (Ben G. Gerwick, J.R.Dale, E.Berner. Design of Offshore Concrete Structures for Local Loads Due to Ice Impact, POAC-91, v.I, стр.28÷42).
Известно также композитное сталебетонное перекрытие с внешним листовым армированием, состоящее из двух стальных листов и бетона между ними, у которого стальные листы соединены между собой регулярно расположенными поперечными связями из листовой стали (Т.Shioya, G.Matsumoto, Т.Okaga, T.Ota. Development of Composite Meinbers for Arctic Offshore Structures, "VTT Symp, 1986, No.71, стр.660÷677) - прототип.
Однако достаточно часто расположенные поперечные связи из листовой стали затрудняют сборку и монтаж стальной части перекрытия при его изготовлении из-за наличия труднодоступных мест в его внутреннем пространстве. Это особенно сильно проявляется в случае относительно небольшой толщины перекрытия - до 600÷700 мм. Возникают серьезные технологические проблемы в проведении сварочных работ и в обеспечении контроля их качества.
Кроме того, поперечные стальные листы расчленяют бетонное тело конструкции на относительно малые по размерам части. В результате в процессе деформирования конструкции под нагрузкой кроме силовых трещин в бетоне возникают дополнительные трещины по контакту стального листа с бетоном из-за слабого сцепления бетона с гладкой стальной поверхностью. Экспериментальные исследования показывают, что эти трещины серьезно не сказываются на работоспособности конструкции на относительно небольшом отрезке времени. Однако вопрос о том, как поведет себя такая конструкция при длительной эксплуатации в реальных условиях, характеризующихся не только высокими переменными нагрузками, но и значительными колебаниями температуры окружающего воздуха, остается неизученным. По крайней мере, необходимо будет принимать определенные конструктивные меры по обеспечению совместности деформирования стали и бетона по линии контакта для повышения надежности конструкции. Это дополнительные затраты на ее создание.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение трудозатрат по работам в труднодоступных местах конструкции при сборке и монтаже перекрытия, повышение качества и надежности перекрытия при длительной эксплуатации в условиях арктических морей.
Для этого у композитного сталебетонного перекрытия с внешним листовым армированием, преимущественно для ледового пояса морской стационарной ледостойкой платформы, состоящего из бетона, покрытого с двух противоположных сторон стальными листами, которые соединены между собой сквозными поперечными связями из листовой стали, по изобретению часть поперечных связей, составляющая не более 80%, выполнена из арматурных стержней U-образной формы, попарно соединенных между собой по типу петлевых стыков, при этом концы стержней прикреплены к внешним стальным листам, преимущественно сваркой.
Выполнение поперечных связей из арматурных стержней вместо листовой стали не расчленяет бетон на отдельные относительно небольшие части, обеспечивает хорошее сцепление связей с бетоном за счет того, что арматурные стержни имеют периодический профиль, и создает лучшие условия для обеспечения монолитности бетона и совместности работы стали с бетоном.
Изготовление поперечной связи из двух стержней U-образной формы и применение для их объединения петлевого стыка позволяет исключить объем сварочных работ в труднодоступных местах и существенно сократить общий объем сварки при сборке и монтаже перекрытия на стапеле или стройплощадке. Это позволяет повысить качество сварки, поскольку основной объем ее при изготовлении поперечных связей может выполняться на стадии изготовления секций перекрытия в цехах.
В целом, все предлагаемое техническое решение способствует повышению работоспособности и надежности конструкции композитного сталебетонного перекрытия и снижению затрат на изготовление.
Сущность изобретения поясняется рисунком, где на фиг.1 представлено предлагаемое композитное сталебетонное перекрытие с внешним листовым армированием (продольное сечение условно вырезанной из перекрытия балки-полоски), на фиг.2 - сечение по А-А на фиг.1 и на фиг.3 - сечение по Б-Б на фиг.1.
Композитное сталебетонное перекрытие с внешним листовым армированием содержит два внешних стальных листа 1, пространство между которыми заполнено бетоном 2 (фиг.1-3). Стальные листы 1 соединены между собой поперечными связями из арматурных стержней U-образной формы 3 (фиг.1, 3). Арматурные стержни 3 скреплены между собой через бетонное ядро с помощью петлевых стыков 4, а их концы прикреплены сваркой к стальным полосам 5, которые приварены к внешним листам 1 с внутренней стороны (фиг.1, 3). Внутри петель 4 проходят продольные стержни 6, предназначенные для усиления бетонного ядра внутри петель 4 (фиг.1-3). В характерных местах предлагаемого перекрытия, в таких, например, где расположены опоры или приложены нагрузки, внешние стальные листы 1 соединены между собой сквозными поперечными связями из листовой арматуры 7 (фиг.1).
Эксплуатация предлагаемого композитного сталебетонного перекрытия осуществляется следующим образом.
Перекрытие, работая в составе ледового пояса морской стационарной ледостойкой платформы в арктических условиях, нагружается поперечной нагрузкой большой интенсивности. Возникающие при этом нормальные растягивающие напряжения при изгибе воспринимаются стальными листами 1 (фиг.1-3), нормальные сжимающие напряжения воспринимаются, главным образом, бетоном 2 и частично стальными листами 1 (фиг.1, 3). Напряженно-деформированное состояние ледостойкого сталебетонного перекрытия, в силу большой его относительной толщины (отношение толщины к расчетному пролету обычно находится в пределах ¼÷⅛), в значительной мере определяется сдвигом при поперечном изгибе. Возникающие при этом главные сжимающие и растягивающие напряжения на начальной стадии работы перекрытия, а именно до появления наклонных трещин в бетоне, воспринимаются бетоном 2, а на стадии работы перекрытия после появления наклонных трещин в бетоне, что допускается нормами, если трещины не превосходят регламентируемой ширины раскрытия, главные сжимающие напряжения воспринимаются бетоном 2, а главные растягивающие напряжения - арматурными стержнями 3 (фиг.1, 3). Наибольшие значения главных растягивающих напряжений, обусловленных сдвигом, действуют в районе нейтральной оси. Предлагаемые поперечные связи из арматурных стержней 3 с петлевым стыком 4 имеют наибольший коэффициент армирования в бетоне именно в районе нейтральной оси, где расположены петлевые стыки 4 и продольные стержни 6, тем самым обеспечивают достаточно хорошую трещиностойкость бетона по наклонным сечениям (фиг.1, 3).
Практическая реализация заявляемого технического решения промышленной сложности не представляет, что позволяет сделать вывод о соответствии этого решения условию патентоспособности "промышленная применимость".
Предлагаемая конструкция сталебетонного перекрытия обеспечивает более высокое качество изготовления за счет значительного снижения объема сварки в труднодоступных местах на стапеле или стройплощадке, снижение материальных затрат и повышение эксплуатационных качеств, что его выгодно отличает от прототипа.