ТРУБОБЕТОННАЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННАЯ БАЛКА
TUBE-CONCRETE PRESTRESSED BEAM

Изобретение относится к области строительства, а именно к предварительно напряженным 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. Трубобетон представляет собой бетон, заключенный в металлическую трубу. Но, как показывает мировой опыт использования прямых трубобетонных балок (у которых отсутствует кривизна их осей), всегда ограничиваются конструкциями, где балки применяются или в качестве колонн, или в качестве стоек. При этом обеспечивается осесимметричное или внецентренное нагружение сжатием трубобетонной конструкции, у которой бетонное ядро работает в условиях объемного сжатия.
Трубобетонные конструкции в пролетных строениях мостов можно использовать только в виде арок, у которых бетонное ядро всегда работает в условиях объемного сжатия (Овчинников И.И., Овчинников И.Г., Чесноков Г.В., Михалдыкин Е.С. О проблеме расчета трубобетонных конструкций с оболочкой из разных материалов. Часть 1. Опыт применения трубобетона с металлической оболочкой // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ», том 7, №4, (2015), http://naukovedenie.ru/PDF/95TVN415.pdf). 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.
Аналогом предлагаемой балки является конструкция «Высокопрочный железобетонный элемент, работающий на сжатие» (авт. св. СССР №580292). Недостаток его состоит в том, что бетонное ядро элемента предназначено для восприятия только сжимающих нагрузок (как в колоннах и в стойках) и для предотвращения потери устойчивости высокопрочных стержней, расположенных параллельно вдоль линии действия сжимающей нагрузки. К тому же предложенное в этом изобретении армирование может не обеспечить устойчивость самого железобетонного элемента при действии значительных сжимающих нагрузок, приложенных с большим эксцентриситетом. Существенно, что такую конструкцию невозможно использовать в пролетных строениях мостов, 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.
Наиболее близким аналогом является «Трубобетонный преднапряженный элемент с веерным армированием» (патент РФ №2167985), в котором элемент состоит из наружной оболочки металлической трубы, бетонного ядра, выполненного из напрягающего бетона, и размещенного в нем сердечника, представляющего собой высокопрочные арматурные стержни периодического профиля, расходящиеся веером от середины к концам оболочки и жестко закрепленные в ее отверстиях с помощью дуговой сварки.
Недостатком аналога является то, что предложенная трубобетонная конструкция работает только на внецентренное сжатие (как в колоннах и в стойках), но не может работать на изгиб в качестве балки пролетных строений мостов и строительных элементов в виде перекрытий.
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 повышении несущей способности при работе трубобетонного элемента на изгиб и уменьшении трещинообразования бетонного ядра, а также в повышении технологичности. Технический результат реализуется совокупностью основных признаков.
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;
кроме того: ядро может быть выполнено полностью или частично из фибробетона или иного композиционного материала;
оболочка выполнена из старогодной нефтегазовой трубы;
оболочка выполнена неметаллической;
оболочка может иметь некруглое сечение в поперечной плоскости;
оболочка может быть переменного сечения в продольной плоскости.
На фиг. 1 изображена трубобетонная предварительно напряженная балка.
Трубобетонная предварительно напряженная балка состоит из оболочки в виде трубы 1 с ядром, состоящим из двух сегментов - бетонным 2 и железобетонным 3-й армирующими элементами 4, которые расположены в трубе 1 продольно и эксцентрично.
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 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, как показано на фиг. 1.
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.
Сравним несущую способность трубобетонной балки без предварительно напряженного бетонного ядра с предлагаемой предварительно напряженной балкой при плоском поперечном изгибе исходя из прочности только бетона, а также полагая бетон работающим упруго с одним и тем же модулем упругости при растяжении и сжатии.
На фиг. 2 изображена схема поперечного нагружения балки длиной l силой F.
сж
раст
Обычно предельные нормальные напряжения при сжатии σ бетона превышают предельные напряжения при растяжении σ по модулю в 8-12 раз и более (по ГОСТ 10178-85 для бетона марки 600 предел прочности при сжатии - 58,8 МПа, а предел прочности при растяжении изгиба - 6,4 МПа), т.е.:
сж
где σ=-σ максимальные нормальные напряжения сжатия бетона;
раст
σ=+σ максимальные нормальные напряжения растяжения бетона при изгибе.
1
max
На фиг. 3 изображена эпюра нормальных напряжений в бетонном ядре при нагрузке F балки без предварительного напряжения, где +σ - предельные нормальные напряжения растяжения в нижней части бетонного ядра.
max
сж.max
На фиг. 4 изображена эпюра нормальных напряжений с частично предварительно напряженным бетонным ядром при отсутствии поперечной нагрузки исходя из предельного значения нормального напряжения растяжения +σ в верхнем сегменте бетонного ядра и предельного значения напряжения сжатия σ в нижнем сегменте ядра:
2
На фиг. 5 изображена эпюра напряжений в предлагаемой балке при полной нагрузке F, исходя из допускаемого диапазона изменения напряжений.
доп
Допускаемый диапазон изменения напряжений σ в нижней точке бетонного ядра в предлагаемой балке с учетом соотношения (1), а также фиг. 4 составит:
1
Напряжения изгиба в балке без предварительного напряженного бетонного ядра (при нагрузке F как показано на фиг. 3):
2
где Wz - осевой момент сопротивления балки. Предельные напряжения изгиба в балке с предварительно напряженным бетонным ядром согласно соотношению (2) при действии нагрузки F:
2
Другими словами, при известных из (2) значениях напряжений легко получить внешнюю максимальную поперечную нагрузку F на предлагаемую балку.
Из выражения (3) получим осевой момент сопротивления балки:
И далее, используя выражение (4):
Окончательно имеем:
Таким образом, предлагаемая трубобетонная балка воспринимает в 11 раз большую поперечную нагрузку (то есть имеет большую грузоподъемность), что является следствием увеличения прочности на изгиб трубобетонной балки за счет создания с помощью предварительно растянутых элементов арматуры поля неравномерно распределенных нормальных напряжений в поперечном сечении бетонного ядра и, как следствие, устранения трещинообразования в нижней части бетонного ядра при значительных поперечных нагрузках. А это позволяет использовать балку в качестве элементов пролетных строений малых мостов длиной до 25 метров и средних мостов длиной до 50 метров. Предлагаемую трубобетонную балку можно использовать в качестве конструкционных элементов для перекрытий в промышленном и гражданском строительстве. В настоящее время задача точного аналитического расчета предварительно напряженных трубобетонных балок (особенно с учетом нелинейности деформирования и неодинаковой работы бетона на растяжение и сжатие) до конца не решена.
Использование фибробетона или иного композиционного материала вместо обычного бетона повысит несущую способность трубобетонных балок и уменьшит трещинообразование фибробетонного ядра при изгибающих нагрузках.
Возможно использование балки с неметаллической оболочкой, например, из современных композитных материалов, таких как фибропластик, имеющих повышенную прочность, коррозионную стойкость и малый вес, что повышает также технологичность изготовления и сборки конструкции
Применение предварительно напряженных трубобетонных балок с некруглым поперечным сечением создает возможность их более широкого использования в различных конструкциях пролетных строений или строительных перекрытий, где более предпочтительной может оказаться форма сечения, отличная от круглой.
Возможно применение балок с переменным сечением в продольном направлении, что позволит увеличить несущую способность на участках, где присутствуют большие изгибающие моменты.
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. 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 в 10 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.