Монолитная двухслойная железобетонная плита

 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при сооружении и реконструкции плит проезжей части мостов, причалов, паркингов, аэродромных или дорожных покрытий на слабых грунтах, перекрытий гражданских сооружений. Монолитная двухслойная железобетонная плита содержит верхнюю и нижнюю плиты и разделительный упругий слой. Новым является то, что верхняя плита выполнена из трех видов участков: контурных полос, расположенных по контуру нижней плиты и имеющих ширину взаимно перпендикулярных полос соответственно “e₁” и “l₁”, внутренних полос, образующих сетку внутри контура и имеющих ширину взаимно перпендикулярных полос соответственно “b₂” и “l ₂”, и основных участков, расположенных внутри сетки, образованной контурными и внутренними полосами и имеющими размеры в плане “b₃” и “1₃”, при этом основные участки контактируют с нижней плитой через разделительный упругий слой, а контурные и внутренние полосы соединены с нижней плитой жестко с помощью вертикальных анкеров, причем основные участки соединены с внутренними и контурными полосами горизонтальными анкерами, при этом e₁, l₁ ,b₂, l₂ , b₃, 1₃ определены приведенными зависимостями. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в повышении жесткости и несущей способности на изгиб монолитной двухслойной железобетонной плиты путем обеспечения совместной работы слоев на изгиб. 1 з.п.ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при сооружении и реконструкции плит проезжей части мостов, причалов, паркингов, аэродромных или дорожных покрытий на слабых грунтах, перекрытий гражданских сооружений и т.п.

Известна монолитная двухслойная железобетонная плита, содержащая нижнюю и верхнюю плиты (Г.К.Евграфов. Мосты на железных дорогах. Трансжелдориздат, 1955, стр. 177, фиг.237). Недостатком конструкции является то, что верхняя плита бетонируется на нижней, уже набравшей прочность и имеющей другую температуру в момент твердения бетона верхней плиты, что приводит к растрескиванию верхней плиты после выравнивания температур.

Известна монолитная двухслойная железобетонная плита, содержащая верхнюю и нижнюю плиты и разделительный упругий слой (Жесткие покрытия аэродромов и автомобильных дорог. Под ред. Г.И.Глушкова, М.: Транспорт, 1987, стр. 14, рис. 1.6).

Недостатком конструкции является пониженная жесткость и несущая способность на изгиб в связи с тем, что верхняя и нижняя плиты на изгиб работают независимо.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения жесткости и несущей способности на изгиб монолитной двухслойной железобетонной плиты путем обеспечения совместной работы слоев на изгиб.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в монолитной двухслойной железобетонной плите, содержащей верхнюю и нижнюю плиты и разделительный упругий слой, верхняя плита выполнена из трех видов участков - контурных полос, расположенных по контуру нижней плиты и имеющих ширину взаимно перпендикулярных полос соответственно “b₁” и “l₁”, внутренних полос, образующих сетку внутри контура и имеющих ширину взаимно перпендикулярных полос, соответственно “b₂” и “l₂”, и основных участков, расположенных внутри сетки, образованной контурными и внутренними полосами и имеющих размеры в плане “b₃” и “l₃”, при этом основные участки контактируют с нижней плитой через разделительный упругий слой, а контурные и внутренние полосы соединены с нижней плитой жестко с помощью вертикальных анкеров, причем основные участки соединены с внутренними и контурными полосами горизонтальными анкерами, при этом b₁, b ₂, l₁, l₂ могут быть не равны друг другу, но для всех выдерживается условие

а l₃ и b₃ также могут быть не равны друг другу, но для всех выдерживается условие

при этом отношение ширины контурной или внутренней полосы к ширине основной части должно быть минимально возможным,

где σ , кг/см² - напряжения на основных участках плиты, возникающие в процессе эксплуатации монолитной двухслойной железобетонной плиты;

h₂, см - толщина верхней плиты;

τ , кг/см² - касательные напряжения, которые может выдерживать контурная или внутренняя полоса на контакте с нижней плитой с учетом вертикальных анкеров;

σ _g, кг/см² - максимальные напряжения в бетоне, при которых не образуются трещины;

р, кг/см² - нагрузка на квадратный сантиметр от веса верхней плиты и оснастки при бетонировании;

f - коэффициент трения скольжения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид монолитной двухслойной железобетонной плиты в плане;

на фиг.2 - то же, сечение I-I на фиг.1;

на фиг.3 - узел А на фиг.2;

на фиг.4 - изгиб двухслойной плиты по схеме прототипа;

на фиг.5 - то же, при плите по предлагаемой схеме;

на фиг.6 - характер напряженного состояния в сечении II-II на фиг.4;

на фиг.7 - то же, в сечении III-III на фиг.5;

на фиг.8 - эпюра деформаций в сечении III-III в случае преднапряжения плиты;

на фиг.9 - эпюра остаточных напряжений в сечении III-III в плите при эпюре деформаций в соответствии с фиг.8;

на фиг.10 - то же в случае, когда нижняя плита является частью балки пролетного строения или перекрытия;

на фиг.11 - схема двухслойной плиты предлагаемой конструкции, когда нижняя плита является частью балки пролетного строения;

на фиг.12 - схема для обоснования оптимального соотношения размеров отдельных участков;

на фиг.13 - схема распределенной нагрузки р от веса плиты и оснастки при бетонировании;

на фиг.14 - схема бетонируемой основной части 5 верхней плиты;

на фиг.15 - эпюра распределения внутренних усилий от сил трения при бетонировании основной части 5 верхней плиты.

Монолитная двухслойная железобетонная плита состоит из нижней плиты 1 высотой h₁ и верхней плиты 2 высотой h ₂ (фиг.2). Верхняя плита разделена на три вида участков: контурные полосы 3, внутренние полосы 4 и основные участки 5, расположенные внутри сетки, образованной контурными и внутренними полосами. В плане монолитная двухслойная железобетонная плита может быть строго прямоугольной или несколько иной формы (например, параллелограмма или трапеции). Общие размеры плиты в плане равны L и В, а толщина Н (фиг.1 и 2). Размеры контурных полос во встречных направлениях равны b₁ и l₁, внутренних полос – b₂ и 1₃, а основных участков – b₃ и 1₃. В общем случае величины L, В, Н, l₁, l₂, l₃, b₁ , b₂, b₃, h₁, h₂ могут быть переменными. Контурные 3 и внутренние 4 полосы соединены с нижней плитой жестко (фиг.3) с помощью вертикальных анкеров 6, основные участки 5 соединены с внутренними 4 и контурными 3 полосами горизонтальными анкерами 7. В пределах основного участка 5 контакт верхней 2 и нижней 1 плит осуществляется через разделительную прослойку 8. В качестве материала для разделительной прослойки 8 может быть применена битумизированная бумага, полимерная пленка, слой пескобитума толщиной 0,5 - 1,0 см и др. Армирование верхней и нижней плит не показано кроме вышеуказанных горизонтальных и вертикальных анкеров. Для предотвращения выпучивания одной или сразу обеих плит в центре основных участков 5 могут быть устроены стяжки 9. Необходимость устройства стяжек определяется соответствующими расчетами на устойчивость.

На фиг.4 приведен характер деформаций двухслойной плиты в соответствии с прототипом: плиты 1 и 2, установленные на неподвижной 10 и подвижной 11 опорах, деформируются под действием силы Р независимо, поэтому характер внутренних напряжений приведен на фиг.6. На фиг.5 приведен характер деформаций двухслойной плиты предлагаемой конструкции: контурные 3 и внутренние 4 полосы обеспечивают совместность работы нижней 1 и верхней 2 плит. При этом от той же силы Р возникает совершенно другое напряженное состояние, характер которого приведен на фиг.7. Верхняя плита сжимается и передает усилия N на контурные 3 и внутренние 4 полосы, которые должны на контакте (с учетом вертикальных анкеров 6) передать усилие на нижнюю плиту 1. Характер напряженного состояния, приведенный на фиг.6 и 7, будет иметь место в том случае, когда в момент “замыкания” верхней плиты 2 с нижней 1 будет иметь место нейтральное состояние, т.е. напряжения будут равны нулю. Однако можно искусственно создать некое начальное напряженное состояние, т.е. регулированием температуры верхней плиты в момент замыкания обеспечить определенные деформации после замыкания. Если температура верхней плиты 2 будет выше, чем нижней 1 в момент замыкания, то после выравнивания температур по сечению в верхней плите будут иметь место деформации укорочения (фиг.8). Плита при этом изогнется, как это указано на фиг.5, и возникнут внутренние самоуравновешенные напряжения в соответствии с фиг.9. Практически такое преднапряжение малоэффективно, поскольку все деформации линейные и приводят лишь к искривлению плиты. Если же нижняя плита 1 является частью балки пролетного строения (фиг.11), у которой достаточно высокий момент сопротивления, то деформации укорочения, приведенные на фиг.8, вызовут внутреннее напряженное состояние в соответствии с фиг.10. В этом случае в нижней части ребра балки напряжения ничтожно малы, а растягивающие напряжения в плите 2 достаточно велики. Такую преднапряженную конструкцию можно расположить в зоне положительных моментов. Если при замыкании обеспечить формирование остаточной эпюры деформаций в соответствии с фиг.8, но обратного знака, то в плите 2 возникнут сжимающие напряжения, и такую конструкцию можно располагать в зоне отрицательных моментов.

Здесь следует отметить, чем преднапряженная конструкция по предлагаемой схеме отличается от обычного бетонирования без прослойки (см. аналог). Отличие заключается в следующем. Деформации верхней плиты в предлагаемой конструкции определяются средней по длине температурой, задаваемой в момент замыкания. Поэтому в аналоге необходимо регулировать температуру всей плиты равномерно, а в предлагаемой конструкции можно и отдельных участков для достижения того же эффекта. Кроме того, в аналоге регулирование температуры затруднено вообще.

Контурная 3 и внутренняя 4 полосы работают на сдвиг по поверхности касания с нижней 1 плитой и на горизонтальную силу N (фиг.5), что требует расчета и установки вертикальных 6 и горизонтальных 7 анкеров.

Сооружение плиты осуществляется следующим образом. Вначале в нижнюю плиту 1 заделывают вертикальные анкеры 6 в месте сооружения контурных 3 и внутренних 4 полос. При необходимости устанавливают стяжки 9. Далее в месте расположения основных участков 5 укладывают разделительную прослойку 8.

Порядок бетонирования отдельных участков зависит от того, нейтральную мы создаем конструкцию или преднапряженную.

При нейтральной конструкции вначале бетонируют основные участки 5. После выравнивания температур по сечению и проявления, по крайней мере, частичной усадки бетонируют контурные 3 и внутренние 4 полосы.

При преднапряженной конструкции вначале бетонируют полосы, которые являются упорными после преднапряжения. Затем бетонируют основную часть (части) 5, регулируя при этом их температуру. После выравнивания температур бетонируют боковые полосы по отношению к направлению преднапряжения.

Рассмотрим два технических противоречия, которые возникали при использовании конструкции плиты, принятой нами за прототип, и в результате решения которых появилось предлагаемое техническое решение.

Противоречие первое. Укладкой второго слоя можно добиться увеличения жесткости плиты в 4 раза. Действительно момент сопротивления “W” плиты высотой h равен , а при b=1 . Момент сопротивления W₂ плиты высотой 2h равен Однако при бетонировании верхнего слоя плиты на жесткой нижней плите верхняя плита может растрескаться. Если бетонировать верхнюю плиту через разделительную прослойку, то суммарная жесткость увеличится только в 2 раза, т.е. возможности плиты при работе на изгиб ухудшатся в 2 раза. Выход: включение верхней плиты в совместную работу с помощью упоров, т.е. контурных и внутренних полос.

Противоречие второе. При применении вышеуказанных упоров возникают новые трудности. Металлические упоры практически неприемлемы, поскольку нельзя регулировать деформации в основной части плиты. Если применить железобетонные, то они сами могут растрескаться. Выход:

1) обоснование определенных размеров упоров и конструкции закрепления их в нижней плите;

2) обоснование порядка бетонирования отдельных частей плиты.

Вначале выявим рациональное соотношение размеров основной части 5 и полосы 4. Для этого выделим на фиг.1 между осями симметрии 0₁ и 0₂ полосу шириной 1 м. Статическую схему этой полосы можно представить на фиг.12: с достаточной степенью условности можно представить, что концы элемента при температурных изменениях элемента остаются неизменными по положению, а внутри элемента возникают температурные напряжения σ _t.

σ _t=α t_срE, кг/см²,

где α , 1/град - коэффициент линейного расширения;

Δ t_cp, град - изменение средней температуры элемента по сравнению с температурой, при которой напряжения равны нулю;

Е, кг/см - модуль упругости бетона.

Таким образом, первый вывод заключается в том, что соотношение ширины полосы к ширине основной части 5 плиты 2 должно быть минимальным. В этом случае температурные остаточные напряжения минимальны.

Теперь выявим требования к полосе. Полосы (как контурная 3, так и внутренняя 4) жестко соединены с нижней плитой 1. Следовательно, имеется опасность растрескивания после ее бетонирования. Используем принцип Сен-Венана, который гласит о том, что концевой эффект (в данном случае нулевые напряжения на боковых сторонах плиты) сказывается на длине элемента, равной одному-двум минимальным размерам поперечного сечения, в данном случае h₂. Таким образом, мы можем сформулировать условие l₂≤ 3h₂.

Аналогичные рассуждения справедливы для l₁, b₂, b₁. Другими словами, при ширине полосы, при которой с каждой ее боковой стороны до центра расстояние не превысит 1,5h₂ в этой полосе будут иметь место свободные деформации. Следует при этом иметь в виду, что будет выдержано первое условие.

В данном техническом решении к полосе предъявляется также другое требование. Полоса должна воспринимать усилие N (фиг.5) и передавать его на нижнюю плиту через контактирующую с ней поверхность.

Поскольку N=σ · h₂ (на ширине 1 м), сила сцепления на контакте T=τ · l, N=T, то где σ , кг/см² - среднее нормальное напряжение в поперечном сечении верхней 2 плиты; τ , кг/см² - среднее напряжение (с учетом действия вертикальных анкеров 6).

Можно сформулировать первое требование к размерам основной части 5 верхней плиты 2. В соответствии с требованием №1 длина l₁ или ширина b₁ основной части 5 верхней плиты должны назначаться как можно большими. Тогда после протекания температурно-усадочных процессов в контурных 3 или внутренних 4 полосах средние остаточные температурные напряжения будут минимальными. Однако не всякая длина или ширина возможны. В процессе строительства при температурно-усадочном сокращении основной части 5 верхней плиты (фиг.14) в результате трения на контактном слое 8 от веса плиты р (фиг.13) возникает сила трения R, которая от края к центру возрастает пропорционально длине и в центре плиты достигает максимума (фиг.15).

Чтобы не образовалось трещины в центре основной части 5, должно выдерживаться условие R≤ σ _g· h₂. Тогда l₃ определяется из следующего выражения:

Второе требование к размерам основной части 5 верхней плиты 2 вытекает из возможности верхней плиты при изгибе в результате сжимающих напряжений потерять устойчивость. Поэтому при назначении l₃ должна быть произведена проверка устойчивости. Для увеличения длины l₃ в случае возможности потери устойчивости целесообразно применение стяжек 9.

Соблюдение этих двух требований обеспечит надежную работу конструкции.

Двухслойная плита предлагаемой конструкции предназначена для использования в изгибаемых элементах. Например, такая конструкция формируется при реконструкции плиты проезжей части моста, причалов, аэродромного или дорожного покрытия на слабых грунтах и т.п.

Формула изобретения

1. Монолитная двухслойная железобетонная плита, содержащая верхнюю и нижнюю плиты и разделительный упругий слой, отличающаяся тем, что верхняя плита выполнена из трех видов участков: контурных полос, расположенных по контуру нижней плиты и имеющих ширину взаимно перпендикулярных полос соответственно e₁ и l₁, внутренних полос, образующих сетку внутри контура и имеющих ширину взаимно перпендикулярных полос соответственно b₂ и l₂, и основных участков, расположенных внутри сетки, образованной контурными и внутренними полосами и имеющими размеры в плане b₃ и 1₃, при этом основные участки контактируют с нижней плитой через разделительный упругий слой, а контурные и внутренние полосы соединены с нижней плитой жестко с помощью вертикальных анкеров, причем основные участки соединены с внутренними и контурными полосами горизонтальными анкерами, при этом e₁, l₁ ,b₂ , l₂, b₃, 1₃ определены зависимостями :

где σ - напряжения на основных участках плиты, возникающие в процессе эксплуатации монолитной двухслойной железобетонной плиты, кг/см ²;

h₂ - толщина верхней плиты, см;

τ - касательные напряжения, которые может выдерживать контурная или внутренняя полоса на контакте с нижней плитой с учетом вертикальных анкеров, кг/см²;

σ _g - максимальные напряжения в бетоне, при которых не образуются трещины, кг/см²;

ρ - нагрузка на квадратный сантиметр от веса верхней плиты и оснастки при бетонировании, кг/см²;

ƒ - коэффициент трения скольжения.

2. Монолитная двухслойная железобетонная плита по п.1, отличающаяся тем, что b₁ , b₂, l₁, l₂ не равны друг другу и b₃ и l₃ также не равны.

РИСУНКИ