АРМАТУРНЫЙ КАНАТ

Полезная модель относится к канатному производству и может быть использована при производстве гибкой арматуры, предназначенной для армирования предварительно напряженных изделий из бетона и других пластических материалов.
Известен арматурный канат, содержащий центральную проволоку и навитые вокруг нее по спирали наружные повивочные проволоки с периодическим профилем, выполненным в виде впадин по цилиндрической образующей поверхности проволок, причем периодический профиль выполнен по всей поверхности повивочных проволок (ГОСТ Р 53772 - 2010 «Канаты стальные арматурные семипроволочные стабилизированные. Технические условия» Введ. 2010-02-12 - М.: Госстандарт России).
Недостатком известного каната является относительно низкое сцепление его с бетоном, т.к. данный канат хотя и имеет механическое зацепление в направлении ввинчивания, однако в целом не обеспечивает высокого сцепления с бетоном из-за возможности вывинчивания его по спиральному оттиску при срезании или смятии участков бетона, находящихся во впадинах периодического профиля. Кроме того, известный канат имеет низкие физико-механические и эксплуатационные свойства. Низкие физико-механические свойства каната возникают в результате неравномерности натяжения его повивочных проволок из-за зацепления соприкасающихся между собой элементов периодического профиля проволок, а также из-за наличия расположенных напротив друг друга впадин по всей поверхности повивочных проволок, уменьшающих поперечное сечение проволок и обусловливающих увеличенное неравномерное обжатие с созданием концентратора напряжений, при этом повивочные проволоки, контактируя участками периодического профиля между собой и с гладкой цилиндрической поверхностью центральной проволоки, обеспечивают лишь точечный характер касания, создающий высокие и неравномерно распределенные контактные напряжения в канате.
Наиболее близким аналогом (прототипом) к заявляемому устройству является арматурный канат, содержащий центральную проволоку, на поверхности которой по количеству повивочных проволок выполнены по винтовой линии продольные плоские грани, навитые в один слой вокруг центральной проволоки повивочные проволоки, которые внутренней поверхностью с соответствующими им продольными плоскими гранями центральной проволоки, а смежными боковыми поверхностями контактируют друг с другом, при этом на наружную поверхность повивочных проволок каната нанесен периодический профиль в виде продольных выступов и чередующихся по длине каждой повивочной проволоки поперечных серповидных выступов и впадин (Заявка на изобретение №2008148768/03, опубл. 20.06.2010, Бюл. №17).
Недостатками известного арматурного каната являются низкие физико-механические и эксплуатационные свойства за счет прерывающихся в середине продольного выступа элементов периодического профиля, а также за счет концентраторов напряжений и сниженного запаса пластичности на участках проволок, соответствующих разъемам калибра.
Кроме того, сцепление известного каната, хотя и повышено относительно стандартных арматурных канатов, однако достигает этого повышения за счет механического сцепления в направлении ввинчивания, используя таким образом известные явления смятия/среза участков бетона, находящихся в проекции элементов периодического профиля. Однако такая схема нагружения на смятие/срез позволяет передавать нагрузку бетону только за счет касательных напряжений непосредственно в контуре обволакивания, в то время как наиболее эффективным вариантом реализации механического сцепления является выкалывание, передающее натяжение арматуры нормальными напряжениями на основную массу бетона.
Предлагаемое техническое решение, конструкция арматурного каната, обеспечивает высокие механические свойства и высокую степень сцепления каната с бетоном, т.е. повышает его эксплуатационные свойства.
Поставленная задача решается тем, что за счет выполнения повивочных проволок каната с одинаковой, незначительно меняющейся по их длине конфигурацией поверхности без ее механических повреждений, что позволяет обеспечить равномерное распределение прочностных и пластических свойств по всей длине каната, а также за счет заявляемой формы взаимосвязи центральной проволоки с повивочными проволоками, что обеспечивает расположение их с постоянным углом и радиусом свивки по всей длине каната, а это позволяет равномерно перераспределить прилагаемые к канату во время его работы нагрузки между контактирующими смежными повивочными проволоками и центральной проволокой, в результате чего при высоких физико-механических свойствах каната значительно повышаются его эксплуатационные свойства. Одновременно с этим заявляемая конструкция арматурного каната обеспечит высокую степень сцепления его с бетоном не только за счет изменения геометрии поверхности периодического профиля каната, но и за счет создания условий расклинивания каната в бетоне при его проскальзывании в случае потери адгезии между бетоном и канатом.
Поставленная техническая задача решается тем, что в известном арматурном канате, содержащем центральную проволоку, на поверхности которой по количеству повивочных проволок выполнены по винтовой линии плоские участки, навитые в один слой вокруг центральной проволоки повивочные проволоки, которые плоскими участками своей внутренней поверхности контактируют с соответствующими им плоскими участками центральной проволоки, а плоскими боковыми участками друг с другом, при этом на наружную поверхность повивочных проволок каната нанесен периодический профиль в виде продольных выступов и чередующихся по длине каждой повивочной проволоки поперечных серповидных выступов и впадин, согласно изменению на наружной поверхности повивочных проволок продольные выступы в поперечном сечении каната расположены относительно друг друга под углом 120° и имеют по всей их длине в любом поперечном сечении форму равнобедренного треугольника с тупой вершиной, причем каждый продольный выступ выполнен дискретным и расположен вдоль оси каната так, что его вершины лежат на одной линии, при этом по длине каждой повивочной проволоки поверхность впадин выполнена выпуклой с постоянным радиусом кривизны, равным радиусу окружности, описанной вокруг повивочных проволок каната, а чередующиеся со впадинами поперечные серповидные выступы выполнены с наклоном в сторону, противоположную направлению свивки каната.
Продольное, дискретное и симметричное по сечению каната расположение продольных выступов обеспечивает равномерное напряженное состояние каната по его сечению и длине, исключая тем самым появление градиентов напряжений и снижение прочностных и пластических свойств каната.
Постоянный радиус выпуклой впадины обеспечивает равномерное обжатие по длине поперечного серповидного выступа, исключая тем самым появление растягивающих напряжений на поверхности каната и обеспечивая повышение его прочностных и пластических свойств.
Расположение поперечных впадин под углом, противоположенным углу свивки проволок в канате, за счет появления дополнительного противоположно направленного крутящего момента обеспечивает нейтрализацию нормальных напряжений изгиба и касательных напряжений кручения, действующих в канате, что обеспечивает повышение прочностных и пластических свойств каната.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 схематично изображен внешний вид арматурного каната, в аксонометрии;
- на фиг. 2 - сечение каната, показанного на фиг. 1;
- на фиг. 3 - узел А на фиг. 1.
Арматурный канат содержит центральную проволоку 1 (фиг. 1, 2), на поверхности которой выполнены по винтовой линии плоские участки 2, и повивочные проволоки 3, навитые в один слой вокруг центральной проволоки 1. При этом количество плоских участков 2 (фиг. 1), выполненных на центральной проволоке 1, соответствует количеству плоских участков 4, выполненных на повивочных проволоках 3. Причем указанные плоские участки 4 выполнены соразмерными плоским участкам 2 и контактируют с ними по винтовой линии вдоль арматурного каната. Кроме того, повивочные проволоки 3 обеспечивают высокую степень контакта друг с другом за счет выполнения на них плоских боковых поверхностей 5. Заявляемое конструктивное выполнение повивочных проволок 3 (фиг. 1) и центральной проволоки 1, а также взаимосвязь их между собой позволяют создать условия, максимально приближенные к равномерности пластического обжатия и деформационного упрочнения повивочных проволок 3 как между собой, так и с центральной проволокой 1.
На наружной поверхности повивочных проволок 3 (фиг. 1-3) нанесен периодический профиль, выполненный в виде продольных выступов 6 (фиг. 1-2) и чередующихся по длине каждой повивочной проволоки 3 (фиг. 1, 3) поперечных серповидных выступов 7 (фиг. 3) и впадин 8.
При этом продольные выступы 6 (фиг. 1, 2) в поперечном сечении каната расположены относительно друг друга под углом 120 градусов и имеют по всей длине в любом поперечном сечении каната форму равнобедренного треугольника с тупой вершиной. Причем каждый продольный выступ 6 (фиг. 1) выполнен дискретным и расположен вдоль оси каната так, что его тупые вершины лежат на одной линии.
B
По длине каждой повивочной проволоки поверхность впадин 8 (фиг. 2, 3) выполнена выпуклой с постоянным радиусом R кривизны, равным радиусу R окружности, описанной вокруг повивочных проволок 3 (фиг. 2) каната. При этом поперечные серповидные выступы 7 (фиг. 3) выполнены с наклоном в сторону, противоположную направлению свивки каната.
Заявленную конструкцию арматурного каната изготавливают следующим образом.
Предварительно любым известным способом изготавливают центральную проволоку 1 и повивочные проволоки 3 круглого сечения, свивают их между собой в канат в любой известной канатовьющей машине аксиальной схемы, например, бугельного типа (не показано). После свивки центральной проволоки 1 и повивочных проволок 3 между собой в непосредственной близости от очага свивки полученный спиральный круглопроволочный канат подвергают продольной холодной деформации в закрытом фасонном роликовом калибре с периодическими впадинами на рабочих поверхностях роликов (не показано). Это позволяет одновременно выполнить на наружной поверхности центральной проволоки 1 (фиг. 1, 2) в зонах контакта ее с повивочными проволоками 3 плоские участки 2, располагая их по винтовой линии вдоль оси каната, на внутренних поверхностях повивочных проволок 3, контактирующих с плоскими участками 2 центральной проволоки 1, - соответствующие им плоские участки 4, а в зонах контакта повивочных проволок 3 друг с другом выполнить плоские боковые участки 5. При этом на участках контакта повивочных проволок 3 с роликами калибра (не показано) формируют периодический профиль в виде чередующихся по длине каждой повивочной проволоки 3 поперечных серповидных выступов 6 и впадин 7 (фиг. 1-3) и одновременно с этим в зонах контакта повивочных проволок 3 с выпусками калибра возле его разъемов между роликами формируют периодический профиль в виде продольных выступов 8 (фиг. 1), расположенных относительно друг друга под углом 120° и имеющих по всей их длине в любом поперечном сечении форму равнобедренного треугольник с тупой вершиной. При этом каждый продольный выступ 8 вдоль оси каната выполнен дискретным и его тупые вершины в указанном направлении расположены по одной линии.
После вышеуказанных действий осуществляют низкотемпературную стабилизацию полученного профилированного каната, заключающуюся в натяжении каната на 30-60% усилия разрыва между двумя сдвоенными шкивами, нагреве его до температуры 370-420°С и последующем охлаждении до 20°С в промежутке между шкивами. Затем изготовленный арматурный канат сматывают в бунты, после чего он готов к использованию, например, для армирования бетонных конструкций.
Заявляемый арматурный канат работает в бетонной конструкции следующим образом. Предварительно арматурный канат натягивают в кондукторе стандартными цанговыми зажимами с цилиндрической рифленой внутренней поверхностью, которую внедряют в поверхность повивочных проволок 3 и создают механическое сцепление с ними. Затем в указанную емкость заливают бетонную смесь и после ее твердения зажимы с каната снимают и усилия предварительного натяжения каната передаются непосредственно бетону конструкции. При этом центральная проволока 1, не имеющая непосредственного контакта с бетоном, стремится освободиться от растягивающей нагрузки, проскользнув относительно повивочных проволок 3. Однако наличие плоских участков 2 на наружной поверхности центральной проволоки 1 и плоских участках 4 на внутренних поверхностях повивочных проволок 3, через которые растягивающее усилие центральной проволоки 1 передается на повивочные проволоки 3, исключает продольный сдвиг центральной проволоки 1 относительно повивочных проволок 3. В свою очередь, повивочные проволоки 3 стремятся освободиться от растягивающей нагрузки, сократившись по винтовой линии вдоль собственного оттиска в бетоне. Однако наличие на каждой из них плоских участков 4 и 5, опирающихся на плоские участки смежных повивочных проволок 3 и центральной проволоки 1, исключает винтовое перемещение каждой из проволок в отдельности и позволяет арматурному канату смещаться только как единому целому, причем продольному перемещению препятствует сама форма каната как витого изделия. При этом периодический профиль в виде поперечных серповидных выступов 6 и впадин 7 препятствует винтовому перемещению каната в бетоне, создавая механическое сцепление в направлении винтового перемещения. Кроме того, наклон поперечных выступов 7 периодического профиля в направлении, противоположном направлению свивки каната, вызывает в случае смещения каната его дополнительное подкручивание, что увеличивает усилия реакции опоры на наклонных гребнях бетона, образующихся в пазах между повивочными проволоками 3, тем самым увеличивая сопротивление перемещению каната относительно бетона.
Дополнительно наличие на наружной поверхности повивочных проволок 3 периодического профиля в виде продольных выступов 8, формально не препятствующее продольному перемещению, препятствует повороту арматурного каната в бетоне, которое неизбежно должно происходить при его смещении по винтовой линии.
Таким образом, благодаря совокупности данных отличий заявляемая конструкция каната имеет по сравнению с прототипом высокие механические и эксплуатационные свойства. Так диапазон значений модуля упругости (Е) сместился в сторону более высоких значений и составил 196-206 ГПа, что в среднем на 3% выше и более технологично при переработке у потребителя, нежели диапазон значений модуля упругости 185-205 ГПа у прототипа.
r
r
3
При этом значение показателя f', характеризующего сопротивление продольному перемещению, выросло в 1,05-1,15 раза, а значение показателя fʺ, характеризующего сопротивление винтовому перемещению, выросло в 1,15-1,25 раза. Данные значения, полученные путем расчета относительной площади элементов, препятствующих перемещению в рассматриваемом направлении, сходятся с результатами эксперимента по определению усилия вырывания каната из бетонных призм, проведенного в условиях завода ЖБИ. Образцы заявляемого каната и каната-прототипа с номинальным диаметром 9,3 мм были установлены в опалубки в форме куба со стороной 250 мм таким образом, чтобы канат проходил куб насквозь. Кубы заполнялись бетоном класса В50 с содержанием цемента 500 кг/м и инертным заполнителем в виде кубовидного гранитного щебня фракции 3-10 мм, соответствующим бетону линии безопалубочного формования с формующей машиной экструзионного типа - соответствие обеспечивалось взятием бетона на образцы непосредственно из бункера экструдера. На участке в 125 мм вниз от верхнего края опалубки образцы каната были отделены от бетона полимерной трубкой с внутренним диаметром 10 мм и толщиной стенки 3 мм для уменьшения длины сцепленных участков с целью снижения усилия вырывания до величины, меньшей по отношению к рабочему натяжению каната, при сохранении достаточной для проведения эксперимента механической прочности бетонной призмы. В результате эксперимента среднее усилие вырывания каната-прототипа составило 3317 кгс, заявляемого каната - 3844 кгс.
Заявляемая конструкция каната может применяться в армировании сборных и монолитных железобетонных изделий с использованием существующих типовых приспособлений и инфраструктуры, предназначенных для стандартных канатов по ГОСТ Р 53772-2010. Так, для фиксации каната на внешних упорах в процессе эксперимента были успешно применены стандартные цанговые зажимы марки PAUL открытого и закрытого типов, состоящие из стакана с внутренней конической опорной поверхностью и набора из 3 губок, имеющих соответствующую коническую внешнюю поверхность и рифленую цилиндрическую внутреннюю поверхность, непосредственно фиксирующую повивочные проволоки каната при смыкании губок друг с другом в результате их скольжения по опорной поверхности стакана.
При этом смыкающиеся рабочие поверхности губок, упираясь рифленой цилиндрической поверхностью в продольные и поперечные выступы заявляемого каната, продавливали данные выступы зубцами рифленой поверхности и далее смыкались на поверхности впадин.
Для придания рабочего натяжения заявляемому канату могут использоваться рамные домкраты, фиксирующие натягиваемый канат в идентичных вышеописанным цанговых зажимах - при этом процесс натяжения полностью идентичен натяжению в лабораторном стенде, многократно успешно осуществленному в процессе замеров механических характеристик каната и усилия вырывания его из бетона. Также для придания рабочего натяжения заявляемому канату могут использоваться домкраты пистолетного типа, использующие для фиксации натягиваемого каната специальные натяжные колодки со значительно большей длиной и специальной внешней опорной поверхностью, однако имеющие такую же, как у цанговых зажимов, цилиндрическую рифленую внутреннюю рабочую поверхность, и взаимодействующие с канатом аналогичным образом. При исследованиях было успешно осуществлено пробное натяжение домкратом пистолетного типа образца заявляемого каната, зафиксированного с обратной стороны цанговым зажимом закрытого типа.
Для подачи, раскладки и распределения заявляемого каната могут использоваться отдающие устройства, захваты и направляющие гребенки, применяемые в настоящее время для аналогичных операций с канатом по ГОСТ Р 53772-2010.
Таким образом, как показывают фактически полученные технические характеристики каната, он может быть изготовлен с заявляемыми свойствами, а его применение в условиях предприятий, производящих железобетонные изделия, обеспечивается существующими устройствами, приспособлениями и расходными частями к ним. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемый канат соответствует условию промышленной применимости.