Сталебетонная балка
STEEL CONCRETE BEAM

Изобретение относится к строительству, а именно к балкам покрытий и перекрытий зданий и сооружений, к подкрановым балкам и другим элементам, работающим преимущественно в условиях пространственного изгиба.
Известна составная сталебетонная балка, включающая бетон замоноличивания, стальные тонкостенные профили, образующие двутавровое сечение, имеющие анкерные элементы в виде выштампованных в стенке шпилек с загибами, расположенных поочередно в обе стороны балки минимум в два ряда с уменьшающимся к опорам шагом (RU 155973, Е04С 3/293, 27.10.2015 г.).
Недостатком такого технического решения является повышенная материалоемкость балки за счет неэффективного использования бетона по сечению вследствие нерациональной формы его поперечного сечения, недостаточного сцепления бетона с поверхностью верхнего пояса балки и отсутствия замкнутого стального контура, повышающего прочность бетона вследствие объемного обжатия.
Известна также сталежелезобетонная балка, включающая стальные листы и прокатные профили или сварные профили, образующие коробчатую балку, внутри которой размещен бетон (RU 79908, Е04С 3/00, 20.01.2009 г.).
Недостатком такого конструктивного решения является повышенная материалоемкость балки за счет неэффективного использования бетона и стали по сечению, обусловленная нерациональной формой поперечного сечения бетона и недостаточным сцеплением бетона с поверхностью стальных элементов.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является строительный элемент типа составной балки, включающей вертикальную стенку и два пояса, один из которых выполнен в виде полого трубчатого элемента, заполненного бетоном (SU 385011, Е04С 3/29, 20.08.1973 г.).
Недостатком такого конструктивного решения является повышенная материалоемкость балки за счет нерационального использования бетона по высоте сечения и пролету балки, так как размеры бетонного сечения не соответствует эпюре нормальных сжимающих напряжений как по поперечному сечению, так и по длине пролета, недостаточного сцепления бетона с поверхностью стальных элементов, т.к. отсутствуют специальные элементы для повышения сцепления, что приводит к снижению эффективности совместной работы стали и бетона и к снижению устойчивости сжатых стальных элементов балки.
Задача изобретения - снижение материалоемкости сталебетонной балки.
Технический результат достигается тем, что сталебетонная балка, включающая верхний и нижний пояса, стенку и бетон, расположенный в замкнутом контуре в верхней части сечения балки, имеет замкнутый контур для расположения бетона, образованный верхним поясом и стенкой, состоящей из двух листов, которые в верхней части балки изогнуты наружу в соответствие с эпюрой нормальных сжимающих напряжений в сечениях балки, верхние кромки листов стенки разнесены в горизонтальной плоскости и образуют по длине балки две кривые, соответствующие эпюре изгибающего момента в балке, верхние точки сопряжения листов стенки расположены на вертикальной кривой, соответствующей эпюре изгибающего момента в балке, а листы стенки объединены фиксаторами переменной длины, которые обеспечивают ей криволинейную форму по высоте и длине балки.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
- фиг. 1 - общий вид сталебетонной балки;
- фиг. 2 - вид сталебетонной балки сверху;
- фиг. 3 - фрагмент продольного разреза балки;
- фиг. 4…7 - поперечные сечения 1-1, 2-2, 3-3, 4-4 на фиг. 3.
Сталебетонная балка включает верхний пояс 1 и нижний пояс 2, которые приварены к стенке 3, и бетон 4, расположенный в замкнутом контуре, образованном верхним поясом 1 и стенкой 3, состоящей из двух листов 5, верхние кромки 6 которых разнесены в горизонтальной плоскости и образуют по длине сталебетонной балки две кривые 7 (фиг. 2), листы 5 стенки 3 объединены фиксаторами переменной длины 8, например, в виде шпилек с гайками или стрежней со сварными соединениями, верхние точки сопряжения 9 листов 5 расположены на вертикальной кривой 10 (фиг. 1, 3) и закреплены фиксаторами переменной длины 8.
Верхний пояс 1 приваривается к верхним кромкам 6 стенки 3 и опорной диафрагме 11 после укладки бетона 4.
Кривые 7, образованные верхними кромками 6 листов 5 стенки 3 сталебетонной балки, расположенные в горизонтальной плоскости, подобны эпюре изгибающего момента в сталебетонной балке.
Верхние точки сопряжения 9 листов 5 расположены на вертикальной кривой 10 подобной эпюре изгибающего момента в сталебетонной балке.
Длина фиксаторов переменной длины 8, объединяющих листы 5 стенки 3 сталебетонной балки, переменна и соответствует эпюре нормальных сжимающих напряжений в поперечных сечениях сталебетонной балки.
Верхние кромки 6 листов 5 стенки 3 разнесены в горизонтальной плоскости и образуют по длине сталебетонной балки две кривые 7, подобные эпюре изгибающего момента в сталебетонной балке (фиг. 2), а вертикальная кривая 10, образованная верхними точками соприкосновения 9 листов 5 стенки 3 сталебетонной балки, подобна эпюре изгибающего момента в сталебетонной балке. В совокупности это приводит к тому, что площадь поперечного сечения сталебетонной балки, заполненная бетоном в каждом сечении по длине сталебетонной балки переменно (фиг. 4, 5, 6, 7), и обеспечивает равнонапряженность поперечных сечений сталебетонной балки с бетоном, а значения напряжений в них равны пределу прочности бетона на сжатие, что позволяет полностью использовать прочностные свойства бетона и, как следствие, приводит к снижению материалоемкости сталебетонной балки в целом.
Кроме того, при действии внешней нагрузки поперечные деформации в бетоне 4 сдерживаются разнесенными в горизонтальной плоскости листами 5 стенки 3 и закрепленными фиксаторами переменной длины 8, за счет чего в бетоне 4 возникает объемное напряженное состояние сжатия, приводящее к повышению его прочности, и, как следствие, к снижению материалоемкости сталебетонной балки.
Вертикальная кривая 10, образованная верхними точками соприкосновения листов 5 стенки 3 сталебетонной балки подобна эпюре изгибающего момента в сталебетонной балке (фиг. 1), это приводит к уменьшению высоты, а следовательно, и объема бетона в малонапряженных зонах поперечных сечений сталебетонной балки в соответствии с уменьшением величины изгибающего момента, что снижает расход бетона на сталебетонную балку переменного сечения. Кроме того, уменьшение высоты бетона увеличивает расстояние от нейтральной оси балки до центра тяжести сжатой зоны бетона (плечо внутренней пары сил), а следовательно, увеличивает внутренний изгибающий момент в сечениях сталебетонной балки, что в совокупности приводит к увеличению несущей способности и, как следствие, к снижению материалоемкости сталебетонной балки в целом.
Фиксаторы переменной длины 8, объединяющие листы 5 стенки 3 сталебетонной балки, имеют переменную длину как по поперечному сечению, так и по длине сталебетонной балки, соответствующую эпюре нормальных сжимающих напряжений в поперечных сечениях сталебетонной балки, что позволяет обеспечить равнонапряженность бетона в поперечных сечениях сталебетонной балки.
При заполнении балки бетоном фиксаторы переменной длины 8 воспринимают боковое давление от незатвердевшего бетона 4 и позволяют отказаться от внешних опалубочных конструкций, что снижает трудоемкость изготовления и расход материалов при изготовлении сталебетонной балки за счет отсутствия внешних опалубочных конструкций.
Фиксаторы переменной длины 8 обеспечивают совместность деформаций бетона 4 и листов 5 стенки 3, что включает в работу стенки 3 бетон 4 и снижает напряжения в стенке 3, что, как следствие, уменьшает материалоемкость сталебетонной балки в целом.
Несущая способность балки обеспечивается подбором класса бетона, марки стали, размеров поперечного сечения балки и ее элементов.