Сталежелезобетонная балка
STEEL-REINFORCED CONCRETE BEAM

Изобретение относится к строительству, а именно к балкам крановых эстакад, пролетных строений и других элементов, работающих преимущественно в условиях пространственного изгиба на открытом воздухе.
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, а также не эффективных аэродинамических характеристик сечения балки при восприятии ветрового воздействия.
Известна сталебетонная балка, включающая верхний и нижний пояса, стенки и опорные диафрагмы, образующие замкнутый контур, заполненный бетоном, стенки криволинейной формы двоякой кривизны, расстояние между которыми уменьшается от верхнего поясу к нижнему, в стенках имеются отверстия и вырезы, которые расположены с переменным шагом по длине балки в соответствии с эпюрой сдвигающих напряжений, при этом стенки объединены предварительно напряженными стяжными шпильками (RU 2621247, Е04С 3/07, 01.06.2017 г.).
Недостатком такого конструктивного решения является повышенная материалоемкость балки за счет применения стяжных шпилек и не эффективных аэродинамических характеристик сечения балки при восприятии ветрового воздействия.
Известна предварительно напряженная сталебетонная балка, включающая прокатные профили, образующие коробчатую балку, внутри которой размещены арматура и бетон, опорные диафрагмы, полый трубчатый элемент в нижней части коробчатой балки, внутри которого расположена затяжка, стенка коробчатой балки выполнена с перфорациями (RU 79908, Е04С 3/294, 15.01.2019 г.).
Недостатком такого технического решения является повышенная материалоемкость балки за счет неэффективного использования бетона по сечению вследствие нерациональной формы его поперечного сечения, а также неэффективных аэродинамических характеристик сечения балки при восприятии ветрового воздействия.
Наиболее близким техническим решением к заявленной полезной модели является сталежелезобетонная балка, включающая стальные листы, образующие коробчатую балку, внутри которой размещены напрягаемая арматура и 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, недостаточным сцеплением бетона с поверхностью стальных элементов и неэффективных аэродинамических характеристик сечения балки при восприятии ветрового воздействия.
Задача изобретения - снижение материалоемкости сталежелезобетонной балки.
Технический результат достигается тем, что сталежелезобетонная балка, состоящая из стальных листов стенок и поясов, образующих коробчатую балку, внутри которой размещены напрягаемая арматура и бетон, имеет в листах стенок и поясов отверстия и выштампованные анкерные элементы вытянутой овальной формы, листы стенок имеют криволинейную выпукло-вогнутую форму сечения, соответствующую в верхней части сечения эпюре нормальных напряжений в бетоне от внешней нагрузки, в нижней части сечения - эпюре нормальных напряжений в бетоне от натяжения напрягаемой арматуры, а также имеет опорные диафрагмы с прикрепленными к внутренним поверхностям упорами.
Продольные оси всех отверстий в листах стенок могут быть расположены вдоль направления главных растягивающих и сжимающих напряжений в балке.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
- фиг. 1 - общий вид балки;
- фиг. 2 - вид балки сверху;
- фиг.3 - поперечное сечение балки 1-1;
- фиг. 4 - поперечное сечение балки 2-2;
- фиг. 5 - эпюра нормальных напряжений в бетоне балки от внешней нагрузки;
- фиг. 6 - эпюра нормальных напряжений в бетоне балки от предварительного напряжения;
- фиг. 7 - суммарная эпюра нормальных напряжений в бетоне балки от внешней нагрузки и предварительного напряжения.
Сталежелезобетонная балка включает опорные диафрагмы 1, лист верхнего пояса 2, лист нижнего пояса 3, листы стенок 4, образующие замкнутый контур, заполненный бетоном 5 (фиг. 1, 2, 3, 4). Листы поясов 2, 3 и стенок 4 имеют выштампованные анкерные элементы 6 вытянутой овальной формы, получаемые прорезкой и отгибом фрагментов листовой стали вовнутрь сечения балки под углом 90° с образованием отверстий 7. На внутренних поверхностях опорных диафрагм 1 расположены упоры 8, выполненные, например, из арматурных стержней, отрезков уголкового профиля или листовой стали. Опорные диафрагмы 1 соединены напрягаемой арматурой 9, закрепленной к наружным поверхностям опорных диафрагм 1 в зоне листа нижнего пояса 3 при помощи анкерных элементов 10. Листы стенок 4 по высоте сечения балки имеют выпукло-вогнутую форму сечения, соответствующую в верхней части сечения балки эпюре нормальных напряжений в бетоне 5 от внешней нагрузки (фиг. 5, зона А), в нижней части сечения балки - эпюре нормальных напряжений в бетоне 5 от натяжения напрягаемой арматуры 9 (фиг. 6, зона Б).
Заполнение сталежелезобетонной балки бетоном 5 повышает ее несущую способность при действии напряжений общего изгиба в балке и местного изгиба листов поясов 2, 3 и листов стенок 4, что позволяет уменьшить расход стали и снизить материалоемкость сталежелезобетонной балки.
Бетон 5, находясь в замкнутом контуре, образованном листами поясов 2, 3, стенок 4 и опорными диафрагмами 1, обладает высокими прочностными характеристиками, что снижает материалоемкость сталежелезобетонной балки.
Выпукло-вогнутая балки форма листов стенок 4 уменьшает объем бетона 5 в наименее напряженной части балки (фиг. 7) и повышает местную устойчивость листов стенок 4, что снижает расход стали и бетона на сталежелезобетонную балку.
Наличие напрягаемой арматуры 9 внутри балки позволяет регулировать нормальные напряжения общего изгиба, обжать бетон 5 в нижней части балки (фиг. 6, зона Б), что приводит к эффективной работе бетона (фиг. 7), уменьшению расхода стали и, как следствие, к снижению материалоемкости сталежелезобетонной балки.
Наличие выштампованных анкерных элементов 6 и отверстий 7 в листах поясов 2, 3, стенок 4 за счет сцепления между бетоном и элементами 6 и смятия кромок отверстий 7 в пределах толщин листов поясов 2, 3 и стенок 4 обеспечивает надежную совместную работу бетона 5 с листами поясов 2, 3, и стенок 4 при действии сдвигающих усилий в балке от приложенных на нее нагрузок, позволяет отказаться от дополнительных элементов сцепления, что приводит к снижению материалоемкости сталежелезобетонной балки.
Выштампованные анкерные элементы 6 имеют вытянутую овальную форму, а продольные оси отверстий 7 в листах поясов 2, 3 и стенок 4 располагаются вдоль направления главных растягивающих и сжимающих напряжений в балке (фиг. 1), что приводит к эффективной совместной работе бетона 5 с листами поясов 2, 3, и стенок 4 при действии сдвигающих усилий в балке от приложенных на нее нагрузок, как следствие, к снижению материалоемкости сталежелезобетонной балки.
В листах поясов 2, 3 продольные оси отверстий 7 расположены вдоль оси сталежелезобетонной балки, а в листах стенок 4 - под переменным к ней углом (β=45-90°) (фиг. 1), что соответствует направлениям главных нормальных напряжений и обеспечивает в каждой точке контакта выштампованных анкерных элементов 6 и бетона 5 при совместной их работе равномерное распределение наибольших нормальных напряжений по сечению выштампованных анкерных элементов 6, что приводит максимальному взаимодействию бетона 5 и стальных листов 2, 3, 4 и полному использованию их прочностных свойств, а, также к снижению расхода металла на листы поясов 2, 3, стенок 4, что, как следствие, приводит снижению материалоемкости сталежелезобетонной балки.
Вытянутая вдоль линий действия главных напряжений овальная форма выштампованных анкерных элементов 6 позволяет уменьшить площадь ослабления поперечных сечений стальных листов поясов 2, 3 и стенок 4 сталежелезобетонной балки в направлении наибольших главных напряжений, обеспечив при этом необходимую площадь сцепления выштампованных анкерных элементов 6.
Наличие упоров 8 обеспечивает эффективную совместную работу опорных диафрагм 1 с бетоном 5 при действии касательных напряжений, обеспечивают местную и общую устойчивость опорных диафрагм 1, что позволяет уменьшить их толщину, а также снизить материалоемкость сталежелезобетонной балки.
Несущая способность сталежелезобетонной балки обеспечивается подбором класса бетона, марок стали, размеров поперечного сечения сталебетонной балки и ее элементов, размерами выштампованных анкерных элементов, величиной предварительного напряжения арматуры.
Применение предлагаемого технического решения позволит снизить материалоемкость сталежелезобетонной балки.