ТРУБОБЕТОННАЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННАЯ БАЛКА
PIPE CONCRETE PRESTRESSED BEAM

Изобретение относится к области строительства, а именно к предварительно напряженным трубобетонным элементам пролетных строений малых и средних мостов, а также к строительным конструкционным элементам общего назначения.
Конструкции с использованием трубобетонных элементов начали широко применяться в промышленности и в гражданском строительстве более 70-ти лет назад. (Кикин А.И., Санжаровский Р.С., Труль В.А. «Конструкции из стальных труб, заполненных бетоном». М. Стройиздат, 1974).
Недостатками этих конструкций является то, что они работают только на внецентренное сжатие (как в колоннах и в стойках), но не могут работать на изгиб в качестве балки пролетных строений мостов и строительных элементов в виде перекрытий, которые нагружены поперечными относительно оси трубобетонной балки нагрузками от собственного веса пролетного строения и веса транспортных средств, приводящими к изгибным деформациям, с последующим образованием трещин в нижней (растянутой) части бетонного ядра и его разрушением.
Известно, что трубобетонные конструкции в пролетных строениях мостов можно использовать только в виде арок, у которых бетонное ядро всегда работает в условиях объемного сжатия. Однако любые арочные конструкции сложны и затратны в изготовлении и транспортировке их к месту строительства моста, имеют большой вес и уже только по этим показателям существенно проигрывают прямым балкам.
Близким аналогом является трубобетонная предварительно напряженная балка, содержащая оболочку в виде трубы и железобетонное ядро с армирующими элементами, отличающаяся тем, что поперечное сечение ядра состоит из двух сегментов, при этом первый из них имеет бетонное наполнение, а второй - бетонное наполнение и предварительно растянутые армирующие элементы, расположенные продольно и обеспечивающие в ненагруженной балке напряжения сжатия бетонного ядра с максимальными значениями, исходя из прочности бетона на сжатие в этом сегменте и максимальными напряжениями растяжения, из условия отсутствия трещинообразования в бетоне в первом сегменте, при рабочих нагрузках на балку направленных от первого ко второму сегменту ядра (патент РФ №2632798).
Недостатком такой конструкции является относительно большой вес, что приводит к усложнению технологии сборки, транспортировки, а также к удорожании технологии.
Задача изобретения состоит в использовании предварительно напряженной прямой трубобетонной балки в качестве элемента пролетного строения малых и средних мостов, которая обеспечивает необходимую несущую способность при работе на изгиб с простотой и удешевлением технологии монтажа, а также использовании балки в строительстве как элемента перекрытий, также работающего на изгиб.
Технический результат заключается в облегчении балки при обеспечении необходимой прочности конструкции. Технический результат реализуется совокупностью основных признаков:
Трубобетонная предварительно напряженная балка, состоящая из оболочки в виде трубы и бетонного ядра с предварительно растянутыми армирующими элементами, отличающаяся тем, что внутри балки, продольно расположены трубы;
кроме того: диаметр внутренних труб и их количество, выбраны из условия обеспечения необходимой несущей способности балки и прочности бетонного ядра на изгиб, притом внутренние трубы расположены на уровне центральной продольной оси и выше ее;
внутренние трубы, в количестве три и более, выполнены предварительно растянутыми и размещены на уровне центральной продольной оси и ниже ее;
внутренние трубы выполнены металлическими или неметаллическими, например из композитных материалов, или в комбинации - металлические и неметаллические;
наружная и внутренние трубы могут быть старогодными, с допустимым износом;
внутренние трубы выполнены разными подлине;
на наружных поверхностях внутренних металлических труб закреплена спиралеобразно арматура, с условием обеспечения механической связи между бетонным ядром и наружной поверхности внутренних труб;
внутренние трубы, могут служить каналами для электропроводки, газо- водо-нефтепроводов и других коммуникаций.
На Фиг. 1, 2, 3 изображена трубобетонная предварительно напряженная балка в поперечном сечении, в различных вариантах. На Фиг. 4 изображено поперечное сечение балки с внутренними трубами предварительно растянутыми. На Фиг. 5 изображена схема расположения внутренних труб разной длины.
Трубобетонная предварительно напряженная балка состоит из оболочки в виде трубы 1 с бетонным ядром 2, армирующих элементов 3, расположенных в трубе 1 продольно и эксцентрично, и внутренних продольных труб 4. Количество внутренних труб может колебаться (Фиг. 1-4).
Наиболее простые и экономичные мостовые сооружения - малые и средние мосты балочной системы, где главными элементами являются опоры и пролетные строения. При этом пролетные строения, как правило, самые сложные и дорогие элементы в малых и средних мостах, которые в значительной мере определяют общую стоимость мостового сооружения.
Предлагаемая перспективная и экономически выгодная облегченная трубобетонная балка с возможностью применения старогодных нефтегазовых труб, может эффективно работать с большой грузоподъемностью в пролетных строениях малых и средних мостов.
Обычные прямые трубобетонные балки с поперечной нагрузкой в пролетных строениях мостов использовать практически невозможно в силу того, что в нижней части балки бетонное ядро работает на растяжение и уже при деформации 0,003 в нем образуются трещины. По этой причине в обычных изгибаемых трубобетонных балках бетонное ядро малоэффективно, а грузоподъемность такой трубобетонной балки может оказаться не намного больше грузоподъемности пустотелой металлической трубчатой балки. На практике трубобетонные конструкции в пролетных строениях мостов обычно используются в виде арок, у которых бетонное ядро работает в условиях объемного сжатия (особенно широко арочные трубобетонные конструкции используются за рубежом). Однако любые арочные конструкции сложны и затратны в изготовлении и транспортировке их к месту строительства моста, и уже только по этим показателям существенно проигрывают прямым балкам.
Для реализации потенциальных грузоподъемных свойств прямой трубобетонной балки необходимо создать в ее сечении неравномерное распределение предварительно созданных сжимающих напряжений. При этом максимальные сжимающие напряжения в бетонном ядре должны быть в наиболее растянутых от действия внешней нагрузки частях ядра (т.е. в нижнем сегменте в его области, наиболее удаленной от оси балки), для чего напрягаемую арматуру располагают эксцентрично.
В результате действия предварительных растягивающих усилий в армирующих элементах в сечении трубобетонной балки возникает внецентренное сжатие. Кроме сжимающего усилия в сечении трубобетонной балки дополнительно возникает и изгибающий момент, обратный по знаку моменту от внешней нагрузки. В процессе изготовления такая трубобетонная балка получает выгиб (в результате которого в верхней части бетонного ядра возникают напряжения растяжения), обратный прогибу от внешней нагрузки (по сути дела это строительный подъем). Следовательно, предварительно напряженная арматура в трубобетонной балке создает наибольшие сжимающие напряжения в нижней части бетонного ядра, препятствуя в дальнейшем появлению в нем трещин от действия внешних нагрузок. А при нагрузках, близких к разрушающим, когда в растянутой нижней зоне бетонного ядра начинается трещинообразование, арматура будет воспринимать растягивающие усилия аналогично арматуре в железобетонных элементах. Внутренние трубы при незначительном снижении прочности на изгиб облегчают вес балки и соответственно облегчают монтаж.
Настоящее изобретение предполагает возможность использовать предварительное растяжение внутренних труб, при котором они дополнительно выполняют роль преднапряженной арматуры с совмещением задачи облегчения веса балки. В этом случае диаметр их меньше по сравнению с вариантами ненапряженных труб, а количество внутренних труб увеличивается. Размещение преднапряженных внутренних труб предполагается ниже центральной оси в зоне армированного бетона (фиг. 4). В настоящем изобретении возможен вариант использования внутренних труб различной длины (Фиг. 5), где короткие трубы располагаются в начале и в конце балки, что повышает прочность ее в середине, т.е. в зоне приложения максимального изгибающего момента от поперечной нагрузки.
При использовании одной внутренней трубы с диаметром равным половины диаметра внешней трубы, ее предпочтительно размещать в центре или немного выше продольной оси (Фиг. 2), то есть в зоне, где бетонное ядро малонагружено.
Вариант с двумя и более трубами предполагает размещение их на уровне центральной продольной оси и выше ее, в зоне неармированного бетона (Фиг. 1, 3).
Для лучшей связки бетона с внутренними трубами предлагается монтаж сваркой на наружной поверхности труб проволочной арматуры, выполненной спиралеобразно по всей длине труб.
Внутренние трубы позволяют использовать их в качестве каналов для электрокабелей, нефте-водо-газопроводов и других коммуникаций.
Пример использования 2 внутренних труб при диаметре внешней трубы 720 мм (Фиг. 1)
общ
2
2
Общая площадь S=πR=3,14×0,36=0,41 м
Радиус внутренних труб r=0,5R=0,18;
Площадь двух труб S=0,205.
3
1 п.м. всей трубы при плотности бетона В70 ρ=2,4 т/м равен 0,41×2,4=0,98 т/м
1 п.м. облегченной трубы ,
без учета веса труб и арматуры.
1
При пролете 25 м вес трубы P=0,98×25=24,5 т.
2
Р=0,49×25=12,3 т., т.е. вес облегченной балки уменьшается более чем в 2 раза.
Изготовление трубобетонной предварительно напряженной балки можно проводить на месте строительства моста путем размещения армирующих элементов эксцентрично в нижней части трубы через торцевые упоры с механизмами натяжения арматуры. Наполнение бетоном трубы следует производить в наклонном положении через технологические отверстия в упорах и трубе или при горизонтальном положении - закачиванием бетона в трубу под давлением. Внутренние полые трубы также крепятся в упорах, как и арматура и могут быть предварительно напряжены. В обоих случаях труба может быть заранее установлена на опоры моста. Далее, после полного отвердевания бетона и передачи на него усилий от предварительно растянутых армирующих элементов, балка становится предварительно напряженной и готова к эксплуатации.
Удешевление технологии изготовления балки реализуется за счет того, что на место строительства малого или среднего моста производится транспортировка полых труб, которые, с учетом применения внутренних труб в 20 и более раз легче трубобетонных элементов. При этом не требуется большегрузный транспорт и специальная грузоподъемная техника. Кроме того, возможно применение в качестве оболочки трубобетонных элементов старогодных нефтегазовых труб с допустимым износом поверхности, что приведет к удешевлению трубобетонных балок и всего мостового сооружения в целом. С учетом вышесказанного также обеспечивается повышение технологичности.