АРМАТУРНЫЙ КАНАТ
REINFORCEMENT ROPE

Изобретение относится к области строительства, а именно к арматурным канатам, предназначенным для применения в предварительно напряженных строительных конструкциях.
Известно конструктивное решение арматурного каната, используемого для армирования предварительно напряженных строительных конструкций пролетом более 12 м, содержащего металлический сердечник и свитые вокруг него с чередованием наружные проволочные пряди разного диаметра (см., например, авторское свид. РФ 1645414, кл. E04C 5/03, D07B 1/10, 1991 г.).
Однако такое техническое решение не обеспечивает достаточного эффекта предварительного напряжения в конструкции от напрягаемой арматуры по причине малого запаса потенциальной энергии реактивных сил обжатия конструкции, также недостаточной релаксационной стойкости арматуры, соответственно и относительного ее удлинения под нагрузкой, превышения напряжений в сердечнике на 0,9…1,6% по сравнению с повивочными наружными проволочными прядями (см., например, Мусихин В.А. «Расчет и конструирование стальных спиральных канатов, используемых в качестве предварительно напряженной арматуры железобетонных конструкций», канд. диссерт., Челябинск, 2003 г., с.206).
Наиболее близким по совокупности признаков к изобретению является напрягаемый арматурный элемент, включающий предварительно напряженную арматуру в виде сердечника из высокопрочного металла или углепластика и внешнего армирующего жесткого контура в виде обоймы (см., например, патент РФ 2352737, E04C 5/08, E04C 5/12, 2009 г.).
В известном техническом решении роль напрягаемой арматуры в строительной конструкции выполняет составной арматурный элемент, сердечником которого является предварительно напрягаемая стальная или высокомодульная пластиковая арматура, расположенная в полости замкнутого корпуса в виде обоймы, заполненной затем раствором бетона. Такое техническое решение позволяет создавать эффект предварительного напряжения в строительной конструкции, уменьшать расход высокопрочной арматурной стали, равномерно перераспределять растягивающие напряжения, приложенные к сердечнику арматурного элемента, на сжимающие в корпусе обоймы и соответственно на обжатие самой строительной конструкции.
Однако использование таких арматурных элементов в конструкциях, загруженных динамической либо пульсирующей нагрузкой, не представляется возможным по причине значительной концентрации напряжений в плоскостях сопряжения корпуса арматурного элемента и массива материала строительной конструкции. При знакопеременных силовых нагрузках в конструкции образуется «зыбкость» с течением определенного периода времени нарушается совместная работа армирующего элемента и массива конструкции, исчезает эффект предварительного напряжения строительной конструкции в целом. Использование таких арматурных элементов для создания предварительного напряжения, а также при усилении эксплуатирующихся конструкций вызывает большие технологические и конструктивные сложности.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание и сохранение повышенного запаса потенциальной энергии реактивных сил в напрягаемом арматурном канате и строительной конструкции в целом, увеличение несущей способности арматурного каната, обеспечение гарантированной надежности его работы при любых видах внешних нагрузок, возможность регулирования демпфирующими свойствами, а также расширение области использования и снижения материалоемкости высокопрочной стальной проволоки.
Технический результат достигается за счет использования упругоподатливых свойств сердечника, выполненного из низкомодульного высокопрочного композитного материала, обладающего линейным характером деформирования при создании предварительного растягивающего напряжения, выполняющего при этом роль компенсатора потерь реактивных сил в арматурном стальном канате; возможности варьирования запасом потенциальной энергии реактивных сил благодаря чередованию объемной плотности сердечника из низкомодульного высокопрочного композитного материала, варьирования поперечным сечением стержней, формой сердечника каната и его бимодулем. Таким образом, создаются большие реактивные силы и потенциальный запас энергии для сохранения длительного эффекта предварительного напряжения и демпфирующие свойства, сохраняющиеся длительно во времени при действии как динамических, так и пульсирующих нагрузок.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что арматурный канат, содержащий металлический сердечник и свитые вокруг него с чередованием наружные проволочные пряди, отличается от прототипа тем, что сердечник выполнен в виде составного пучка из отдельных прямолинейных стержней из низкомодульного высокопрочного композитного материала, при этом пучок сердечника состоит, например, из отдельных стержней круглого сечения, по крайней мере из трех продольных стержней, либо также из отдельных стержней круглого сечения с наружным обрамлением отдельными прямоугольными ленточными стержнями, образуя сечение пучка в виде многоугольника. При этом сечение сердечника также может быть выполнено, например, в виде +-бразной либо ∗-образной формы, образованное из отдельных прямоугольных ленточных стержней, сформированных вдоль центрального круглого стержня, причем в угловых полостях расположены с чередованием круглые стержни разного диаметра.
Выполнение в канате сердечника в виде пучка из отдельных прямолинейных стержней из низкомодульного высокопрочного композитного материала, при этом сечение пучка выполнено из отдельных стержней круглого сечения, по крайней мере из трех продольных стержней, либо из отдельных стержней круглого сечения с наружным обрамлением их отдельными прямоугольными ленточными стержнями, образуя сечение сердечника в виде многоугольника, или сечение, например, в виде +-образной, либо ∗-образной формы, образованные из отдельных прямоугольных ленточных стержней, сформированных вдоль центрального круглого стержня, причем в угловых полостях расположены с чередованием круглые стержни разного диаметра, позволяет получить в сравнении с известным техническим решением новые свойства, заключающиеся в создании достаточно больших реактивных сил и увеличении запаса потенциальной энергии для создания и длительного сохранения эффекта предварительного напряжения в арматурном канате, повышение несущей способности и надежности в работе по компенсации потерь начально созданных напряжений в арматурном канате, образующихся по причине ползучести и релаксации материала строительной конструкции; также благодаря способу размещения вокруг сердечника наружных стальных проволочных прядей, свитых спирально в продольном направлении, при приложении начальных растягивающих напряжений к стальным проволочным прядям происходит поперечное обжатие предварительно напряженного сердечника, в результате увеличивается несущая способность самого сердечника, так как эпюра растягивающих напряжений по высоте сечения сердечника распределяется более равномерно, чем как при традиционных испытаниях стержневой арматуры (см. Н.П. Фролов. Стеклопластиковая арматура и стеклопластбетонные конструкции. М.: Стройиздат, 1980. С.35-37). Также создаются в арматурном канате высокие демпфирующие свойства, длительно сохраняющиеся во времени при различных силовых воздействиях на конструкцию.
На фигуре 1 изображен арматурный канат с сердечником, общий вид; на фигуре 2 - сечение каната; на фигурах 3, 4, 5, - варианты выполнения сечения сердечника из пучка стержней круглого сечения, на фигуре 6 - вариант выполнения сечения сердечника из пучка стержней круглого сечения с обрамлением их отдельными прямоугольными ленточными стержнями, образуя при этом пучок в виде многоугольника, на фигурах 7, 8 - вариант выполнения сечения сердечника в виде, например, +-образной либо ∗-образной формы, образованного из отдельных прямоугольных ленточных стержней, сформированных вдоль центрального круглого стержня, причем в угловых полостях расположены с чередованием круглые стержни разного диаметра.
Арматурный канат содержит сердечник 1, который взаимодействует со свитыми наружными проволочными прядями 2. Сердечник 1 выполнен в виде пучка составных стержней, образованного из круглых стержней 3, а также прямоугольных ленточных 4, которые обрамляют по периметру пучок из круглых стержней 3,образуя при этом сечение пучка в виде многоугольника, причем очертание сечения сердечника 1 может быть выполнено, например, +-образной, либо ∗-образной формы, образованные из отдельных прямоугольных ленточных стержней 4, сформированных вдоль центрального круглого стержня 3, причем в угловых полостях расположены с чередованием круглые стержни 3,5 разного диаметра.
Сборку арматурного каната производят следующим образом. На сердечник 1, по крайней мере из трех продольных круглых стержней 3 из низкомодульного высокопрочного композитного материала, например, стеклопластика или базальтопластика, диаметром от 3 до 8 мм навивают, например, одинарную спиральную свивку проволочных прядей 2, образуя витый нераскручивающийся канат, который может применяться для изготовления предварительно напряженных строительных конструкций. Конструктивное решение сечения сердечника 1 может быть разнообразным как по форме (фиг.3…8), так и суммарной площади составных стержней, зависит от требуемого реактивного усилия в свитых прядях 2 каната для создания и сохранения эффекта предварительного напряжения в канате, соответственно и строительной конструкции (не показана), а также зависит от функционального назначения с целью повышения демпфирующих свойств, расширения области применения в конструкциях зданий и сооружений.
вр
вр
вр
вр
Арматурный канат работает следующим образом. Для выполнения предварительного обжатия строительной конструкции (не показана), с целью создания в ней внутренних напряжений, противоположных по знаку напряжениям от внешней нагрузки, осуществляют первоначально натяжение сердечника 1 домкратом, соединенным с концевым анкером (не показано), усилие натяжения контролируется таким образом, чтобы напряжение в сердечнике 1 не превышало 0,35σ, где σ - временное сопротивление разрыву, затем осуществляется натяжение прядей 2 каната на необходимую величину контролируемого предварительного напряжения для стальных канатов. При натяжении прядей 2 спиральная свивка каната обжимает сердечник 1 в продольном и поперечном направлении, в результате происходит его силовое обжатие, создается эффект предварительного напряжения сжатия по периметру сердечника 1 по всей длине. За счет сил обжатия и трения при натяжении прядей 2 происходит дополнительное увеличение усилия натяжения сердечника 1. Напряжение в сердечнике 1 не должно превышать 0,42…0.55σ на растяжение и 0,3…0,45σ - на сжатие (см. Кулиш В.И. Совершенствование несущих конструкций пролетных строений автодорожных мостов, напряженно армированных стеклопластиковой арматурой. Докт. диссерт. Санкт-Петербург, 1993 г., с.52-56). При создании предварительного напряжения в строительной конструкции с течением времени в арматурном канате происходят потери начально созданных реактивных сил обжатия. Выполнение сердечника 1 из высокопрочных низкомодульных стержней позволяет создавать дополнительное реактивное усилие (потенциальную энергию) в арматурном канате, так как модуль упругости стального каната почти в 3,5 раза больше, чем в композитной высокопрочной низкомодульной арматуре, отсюда удельная энергия деформации растяжения, то есть энергия, рассчитанная на единицу объема, будет выше в низкомодульной арматуре почти в 3 раза, чем в стальной. Таким образом, сердечник 1 в канате выполняет роль компенсатора потерь предварительного напряжения в арматуре и в строительной конструкции, приобретает также необходимую функцию демпфирующих свойств.
После натяжения арматурного каната до требуемой контролируемой величины предварительного напряжения осуществляют его крепление и фиксирование в строительной конструкции (не показано) известными способами. В результате действия реактивных сил от арматурного каната строительная конструкция подвергается мощному обжатию, возникают внутренние напряжения, противоположные по знаку напряжениям от внешней нагрузки, это позволяет снизить деформативность, трещинообразование в железобетонных конструкциях, увеличивать перекрываемые пролеты конструкций зданий и сооружений. Известно, что при длительном воздействии внешних нагрузок на строительную конструкцию и внутреннего ее обжатия реактивными силами от арматурного каната в материале конструкции и самой арматуре происходят явления ползучести и релаксации, которые приводят к потере начально созданных сил и напряжений. Сердечник 1 каната, выполненный из низкомодульного высокопрочного композитного материала в виде пучка, образованного из отдельных прямолинейных стержней круглого 3, прямоугольного 4 сечения и при разнообразной форме очертания сердечника 1, позволяет уменьшать потери предварительного напряжения. Благодаря разнообразию конструктивных форм сердечника 1 и возможности варьирования переменным сечением его стержней, бимодульности каната, а также раздельным поэтапным способам создания предварительного напряжения в сердечнике 1 и прядях 2 каната появились дополнительные преимущества в сравнении с известными техническими решениями - значительное увеличение реактивных сил обжатия конструкции, обеспечение достаточной прочности и надежности ее работы при действии внешних нагрузок (статических, динамических, пульсирующих), выполнение функции компенсатора потерь предварительного напряжения, расширение области применения для конструкций зданий и сооружений в сейсмических зонах строительства.
Изобретение позволяет длительно сохранять эффект предварительного напряжения в строительных конструкциях из дерева, железобетона, полимербетона, композитных материалов, обладающих свойствами длительной ползучести, трещинообразования, деформациями последействия при длительных внешних нагрузках; снижать резонансные явления от действия подвижной, пульсирующей, динамической нагрузок, может быть использовано по функциональному назначению как демпфер в строительных конструкциях, в различных сооружениях многоцелевого назначения, а также снижение материалоемкости высокопрочной стальной проволоки.
Источники информации
1. Авторское свидетельство РФ 1645414, кл. E04C 5/03. 1991 г.
2. Патент РФ 2352737, кл. E04C 5/08, 2009 г.