БИТРУБОБЕТОННАЯ БАЛКА Российский патент 2020 года по МПК E04C3/293 

Изобретение относится к области строительства, а именно к предварительно напряженным элементам пролетных строений малых и средних мостов, а также к строительным конструкционным элементам общего назначения.

Из уровня техники известен «Трубобетонный преднапряженный элемент с веерным армированием» (патент РФ №2167985), в котором элемент состоит из наружной оболочки металлической трубы, бетонного ядра, выполненного из напрягающего бетона, и размещенного в нем сердечника, представляющего собой высокопрочные арматурные стержни периодического профиля, расходящиеся веером от середины к концам оболочки и жестко закрепленные в ее отверстиях с помощью дуговой сварки.

Недостатком аналога является то, что предложенная трубобетонная конструкция работает только на внецентренное сжатие (как в колоннах и в стойках), но не может работать на изгиб в качестве балки пролетных строений мостов и строительных элементов в виде перекрытий.

Близким аналогом заявляемому изобретению является трубобетонная предварительно напряженная балка, содержащая оболочку в виде трубы и железобетонное ядро с армирующими элементами, в которой поперечное сечение ядра содержит два сегмента, при этом первый из них имеет бетонное наполнение, а второй - бетонное наполнение и предварительно растянутые армирующие элементы, расположенные продольно и обеспечивающие в ненагруженной балке напряжения сжатия бетонного ядра с максимальными значениями, исходя из прочности бетона на сжатие в этом сегменте и максимальными напряжениями растяжения из условия отсутствия трещинообразования в бетоне в первом сегменте при рабочих нагрузках на балку, направленных от первого ко второму сегменту ядра (патент РФ №2632796).

Недостатком аналога является наличие одного неразделенного бетонного ядра. Такая балка представляет собой из-за наличия только одной трубы, заполненной бетоном, по сути монотрубобетонную предварительно напряженную балку (монотрубобетонную балку - МТБ). При такой конструкции балки значительная часть ее бетонного ядра, через которое проходит нейтральная ось (н.о.), не работает, что снижает нагрузочную способность балки, а в целом грузоподъемность, например от транспортной нагрузки.

Задача изобретения заключается в обеспечении повышения несущей способности балки.

Технический результат заключается в повышении несущей способности балки.

Технический результат достигается реализацией следующих основных признаков изобретения: битрубобетонная балка (БТБ), содержащая металлическую оболочку в виде трубы и бетонное ядро с армирующими элементами, отличающаяся тем, что она разделена на две трубобетонные части, соединенные жестко между собой решеткой или стенкой.

Кроме того:

- нижнее бетонное ядро преднапряжено арматурой или арматурным тросом до допустимого предела сжатия бетона;

- одно бетонные ядро или оба бетонных ядра армированы металлической или неметаллической фиброй;

- трубы выполнены разного диаметра и (или) переменного сечения по длине;

- трубы соединены швеллером.

Сущность изобретения состоит в использовании разделения балки на две трубы, заполненные бетоном, которые соединены между собой, например решетками как в ферме (треугольной, раскосной, крестовой, ромбической и др.), или сплошной листовой стенкой как в двутавре.

На фиг. 1 изображен поперечный разрез битрубобетонной балки (БТБ).

Балка состоит из верхней трубы 1 диаметром d₁ с бетонным ядром 2, нижней трубы 3 диаметром d₂ с преднапряженным бетонным ядром 4 с арматурой (или арматурными тросами) 5. Трубы жестко соединены между собой, например стенкой 6.

По аналогии с двутавром БТБ имеет высоту Н и стенку 6. Также по аналогии с двутавром обозначим верхнюю трубу 1 условно как «верхняя полка БТБ», а нижнюю трубу 3 как «нижняя полка БТБ». На фиг. 1 н.о. - нейтральная ось БТБ, h₁ и h₂ - расстояние от н.о. до центра тяжести верхней и нижней полок БТБ.

Сравним несущую способность монотрубной предварительно напряженной балки по патенту РФ №2632796 (аналог) с предлагаемой БТБ. Известно, что допускаемое нормальное напряжение σ определяет несущую способность бетонного ядра трубобетонной балки, работающей на изгиб, при этом нормальные напряжения изгиба определяются соотношением:

где Wx - момент сопротивления изгибу (осевой момент);

М_изг - изгибающий момент от поперечной, в нашем случае, транспортной нагрузки.

Тогда при равном значении σ несущая способность балки (в качестве которой примем М_изг) будет возрастать с увеличением Wx, т.к.:

М_изг=Wx⋅σ.

Поэтому в первом приближении оценим нагрузочную способность предлагаемой БТБ в сравнении с аналогом по моменту сопротивления изгибу Wx. В качестве расчетной схемы примем сечение БТБ как на фиг. 1, при d₁=d₂=d, h₁=h₂=h. Для сравнения предлагаемой балки с балкой-аналогом, у которой диаметр D, примем площадь двух бетонных ядер БТБ диаметрами d одинаковой с площадью ядра монотрубной предварительно напряженной балки. Тогда d=0,7D.

Осевой момент инерции относительно нейтральной оси (н.о.) БТБ (фиг. 1):

Jx=2(J'x+F⋅h²),

где J'x - осевой момент инерции одного бетонного ядра («полки БТБ»);

F - площадь сечения бетонного ядра («полки БТБ»).Окончательно:

Момент сопротивления изгибу БТБ, учитывая (1):

Момент сопротивления монотрубной балки, учитывая что :

W'x=0,1 D³=0,29d³.

Для оценки повышения нагрузочной способности БТБ (без учета стенки 6 на фиг. 1) в сравнении с монотрубной предварительно напряженной балкой (МТБ) вводится коэффициент повышения нагрузочной способности в виде отношения моментов сопротивления изгибу:

Для примера примем реальные размеры труб: d=420 мм и D=600 мм. Увеличение коэффициента нагрузочной способности с увеличением высоты Н БТБ показано в таблице:

Из таблицы видно, что для разумных размеров БТБ, например Н=1600 мм, нагрузочная способность БТБ превышает нагрузочную способность монотрубной предварительно напряженной балки (МТБ) с одинаковыми площадями бетонных ядер в 5,8 раз. Другими словами, при одинаковой допустимой транспортной нагрузке и равной длине балок, балка БТБ будет иметь вес не меньше чем в 5,8 раз в сравнении с однотрубной трубобетонной балкой. При более точных расчетах следует учитывать работу бетонного ядра по всему сечению, при этом в балке Парышева работает все сечения обоих ядер т.к. н.о. проходит вне этих ядер. В прототипе работает только часть бетонного ядра из-за того, что н.о. проходит через центр сечения ядра. В связи с последним обстоятельстом дополнительно усиливаются преимущества предлагаемой битрубобетонной балки в сравнении с прототипом.

Изобретение относится к области строительства, а именно к предварительно напряженным элементам пролетных строений малых и средних мостов, а также к строительным конструкционным элементам общего назначения. Технический результат заключается в повышении несущей способности балки. Битрубобетонная балка, содержащая две трубобетонные части, состоящие из трубы и бетонного ядра, соединенные жестко между собой решеткой или стенкой, отличающаяся тем, что нижнее бетонное ядро преднапряжено арматурой или арматурным тросом до допустимого предела сжатия бетона. 1 ил., 1 табл.

Битрубобетонная балка, содержащая две трубобетонные части, состоящие из трубы и бетонного ядра, соединенные жестко между собой решеткой или стенкой, отличающаяся тем, что нижнее бетонное ядро преднапряжено арматурой или арматурным тросом до допустимого предела сжатия бетона.