Температурно-усадочный шов

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при сооружении строительных конструкций из монолитного железобетона, а именно при устройстве полотна проезжей части мостов и тоннелей, подпорных стен и других протяженных конструкций без деформационных швов. Температурно-усадочный шов выполнен в виде перегородки, установленной на всю ширину поперечного сечения железобетонного элемента, и содержит продольную и поперечную арматуру, причем продольная арматура в зоне шва в поперечном сечении элемента выполнена в виде непрерывных стержней, а перегородка выполнена в виде размещенного перпендикулярно к продольной арматуре листа с прикрепленными к нему с одной стороны анкерами. Новым в предлагаемом изобретении является то, что температурно-усадочный шов содержит дополнительно арматурные анкеры, которые прикреплены попарно ко всем непрерывным стержням продольной арматуры по одному с обеих сторон перегородки на расстоянии la от нее, которое определяют из условий сопоставимости общих величин упругой деформации непрерывных стержней продольной арматуры на этом участке и упругой деформации всего железобетонного элемента длиной L, а площадь поперечного сечения F_арм всех непрерывных стержней продольной арматуры определяют из условия сопоставимости прочности на растяжение отдельно указанной продольной арматуры и всего железобетонного элемента площадью поперечного сечения f_б. Суммарную площадь F_арм непрерывных стержней продольной арматуры и длину участка l_a определяют из соответствующих зависимостей. Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении надежности и долговечности возводимых протяженных строительных конструкций из монолитного железобетона без устройства деформационных швов. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при сооружении строительных конструкций из монолитного железобетона.

Известен температурно-усадочный шов, выполненный в виде закладного элемента, состоящего из перегородки на всю толщину и ширину поперечного сечения элемента. (В.П.Каменцев, Л.Б.Мойжес. Современные методы бетонных работ при строительстве мостов. Транспорт, М., 1972, с.126).

Этот температурно-усадочный шов имеет два недостатка. Во-первых, он предназначен для бетонных элементов. В железобетонных элементах наличие арматуры делает практически невозможным его установку. Во-вторых, температурно-усадочная трещина может частично образоваться с одной стороны закладного элемента, а частично - с другой, что существенно затрудняет ее последующее инъектирование.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является температурно-усадочный шов железобетонного элемента, содержащего продольную (т.е. в направлении ожидаемых температурно-усадочных деформаций) и поперечную арматуру, выполненный в виде перегородки, установленной на всю ширину поперечного сечения элемента, при этом продольная арматура в зоне шва в поперечном сечении элемента выполнена непрерывной, а перегородка выполнена в виде размещенного между продольной арматурой перпендикулярно к ней листа с прикрепленными к нему с одной стороны анкерами (патент РФ №2202673, опубл. БИ №11, 2003 г.).

Этот температурно-усадочный шов имеет следующий основной недостаток. Конструкция шва ориентирована на одноразовое формирование "организованной трещины" после остывания от разогрева за счет экзотермии цемента при бетонировании. После этого она инъектируется, и дальнейших колебаний температуры конструкции не происходит. Если происходят дальнейшие знакопеременные изменения температуры конструкции, то в температурно-усадочном шве данной конструкции могут произойти недопустимые локальные нарушения в контакте арматуры и бетона.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения надежности и долговечности возводимых монолитных конструкций, в частности устройства полотна проезжей части мостов и тоннелей, подпорных стен и других протяженных конструкций без деформационных швов.

Для достижения указанного технического результата температурно-усадочный шов железобетонного элемента, содержащий продольную и поперечную арматуру, выполненный в виде перегородки, установленной на всю ширину поперечного сечения элемента, при этом продольная арматура в зоне шва в поперечном сечении элемента выполнена в виде непрерывных стержней, а перегородка выполнена в виде размещенного перпендикулярно к продольной арматуре листа с прикрепленными к нему с одной стороны анкерами снабжен еще арматурными анкерами, которые попарно прикреплены ко всем непрерывным стержням продольной арматуры, по одному с обеих сторон перегородки на расстоянии l_a от нее, при этом l_a определяют из условий сопоставимости общих величин упругой деформации непрерывных стержней продольной арматуры на этом участке и упругой деформации всего железобетонного элемента длиной L, а площадь поперечного сечения F_арм всех непрерывных стержней продольной арматуры определяют из условия сопоставимости прочности на растяжение отдельно продольной арматуры и всего железобетонного элемента площадью поперечного сечения F_б.

Кроме того, площадь F_арм непрерывных стержней продольной арматуры может быть определена на формуле:

,

где F_б - площадь поперечного сечения всего железобетонного элемента, приведенная к бетону, см²;

σ_рб - растягивающее напряжение в бетоне, при котором возникают трещины, кг/см²;

σ_арм - напряжение в непрерывном стержне при достижении железобетонным элементом максимальной температуры, кг/см².

Кроме того, длину участка l_a определяют по формуле:

где α - коэффициент линейного расширения, 1/град;

Т- разность начальной и минимальной температур железобетонного элемента, град;

Е_б - модуль упругости бетона, кг/см²;

L - длина полусекции железобетонного элемента, см;

Е_а - модуль упругости стали, кг/см².

А еще на участках длиной l_a, между перегородкой и анкером, непрерывные стержни продольной арматуры могут быть отделены от бетона, например, с помощью смазки или трубки, т.е. прослойкой природного материала.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 изображено сечение железобетонного элемента с температурно-усадочным швом;

на фиг.2 приведено начальное состояние в период бетонирования железобетонного элемента;

на фиг.3 приведено состояние, когда железобетонный элемент после экзотермического разогрева остыл до температуры наружного воздуха в период строительства;

на фиг.4 - момент инъектирования цементным молоком трещины в период, отраженный на фиг.3;

на фиг.5 - состояние, когда в холодный период года температура железобетонного элемента достигает минимального значения;

на фиг.6 - состояние, когда в теплый период года температура железобетонного элемента достигает максимального значения;

на фиг.7 приведена принципиальная схема, поясняющая различие работы основной части железобетонного элемента и непрерывной арматуры в зоне температурно-усадочного шва;

на фиг.8 приведена схема деформаций в элементе, ограниченном с двух сторон температурно-усадочным швом;

Температурно-усадочный шов железобетонного элемента содержит перегородку 1, установленную по всей ширине поперечного сечения железобетонного элемента 2, и снабженную анкерами 3, присоединенными к перегородке 1 с одной ее стороны. Перегородка выполнена в виде размещенного перпендикулярно продольной арматуре 4 листа, для чего лучше использовать профильный металл. Продольная арматура 4, т.е. арматура в направлении ожидаемых температурно-усадочных деформаций, может быть в зоне температурно-усадочного шва непрерывной. Однако из условий удобства бетонирования или каких-либо других условий может быть прервана. Тогда непрерывность продольной арматуры в зоне температурно-усадочного шва обеспечивается устройством специальных непрерывных стержней 5 продольной арматуры. Для обеспечения непрерывности стержни 5 присоединяются к продольной арматуре 4, например, с помощью сварных швов 6. Для передачи усилия от стержня 5 на бетон элемента 2 устроены арматурные анкера 7. Для обеспечения анкерного эффекта могут быть использованы зоны сварных швов 6, пересечения с поперечной арматурой 8, а еще выполнены специальные дополнительные элементы. Арматурные анкера 7 устраиваются в обе стороны от перегородки 1 на каждом непрерывном стержне 5 продольной арматуры на расстоянии l_a. Между продольной арматурой и внешними поверхностями на продолжении листа 1 устанавливаются прокладки 9, которые вынимаются после бетонирования или лист 1 продолжается до внешней поверхности с разрезами для продольной арматуры. Возможно вообще не укладывать прокладки, а устраивать надрезы - концентраторы.

Температурно-усадочный шов работает следующим образом.

На фиг.2-6 приведены различные стадии работы продольного сечения железобетонного элемента между центрами смежных секций, разделенных температурно-усадочными швами. Центры смежных секций остаются неподвижными в процессе изменения температуры наружного воздуха, но происходит формирование напряженного состояния и деформации, приводящие к раскрытию или сокращению трещины на контакте между секциями. Расстояние между центрами секций 2L.

В результате экзотермического процесса температура бетона достигает высокой температуры, например, +50°С. В этот момент напряжения в бетоне равны нулю (фиг.2).

Когда конструкции остыли до температуры наружного воздуха во время строительства, например, до +10°С, трещина раскрылась на величину δ₂, которая определяется по формуле δ₂=α·T·2L (фиг.3).

В этот период (фиг.4) трещина должна быть заинъектирована твердеющим раствором, например цементным молоком.

Когда температура плиты проезжей части достигает минимального значения, полные температурные деформации уменьшаются на δ₂ и δ_упр (упругие деформации плиты за счет растягивающих напряжений в непрерывной арматуре) (фиг.5).

Когда температура плиты проезжей части достигает максимального значения, зазор полностью ликвидируется, а в бетоне возникают сжимающие напряжения (фиг.6).

Рассмотрим более подробно схему работы непрерывной арматуры в зоне трещины. На фиг.7 приведена условная схема работы двух полусекций плиты проезжей части: в зоне трещины вместо жесткой железобетонной плиты проезжей части на растяжение работает тонкая "шейка" из арматуры. Деформативность арматуры при работе на растяжение в 15 раз больше, чем бетона (величина предельной относительной деформации стали на растяжение определяется отношением предела упругости к модулю упругости, а величина предельной относительной деформации бетона на растяжение определяется отношением предела прочности бетона на растяжение к модулю упругости бетона), поэтому после образования трещины все деформации на растяжение концентрируются в зоне работы арматуры.

На фиг.8 показано, что при образовании трещины и передаче усилий целиком на арматуру концентрация напряжений имеет место у торца бетонной части. Поэтому здесь нарушается контакт арматуры и бетона. Для улучшения передачи напряжений от непрерывного стержня 5 к бетону элемента 2 целесообразно устройство утолщений - арматурных анкеров 7, в которых на протяжении их длины имеет место снижение растягивающих напряжений обратно пропорционально площадям поперечных сечений, в связи с чем легче обеспечить передачу напряжений на бетон.

Анкер 7 устраивают на расстоянии l_a от листа перегородки 1.

Величину l_a и F_арм можно назначить из следующих выкладок:

Из равенств (1), (3) и (4) получаем:

После соответствующих алгебраических преобразований получаем:

В момент достижения минимальной температуры усилие Р_арм в непрерывной арматуре должно быть не больше усилия Р_бет, вызывающего образование трещины в бетоне:

В противном случае возникнут трещины в бетоне.

Из равенств (6), (7), (8) следует условие:

где ΔL_полн - температурная деформация участка железобетонного элемента длиной L при достижении минимальной его температуры, см;

Δl_арм - упругая деформация участка стального непрерывного стержня 5 на длине l_a при достижении минимальной температуры железобетонного элемента, см;

α - коэффициент линейного расширения, 1/град;

Т - разность начальной и минимальной температур железобетонного элемента, град;

L - длина полусекции железобетонного элемента, см;

Δl_рб - деформация железобетонного элемента, при которой возникают трещины, см;

ε_рб - относительная деформация ж.б. элемента, при которой возникают трещины, б/р;

σ_рб - растягивающее напряжение в бетоне, при котором возникают трещины, кг/см²;

Е_а, Е_б - модули упругости соответственно стали и бетона, кг/см²;

ε_а - относительная деформация в непрерывном стержне в момент достижения железобетонным элементом минимальной температуры, б/р;

F_б - приведенная к бетону площадь поперечного сечения всего железобетонного элемента, см²;

где F_бет - площадь бетона, см²;

F_a - площадь стальной арматуры, см²;

σ_арм - напряжение в непрерывном стержне при достижении железобетонным элементом минимальной температуры, кг/см².

Область эффективного применения предлагаемого технического решения, в частности, - изготовление плиты проезжей части конструкций тоннельного типа, когда плита имеет жесткое боковое закрепление. При такой конструкции может быть устроено непрерывное полотно проезжей части без деформационных швов, что обеспечивает комфортность движения и повышенную надежность и долговечность.

1. Температурно-усадочный шов железобетонного элемента, содержащего продольную и поперечную арматуру, выполненный в виде перегородки, установленной на всю ширину поперечного сечения элемента, при этом продольная арматура в зоне шва в поперечном сечении элемента выполнена в виде стержней, а перегородка выполнена в виде размещенного перпендикулярно к продольной арматуре листа с прикрепленными к нему с одной стороны анкерами, отличающийся тем, что он снабжен арматурными анкерами, которые попарно прикреплены ко всем стержням продольной арматуры, по одному с обеих сторон перегородки на расстоянии "l_а" от нее для образования непрерывности продольной арматуры, при этом длину участка "l_а" определяют из условий сопоставимости общих величин упругой деформации непрерывных стержней продольной арматуры на этом участке и упругой деформации всего железобетонного элемента длиной "L", а площадь поперечного сечения "F_арм" всех непрерывных стержней продольной арматуры определяют из условия сопоставимости прочности на растяжение отдельно указанной арматуры и всего железобетонного элемента площадью поперечного сечения F_б по следующим формулам:

где F_б - площадь поперечного сечения всего железобетонного элемента, приведенная к бетону, см²;

σ_рб - растягивающее напряжение в бетоне, при котором возникают трещины, кг/см²;

σ_арм - напряжение в непрерывном стержне при достижении железобетонным элементом минимальной температуры, кг/см²;

где α - коэффициент линейного расширения, 1/град;

Т - разность начальной и минимальной температур железобетонного элемента, град;

L - длина полусекции железобетонного элемента, см;

Е_а, Е_б - модули упругости соответственно стали и бетона, кг/см².

2. Температурно-усадочный шов по п.1, отличающийся тем, что на участках длиной "l_а" между перегородкой и анкером непрерывные стержни продольной арматуры отделены от бетона, например, с помощью смазки.