ГИБРИДНАЯ СОСТАВНАЯ БАЛКА И БАЛОЧНАЯ СИСТЕМА
HYBRID COMPOSITE BEAM AND BEAM SYSTEM

Уровень техники
Настоящая заявка относится в целом к мостовым конструкциям и строительным конструкциям, спроектированным для пешеходов и/или движения автотранспорта, которые могут включать, но не ограничиваются ими, коммерческие и промышленные каркасные строения и мосты с короткими/средними пролетами.
Многие или большинство малопролетных мостовых конструкций в Соединенных Штатах состоят из грузовой поверхности на опорной конструкции, обычно каркасе из двутавровых балок из стали или предварительно напряженного бетона. Например, обычный двухпролетный мост (с суммарной длиной пролетов 140 футов (42,7 м)) может иметь поверхность износа дорожного покрытия толщиной три дюйма (7,5 см) на несущей плите из железобетона толщиной семь дюймов (17,5 см), удерживаемой на каркасной системе, состоящей из пяти продольных стальных двутавровых балок шириной тридцать шесть дюймов (0,9 м) или пяти продольных балок из предварительно напряженного бетона шириной сорок пять дюймов (1,13 м) типа IV по стандарту Американской ассоциации государственных служащих, отвечающих за автодорожные перевозки.
Предполагается, что в Соединенных Штатах существует значительная потребность в строительной балке для использования в каркасе моста, которая обеспечивает большее сопротивление коррозии при помощи пластика (включая волокнит) и которая может изготовляться не только с конкурентоспособной стоимостью, но также и со снижением собственного веса строительных элементов, когда это относится к затратам на монтаж и транспортировку.
Известно, что изготовление элементов конструкции из волокнитов обеспечивает получение конструкции, которая меньше подвержена порче коррозийными средами. Один тип элемента каркасной конструкции в настоящее время производится с использованием процесса получения одноосно ориентированного волокнистого пластика. В этом процессе однонаправленные волокна (обычно стекловолокно) протягивают непрерывно через металлическую матрицу, где они охватываются многонаправленной стеклотканью и сплавляются друг с другом в матрице из термореактивной смолы, такой как сложный виниловый эфир.
Хотя композитные строительные элементы обеспечивают повышенную коррозионную стойкость, известно, что конструкционные профили с использованием стекловолокна имеют очень малый модуль упругости по сравнению со сталью и очень высокие затраты на материал относительно и бетона, и стали. В результате, полученные из одноосно ориентированного волокнистого пластика строительные балки, состоящие полностью из волокнита, могут не быть экономически выгодными при проектировании и изготовлении для удовлетворения техническим условиям эксплуатационной надежности, то есть критериям прогиба от временной нагрузки, в настоящее время предписываемым кодами элементов конструкции для зданий и мостов.
Сущность изобретения
По меньшей мере, в одном типичном варианте выполнения строительной балки согласно настоящему изобретению балка содержит удлиненный кожух, имеющий длину и внутренний объем, причем удлиненный кожух образует первое отверстие. Типичная строительная балка также содержит первый канал во внутреннем объеме удлиненного кожуха, причем первый канал имеет изогнутый профиль, проходящий вдоль продольного направления балки, и второй канал во внутреннем объеме удлиненного кожуха, причем второй канал проходит вдоль, по меньшей мере, части длины удлиненного кожуха, при этом первый канал и второй канал сообщаются друг с другом. По меньшей мере, в одном варианте выполнения строительная балка согласно настоящему изобретению содержит первую полку, расположенную на удлиненном кожухе относительно первого отверстия.
В различных вариантах выполнения строительной балки согласно настоящему изобретению первый канал и второй канал имеют размеры и форму для получения арматуры сжатия таким образом, что такая арматура сжатия может быть расположена внутри, по меньшей мере, части первого канала и, по меньшей мере, части второго канала для повышения прочности балки.
Типичная строительная балка, согласно настоящему изобретению, может также содержать, по меньшей мере, один сдерживающий элемент, причем, по меньшей мере, один сдерживающий элемент расположен внутри удлиненного кожуха снаружи от первого канала, при этом, по меньшей мере, один сдерживающий элемент сдерживает существенное отклонение диаметра удлиненного кожуха. Типичный сдерживающий элемент может содержать первый поперечный элемент, имеющий первый конец и второй конец, первый концевой элемент, соединенный с первым поперечным элементом на первом конце первого поперечного элемента, и второй концевой элемент, соединенный с первым поперечным элементом на втором конце первого поперечного элемента. В другом варианте выполнения сдерживающий элемент также содержит второй поперечный элемент, расположенный относительно первого поперечного элемента, причем второй поперечный элемент соединен на одном конце с первым концевым элементом и на другом конце со вторым концевым элементом.
В другом типичном варианте выполнения строительной балки согласно настоящей заявке строительная балка содержит первую полку, содержащую первую сторону и вторую сторону, причем первая сторона первой полки расположена относительно удлиненного кожуха балки. В различных вариантах выполнения первая полка также содержит конструкцию, расположенную на второй стороне первой полки, и/или первая полка образует, по меньшей мере, одно отверстие, сообщающееся со вторым каналом. В другом варианте выполнения строительная балка содержит вторую полку, расположенную относительно первой полки и удлиненного кожуха, причем вторая полка имеет размеры и форму для зацепления, по меньшей мере, с частью удлиненного кожуха. В другом варианте выполнения строительная балка также содержит третью полку, расположенную относительно первой полки и удлиненного кожуха, причем третья полка имеет размеры и форму для зацепления, по меньшей мере, с частью удлиненного кожуха.
В типичном варианте выполнения строительной балки, соответствующей настоящей заявке, балка содержит удлиненный кожух, имеющий длину и внутренний объем, первый материал сердцевины, расположенный внутри удлиненного кожуха, причем первый материал сердцевины сужен на одном конце, и второй материал сердцевины, расположенный внутри удлиненного кожуха относительно первого материала сердцевины, причем первый материал сердцевины и второй материал сердцевины не контактируют друг с другом, при этом первый материал сердцевины и второй материал сердцевины образуют первый канал, проходящий, по меньшей мере, по части длины удлиненного кожуха, и также образуют второй канал, проходящий от первого канала, причем первый канал и второй канал сообщаются друг с другом. В другом варианте выполнения строительная балка также содержит третий материал сердцевины, причем второй материал сердцевины и третий материал сердцевины также образуют второй канал.
Другие преимущества настоящего изобретения станут очевидными при ознакомлении со следующим подробным описанием в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг.1 - частичный вид в перспективе первого варианта выполнения моста, построенного с использованием составных балок, согласно настоящему изобретению;
фиг.2 - типичный вид сечения моста, показанного на фиг.1, согласно настоящему изобретению;
фиг.3 - вид сбоку первого варианта выполнения составной балки моста, показанной на фиг.1, согласно настоящему изобретению;
фиг.4 - частичный вид в перспективе составной балки согласно настоящему изобретению;
фиг.5 - частичный вид сечения, выполненного по линии 1-1 на фиг.3, согласно настоящему изобретению;
фиг.6 - частичный вид сечения, выполненного по линии 2-2 на фиг.3, согласно настоящему изобретению;
фиг.7 - частичный вид сечения, выполненного по линии 3-3 на фиг.3, согласно настоящему изобретению;
фиг.8 - вид сбоку второго варианта выполнения составной балки моста, показанного на фиг.1, согласно настоящему изобретению;
фиг.9 - частичный вид сечения, выполненного по линии 4-4 на фиг.8, согласно настоящему изобретению;
фиг.10 - вид сбоку первого варианта выполнения соединения, работающего при сдвиге, балки, показанной на фиг.8, согласно настоящему изобретению;
фиг.11 - вид сбоку второго варианта выполнения соединения, работающего при сдвиге, балки, показанной на фиг.8, согласно настоящему изобретению;
фиг.12 - диаграмма распределения нагрузки для сечения балки, показанной на фиг.8, согласно настоящему изобретению;
фиг.13A - схематичный вид, показывающий составные балки, размещаемые на нижнем строении моста, показанного на фиг.1, согласно настоящему изобретению;
фиг.13B - частичный вид в перспективе составной балки согласно настоящему изобретению;
фиг.14A-14C - частичные виды в сечении различных вариантов выполнения составной балки согласно настоящему изобретению;
фиг.15A - вид сбоку типичного варианта выполнения составной балки согласно настоящему изобретению; и
фиг.15B и 16 - виды в перспективе типичных вариантов выполнения составной балки согласно настоящему изобретению.
Ниже будут сделаны ссылки на варианты осуществления изобретения, показанные на чертежах, и для их описания будут использоваться конкретные формулировки. Тем не менее, следует понимать, что описание этих вариантов осуществления изобретения не предусматривает ограничения объема изобретения.
На фиг.1 показан иллюстративный вариант выполнения моста 10. Иллюстративный мост 10, показанный на фиг.1, построен с использованием ряда из пяти составных балок 11, перекинутых между устоями 12 моста и по центральной промежуточной опоре 13. Эти составные балки 11 в типичном варианте выполнения могут быть разнесены с интервалами приблизительно в семь футов, шесть дюймов симметрично в поперечном направлении относительно средней линии 20 моста 10, как показано на фиг.2. Расстояние между крайними точками в ширину иллюстративного моста 10 показано как составляющее приблизительно тридцать пять футов, но он может быть шире или уже. Для вариантов выполнения, в которых мост 10 является более широким или более узким, количество составных балок 11 и интервалы составных балок 11 внутри поперечного сечения могут изменяться.
Иллюстративный мост 10 содержит два пролета приблизительно по семьдесят футов и имеет две составные балки 11 в ряду. В альтернативном варианте выполнения иллюстративный мост 10 может иметь больше или меньше пролетов, и пролеты могут быть более длинными или короткими. Каждая составная балка 11 в ряду может просто удерживаться между береговым устоем 12 и центральной промежуточной опорой 13. В другом варианте выполнения две или больше балок в одном ряду могут быть непрерывными на опорах. Для мостов с больше чем двумя пролетами составные балки 11 могут удерживаться между двумя смежными промежуточными опорами 13. Типичная грузовая поверхность может включать плиту 21 мостового настила, покрытую, но не обязательно, перекрывающим износным покрытием 22. В одном варианте выполнения плита 21 мостового настила может быть плитой 21 мостового настила из железобетона. Настил может быть создан из материалов, отличных от железобетона, например из волокнита.
Составные балки 11, показанные на фиг.1, могут включать кожух 30 балки, арматуру 31 сжатия и арматуру 32 растяжения. В типичном варианте выполнения составная балка 11 также может включать материал 44 сердцевины, как показано на фиг.4-7 и др. Составная балка 11 может быть изготовлена с множеством ширин и высот, и также может быть построена с шириной и/или высотой, изменяющейся по длине составной балки 11. В иллюстративном варианте выполнения составной балки 11, показанном на фиг.1-3, составная балка 11 имеет постоянную высоту сорок семь дюймов и постоянную ширину шестнадцать дюймов. Высота составных балок 11 моста 10, показанного на фиг.1, может приводить к отношению пролета к высоте приблизительно 18:1, но оно может изменяться для получения других отношений пролета к высоте, все же оставаясь в пределах объема настоящего описания и прилагаемой формулы изобретения.
Кожух 30 составной балки 11 может быть выполнен из смолы сложных виниловых эфиров, усиленной стекловолокном, оптимально ориентированным для сопротивления ожидаемым силам в составной балке 11. Составная балка 11 также может быть построена с использованием других типов синтетических смол, других типов смол или других типов пластмасс. Кожух 30 балки может включать верхнюю полку 33, нижнюю полку 34, промежуточные вертикальные ребра 36 жесткости и два торцевых ребра 37 жесткости. Кожух 30 балки также может включать непрерывный канал 38, заливочное отверстие 39 и вентиляционные отверстия 40, используемые для арматуры 31 сжатия. Кожух 30 балки также может включать средство 35 передачи усилий сдвига, которое служит для передачи прилагаемых нагрузок составной балке 11 и передачи усилия сдвига между арматурой 31 сжатия и арматурой 32 растяжения.
В типичном варианте выполнения средство 35 передачи усилий сдвига содержит две вертикальные стенки, но также может включать одну или множество стенок или элементов фермы, соединяющих друг с другом верхнюю полку 33, нижнюю полку 34, арматуру 31 сжатия и арматуру 32 растяжения. Все компоненты кожуха 30 балки могут быть изготовлены монолитно с использованием способа вакуумного трансфертного формования смолы или с использованием других производственных процессов.
Как показано на фиг.4, материал 44 сердцевины может быть расположен над и под непрерывным каналом 38 и/или может окружать непрерывный канал 38. Материал 44 сердцевины может являться пеной низкой плотности, такой как полиизоцианорат, полиуретан, полистирол, некоторым типом крахмала, такого как древесный или синтетический или обработанный крахмал, или волокнистым материалом. Материал 44 сердцевины может заполнять всю или часть полости между кожухом 30 и непрерывным каналом 38. Материал 44 сердцевины может действовать как дополнительный элемент передачи усилий сдвига или может служить для поддержания формы составной балки 11 до инжекции смолы и/или введения арматуры 31 сжатия.
Средство 35 передачи усилий сдвига кожуха 30 балки может быть усилено шестью слоями стекловолоконной ткани 41 с трехоснонаправленным переплетением, в которой шестьдесят пять процентов волокон ориентированы вдоль продольной оси составной балки 11, и остающиеся тридцать пять процентов волокон в равных количествах расположены с ориентацией плюс или минус сорок пять градусов относительно продольной оси составной балки 11. Волокна, расположенные с ориентацией плюс или минус сорок пять градусов относительно продольной оси, могут улучшать и прочность, и жесткость в отношении усилий сдвига внутри составной балки 11. Средство 35 передачи усилий сдвига также может быть выполнено с большим или меньшим количеством слоев стекловолоконного армирования и с другими размерами, соотношениями или ориентациями волокон.
Слои стекловолоконной армирующей ткани, которую содержит средство передачи усилий сдвига кожуха 30 балки, могут проходить вокруг периметра поперечного сечения таким образом, что они также становятся укреплением для верхней полки 33, нижней полки 34 и вертикального торцевого ребра 37 жесткости кожуха 30 балки. Периметр кожуха 30 балки представляет собой прямоугольник с углами, округленными с радиусом, но может иметь другую форму. Все продольные швы 42 стекловолоконных тканей, используемых в кожухе 30 балки, могут быть расположены внутри верхних полок 33 и нижних полок 34 кожуха 30 балки. Верхняя полка 33 кожуха 30 балки также может содержать четыре слоя стекловолоконной ткани 43 с однонаправленным переплетением, расположенных продольно между слоями ткани 41 с трехоснонаправленным переплетением и завернутых вниз под прямым углом и содействуют формированию вертикального торцевого ребра 37 жесткости кожуха 30 балки.
Каждый кожух 30 балки также может содержать промежуточные вертикальные ребра 36 жесткости, снова состоящие из армированного стекловолокном пластика. Вертикальные ребра 36 жесткости на фиг.3 показаны разнесенными с продольными интервалами приблизительно пять футов вдоль кожуха 30 балки, но могут быть разнесены с другими интервалами. Размеры вертикальных ребер 36 жесткости могут быть аналогичны внутренней высоте и ширине кожуха 30 балки. Усиление для вертикальных ребер 36 жесткости может содержать три слоя такой же стеклоткани 41 с трехоснонаправленным переплетением, как и используемая для стенок балки, содержащих средство 35 передачи усилий сдвига, кроме слоя из шестидесяти пяти процентов волокон, ориентированных вдоль вертикальной плоскости, перпендикулярной продольной оси составной балки 11. Типичные вертикальные ребра 36 жесткости, показанные на фиг.4, имеют толщину приблизительно 0,126 дюйма, но могут иметь другие толщины. Вертикальные ребра 36 жесткости также могут быть изготовлены с использованием армирующих тканей с другими пропорциями, ориентациями или составом.
Кожух 30 балки может быть изготовлен с каналом 38, который проходит продольно и непрерывно между концами составной балки 11 вдоль профиля, спроектированного для содержания арматуры 31 сжатия, как здесь описано. Канал 38 может содержать непрерывную прямоугольную тонкостенную трубу или округленную трубу, или трубу другой формы. Канал 38 может быть выполнен, например, из двух слоев стеклоткани 41 с трехоснонаправленным переплетением, как показано на фиг.4. Канал 38 проходит через промежуточные элементы жесткости 36 и прерывает их по вертикали, при этом высота участка прерывания может быть функцией профиля арматуры 31 сжатия. Канал 38 также может содержать заливочное отверстие 39, расположенное вдоль одной стенки составной балки 11, как показано на фиг.5, и используется для введения арматуры 31 сжатия. Вентиляционные отверстия 40 также расположены в самых высоких и самых низких точках вдоль профиля канала, как показано в типичном варианте выполнения составной балки 11, показанном на фиг.6. Канал 38 также может быть выполнен с использованием армирующих тканей с разными пропорциями, ориентациями или составами.
Каждая из составных балок 11 включает арматуру 31 сжатия. Арматура 31 сжатия может содержать портландцементный бетон, портландцементный жидкий строительный раствор, полимерцементный бетон или полимербетон. В типичном варианте выполнения арматура 31 сжатия содержит портландцементный бетон с прочностью на сжатие 6000 фунтов на квадратный дюйм. Арматура 31 сжатия может быть введена в канал 38 внутри кожуха 30 балки посредством закачивания ее через заливочное отверстие 39, расположенное в боковой стенке канала 38. Вентиляционные отверстия 40 могут предотвращать захват воздуха внутри канала 38 во время нагнетания арматуры 31 сжатия.
Арматура 31 сжатия, как показано в типичном варианте выполнения, показанном на фиг.6, имеет прямоугольное поперечное сечение с шириной пятнадцать с половиной дюймов и высотой четырнадцать и семь десятых дюйма, но может иметь большие или меньшие размеры. Профиль 50 арматуры 31 сжатия может следовать линии, которая начинается вблизи основания составной балки 11 на концах составной балки 11 и изгибается вверх к самой высокой точке профиля, расположенной вблизи центра составной балки 11, таким образом, что канал 38 является касательным к верхней полке 33. В иллюстративном варианте выполнения, показанном на фиг.3, профиль 50 арматуры 31 сжатия следует линии, которая начинается приблизительно в семи дюймах от основания составной балки 11 на концах составной балки 11 и изменяется по параболе с самой высокой точкой профиля 50, расположенной в центре составной балки 11, таким образом, что канал 38 является касательным к верхней полке 33. Профиль 50 арматуры 31 сжатия также может следовать другим криволинейным траекториям, которые начинаются вблизи основания составной балки 11 на концах составной балки 11 и изгибаются вверх к точке вблизи центра составной балки 11.
Профиль 50 арматуры 31 сжатия спроектирован для сопротивления силам сжатия и сдвига, возникающим из-за вертикальных нагрузок, прилагаемых к составной балке 11, аналогично арочной конструкции. Профиль 50 арматуры 31 сжатия может быть образован вдоль другой геометрической линии и с размерами, отличными от указанных. Хотя типичный вариант выполнения составной балки 11 согласно настоящему изобретению предполагает введение арматуры 31 сжатия после установки кожуха 30 балки, ее также можно вводить в ходе производства кожуха 30 балки.
Осевая нагрузка, сообщаемая арматуре 31 сжатия в результате приложения внешних нагрузок к составной балке 11, уравновешивается арматурой растяжения 32 составной балки 11. В одном варианте выполнения арматура 32 растяжения может содержать слои однонаправленных армирующих углеродных волокон с прочностью при растяжении 160000 фунтов за квадратный дюйм и модулем упругости 16000000 фунтов за квадратный дюйм. Хотя в типичном варианте выполнения составной балки 11 используется углеродное волокно, также могут использоваться другие волокна для арматуры 32 растяжения, включая стекловолокно, арамид, стандартную низкоуглеродистую арматурную сталь или предварительно напряженную арматурную прядь, как известно на существующем уровне техники.
Волокна, которые расположены непосредственно над стекловолоконным усилением нижней полки 34 и вдоль внутренней поверхности в пределах нижних шести дюймов средства 35 передачи усилий сдвига, как показано на фиг.4, могут быть ориентированы вдоль продольной оси составной балки 11. Волокна также могут быть обернуты вокруг арматуры 31 сжатия на концах составных балок 11. Арматура 32 растяжения может быть изготовлена монолитно в составной балке 11 одновременно с производством кожуха 30 балки, но также может быть установлена посредством обшивки каналов в кожухе 30 балки, что может допускать установку позже, или посредством связывания арматуры 32 растяжения с внешней поверхностью кожуха 30 балки после ее изготовления. Снова, количество, состав, ориентация и расположение слоев в арматуре 32 растяжения могут быть разными.
По меньшей мере, в одном варианте выполнения все составные балки 11 в пределах пролета имеют одинаковую физическую конфигурацию, состав и ориентацию. Преимущества также могут быть получены с использованием составных балок 11 с разными и/или изменяющимися конфигурациями. Однако использование составных балок 11, имеющих одинаковую физическую конфигурацию кожуха 30 балки, может минимизировать затраты на набор инструментов для изготовления благодаря эффекту повышения масштаба, связанному с повторением. Когда необходимо построить несколько мостов 10, можно удовлетворять требованиям по грузоподъемности разных мостов с использованием составных балок 11 с одинаковой конфигурацией кожуха 30 балки посредством простого изменения размеров или профиля арматуры 31 сжатия или количества и размеров арматуры 32 растяжения.
На фиг.8-12 показан вариант выполнения составной балки 11, включающий соединение 62, работающее при сдвиге. На фиг.8 показан вид вертикального сечения составной балки 11, включающей соединение 62, работающее при сдвиге. На фиг.9 показан вид поперечного сечения составной балки 11, включающей соединение 62, работающее при сдвиге, выполненного по линии 4-4 на фиг.8. На фиг.10 показан подробный вид типичного варианта выполнения соединения 62, работающего при сдвиге. На фиг.11 показан подробный вид второго типичного варианта выполнения соединения 62, работающего при сдвиге. На фиг.12 показана диаграмма распределения нагрузки, показывающая силы в составной балке 11, соединениях 62, работающих при сдвиге, и плите 21 мостового настила, возникающие при приложении нагрузки. Для ясности дополнительные вертикальные ребра 36 жесткости не показаны на фиг.8-12, чтобы соединения 62, работающие при сдвиге, можно было показать более ясно. Следует понимать, что вертикальные ребра 36 жесткости, так же как различные другие компоненты примерной составной балки 11 согласно настоящему изобретению, могут или не могут быть включены в вариант выполнения составной балки 11, показанный на фиг.8-12.
Как показано на фиг.8 и 9, составная балка 11 может содержать, по меньшей мере, одно соединение 62, работающее при сдвиге. На фиг.8 и 9 также показан типичный вариант иллюстративного расположения множества соединений 62, работающих при сдвиге, относительно составной балки 11. Соединение 62, работающее при сдвиге, используемое между составной балкой 11 и плитой 21 мостового настила, может давать два явных преимущества. Во-первых, соединение 62, работающее при сдвиге, может создавать определенное средство соединения между составной балкой 11 и плитой 21 мостового настила и таким образом предотвращать любое проскальзывание или смещение плиты 21 мостового настила относительно составной балки 11. Во-вторых, соединение 62, работающее при сдвиге, может противостоять горизонтальным усилиям сдвига между верхним поясом 33 составной балки 11 и плитой 21 мостового настила, таким образом позволяя им действовать совместно как единый композитный структурный компонент для сопротивления прилагаемым нагрузкам. Таким образом, соединение 62, работающее при сдвиге, может облегчать работу комбинированной конструкции между составной балкой 11 и плитой 21 мостового настила и/или поверхностью износа дорожного покрытия 22.
Теперь будут описаны различные способы установки и заделки соединения 62, работающего при сдвиге, в составной балке 11 и/или плите 21 мостового настила. Согласно первому способу установки (не показан), соединение 62, работающее при сдвиге, может быть прикреплено к верхней полке 33 составной балки 11 с использованием механического крепления или связующего вещества или изготовлено на верхней полке 33. Этот способ приводит к передаче усилий сдвига через стенки составной балки 11.
Согласно второму способу установки, показанному на фиг.8-11, соединения 62, работающие при сдвиге, могут быть установлены через отверстия 70, сформированные в верхней части кожуха 30 составной балки 11 и сквозь стенку канала 38. В вариантах выполнения, где составная балка 11 включает материал 44 сердцевины, отверстия 70 аналогично формируют в материале 44 сердцевины, который заполняет часть внутреннего объема кожуха 30 балки, как показано. Соединение 62, работающее при сдвиге, тогда может быть заделано в составную балку 11 таким образом, чтобы первый конец 65 проходил в профилированный канал 38 до введения арматуры 31 сжатия в профилированный канал 38. Позже, например, на месте строительства моста 10 может быть введена арматура 31 сжатия, и после ее затвердевания соединение 62, работающее при сдвиге, будет жестко прикреплено к составной балке 11. В качестве альтернативы, арматура 31 сжатия может вводиться и затвердевать на месте производства.
Второй конец 63 соединения 62, работающего при сдвиге, может проходить через верхнюю часть составной балки 11. Соединение 62, работающее при сдвиге, также может содержать анкерное устройство вблизи конца 63. Например, анкерное устройство может быть жестко прикреплено к соединению 62, работающему при сдвиге, вблизи конца 63. Анкерное устройство может содержать квадратную пластину или большую шайбу, как описано ниже и показано на фиг.10 и 11. Конечно, это анкерное устройство также может иметь много других форм и может быть круглым, квадратным, прямоугольным, звездообразным, восьмиугольным, шестиугольным, пятиугольным или иметь форму почти любого потенциального многоугольника.
Предполагаются различные варианты выполнения соединения 62, работающего при сдвиге, имеющие много различных форм и входящие в объем настоящего изобретения и формулы изобретения, прилагаемой этому описанию. В одном варианте выполнения соединение 62, работающее при сдвиге, может содержать корпус 76. Например, корпус 76 может содержать резьбовой стержень, вставленный в составную балку 11, как показано на фиг.11. Резьба 78 на стержне может создавать границу сдвига с арматурой 31 сжатия для создания силы натяжения в соединении 62, работающем при сдвиге. Верхняя часть 63 варианта выполнения соединения 62, работающего при сдвиге, показанная на фиг.11, может включать анкерное устройство, содержащее пластину 74. Например, пластина 74 может иметь толщину приблизительно между четвертью дюйма и половиной дюйма и иметь отверстие, вырезанное в пластине 74, предпочтительно, вблизи центра. Пластина 74 может быть прикреплена к резьбовому стержню болтами 72, навинченными на резьбовой стержень по обе стороны от пластины 74. В других вариантах выполнения пластина 74 также может быть приварена или отлита на корпусе 76 соединения 62, работающего при сдвиге. Пластина 74 и корпус 76 могут быть выполнены из металла, такого как сталь, железо, алюминий, никель, медь или металлический сплав. Пластина 74 и корпус 76 также могут быть выполнены из композитного материала, такого как стекло, стекловолокно, углерод, сталь или их смесь или из других материалов.
В другом варианте выполнения соединение 62, работающее при сдвиге, может содержать предварительно изготовленный элемент из волокнита с конфигурацией, очень подобной варианту выполнения соединения 62, работающего при сдвиге, описанному выше. Преимуществами использования соединения, работающего при сдвиге, из волокнита являются ограниченная коррозия и деградация со временем из-за окисления, как это может происходить с металлической конструкцией.
Как показано на фиг.10, типичный вариант выполнения соединения 62, работающего при сдвиге, может содержать корпус 66 и конец 65, имеющий расширяющийся элемент 68, который расширяется при вставке соединения 62, работающего при сдвиге, в профилированный канал 38 подобно действию откидного болта. Выступающий элемент 68, показанный на фиг.10, может дополнительно укреплять заделку соединения 62, работающего при сдвиге, в арматуру 31 сжатия. Верхняя часть 63 варианта выполнения соединения 62, работающего при сдвиге, показанная на фиг.10, также может включать анкерное устройство, содержащее пластину 64. Например, пластина 64 может быть прикреплена к корпусу 66 (который может содержать стержень) болтами или может быть приварена или отлита на корпусе 66 соединения 62, работающего при сдвиге, вблизи верхней части 63. Пластина 64 и корпус 66 могут содержать металл, такой как сталь, железо, алюминий, никель, медь или металлический сплав. Пластина 64 и корпус 66 также могут содержать композитный материал, такой как стекло, стекловолокно, углерод, сталь, волокнит или их смесь или другие материалы.
Как показано диаграммой распределения нагрузки на фиг.12, преимуществом анкерных устройств соединения 62, работающего при сдвиге, является передача натяжением сил сжатия, возникающих в плите 21 мостового настила во время изгиба, через соединение 62, работающее при сдвиге, арматуре 31 сжатия. На фиг.12 T представляет силу натяжения, и C представляет силу сжатия. Сила натяжения, сообщаемая соединению 62, работающему при сдвиге, и силы сжатия в плите 21 мостового настила уравновешиваются вертикальной силой, которая направлена в материал 44 сердцевины между верхним поясом 33 составной балки 11 и арматурой 31 сжатия.
Как показано на фиг.8-12, соединение 62, работающее при сдвиге, может быть установлено под углом приблизительно сорок пять градусов; однако в различных вариантах выполнения этот угол может быть большим или меньшим. Цель состоит в том, чтобы наклонить соединение 62, работающее при сдвиге, в направлении точки в составной балке 11, в которой существует нулевое усилие сдвига от прилагаемых нагрузок. Эффективность соединения 62, работающего при сдвиге, при уравновешивании сил может зависеть от угла наклона.
Одним признаком варианта выполнения составной балки 11, показанного на фиг.8-12, могут быть вспомогательные каналы 61, сформированные в материале 44 сердцевины во время изготовления составной балки 11. Хотя они описаны и показаны как имеющие вертикальную ориентацию в типичном варианте выполнения, показанном на фиг.8, вспомогательные каналы 61 могут быть ориентированы в любом направлении. Вспомогательные каналы 61 позже могут быть заполнены материалом, подобным используемому для арматуры 31 сжатия, аналогично заполнению профилированного канала 38. После заполнения эти вспомогательные каналы 61 могут служить для различных определенных целей. В типичном варианте выполнения, показанном на фиг.8, один или более цилиндрических вспомогательных каналов 61 ориентированы в вертикальном положении по средним линиям опор составной балки 11. (Поскольку на фиг.8 показана только половина составной балки 11, показана только одна средняя линия опоры, и показана только половина цилиндрических вспомогательных каналов 61). В этом типичном варианте выполнения, когда вспомогательные каналы 61 заполнены арматурой 31 сжатия, они служат опорными элементами жесткости на концах составной балки 11. В другом примере подобные вспомогательные каналы 61 также могут быть созданы в других отдельных местоположениях вдоль составной балки 11. Например, вспомогательные каналы 61 также могут быть созданы прямо под анкерными устройствами соединения 62, работающего при сдвиге. Дополнительно, вспомогательные каналы 61 также могут быть заполнены арматурой 31 сжатия и служить путем нагружения для передачи вспомогательного компонента напряжения опоры вместо средства 35 передачи усилий сдвига или материала 44 сердцевины.
Дополнительно, вспомогательные каналы 61 могут служить местоположением для прикрепления заливочного шланга или трубы для облегчения нагнетания материала арматуры сжатия во внутренний объем составной балки 11. При использовании вспомогательных каналов 61 с этой целью, можно нагнетать материал арматуры 31 сжатия в составную балку 11 из самой низкой точки профилированного канала 38, при наличии вентиляционного отверстия в самой высокой точке профилированного канала 38 для обеспечения того, что воздух не будет захвачен в арматуре 31 сжатия. Вспомогательные каналы 61 также могут служить местоположением для вставки резьбового стержня или подъемного крюка, который может быть средством для подъема составной балки 11 для монтажа во время строительства моста 10.
Изготовление этих вспомогательных каналов 61 в составной балке 11 может осуществляться следующим образом. До нагнетания в составную балку 11 арматуры 31 сжатия вспомогательные каналы 61 могут быть созданы посредством удаления части средства 35 передачи усилий сдвига в желательном местоположении посредством резки или сверления материала 44 сердцевины. Материал из мешковины или гибкий баллон, который может быть изготовлен из латекса, может быть размещен в пространстве, созданном в материале сердцевины 44. Отверстие также может быть выполнено в форме составной балки 11 таким образом, что материал мешковины или баллон может проходить через отверстие и оставаться непроницаемым на внутренней стороне формы, но быть открытым к атмосфере за пределами формы. Как таковой, указанный баллон будет оставаться открытым для атмосферного давления во время нагнетания составной балки 11 во время введения смолы в составную балку 11. Вакуумное давление может прилагаться к форме, которая будет расширяться и прижимать материал мешковины или баллон к материалу 44 сердцевины внутри составной балки 11, таким образом предотвращая заполнение смолой этого внутреннего объема во время нагнетания составной балки 11. После нагнетания составной балки 11 смолой материал мешковины или баллон может просто удаляться с получением желательного канала. Общий процесс для создания композитной конструкции с использованием смолы известен специалистам в данной области техники.
Иллюстративный мост 10 может быть построен быстро и легко, как показано на фиг.13A. Составные балки 11 могут быть установлены до нагнетания арматуры 31 сжатия посредством размещения их при помощи крана, как обычно практикуется в данной области техники. Составные балки 11 могут быть самонесущими до и во время установки арматуры 31 сжатия. В случае замены моста или восстановления, можно повторно использовать существующие устои и/или промежуточные опоры. Арматура 31 сжатия тогда может быть введена в составную балку 11, например, посредством нагнетания материала арматуры сжатия в профилированный канал 38 в кожухе 30 балки. Арматура 31 сжатия может нагнетаться с использованием способов накачивания, которые известны в данной области техники.
Когда составные балки 11 установлены на место, и арматура 31 сжатия введена, плита 21 мостового настила может быть отлита на месте на поверхностях составных балок 11. В одном варианте выполнения плита 21 мостового настила является железобетонной плитой толщиной семь дюймов. Плита 21 мостового настила также может быть выполнена с использованием другого состава и/или других материалов.
Дополнительный типичный вариант выполнения составной балки 11 согласно описанию настоящей заявки показан на фиг.13B. Как показано на фиг.13B, составная балка 11 содержит удлиненный кожух 30 балки, имеющий длину и внутренний объем, дополнительно образующие первое отверстие 100. Составная балка 11 в этом типичном варианте выполнения может также содержать первый канал 102 во внутреннем объеме удлиненного кожуха 30 балки, причем первый канал 102 имеет изогнутый профиль (как показано на фиг.15A), проходящий вдоль продольного направления составной балки 11. Составная балка 11 может также содержать второй канал 104 во внутреннем объеме удлиненного кожуха 30 балки, причем второй канал 104 проходит вдоль, по меньшей мере, части длины удлиненного кожуха 30 балки, при этом первый канал 102 и второй канал 104 сообщаются друг с другом. Типичная составная балка 11, как показано на фиг.14A-14C, также может содержать первую полку 106, расположенную на удлиненном кожухе 30 балки относительно первого отверстия 100.
По меньшей мере, в одном варианте выполнения первый канал 102 и второй канал 104 составной балки 11 имеют размеры и форму для приема арматуры 31 сжатия, как показано на фиг.14B и 14C. Как показано в типичном варианте выполнения составной балки 11, показанном на фиг.14B и 14C, составная балка 11 содержит арматуру 31 сжатия, помещенную внутрь, по меньшей мере, части первого канала 102 и, по меньшей мере, части второго канала 104 таким образом, что арматура 31 сжатия повышает прочность составной балки 11. Типичная арматура 31 сжатия согласно настоящему изобретению может содержать стандартный бетон, портландцементный бетон, портландцементный жидкий строительный раствор, полимерцементный бетон, полимербетон, или смесь, или один или больше из этих типичных материалов арматуры 31 сжатия.
Как показано в типичном варианте выполнения составной балки 11 на фиг.14A, первая полка 106 содержит канал 108 полки, который сообщается со вторым каналом 104 через первое отверстие 100. В других вариантах выполнения первая полка 106 не содержит канал 108 полки. По меньшей мере, в одном варианте выполнения и, как показано на фиг.14A, первая полка 106 конфигурирована для удерживания расположенной на ней конструкции 110. Конструкция 110 может содержать любое количество строительных материалов, включая, но не ограничиваясь ими, древесину, металл, пластик, материал дорожного покрытия и/или бетон.
По меньшей мере, в одном варианте выполнения составной балки 11, согласно настоящему изобретению, и как показано на фиг.14A, составная балка 11 также содержит вторую полку 112, расположенную относительно первой полки 106 и удлиненного кожуха 30 балки, причем вторая полка 112 имеет размеры и форму для зацепления, по меньшей мере, с частью удлиненного кожуха 30 балки. Типичная составная балка 11 может дополнительно содержать третью полку 114, расположенную относительно первой полки 106 и удлиненного кожуха 30 балки, причем третья полка 114 имеет размеры и форму для зацепления, по меньшей мере, с частью удлиненного кожуха 30 балки. Первая полка 112 и/или вторая полка 114 может обеспечивать дополнительную структурную поддержку для составной балки 11, включая дополнительную конструктивную целостность, когда на ней расположена, например, конструкция 110.
По меньшей мере, в одном варианте выполнения составной балки 11, согласно настоящему изобретению, и как показано на фиг.14B, составная балка может также содержать скобу 116 для предотвращения сдвига, причем первая часть скобы 116 для предотвращения сдвига расположена внутри первого канала 102, и вторая часть скобы 116 для предотвращения сдвига расположена внутри второго канала 104. По меньшей мере, в одном варианте осуществления изобретения первая часть скобы 116 для предотвращения сдвига неподвижно заделана в арматуру 31 сжатия, находящуюся внутри первого канала 102. В другом варианте осуществления изобретения и, как показано на фиг.14B, вторая часть скобы 116 для предотвращения сдвига неподвижно заделана в первую полку 106. Типичная скоба 116 для предотвращения сдвига может содержать волокнит или любой другой указанный здесь соответствующий материал для конструкции составной балки 11. По меньшей мере, в одном варианте выполнения составной балки 11, согласно настоящему изобретению, скоба 116 для предотвращения сдвига может использоваться в качестве соединения 62, работающего при сдвиге, и наоборот. Например, в типичном варианте осуществления изобретения строительная балка 11 может содержать соединение, работающее при сдвиге, в котором первая часть соединения, работающего при сдвиге, расположена внутри первого канала, и в котором вторая часть соединения, работающего при сдвиге, расположена внутри второго канала.
В типичном варианте выполнения составной балки 11 согласно описанию настоящей заявки и как показано на фиг.13B и 14A-14C, составная балка 11 может также содержать первый материал 44 сердцевины, расположенный во внутреннем объеме удлиненного кожуха 30 балки таким образом, что первый материал 44 сердцевины находится снаружи от первого канала 102 и второго канала 104. Первый материал 44 сердцевины может содержать любое количество пригодных материалов, включая, но не ограничиваясь ими, обычную пену низкой плотности, полиизоцианорат, полиуретан, полистирол, крахмал, древесину, синтетический крахмал, обработанный крахмал и/или различные типы волокнистого материала.
По меньшей мере, в одном варианте выполнения составной балки 11 согласно настоящей заявке и, как показано на фиг.14C и 15B, составная балка 11 также содержит, по меньшей мере, один сдерживающий элемент 118, причем, по меньшей мере, один сдерживающий элемент 118 расположен внутри удлиненного кожуха 30 балки снаружи от первого канала 102. По меньшей мере, один сдерживающий элемент 118, как показано на фиг.14C и 15B, действует для сдерживания существенного отклонения диаметра удлиненного кожуха 30 балки. В типичном варианте осуществления изобретения, по меньшей мере, часть, по меньшей мере, одного сдерживающего элемента 118 расположена внутри удлиненной кожуха 30 балки снаружи от первого канала 102, и, по меньшей мере, часть, по меньшей мере, одного сдерживающего элемента 118 расположена снаружи от удлиненного кожуха балки 30, при этом, по меньшей мере, один сдерживающий элемент 118 сдерживает существенное отклонение диаметра и/или периметра удлиненного кожуха 30 балки.
В типичном варианте выполнения составной балки 11 первое удлиненное отверстие 100 удлиненного кожуха 30 балки проходит, по меньшей мере, по части длины удлиненного кожуха 30 балки. В различных вариантах осуществления изобретения первое удлиненное отверстие 100 удлиненного кожуха 30 балки сообщается со вторым каналом 104.
В типичном варианте выполнения составной балки 11, соответствующей описанию настоящей заявки, и, как показано на фиг.13B и 15A, составная балка 11 также содержит, по меньшей мере, одно промежуточное вертикальное ребро 36 жесткости, расположенное во внутреннем объеме удлиненного кожуха 30 балки, причем, по меньшей мере, одно промежуточное вертикальное ребро 36 жесткости содействует прочности составной балки 11. В дополнительном варианте осуществления изобретения и, как показано на фиг.13B и 14A-14C, типичная составная балка 11, соответствующая настоящему изобретению, может также содержать, по меньшей мере, арматуру 32 растяжения, расположенную во внутреннем объеме удлиненного кожуха 30 балки, причем, по меньшей мере, одна арматура 32 растяжения проходит, по меньшей мере, по части длины удлиненного кожуха 30 балки и содействует прочности составной балки 11.
Типичные составные балки 11, соответствующие настоящему изобретению, могут иметь много других признаков и/или характеристик. Например, первый канал 102 может следовать в целом параболической траектории. Кроме того, удлиненный кожух 30 балки может быть стойким к коррозии из-за хлоридных ионов и, по меньшей мере, в одном варианте осуществления изобретения может содержать пластик.
По меньшей мере, в одном варианте выполнения составной балки 11, соответствующей настоящему изобретению, составная балка 11 содержит удлиненный кожух 30 балки, имеющий длину, диаметр и внутренний объем, первый канал 102 во внутреннем объеме удлиненного кожуха 30 балки, причем первый канал 102 имеет изогнутый профиль, проходящий вдоль продольного направления составной балки 11, второй канал 104 во внутреннем объеме удлиненного кожуха 30 балки, причем второй канал 104 проходит вдоль, по меньшей мере, части длины удлиненного кожуха 30 балки, при этом первый канал 102 и второй канал 104 сообщаются друг с другом. Составная балка 11, по меньшей мере, в одном типичном варианте осуществления изобретения и, как показано на фиг.14C и 15B, может также содержать, по меньшей мере, один сдерживающий элемент 118, причем, по меньшей мере, один сдерживающий элемент 118 расположен снаружи от первого канала внутри удлиненного кожуха 30 балки, причем, по меньшей мере, один сдерживающий элемент 118 сдерживает существенное отклонение диаметра удлиненного кожуха 30 балки. В дополнительном варианте осуществления изобретения составная балка 11 также содержит арматуру 31 сжатия, расположенную внутри, по меньшей мере, части первого канала 102 и, по меньшей мере, части второго канала 104, причем арматура 31 сжатия повышает прочность составной балки 11.
По меньшей мере, в одном варианте выполнения составной балки 11, соответствующей описанию настоящей заявки, которая содержит, по меньшей мере, один сдерживающий элемент 118, как показано на фиг.15B, по меньшей мере, один сдерживающий элемент 118 содержит первый поперечный элемент 120, имеющий первый конец 122 и второй конец 124, первый концевой элемент 126, соединенный с первым поперечным элементом 120 на первом конце 122 первого поперечного элемента 120, и второй концевой элемент 128, соединенный с первым поперечным элементом 120 на втором конце 124 первого поперечного элемента 120. В другом варианте осуществления изобретения, по меньшей мере, один сдерживающий элемент 118 также содержит второй поперечный элемент 130, расположенный относительно первого поперечного элемента 120, причем второй поперечный элемент 130 соединен одним концом с первым концевым элементом 126 и другим концом со вторым концевым элементом 128. По меньшей мере, в одном варианте осуществления изобретения первый поперечный элемент 120 типичного сдерживающего элемента 118 может иметь длину приблизительно 24 дюйма, и первый концевой элемент 126 может иметь высоту приблизительно 4 дюйма и ширину 3 дюйма. В типичном варианте выполнения сдерживающего элемента 118, имеющего первый поперечный элемент 120 и второй поперечный элемент 130, первый поперечный элемент 120 и второй поперечный элемент 130 могут иметь длину приблизительно 24 дюйма, и первый концевой элемент 126 может иметь высоту приблизительно 9 дюймов и ширину 6 дюймов.
По меньшей мере, в одном варианте выполнения строительной системы, соответствующей настоящей заявке, система содержит составную балку 11, соответствующую описанию настоящей заявки, содержащую удлиненный кожух 30 балки, первый канал 102 и второй канал 104, каждый из которых соответствует описанному или упомянутому здесь, и также содержит первую полку 106, содержащую первую сторону 134 и вторую сторону 136, причем первая сторона 134 расположена относительно удлиненного кожуха 30 составной балки 11.
В типичном варианте выполнения составной балки 11, соответствующей настоящему изобретению, и как показано на фиг.16, составная балка 11 содержит удлиненный кожух 30 балки, первый материал 138 сердцевины, расположенный внутри удлиненного кожуха 30 балки, причем первый материал 138 сердцевины сужен к одному концу, и второй материал сердцевины 140, расположенный внутри удлиненного кожуха 30 балки относительно первого материала 138 сердцевины, причем первый материал 138 сердцевины и второй материал 140 сердцевины не входят в контакт друг с другом. В типичном варианте осуществления изобретения первый материал 138 сердцевины, второй материал 140 сердцевины и материал 44 сердцевины содержат одинаковый материал. По меньшей мере, в одном варианте осуществления изобретения первый материал 138 сердцевины и второй материал 140 сердцевины образуют первый канал 102, проходящий, по меньшей мере, по части длины удлиненного кожуха 30 балки и также образуют второй канал 104, проходящий от первого канала, причем первый канал 102 и второй канал 104 сообщаются друг с другом. В дополнительном варианте осуществления изобретения составная балка 11 также содержит третий материал 142 сердцевины, причем второй материал 140 сердцевины и третий материал 142 сердцевины также образуют второй канал 104.
Хотя здесь были с существенной детализацией описаны различные варианты выполнения гибридных составных балок и балочных систем, варианты осуществления изобретения предложены здесь просто в качестве не вносящих ограничения примеров описания. Таким образом, будет понято, что могут быть сделаны различные изменения и модификации, и их элементы можно заменить эквивалентами, не отступая от объема описания. Например, любое количество составных балок 11, на которые сделаны здесь ссылки, может иметь один или более признаков/компонентов другой составной балки 11, упоминаемой в настоящем описании. В действительности, это описание не является исчерпывающим или ограничивающим объем изобретения.
Кроме того, при описании типичных вариантов осуществления изобретения описание может представлять способ и/или процесс как конкретную последовательность этапов. Однако в тех пределах, в которых способ или процесс не основан на конкретном порядке изложенных здесь этапов, способ или процесс не следует ограничивать конкретной последовательностью описанных этапов. Могут быть возможны другие последовательности этапов. Таким образом, описанный здесь конкретный порядок этапов не следует рассматривать как ограничения настоящего изобретения. Кроме того, описание, относящееся к способу и/или процессу, не следует ограничивать характеристиками их этапов в описанном порядке. Такие последовательности могут изменяться и все же оставаться в пределах объема настоящего изобретения.