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 многопролетная несущая балка, включающая пустотелый профиль, часть которого заполнена бетоном, снабжена поперечными диафрагмами, установленными в полости балки, на концах и у промежуточных опор, в зоне нулевых изгибающих моментов, причем концы диафрагм раздвинуты к сжатой и сближены к растянутой зонам, а в сжатых зонах между диафрагмами выше горизонтальной оси балки, в ее полости, установлены пластины, ограничивающие замкнутую полость, заполненную бетоном (SU 897993, Е04С 3/00, 15.01.1982 г.).
Недостатком такого конструктивного решения является повышенная материалоемкость балки за счет нерационального использования бетона по высоте сечения, так как ширина бетона по высоте сечения балки остается постоянной, что не соответствует эпюре нормальных сжимающих напряжений в бетоне и приводит к повышению материалоемкости, наличия внутри балки стальных диафрагм, мало влияющих на несущую способность балки и, кроме того, повышающих трудоемкость изготовления, 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, стенки и опорные диафрагмы, образующие замкнутый контур, заполненный бетоном, имеет стенки криволинейной формы двоякой кривизны, расстояние между которыми уменьшается от верхнего поясу к нижнему, в стенках имеются отверстия и вырезы, которые расположены с переменном шагом по длине балки в соответствии с эпюрой сдвигающих напряжений, при этом стенки объединены предварительно напряженными стяжными шпильками.
Сталебетонная балка может дополнительно включать стенки криволинейной формы двоякой кривизны, соответствующей эпюре нормальных напряжений в бетоне.
Сталебетонная балка может дополнительно включать увеличение количества предварительно напряженных стяжных шпилек по длине сталебетонной балки от середины пролета к опорам сталебетонной балки в соответствии с эпюрой сдвигающих сил.
Сталебетонная балка может дополнительно включать упоры, жестко соединенные с внутренними поверхностями опорных диафрагм и верхнего пояса, а количество упоров на внутренней поверхности верхнего пояса увеличивается от середины пролета к опорам сталебетонной балки в соответствии с эпюрой сдвигающих сил.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
- фиг. 1 - общий вид балки;
- фиг. 2 - схема установки упоров и предварительно напряженных стяжных шпилек;
- фиг. 3…7 - поперечные сечения балки в процессе изготовления;
- фиг. 8 - эпюра нормальных напряжений в бетоне балки;
- фиг. 9…12 - поперечные сечения 1-1, 2-2, 3-3, 4-4 на фиг. 2.
Сталебетонная балка включает опорные диафрагмы 1, снабженные упорами 2, приваренные к торцам нижнего пояса 3 и прикрепленные к нему через фиксаторы 4, например, в виде стальных стержней круглого, квадратного или уголкового профиля (фиг. 3), стенки 5 с отверстиями 6 и вырезами 7, приваренные к нижнему поясу 3 (фиг. 4), бетон 8, заполняющий пространство, образованное нижним поясом 3, опорными диафрагмами 1 и стенками 5 (фиг. 5), верхний пояс 9, снабженный упорами 2 (фиг. 6) и приваренный к верхним торцам стенок 5 после укладки бетона 8, предварительно напряженные стяжные шпильки 10, пропущенные через отверстия 6 в стенках 5, которые предварительно напряжены для придания стенкам 5 криволинейного очертания и предварительного напряжения отвердевшего бетона 8 (фиг. 7).
Расстояние между стенками 5 к верхнему поясу 9 больше, чем к нижнему 3, что обеспечивает уменьшение объема бетона 8 в нижней, растянутой части сталебетонной балки и, как следствие, снижает расход материала на сталебетонную балку в целом.
При заполнении пространства, образованного опорными диафрагмами 1, нижним поясом 3 и стенками 5 бетоном 8 предварительно напряженные стяжные шпильки 10 обеспечивают восприятие стенками 5 бокового давления от бетона 8 и, как следствие, позволяют отказаться от дополнительных элементов фиксации положения стенок 5 на этом этапе изготовления сталебетонной балки, что приводит к снижению трудоемкости изготовления, а за счет отказа от дополнительных элементов опалубки - к снижению расхода материалов.
После крепления верхнего пояса 9 к стенкам 5 осуществляется натяжение предварительно напряженных стяжных шпилек 10 для придания стенкам 5 криволинейного очертания, что позволяет полностью заполнить внутреннее пространство балки бетоном 8 и удалить через вырезы 7 его избыток.
Вырезы 7 проделаны в зоне крепления стенок 5 к верхнему поясу 9 с переменным по длине сталебетонной балки шагом, уменьшающимся от середины пролета к опорам сталебетонной балки, что позволяет увеличить уровень совместной работы бетона 8 и стали стенок 5 в приопорных частях сталебетонной балки - в зонах с наибольшими значениями сдвигающих напряжений, за счет увеличения площадей среза в зоне контакта бетона с кромками вырезов 7.
Изменение шага крепления вырезов 7 соответствует изменению сдвигающих напряжений по длине сталебетонной балки, что приводит к равнонапряженности в зонах контакта бетона с кромками вырезов 7 и, как следствие, приводит к повышению несущей способности сталебетонной балки в целом.
При натяжении предварительно напряженных стяжных шпилек 10 в бетоне 8 возникает дополнительное давление, что вызывает в стенках 5 начальные растягивающие напряжения и приводит к повышению их устойчивости при действии на сталебетонную балку эксплуатационных нагрузок и, как следствие, повышает несущую способность сталебетонной балки в целом.
Предварительно напряженные стяжные шпильки 10 обеспечивают совместную работу стенок 5, выполненных из стали, с бетоном 8. Количество предварительно напряженных стяжных шпилек 10 по длине сталебетонной балки переменно и увеличивается от середины пролета к опорам сталебетонной балки в соответствии с эпюрой поперечных сил от внешних нагрузок и соответствующих им касательных напряжений (фиг. 2), что обеспечивает эффективное использование совместной работы разномодульных материалов - стали стенок 5 и бетона 9, что, как следствие, приводит к снижению материалоемкости сталебетонной балки в целом.
1
2
1
2
:
Очертание стенок 5 сталебетонной балки имеет криволинейную форму двоякой кривизны (R и R, фиг. 7), что соответствует форме эпюры нормальных напряжений в бетоне 8 сжатой зоны поперечного сечения сталебетонной балки (фиг. 8), параметры очертания кривых стенок 5 R и R подбираются таким образом, чтобы обеспечить в этой зоне равнонапряженность бетона, что позволяет наиболее полно использовать его прочностные свойства и, как следствие, приводит к снижению материалоемкости конструкции в целом.
Наличие упоров 2 обеспечивает эффективную совместную работу верхнего пояса 9 и опорных диафрагм 1 с бетоном 8 при действии касательных напряжений, кроме того, упоры 2 как промежуточные опоры уменьшают расчетную длину верхнего пояса 9 и опорных диафрагм 1, что приводит к увеличению устойчивости при действии эксплуатационных нагрузок и позволяет уменьшить их толщину, а также снизить материалоемкость сталебетонной балки в целом.
Изменение количества упоров 2 на внутренней поверхности верхнего пояса 9 путем их увеличения от середины пролета к опорам сталебетонной балки в соответствии с эпюрой сдвигающих сил позволяет уменьшить количество малонапряженных упоров 2 на верхнем поясе 9 и, как следствие, снизить материалоемкость сталебетонной балки в целом.
Дополнительное натяжение предварительно напряженных стяжных шпилек 10 после отвердения бетона 8 обеспечивает его предварительное обжатие в плоскости поперечного сечения сталебетонной балки. При действии внешних нагрузок в сжатой зоне сталебетонной балки возникает объемное напряженное состояние сжатия бетона, обусловленное сжимающими нормальными напряжениями от действия эксплуатационных нагрузок и сжимающими напряжениями от предварительно напряженных стяжных шпилек 10, что увеличивает прочность бетона 8 и, как следствие, несущую способность сталебетонной балки в целом.
Несущая способность сталебетонной балки обеспечивается подбором класса бетона, марок стали, размеров поперечного сечения сталебетонной балки и ее элементов, шага упоров и предварительно напряженных стяжных шпилек, величины предварительного напряжения бетона.