балка

Формула изобретения

Балка, включающая стенку из дерева, усиленную продольными арматурными стержнями по нижней грани и верхнюю железобетонную плиту, объединенную со стенкой посредством сдвиговоспринимающих устройств, выполненных в виде наклонных тяг, установленных относительно продольных арматурных стержней под острым углом в направлении торцов балки, отличающаяся тем, что расположенные под нижней гранью стенки продольные арматурные стержни снабжены установленными на своих концевых участках устройствами компенсации реактивных сил в виде контактирующих с анкерами продольных арматурных стержней поперечных упоров, подпружиненных относительно размещенных под нижней гранью стенки и охватывающих концевые участки упомянутых стержней цилиндрических гильз, шарнирно соединенных посредством боковых накладок, попарно установленных с противоположных сторон стенки, с наклонными тягами, угол наклона которых увеличивается по мере удаления тяг от соответствующего торца к середине балки, при этом противоположными своими концами наклонные тяги также через боковые накладки связаны с возможностью вращения с прерывистыми продольными ребровыми выступами верхней железобетонной плиты, выполненными высотой не менее 1/3 высоты стенки из дерева.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области мостостроения и может быть использовано для усиления балочных конструкций промышленных и гражданских зданий, действующих мостовых конструкций, а также в строительных предварительно напряженных конструкциях из разнородных материалов.

Известны конструктивные решения по усилению пролетных мостовых балок из железобетона [1] . Однако такие технические решения не позволяют сохранить длительно заданный эффект предварительного напряжения, а конструкции балок не обладают демпфирующими свойствами.

Наиболее близкой к изобретению по совокупности признаков является балка деревожелезобетонного пролетного строения, преимущественно моста, включающая стенку из дерева, усиленную продольными арматурными стержнями по нижней грани, и верхнюю железобетонную плиту, объединенную со стенкой посредством сдвиговоспринимающих устройств, выполненных в виде наклонных тяг, установленных под острым углом в направлении торцов балки [2].

В известном техническом решении продольные арматурные стержни и наклонные тяги позволяют создать эффект предварительного напряжения, а выполнение стенки из клееной древесины способствует образованию демпфирующих свойств в конструкции балок при действии подвижной нагрузки.

Однако использование такого технического решения не позволяет сохранить требуемый длительный эффект предварительного напряжения по причине ползучести древесины и релаксации армирующего материала, не представляется возможным создание дополнительного разгружающего изгибающего момента, противодействующего моменту от внешней нагрузки, а также усложняется конструктивное решение снижения сдвиговых деформаций между железобетонной плитой и дощатоклееной деревянной стенкой.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание и сохранение длительного эффекта преднапряжения, а также дополнительного разгружающего момента в балочной конструкции, варьирование жесткостью сдвиговых связей с целью снижения деформаций между железобетонной плитой и дощатоклееной деревянной стенкой, повышение степени поперечного обжатия для уменьшения скалывающих напряжений.

Технический результат достигается за счет взаимосвязи напрягаемых арматурных стержней с устройствами компенсации реактивных сил, а благодаря наклонным тягам, угол наклона которых увеличивается по мере удаления от соответствующего торца к середине балки, появляется возможность варьирования деформациями между железобетонной плитой и клееной деревянной стенкой. Выполнение в железобетонной плите в плоскости сдвига прерывистых продольных ребровых выступов высотой не менее 1/3 высоты стенки из дерева обеспечивает образование дополнительного разгружающего момента в составной деревожелезобетонной балке, а также способствует снижению деформаций сдвига и отрыва в плоскости сопряжения плиты и стенки.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что балка, преимущественно моста, включающая стенку из дерева, усиленную продольными арматурными стержнями по нижней грани, и верхнюю железобетонную плиту, объединенную со стенкой посредством сдвиговоспринимающих устройств, выполненных в виде наклонных тяг, установленных относительно продольных арматурных стержней под острым углом в направлении торцов балки, отличается от прототипа тем, что расположенные под нижней гранью стенки продольные арматурные стержни снабжены установленными на своих концевых участках устройствами компенсации реактивных сил в виде контактирующих с анкерами продольных арматурных стержней поперечных упоров, подпружиненных относительно размещенных под нижней гранью стенки и охватывающих концевые участки упомянутых стержней цилиндрических гильз, шарнирно соединенных посредством боковых накладок, попарно установленных с противоположных сторон стенки, с наклонными тягами, угол наклона которых увеличивается по мере удаления тяг от соответствующего торца к середине балки, при этом противоположными своими концами наклонные тяги также через боковые накладки связаны с возможностью вращения с прерывистыми продольными ребровыми выступами верхней железобетонной плиты, выполненными высотой не менее 1/3 высоты стенки из дерева.

Выполнение конструктивной системы путем взаимосвязи напрягаемых арматурных стержней и устройств компенсации реактивных сил позволяет создавать и длительно сохранять эффект предварительного напряжения, а также повысить степень обжатия всей комбинированно-армированной балки как в продольном, так и в поперечном направлении; при этом наклонные тяги, связанные шарнирно с прерывистыми продольными ребровыми выступами железобетонной плиты и продольными арматурными стержнями, создают не только эффект обратного выгиба, противоположного прогибу от внешней нагрузки, но и дополнительный разгружающий момент от внутренних сил обжатия. Выполнение в плоскости сопряжения железобетонной плиты и деревянной дощатоклееной стенки прерывистых ребровых выступов позволяет значительно увеличить жесткость и прочность сдвиговых связей и тем самым повысить несущую способность всей балки. Благодаря устройству компенсации реактивных сил, шарнирно связанному с наклонными тягами и продольными арматурными стержнями, обеспечивается надежный контроль и сохранение начально созданных напряжений в напрягаемой конструктивной системе и тем самым длительно обеспечивается эффект преднапряжения в балке.

На фиг. 1 изображена балка пролетного строения, общий вид; на фиг. 2 - разрез 1-1 на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез 2-2 на фиг. 1; на фиг. 4 изображен фрагмент А на фиг. 1, крепление продольных арматурных стержней с наклонными сдвиговоспринимающими устройствами посредством компенсатора реактивных сил; на фиг. 5 изображен фрагмент Б на фиг. 1, крепление наклонных сдвиговоспринимающих устройств с продольным ребровым выступом железобетонной плиты; на фиг. 6 - разрез 3-3 на фиг. 4; на фиг. 7 - фрагмент выполнения на концевых участках деревянной стенки ниш для ребровых выступов железобетонной плиты; на фиг. 8 - общий вид балки пролетом более 9 м с концевыми и промежуточными сдвиговоспринимающими устройствами; на фиг. 9 фрагмент выполнения в деревянной стенке промежуточной ниши для ребровых выступов железобетонной плиты; на фиг. 10 - фрагмент создания дополнительного внутреннего момента, образующегося в плоскости сдвига ребровых выступов плиты и стенки.

Балка содержит деревянную дощатоклееную стенку 1, усиленную по нижней грани продольной арматурой 2, а по верхней - железобетонной плитой 3. Периферийные элементы усиления 2 и 3 объединены совместно наклонными тягами 4 и боковыми накладками 5, шарнирно соединенными одним концом с цилиндрическими гильзами 6, а другим с прерывистыми продольными ребровыми выступами 7 железобетонной плиты 3. Цилиндрические гильзы 6, по крайней мере на одном конце балки, взаимодействуют с устройствами компенсации реактивных сил, например, в виде пружин 8, ориентированных вдоль цилиндрической гильзы 6 и концевого участка продольной арматуры 2. Пружины 8 закреплены одним концом к упорному столику 9, установленному на боковой грани цилиндрической гильзы 6, а другим концом к поперечному П - образному упору 10, сквозь который пропущен концевой участок продольной арматуры 2, закрепленный при помощи концевого анкера 11. Наклонные тяги 4, имеющие на концах анкера 11, крепятся шарнирно с боковыми накладками 5 при помощи упорных столиков 9.

Сборку балки производят следующим образом. Первоначально в клееной дощатой деревянной стенке 1 выполняют ниши 12 на концевых участках (фиг. 7) на глубину не менее 1/3 высоты стенки 1, а для перекрываемых пролетов от 9 до 15 м выполняют дополнительно еще промежуточные ниши 13 (фиг. 8, 9) на глубину не менее 1/3 высоты стенки, а для пролетов от 15 до 18 м вновь дополнительно выполняются промежуточные ниши 13 соответственно на глубину не менее 1/3 высоты стенки 1. Шаг между нишами 12, 13 начиная от концов стенки 1 к ее серединной части принимается равным 1/4 - 1/7 перекрываемого пролета. Затем осуществляется омоноличивание верхней грани стенки 1 железобетоном таким образом, чтобы в образовавшихся продольных ребровых выступах плиты 3 выполнялось сквозное отверстие 14 для шарнирного крепления боковых накладок 5. С набором требуемой прочности бетона осуществляется установка напрягаемой системы в виде продольных и наклонных арматурных стержней 2, 4, 5. Установка напрягаемой системы осуществляется таким образом, чтобы угол наклона концевых тяг 4 и боковых накладок 5 в приопорной части балок был в пределах 30 - 45^o относительно продольной оси арматуры 2, а для балок длиной от 9 до 15 м и для перекрываемых пролетов от 15 до 18 м, имеющих дополнительные промежуточные наклонные тяги 4 и боковые накладки 5, угол наклона которых принимается в пределах 50 - 60^o относительно продольной оси арматуры 2. Перед установкой напрягаемой системы первоначально осуществляется подготовка продольной арматуры 2 к взаимосвязи с устройством компенсации реактивных сил и наклонными тягами 4 с накладками 5. Конструктивное решение устройств компенсации реактивных сил имеет большое разнообразие (см. Патент РФ N 2109894). Взаимосвязь продольной арматуры 2 и компенсатора реактивных сил 8 осуществляется следующим образом. Первоначально, по крайней мере на одном конце продольной арматуры 2, устанавливается анкер 11, затем к нижней грани стенки 1 балки на концевых участках устанавливают цилиндрические гильзы 6, к которым шарнирно присоединены одним концом боковые накладки 5, попарно устанавливаемые с противоположных сторон стенки 1. Затем в сквозные отверстия 14 продольных ребровых выступов 7 плиты 3 вставляют оси 15, на которые крепится шарнирно другая противоположная пара боковых накладок 5. После установки боковых накладок 5 в уровне верхней и нижней грани стенки 1 осуществляют их взаимное соединение тягами 4, которые выполнены с концевыми анкерами 11. Продольный арматурный стержень 2 свободным (без анкера 11) концом протягивают сквозь цилиндрические гильзы 6 и поперечный упор 10, а затем на свободный конец надевают анкер 11 и крепят к домкрату двойного действия (не показан). Для создания дополнительных реактивных сил обжатия конструкции и их компенсации при потерях в период ползучести материала основы конструкции и релаксации напрягаемой арматуры необходимо устанавливать компенсатор, например, в виде пружины 8 между поперечным упором 10 и цилиндрической гильзой 6. Таким образом, при действии домкрата пружина 8 сжимается, а продольная арматура 2 натягивается на требуемую расчетную величину и затем свободный ее конец анкеруется анкером 11.

Напрягаемая система балки работает следующим образом. Используемый домкрат работает по принципу двойного действия, в результате при натяжении продольной арматуры 2 компенсатор реактивных сил, например, пружины 8 и цилиндрические гильзы 6 сжимаются, а наклонные сдвиговоспринимающие элементы в виде боковых накладок 5 и тяг 4 растягиваются. В результате внутреннего перераспределения сил от действия домкрата и сдвиговоспринимающих элементов с компенсатором реактивных сил балка выгибается в сторону, противоположную прогибу от внешней нагрузки и собственного веса. При действии внешней нагрузки на балку образуется погонное сдвигающее внутреннее усилие относительно нейтральной оси балки, которое воспринимается, как правило, связями. Податливость связей зависит от их жесткости. Выполнение в плоскости сдвига ж/б плиты 3 и деревянной дощатоклееной стенки 1 дополнительных связей в виде прерывистых продольных ребровых выступов 7 позволяет значительно повысить несущую способность составной деревобетонной балки благодаря снижению вероятности скалывания в плоскости сдвига, так как касательные напряжения воспринимаются связями. При этом усилия от наклонных сдвиговоспринимающих элементов 4, 5, передаваемые на оси 15, способствуют созданию дополнительного внутреннего разгружающего момента, противоположного по знаку моменту от внешней нагрузки. Разгружающий дополнительный внутренний момент образуется следующим образом. При натяжении наклонных тяг 4 и боковых накладок 5 в условной точке сквозного отверстия 14 от оси 15 в ребровом выступе плиты 3 происходит внутреннее разложение усилий вдоль оси балки, поперек и под соответствующим углом вдоль оси сдвиговоспринимающих элементов 4, 5. Усилие, направленное вдоль, относительно нейтральной оси балки имеет эксцентриситет, который и способствует созданию дополнительного внутреннего момента (фиг. 10).

Изобретение позволяет повысить степень обжатия и эффект предварительного напряжения в балке благодаря комбинированному функциональному совмещению напрягаемой продольной арматуры, наклонных сдвиговоспринимающих элементов и устройств компенсации реактивных сил. Принятые углы наклона сдвиговоспринимающих элементов позволяет варьировать деформациями сдвига и отрыва ж/б плиты от дощатоклееной деревянной стенки, а выполнение прерывистых продольных ребровых выступов в плите в плоскости сдвига способствует созданию дополнительного разгружающего момента от действия внешней нагрузки на балку, а также позволяет повысить жесткость связей, воспринимающих сдвиг.

Таким образом, появилась большая надежность и возможность использования клееной древесины в комбинированных конструкциях из железобетона, полимербетона и металла, так как обеспечивается прочность от возможного раскалывания древесины, являющейся наиболее уязвимым местом в деревянных конструкциях. Совместная взаимосвязь продольной арматуры, наклонных сдвиговоспринимающих элементов и компенсатора потерь реактивных сил позволяет не только создавать в балке противодействующий внешней нагрузке изгибающий момент, длительно сохранять эффект предварительного напряжения, значительно упростить процесс предварительного напряжения балки, но еще появилась возможность создавать дополнительный разгружающий момент от действия внешней нагрузки и гарантировать надежность составной балочной конструкции от скалывания при действии касательных напряжений.

Изобретение может быть использовано для усиления балочных конструкций из традиционных материалов при действии как статической, так и динамической либо пульсирующей нагрузки, а также при конструировании подкрановых балок и других изгибаемых конструкций составного сечения с разномодульными характеристиками составных зон и недостаточной жесткостью связей, воспринимающих их взаимный сдвиг относительно продольной оси.

Источники информации

1. RU, Патент РФ 2117120, кл. E 04 С 3/10.

2. SU, авт. св. 1261998, кл. E 01 D 7/02.