Самарский государственный технический университет
Разработка нового конструктивного решения сталежелезобетонного элемента с гофрированной стенкой
Суворов А.А.
Лукин А.О.
г. Самара, Россия
Абстракт
В статье рассмотрено новое конструктивное решение при проектировании сталежелезобетонных конструкций мостов, основанное на применении металлических гофрированных стенок и железобетонных полок. Проведен анализ современной нормативной литературы. Рассмотрены дальнейшие перспективы развития. Указаны основные способы конструирования таких конструкций, а также проведен анализ работы конструкции на поперечную силу, как основополагающего фактора целесообразности применения гофрированных стенок. Также рассмотрены характер эффективной работы железобетонных полок с жесткой арматурой по наклонному сечению, как наиболее нагруженной зоны работы конструкции. По результатам анализа можно сделать основной вывод: применение гофрированных стенок в сталежелезобетонных пролетных строениях повышает эффективность применения предварительно напряженного железобетона и снижает металлоемкость мостовой конструкции на 15-25%, увеличивает прочность наклонного сечения в приопорных зонах. Общие трудозатраты снижаются на 15-20%.
Ключевые слова: сталежелезобетон, гофрированная стенка, наклонное сечение, железобетонные полки, мостовые конструкции, поперечный изгиб.
Abstract
Development of a new constructive solution of steel-reinforced rod with corrugated webs
Suvorov A.A., Lukin А.О. SSTU, Samara, Russia
This article deals with a constructive solution in the design of composite structures of bridges, based on the use of metal beams with corrugated walls and reinforced concrete shelves. Spend a modem regulatory analysis of the literature. Considers further development prospects. Said about main methods for constructing such structures, as well as an analysis of the construction work on the lateral force as a fundamental factor for the feasibility of the use of corrugated walls. It is also considered the nature of the effective work of reinforced concrete shelves with tight fitting on the inclined section as the most heavily loaded construction work zone. According to the analysis, you can make the main conclusion: the use of corrugated walls in steel-reinforced concrete span structures improves the efficiency of the use of prestressed concrete and reduces metal consumption pavement design by 15-25%, increases the strength of oblique section in support areas by 30-50% compared to steel beams. Total labor costs are reduced by 15-20%. The bridge spans with steel-reinforced concrete elements with corrugated walls meet the criteria of rigidity and load bearing capacity of building structures that allows you to actively use these designs for different operating conditions, under load. Large amounts of construction confirm the relevance of this subject for the study. Increased reliability, durability, fire resistance and resistance to aggressive environments of these types of beam can significantly expand the scope of its application in the construction and reconstruction of buildings and structures.
Keywords: steel-reinforced concrete, corrugated web, oblique section, reinforced shelves, bridge structures, bending.
Введение
Стоимость пролетных строений составляют около 60-65% от общей стоимости моста, а, следовательно, рациональный выбор материала пролетного строения, его конструктивного решения, технологии изготовления и монтажа существенно влияет на стоимость моста в целом.
Одним из путей снижения металлоемкости несущих строительных конструкций является применение в них гофрированной тонколистовой стали, которая обеспечивает местную устойчивость элементов сечения путем придания им пространственной формы. Эффективность использования несущих конструкций с гофрированными стенками в строительстве отмечена в ряде публикаций [1-4].
Другим путем рационального использование материала является возможность применения стали и железобетона в пролетной конструкции, что позволяет не только снизить металлоемкость, но и обеспечить при этом надежность и прочность конструкций, особенно работающих на поперечный изгиб. Использование сталежелезобетона давно себя зарекомендовало в взрыво- и противопожарной безопасности, антикоррозионной устойчивости и в работе конструкции при сейсмическом и другом динамическом воздействии.
Использование гофрированных металлических пространственных стенок совместно с применением сталежелезобетонных полок позволяет создать эффективную конструкцию, которая выдерживает колоссальные перерезывающие силы, действующие в приопорных зонах мостовых пролетов.
1. Анализ эффективности применения сталежелезобетонных балок с гофрированной стенкой
Многочисленные расчеты мостовых конструкций показали необходимость использования конструкций, которые отвечают сразу нескольким требованиям безопасности, прочности, надежности, долговечности и экономической эффективности. Металлические и железобетонные конструкции по отдельности не смогут обеспечить данные требования. Поэтому внедрение сталежелезобетонных элементов в расчетные модели мостовых конструкций позволили найти «золотою» середину: возможность обеспечить прочность конструкций вместе с экономической эффективностью.
Зона поперечного изгиба характеризуется совместным действием значительных по величине изгибающего момента и поперечной силы [5]. Основную часть нагрузки от поперечной силы воспринимает стенка. Применяя в качестве стенки гофрированный металлический лист, удается обеспечить собственную устойчивость стенки, но относительно малая толщина не позволяет обеспечить полное восприятие поперечной силы. С целью восприятия оставшейся поперечной силы в двутавровую конструкцию внедряются сталежелезобетонные полки. Поперечная сила воспринимается за счет высоты железобетонной скорлупы вокруг металлических листов полки и наличия поперечной арматуры в ней.
Расчетное наклонное сечение (рис. 1) в такой конструкции делится на две зоны: зона, проходящая через полки и зона, проходящая через стенки. Расчетные позиции формируются таким образом, чтобы большая часть перерезывающих сил (60-70%) воспринималась железобетонными полками. Значительную часть этой нагрузки берет на себя бетонное сечение полок, а также нагельный эффект стальных полок и продольной арматуры, возникающий за счет совместной работы бетона и жёсткого армирования. Нагельный эффект характеризуется восприятием стальными полками и продольной арматуры срезывающих усилий и изгибающего момента в сечении между берегами наклонных микротрещин [6].
Рис. 1. Схема расчетного наклонного сечения сталежелезобетонной балки с гофрированной стенкой: С - проекция наклонного сечения, Н - высота балки, q - распределенная нагрузка
Таким образом внедрение в состав конструкции железобетонных скорлуп увеличивает несущую способность балки по наклонному сечению на 30-50% в зависимости от пролета среза балки, который прямо пропорционален отношению действующего изгибающего момента к перерезывающей силе. Кроме этого, при использовании гофрированных стенок снижается металлоемкость мостовой конструкции на 15-25%, а трудозатрат на 15-20% [7].
2. Мировой опыт теоретических исследований и строительства мостов с гофрированными стенками
Основные исследования, посвященные теоретическому и экспериментальному исследованию мостов с гофрированными стенками, ведутся в Японии, Китае, США [8-10]. В нашей стране уделяется большое внимание изучению стальных балок с гофрированной стенкой в промышленных и гражданских зданиях [11-21]. Но в мостостроении этой области уделено мало внимания [7]. Первым сталежелезобетонным мостом с применением гофрированных элементов стал автомобильным мост, разработанный французской компанией «Сашрепоп Bernard» и построенный во Франции в 1986 году (рис. 2) [14, 22].
Рис. 2. Мост «Cognac bridge»
На сегодняшний день имеется опыт применения балок с гофрированной стенкой в составе сталежелезобетонных пролетных конструкций в Японии, Китае, Корее, Германии, Венгрии, Норвегии, Венесуэле, Казахстане [22].
сталежелезобетонный балка гофрированный стенка мост
3. Новое конструктивное решение сталежелезобетонной балки с гофрированной стенкой
Авторами было предложено новое конструктивное решение сталежелезобетонной балки с гофрированной стенкой [23] (рис. 3).
Рис. 3. Схема конструкции сталежелезобетонной балки с гофрированной стенкой: а - общий вид; б - поперечное сечение; 1 - верхняя полка, 2 - нижняя полка; 3 - стенка; 5 - рифленый лист металла; 6 - продольная арматура; 7 - поперечная арматура
Особенность предложенного решения заключается в том, что стенка может состоять из двух или более параллельно расположенных соединенных между собой гофрированных листов (рис. 4), а полки выполнены сталежелезобетонными, состоящими из жесткой арматуры в виде рифлёного листа металла и арматурного каркаса, включающего продольную арматуру и поперечную арматуру, которая обхватывает продольную арматуру, соединена с ней, а ее концы с загибом внутрь приварены к рифленому листу металла с отступом от стенки балки не менее чем 50 мм (рис. 3).
Рис. 4. Варианты стенки, состоящей из гофрированных листов: а - длина полуволны, /- высота полуволны; 2 - нижняя полка; 3 - стенка; 4 - соединение
Изготовление сталежелезобетонной балки двутаврового сечения с гофрированной стенкой производят следующим образом. Первоначально собирают металлическую балку из двух рифлёных листов металла и одного, двух или более параллельно расположенных соединенных между собой гофрированных листов. На металлической заготовке листа металла выполняют одностороннее рифление путем штамповки в виде заранее намеченной структуры, например, чечевичное рифление. Для изготовления стенки металлический лист прокатывают валками и получают гофрированный лист стенки. Затем формованный лист стенки и рифленые листы сваривают в балку таким образом, чтобы в поперечном сечении получалось двутавровое сечение. Приварка гофрированного листа стенки к рифленым листам выполняется точечной сваркой со стороны отсутствия рифленого рисунка на листе металла.
После чего изготавливают верхнюю полку - 1 и нижнюю полку - 2 балки в виде сталежелезобетонных конструкций. Первоначально производят сборку арматурного каркаса, состоящего из продольной арматуры - 6 и поперечной арматуры - 7. Сборка осуществляется либо вязальной стальной проволокой, либо приваркой его элементов точечной сваркой. Жесткость каркас создается за счет обхвата продольной арматуры - 6 стержнями поперечной арматуры - 7, при этом концы стержней поперечной арматуры - 7 имеют загибы внутрь, которые привариваются к рифленому листу металла с отступом от стенки балки равным не менее чем 50 мм. Затем выставляют опалубку вокруг арматурных каркасов полок и заливают формы бетоном.
Заключение
В условиях статических и динамических нагрузок балку следует рассчитывать по схеме, в которой изгибающие моменты и нормальные силы передаются только через полки, а поперечные силы распределяются как через стенку из гофрированного листа, так и через полки. При данной схеме расчета достигается наибольшая экономическая эффективность при обеспечении полной несущей способностью с возможностью вложить требуемый оптимальный запас прочности более 10%.
Также балки этого типа могут использоваться во всех тех проектах, что и обычные: деревянные, металлодеревянные, тавровые и двутавровые. Балки двутаврового сечения с гофрированными стенками имеют более высокий предел огнестойкости в виду использования бетона в полках и более высокую несущую способность на изгиб в двух плоскостях и на кручение, в виду того, что поперечные сечения полок могут быть выполнены любого размера. Такие балки являются надежными элементами конструкций и не имеют структурных ограничений.
Повышенная надежность, долговечность, огнестойкость и устойчивость к агрессивной среде предложенной балки позволяет значительно расширить сферу ее применения при строительстве и реконструкции зданий и сооружений.
Большие объемы исследований и строительства подтверждают актуальность данной тематики.
Список использованных источников и литературы
1. Попова Ж.С., Степаненко А.Н. Об эффективности использования балок с гофрированными стенками в стальных каркасах многоэтажных зданий // Материалы секционных заседаний 54-й студенческой научно-технической конференции ТОГУ 2014. С. 273-277.
2. Заборова Д.Д., Дунаевская Ю.П. Преимущества и особенности применения гофро-балки в строительстве // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2014. №7 (22). С. 36-53.
3. Дмитриева Т.Л., Уламбаяр X. Использование балок с гофростенкой в современном проектировании // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2015. №4 (15). С. 132-139
4. Логинова К.С. Роль гофробалки в строительной отрасли // Научные исследования и разработки в эпоху глобализации: сборник статей международной научно-практической конференции. 2016. С. 119-122.
5. Filatov V.B., Suvorov А.А. Research of the stress condition of the normal section of reinforced concrete elements using nonlinear deformation model. Procedia Engineering. 2016. T. 153. C.144-150.
6. Суворов А.А. Аналитическое описание нелинейной работы нормального сечения в вершине наклонной трещины // Урбанистика. 2016. №2. С.29-35.
7. Ахмад А.А.Д. Сталежелезобетонные пролетные строения мостов с гофрированными стенками: автореферат дисс. на соискание учен. степ. канд. техн. наук. Москва, 1993. 24 с.