Железобетонная колонна

 

Изобретение относится к строительству, в частности к железобетонным строительным элементам, воспринимающим статические и динамические сжимающие нагрузки. Железобетонная колонна содержит вписанные в поперечное сечение и расположенные вплотную друг к другу арматурные спирали, которые объединены между собой поперечными связями-хомутами. Хомуты выполнены из полосовой стали и установлены на внешней поверхности крайних спиралей с шагом, обеспечивающим совместность работы всех спиралей. Внутрь спиралей установлена монтажная продольная арматура, имеющая предел текучести 235 - 390 МПа, с креплением, преимущественно на прихватках, к спиралям. Эта арматура предназначена для надежной фиксации спиралей в проектном положении, в частности при бетонировании. Вдоль продольной оси колонны внутрь спиралей и в замкнутые области между спиралями установлена продольная высокопрочная арматура с пределом текучести не менее 500 МПа, которая крепится к спиралям преимущественно на проволочных скрутках. Изобретение позволяет повысить несущую способность и деформативность железобетонной колонны. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к строительству, в частности к железобетонным строительным элементам, воспринимающим сжимающие статические и динамические нагрузки.

Известен железобетонный строительный элемент [1] армированный винтовой спиралью с заполнением ядра дисперсно армированным бетоном.

Недостатками этого элемента являются сравнительно малая несущая способность и деформативность железобетонного элемента.

Наиболее близким к изобретению является железобетонный строительный элемент, включающий винтовую спираль [2] Недостатками данного элемента являются малая несущая способность и деформативность элемента.

Цель изобретения повышение несущей способности и деформативности железобетонных строительных элементов, воспринимающих сжимающие статические и динамические нагрузки.

Цель достигается тем, что железобетонная колонна, содержащая арматурный каркас, образованный продольными стержнями, объединенными спиральной арматурой, и имеющий монтажную продольную арматуру, снабжена по крайней мере двумя дополнительными арматурными каркасами, причем все каркасы расположены вплотную друг к другу и объединены между собой поперечными связями-хомутами из полосовой стали. Кроме того, цель достигается тем, что колонна снабжена дополнительной продольной арматурой из высокопрочной стали, размещенной внутри арматурных каркасов и в замкнутых областях, образованных смежными арматурными каркасами.

На фиг.1 представлена железобетонная колонна, поперечный разрез; на фиг. 2 то же, вид сбоку; на фиг.3 диаграммы "напряжение относительная деформация" (σ-ε), полученные в результате проведения экспериментальных исследований.

Железобетонная колонна (фиг.1) содержит вписанные в поперечное сечение и расположенные вплотную друг к другу арматурные спирали 1, которые объединены между собой поперечными связями-хомутами 2. Хомуты 2 выполнены из полосовой стали и установлены по внешней поверхности крайних спиралей с определенным шагом по длине колонны (фиг.2).

Внутрь пространства 3, ограниченного арматурными спиралями 1, установлена монтажная продольная арматура 4 с креплением, преимущественно на прихватках, к спиралям. Монтажная продольная арматура 4 имеет предел текучести 235-390 МПа (класс А-1 А-III) и предназначена для надежной фиксации спиралей 1 в проектном положении, в частности при бетонировании. Расположение монтажной продольной арматуры 4 выбирается, как правило, по 2-4 стержня внутри каждого спирального кольца с равномерным распределением по окружности.

Вдоль продольной оси колонны внутри пространства 3, ограниченного спиралями 1, и в замкнутые области 5 между спиралями 1, которые тоже можно рассматривать как обоймы, установлена дополнительная продольная высокопрочная арматура 6 с пределом текучести не менее 500 МПа (класс А-IV A-VI, проволока В-II). Высокопрочная арматура 6 крепится к арматурным спиралям 1, преимущественно на проволочных скрутках. Кроме того, может быть использован и другой способ закрепления, не ухудшающий прочностные и деформативные характеристики этой арматуры (в частности, сварные способы, например прихватка, не допускаются).

Арматура с пределом текучести менее 500 МПа не может быть использована в данном случае, так как имеет недостаточную деформативность, соответствующую пределу текучести (около 0,2-0,5%), и ее введение не приведет к повышению деформативности и несущей способности колонны.

Следует отметить, что продольная высокопрочная арматура 6 может одновременно выполнять роль монтажной продольной арматуры 4, при этом последнюю можно исключить. Эффект от такого решения будет заключаться, очевидно, в снижении расхода арматуры. Однако необходимо учитывать, что потребуется крепление витков спиралей 1 к продольной высокопрочной арматуре 6, при этом сварные способы исключаются, так как приводят к снижению прочностных и деформативных свойств высокопрочных сталей.

Смонтированный таким образом арматурный каркас колонны заполнен бетоном (позиции 3, 5 и 7).

Железобетонная колонна работает следующим образом.

При восприятии сжимающей статической или динамической нагрузки колонна начинает деформироваться. При достижении продольных относительных деформаций около 0,2 бетон, расположенный вне обоймы, начинает разрушаться. Бетон внутри спиралей 1 (пространства 3) продолжает воспринимать нагрузку, так как деформируется в стесненных условиях, поскольку спирали препятствуют поперечным деформациям, создавая эффект обоймы. Бетон в замкнутых областях 5 между спиралями тоже деформируется в стесненных условиях, так как оказывается "окруженным" со всех сторон витками соприкасающихся спиралей, а раздвижке спиралей относительно друг друга препятствуют хомуты 2.

Таким образом, в отличие от одной вписанной спирали, большая часть сечения колонны работает в стесненных условиях. Диаграмма деформирования железобетонной колонны, армированной одной вписанной в поперечное сечение спиралью без хомутов (прототип), представлена на фиг.3, позиция 8.

Определяющим условием работы предлагаемой колонны на запредельной стадии деформирования (фиг.3, позиция 9 диаграмма σ-ε колонны, состоящей из четырех спиралей 1 без хомутов 2) является обеспечение процента объемного содержания хомутов (M_x ) равным или большим, чем процент объемного содержания спиралей (M_cп), т.е. должно выполняться условие M_x≥M_cп. В противном случае происходит разрыв хомутов при относительных деформациях 0,6 0,8 колонна теряет свою несущую способность, при этом на диаграмме σ-ε не реализуется ниспадающая ветвь (фиг. 3, позиция 10). Важно отметить, что хомуты 2 в некоторой степени способствуют созданию эффекта обоймы для областей 7 поперечного сечения железобетонной колонны, которые с одной стороны ограничены витками спиралей 1, а с другой (у свободной поверхности) хомутами 2. Это также способствует повышению несущей способности колонны.

Шаг хомутов 2 должен быть выбран таким, чтобы обеспечивалась совместность работы всех спиралей в поперечном сечении колонны (приблизительно должен соответствовать диаметру одной спирали).

При дальнейшем деформировании колонны относительные продольные деформации достигают 0,8 1,3% (фиг.3, позиция 11), витки арматурных спиралей 1 вступают в стадию текучести, однако, разрушения железобетона еще не наступает, поскольку введенная высокопрочная арматура 6 при таких деформациях сжатия сохраняет несущую способность (ее устойчивость сохраняется, очевидно, за счет бетона).

При этом происходит перераспределение усилий с бетона на высокопрочную арматуру, при этом витки спиралей пока не разрушаются, следовательно, бетон работает в условиях объемного напряженного состояния и продолжает воспринимать нагрузку. За счет этого усилия возрастают, а деформативность железобетона увеличивается до 1,1-1,5 при максимальной несущей способности (фиг.3, позиция 12).

При дальнейшем нагружении происходит выход на ниспадающую ветвь диаграммы σ-ε, витки арматурных спиралей разрываются, происходит интенсивное деформирование и разрушение бетона и высокопрочной арматуры 6. Продольные относительные деформации в момент разрушения составляют около 4 Таким образом, энергоемкость деформирования железобетонной колонны (площадь под диаграммой σ-ε) вследствие увеличения деформативности и повышения максимальных напряжений (фиг.3) существенно повысилась. Следовательно, повысилась несущая способность железобетонной колонны.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения заключается в повышении несущей способности и деформативности железобетонных строительных элементов, воспринимающих сжимающие статические и динамические нагрузки, за счет: применения трех или более вписанных в поперечное сечение арматурных спиралей, объединенных хомутами, что обеспечивает большую (в сравнении с прототипом) площадь поперечного сечения, работающую в условиях объемного напряженного состояния; введения дополнительной продольной высокопрочной арматуры, что обеспечивает перераспределение усилий с бетона на арматуру и повышение деформативности бетона в обойме.

Формула изобретения

1. ЖЕЛЕЗОБЕТОННАЯ КОЛОННА, содержащая арматурный каркас, образованный продольными стержнями, объединенными спиральной арматурой, и имеющий монтажную продольную арматуру, отличающаяся тем, что она снабжена по крайней мере двумя дополнительными арматурными каркасами, причем все каркасы расположены вплотную друг к другу и объединены между собой поперечными связями-хомутами из полосовой стали.

2. Колонна по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительной продольной арматурой из высокопрочной стали, размещенной внутри арматурных каркасов и в замкнутых областях, образованных смежными арматурными каркасами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3