железобетонный сборно-монолитный каркас многоэтажного здания

Формула изобретения

1. Железобетонный сборно-монолитный каркас многоэтажного здания, включающий сборные или монолитные колонны и плоские сборно-монолитные диски перекрытий, образованные монолитными железобетонными несущими и связевыми ригелями, объединенными в плоскости перекрытия в узлах соединения с колоннами в замкнутые рамные ячейки, в пределах которых группами размещены сборные железобетонные плиты, связанные между собой межплитными швами и опирающиеся по концам на несущие ригели, отличающийся тем, что неразрезные несущие ригели в каждом пролете между колоннами выполнены с поперечными сечениями переменной ширины, изменяющейся от наибольшей у колонн до наименьшей в середине пролета, и соответственно сборные плиты в пределах каждой ячейки выполнены длиной, наименьшей в крайних плитах у связевых ригелей и наибольшей в плитах, расположенных в середине каждой ячейки.

2. Железобетонный каркас многоэтажного здания по п.1, отличающийся тем, что неразрезные несущие ригели выполнены с высотой сечения, выступающей кверху относительно верха сборных плит на толщину стяжки пола и с шириной выступающей части, равной наибольшей ширине сечения несущего ригеля у колонн.

3. Железобетонный каркас многоэтажного здания по п.1 или 2, отличающийся тем, что диски перекрытий за наружными рядами колонн выполнены на консолях несущих и/или связевых ригелей, выпущенных за наружные колонны, с опиранием на эти консоли сборных плит.

4. Железобетонный каркас многоэтажного здания по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что сборные плиты в дисках перекрытий выполнены методом безопалубочного формования, а в межплитных швах поперек несущих ригелей размещены плоские арматурные каркасы со сквозной нижней и верхней арматурой на длину, достаточную для их анкеровки в бетоне межплитных швов.

5. Железобетонный каркас многоэтажного здания по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что сборные плиты выполнены многопустотными с открытыми по торцам пустотами.

6. Железобетонный каркас многоэтажного здания по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что сборные плиты выполнены П-образного поперечного сечения и оперты по торцам верхней полкой на бетонные шпонки боковых граней несущих ригелей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству, в частности, к железобетонным каркасам зданий различного назначения и этажности, возводимых в различных регионах, включая сейсмические.

Известен железобетонный каркас многоэтажных зданий, включающий колонны и диски перекрытий, состоящие из многопустотных плит, объединенных по бокам монолитными швами, а в ячейках перекрытий - монолитными железобетонными ригелями, выполненными со строительным подъемом к середине их пролетов [1].

Каркас сравнительно прост в изготовлении. Однако выполнение строительного подъема ригелей требует особой тщательности при производстве работ, создает вспарушенность поверхности потолка в пределах каждой ячейки каркаса. Это вызывает дополнительную потребность в устройстве подвесных потолков, и поэтому конструкция каркаса недостаточно экономична.

Известен железобетонный каркас здания, включающий колонны, перекрытия с каналами переменной глубины, выполненными вдоль граней колонн с предварительно напряженной арматурой и монолитным бетоном по периметру ячеек каркаса и с заполнением ячеек каркаса монолитными или сборными железобетонными плитами [2].

Конструкция каркаса отличается невысокой металлоемкостью. Однако каркас при возведении является многодельным и многостадийным. Сначала изготавливают плиту с каналами, затем после выдержки во времени для твердения бетона (до 20... 25 суток) на бетон плиты натягивают рабочую арматуру, что требует специального оборудования и технологии. Затем подводят снизу плиты опалубку каналов и производят их бетонирование. Такая конструкция и технология является весьма трудоемкой, снижает темп возведения здания и поэтому неэкономична.

Наиболее близким к предлагаемому является железобетонный каркас многоэтажного здания, принятый за прототип и включающий колонны и диски перекрытий, которые состоят из железобетонных неразрезных несущих ригелей, ортогонально сопряженных в стыках с колоннами с неразрезными связевыми ригелями, образуя железобетонные замкнутые рамные ячейки, в которых размещены сборные плиты [3].

Каркас прост в изготовлении, не требует предварительного напряжения в построечных условиях.

Недостатком каркаса является сложность размещения продольной рабочей арматуры несущих ригелей в зонах действия отрицательных изгибающих моментов у колонн и недостаточно эффективное использование ее прочности. Кроме того, опорные узлы сборных плит у колонн перенапряжены при больших размерах сетки колонн. В целом, эти недостатки приводят к повышенному расходу стали на армирование несущих ригелей и к ограничению размеров сетки колонн.

Предлагаемое изобретение решает задачу сокращения удельной металлоемкости каркаса с одновременным существенным расширением его потребительских качеств, обусловленным возможностью увеличения размеров сетки колонн.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в железобетонном сборно-монолитном каркасе многоэтажного здания, включающем сборные или монолитные колонны и плоские сборно-монолитные диски перекрытий, образованные монолитными железобетонными несущими и связевыми ригелями, связанными в плоскости перекрытия в узлах сопряжения с колоннами в замкнутые рамные ячейки, в пределах которых группами размещены сборные железобетонные плиты, объединенные между собой по боковым сторонам межплитными швами и опирающиеся по концам на несущие ригели, несущие ригели в каждом пролете между колоннами выполнены с поперечными сечениями переменной ширины, изменяющейся от наибольшей у колонн до наименьшей в середине пролета, и соответственно сборные плиты в пределах каждой ячейки выполнены с длиной, наименьшей в крайних плитах у связевых ригелей и наибольшей в плитах, расположенных в середине каждой ячейки.

Несущие ригели могут быть выполнены с высотой сечения, выступающей кверху относительно верха сборных плит на толщину стяжки пола и с шириной выступающей кверху части, равной ширине сечения несущего ригеля у колонн.

Диски перекрытий за наружными рядами колонн могут быть выполнены на консолях несущих и/или связевых ригелей, выпущенных за наружные колонны, с опиранием на эти консоли сборных плит.

Сборные плиты в дисках перекрытий могут быть выполнены методом безопалубочного формования, а в межплитных швах поперек несущих ригелей размещены плоские арматурные каркасы со сквозной верхней и нижней арматурой на длину, достаточную для их анкеровки в бетоне межплитных швов.

Сборные плиты могут быть выполнены многопустотными с открытыми по торцам пустотами.

Сборные плиты также могут быть выполнены П-образного поперечного сечения и оперты по обоим концам верхней полкой на бетонные шпонки боковых граней несущих ригелей.

Выполнение несущих ригелей с шириной сечения, наибольшей у колонн, позволяет оптимально в один слой разместить верхнее рабочее армирование несущих ригелей у колонн в зоне действия наибольшего по абсолютной величине отрицательного изгибающего момента и обеспечить тем самым наиболее эффективное использование прочностных качеств арматурной стали. Вместе с этим, вследствие уширения несущего ригеля у колонн повышается сопротивление диска перекрытия продавливанию колонной и повышается надежность стыкового узла колонны с перекрытием и всего перекрытия в целом. Кроме того, повышается надежность и опорных стыков сборных плит с несущими ригелями, поскольку их опирание на несущие ригели уширенного у колонн сечения уменьшает в этом узле величину не только вертикальной опорной реакции, но и наибольшего крутящего момента. В результате уменьшения величины касательных напряжений в стенках сборных плит практически полностью исключается опасность образования косых трещин и их хрупкого разрушения.

Вследствие уменьшения длины крайних плит в ячейках возрастает их относительная жесткость. Благодаря этому уменьшается величина прогибов крайних плит под нагрузкой в составе перекрытия. В свою очередь, крайние плиты вследствие зацепления по межплитным швам сдерживают под нагрузкой вертикальные перемещения и средних плит ячеек, и всего перекрытия. Таким образом, предлагаемое решение позволяет выполнить каркас без предварительного напряжения в построечных условиях и увеличить на 15... 20% размеры пролетов ригелей без перерасхода стали и довести размер шага колонн каркаса до 8,5...9,0 м с применением традиционных сборных изделий.

Выполнение несущих ригелей с высотой сечения, выступающей кверху относительно верха сборных плит на толщину стяжки пола, способствует решению той же задачи сокращения удельной металлоемкости каркаса при одновременном увеличении размеров сетки колонн. В этом случае в приопорных сечениях несущих ригелей у колонн увеличивается плечо внутренней пары сил и повышается несущая способность этих сечений без увеличения количества рабочей арматуры. В середине каждого пролета несущего ригеля, кроме того, образуются эффективные тавровые сечения с полкой в сжатой зоне, что также приводит к увеличению их несущей способности.

Выполнение дисков перекрытий за наружными рядами колонн каркаса на консолях несущих и/или связевых ригелей, выпущенных за наружные колонны, с опиранием на эти консоли сборных плит позволяет выполнять на этих консолях эркеры, балконы и лоджии, создавать любую требуемую пластику фасадов, используя эти консоли для размещения на них поэтажно опертых стен. Вместе с тем, при воздействии нагрузки на консоли ригелей уменьшаются величины пролетных изгибающих моментов в крайних пролетах ригелей, что приводит к уменьшению расхода стали на рабочее армирование пролетных участков ригелей.

Применение в перекрытиях сборных плит безопалубочного формования позволяет дополнительно сократить расход стали на армирование перекрытий и использовать изделия прогрессивных технологий формования. Размещение в межплитных швах поперек несущих ригелей плоских арматурных каркасов со сквозной верхней и нижней арматурой на длину, достаточную для их анкеровки в бетоне швов, позволяет обеспечить непрерывность рабочего армирования перекрытия по всей длине пролета вдоль плит, обеспечить по торцам сборных плит восприятие изгибающих моментов обоих знаков. Таким образом, отдельные сборные плиты объединяются в неразрезные элементы, что позволяет дополнительно снизить расход стали на армирование сборных плит и уменьшить их прогибы.

Выполнение сборных плит многопустотными существенно расширяет возможности каркаса, особенно при его применении для жилых и общественных зданий, обеспечивая гладкие потолки, а также надежные сопряжения плит с несущими ригелями посредством бетонных шпонок ригелей, размещаемых в открытых по торцам плит пустотах.

Выполнение сборных плит П-образного поперечного сечения с опиранием их верхней полкой на бетонные шпонки несущих ригелей позволяет существенно снизить величину нагрузки от собственной массы перекрытий и благодаря этому увеличить размеры сетки колонн. Это особенно важно для общественных и производственных зданий, перекрытия в которых могут быть выполнены с устройством легких подвесных потолков.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявленное техническое решение отличается от известного новыми признаками: (1) неразрезные несущие ригели в каждом пролете между колоннами выполнены с поперечными сечениями переменной ширины, изменяющейся от наибольшей у колонн до наименьшей в середине пролета, (2) сборные плиты в пределах каждой ячейки выполнены с длиной, наименьшей в крайних плитах у связевых ригелей и наибольшей в плитах, расположенных в середине каждой ячейки, (3) неразрезные несущие ригели выполнены с высотой сечения, выступающей кверху относительно верха сборных плит на толщину стяжки пола, (4) с шириной выступающей части, равной наибольшей ширине сечения несущего ригеля у колонн, (5) диски перекрытий за наружными рядами колонн выполнены на консолях несущих и/или связевых ригелей, выпущенных за наружные колонны, с опиранием на эти консоли сборных плит, (6) сборные плиты в дисках перекрытий выполнены методом безопалубочного формования, а (7) в межплитных швах поперек несущих ригелей размещены плоские арматурные каркасы со сквозной нижней и верхней арматурой на длину, достаточную для их анкеровки в бетоне межплитных швов, (8) сборные плиты выполнены многопустотными с открытыми по торцам пустотами, (9) сборные плиты выполнены П-образного поперечного сечения и оперты по торцам верхней полкой на бетонные шпонки боковых граней несущих ригелей.

В целом предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны, поскольку перечисленные выше признаки предлагаемого технического решения в приведенной сумме не известны, а достигаемые технические результаты по предложенному решению превосходят известные. Это дает возможность считать предлагаемое техническое решение соответствующим требованиям изобретательского уровня.

Сущность предлагаемого решения поясняется чертежами. На фиг.1 представлен предлагаемый каркас, вид в плане; на фиг.2 - то же, что на фиг.1, при несущих ригелях, выступающих кверху; на фиг.3 - то же при расположении несущих ригелей вдоль секции дома; на фиг.4 - то же, фрагмент диска перекрытия с размещением рабочего армирования в несущих и связевых ригелях, межплитных швах; на фиг.5 - то же, сечение А-А на фиг.4 при применении сборных многопустотных плит; на фиг.6 - то же, разрез Б-Б на фиг.4, армирование несущих ригелей и сопряжение ригелей с колоннами; на фиг.7 - то же, разрез В-В на фиг.4 в середине пролета несущего ригеля при опирании на него многопустотных плит; на фиг.8 - то же, разрез Г-Г на фиг.4 несущего ригеля у колонн при опирании на него многопустотных плит; на фиг.9 - то же, разрез А-А на фиг.4 при выполнении перекрытия с применением сборных П-образных плит; на фиг.10 - то же, разрез В-В на фиг.4 несущего ригеля в середине пролета при опирании на него П-образных плит; на фиг.11 - то же, разрез Г-Г на фиг.4 несущего ригеля у колонн с опиранием на него сборных П-образных плит; на фиг.12 - то же, разрез В-В на фиг.4 при выполнении несущего ригеля выступающим кверху в середине его пролета; на фиг.13 - то же, разрез Г-Г на фиг.4 несущего ригеля, выступающего кверху у колонн.

Предлагаемый каркас (фиг.1-13) включает колонны 1, сборные плиты 2, объединенные между собой по сторонам межплитными швами 3 из монолитного бетона. В створах колонн 1 во взаимно перпендикулярных направлениях пропущены неразрезные монолитные железобетонные несущие 4 и связевые 5 ригели, образующие в плоскости диска перекрытия замкнутые рамные ячейки, охватывающие группу многопустотных плит 2 (фиг.1-4). На продолжении несущих 4 и связевых 5 ригелей за наружные колонны могут быть выпущены консоли 6 ригелей, на которые оперты плиты 2. Несущие ригели 4 выполнены с переменной шириной сечения, увеличивающейся от минимальной в середине пролета к наибольшей у колонн. Плиты 2 в каждой ячейке имеют переменную длину от наименьшей длины плит, расположенных у связевых ригелей 5, до наибольшей в середине ячейки. В несущих ригелях 4 по всей их длине размещена сквозная арматура 7, а в приопорных зонах у колонн размещена локальная арматура 8 (фиг.4). Количество арматуры определяют расчетом. В связевых ригелях 5 выполнена сквозная арматура 9, количество которой также определено расчетом. Сквозная продольная арматура 7 и 9 несущих 4 и связевых 5 ригелей заанкерена на контуре диска перекрытия и ее выполняют без предварительного натяжения. Поперек несущих ригелей 4 в межплитных швах размещены плоские арматурные каркасы 10 со сквозной верхней и нижней арматурой на длину, достаточную для ее анкеровки в бетоне межплитных швов 3. Кроме того, в крайних ячейках каркаса в межплитные швы 3 установлена сквозная арматура 11, заанкеренная одним концом в монолитном бетоне крайнего несущего ригеля, а другим - в ближайшем к нему среднем несущем ригеле (фиг.4). Арматура 11 предназначена сдерживать горизонтальный изгиб и кручение крайнего ригеля 4. Несущие ригели 4 выполнены на высоту плит 2 (фиг.5-11) либо могут быть выполнены в одной плоскости с плитами 2 по нижней поверхности и выступающими кверху (фиг.2, 12, 13) относительно верхней поверхности плит 2 на толщину стяжки пола 12.

Сборные плиты 2 могут быть выполнены многопустотными 13 или П-образного поперечного сечения 14 безопалубочного формования с опиранием по концам на бетонные шпонки, выполненные на боковых поверхностях заодно с несущими ригелями 4. При этом до установки в перекрытие плит 2, 13 их пустоты выполнены открытыми по торцам на длину до 100 мм. По торцам из плит 2, 13, 14 могут быть выполнены выпуски рабочей арматуры (не показаны), заанкериваемые в монолитном бетоне несущих ригелей 4.

При больших пролетах предварительно напряженных плит 2, когда возможна разбежка в величине их выгиба от обжатия усилием предварительного напряжения, под перекрытием может быть подшит подвесной потолок 16, выполняемый из листовых изделий. При предложенных тонкостенных П-образных изделиях в перекрытии может быть размещен слой звукоизоляции 17.

Предлагаемый каркас работает под нагрузкой как единая статически неопределимая многоэтажная пространственная конструкция с плоскими дисками перекрытий. На каждом этаже вертикальную нагрузку непосредственно воспринимают сборные плиты 2, работающие с распором, и перераспределяют на несущие ригели 4, а последние передают нагрузку на колонны 1. При этом при действии вертикальной нагрузки крайние плиты 2, расположенные у связевых ригелей 5, прогибаются в меньшей мере и оказывают сдерживающее влияние на вертикальные перемещения плит, расположенных ближе к середине ячейки. Несущие ригели 4 в местах примыкания к колоннам 1 наряду со значительной величиной изгибающего момента отрицательного знака испытывают воздействия поперечной силы от опорной реакции, а также возможно их закручивание от неравномерного изгиба сборных плит при разновеликой нагрузке в смежных ячейках, при разных длинах пролетов связевых ригелей 5 смежных ячеек. Закручивание особенно заметно в крайних и угловых ячейках каркаса. Поэтому выполнение несущих ригелей 4 уширенными у колонн 1 позволяет более полно и равномерно перераспределить усилия между элементами каркаса и обеспечить более однородное напряженное состояние в их сечениях. Наряду с повышением эффективности работы каркаса при действии вертикальной нагрузки возрастает сопротивление закручиванию и сдвигу дисков перекрытий предлагаемого каркаса при воздействии горизонтальной нагрузки, существенно возрастает крутильная жесткость каркаса. Благодаря предложенной конструкции дисков перекрытий более эффективно включаются в работу вертикальные диафрагмы жесткости.

Таким образом, по сравнению с аналогами [1, 2] и прототипом [3] в предлагаемом каркасе при наличии приведенных признаков в еще большей мере удается снизить и наиболее полно перераспределить усилия между элементами каркаса. Действительно, если в прототипе без предварительного напряжения монолитных элементов перекрытий наибольший эффективный шаг колонн равен 7,2 м, то предлагаемое решение позволяет практически при тех же условиях обеспечить перекрытие пролетов до 8,6...9,0 м. Это существенно расширяет возможности обеспечения свободных объемно-планировочных решений зданий, что решает задачу получения универсального каркаса для многоэтажных зданий различного назначения (жилье, общественные здания, многоэтажные гаражи-стоянки и т.д.).

Предлагаемый каркас возводят в следующей последовательности.

Сначала в фундаменты устанавливают сборные колонны 1 высотой на 1-2 этажа, затем в створе колонн монтируют поддерживающие устройства с опалубкой поверху для монолитных несущих ригелей 4. На поддерживающие устройства опирают концами сборные плиты 2, 13, 14 различной длины. При этом более длинные плиты размещают в середине пролетов, а наиболее короткие - у колонн. Вдоль крайних плит в створах колонн к установленным плитам подвешивают опалубку связевых ригелей 5. После этого в образовавшихся объемах устанавливают в створах колонн пролетные арматурные каркасы 7 и 9 ригелей, устанавливают арматуру ригелей 8 в сопряжениях с колоннами. Под межплитными швами 3 подвешивают инвентарную полосовую опалубку. В межплитные швы 3 поперек несущих ригелей размещают плоские арматурные каркасы 10, а в крайних ячейках перекрытия - также арматуру 11. Бетонную смесь укладывают одновременно в несущие 4 и связевые 5 ригели и в межплитные швы 3 с непрерывной подачей бетононасосом или циклической подачей бадьями. После набора бетоном монолитных конструкций требуемой прочности из-под готового перекрытия извлекают поддерживающие устройства и опалубку и устанавливают их на него для возведения перекрытия следующего этажа, и цикл повторяется.

В случае применения монолитных колонн сначала устанавливают арматуру и опалубку колонн 1 на высоту этажа. Затем бетонируют колонны, содержащие вверху выпуски их продольной арматуры на вышележащий этаж. После этого порядок устройства перекрытия каждого этажа аналогичен описанному выше.

Поэтажно опертые наружные стены здания устраивают одновременно с возведением каркаса и используют их в качестве опалубки наружных ригелей дисков перекрытий.

Представленная технология возведения каркаса дополняет преимущества его конструкции и обеспечивает всепогодность и высокий темп строительства многоэтажного здания.

Предлагаемое техническое решение будет реализовано при строительстве многоэтажных зданий различного назначения как в Беларуси и России, так и в других странах СНГ. Оно будет способствовать распространению и освоению технологического оборудования безопалубочного формования, повышению эффективности строительной отрасли. Такое переоснащение предприятий строительной индустрии производится в рамках реализации государственной научно-технической политики по обеспечению конкурентоспособности строительной продукции в этих странах.

Источники информации

1. Патент РФ № 2052591, Е 04 В 1/18, Е 04 Н 9/02, БИ № 2, 20.01.1996.

2. Патент РФ № 2166032, Е 04 В 1/18, БИ № 12, 27.04.2001.

3. Патент РФ № 2118430, Е 04 В 1/18, Е 04 Н 9/02, БИ № 24, 05.03.1996.