Сборно - монолитное преднапряженное перекрытие и способ его возведения

 

Изобретение относится к строительству и может найти применение при устройстве перекрытия и покрытия зданий и сооружений различного назначения. Целью изобретения является снижение материалоемкости и улучшение эксплуатационных характеристик перекрытия. Перекрытие содержит сборные элементы (СЭ), служащие стационарной опалубкой, и монолитную часть (МЧ) из напрягающего бетона, выполненную на СЭ. На контактирующей с МЧ поверхности СЭ выполнена шероховатость с размером выступов-впадин 0,5 - 2,5 см, а высота МЧ определяется зависимостью где R₅, A₅ - соответственно расчетное сопротивление и площадь рабочей арматуры в сборном элементе; N_bp=σ_bpn·A_bm - усилие самонапряжения в монолитном бетоне; σ_bpn - величина самонапряжения в монолитном бетоне, определяемая в зависимости от энергоактивности напрягающего бетона и условий внешнего ограничения; A_bm - площадь сечения монолитной части; R_bts, R_bm - соответственно расчетное сопротивление растяжению бетона сборного элемента и сжатию бетона монолитной части; b_m - ширина сборно-монолитного элемента; W_plc - момент сопротивления сечения сборного элемента; l_on - эксцентриситет приложения усилия самонапряжения относительно центра тяжести приведенного сечения сборного элемента; В процессе изготовления СЭ на их поверхности выполняют шероховатость с размером выступов-впадин 0,5 - 2,5 см. Далее после монтажа СЭ на образованном настиле устраивают МЧ из напрягающего бетона, назначая высоту монолитного слоя h_m из приведенного выше выражения. В период набора напрягающим бетоном МЧ начальной прочности на сжатие 1,5 - 7,5 МПа производят его увлажнение, например, с помощью влагоудерживающих матов. 2 с. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к строительству и может найти применение при устройстве перекрытия и покрытия зданий и сооружений различного назначения.

Известно сборно-монолитное преднапряженное перекрытие, содержащее настил из предварительно напряженных сборных элементов, служащий стационарной опалубкой и монолитную часть из армированного либо неармированного расширяющего бетона, уложенного на сборные элементы [1] .

Возведение известного сборно-монолитного преднапряженного перекрытия включает изготовление предварительно напряженных сборных элементов, устройство из последних настила в виде стационарной опалубки, укладку на его арматурных каркасов и расширяющего бетона монолитной части.

Недостатками известного способа и устройства являются значительная материалоемкость и трудоемкость изготовления перекрытия по причине раздельной работы сборных элементов настила и монолитной части из расширяющегося бетона, а также необходимость армирования монолитного бетона. Основная цель использования в таком решении расширяющегося бетона заключена в необходимости компенсировать усадочные напряжения в плитной монолитной части.

Известно сборно-монолитное перекрытие, содержащее сборный элемент, служащий стационарной опалубкой и выполненную на нем монолитную часть из бетона, при этом сборный элемент изготовлен с углублениями на его контактной поверхности.

Известен способ возведения сборно-монолитного перекрытия, выключающий изготовление сборного элемента с углублениями на его контактной поверхности, его монтаж и устройство на поверхности сборного элемента монолитной части из бетона.

Отсутствие в конструкции перекрытия по известному техническому решению предварительного напряжения не позволяет полностью использовать преимущества совместной работы монолитной части и сборного элемента, связанных между собой за счет углублений на поверхности сборного элемента, что определяет низкие эксплуатационные характеристики (несущую способность, трещиностойкость, жесткость) известного сборно-монолитного перекрытия и, как следствие, высокую материалоемкость, обусловленную значительной высотой сечения перекрытия. К увеличению материалоемкости известного сборно-монолитного перекрытия приводит также необходимость (из-за образования усадочных трещин) устройства гидроизоляции, исключающей проникновение в перекрытие различных флюидов, что особенно характерно для производств инструментальной, химической, полиграфической промышленности.

Известен преднапряженный элемент перекрытия, состоящий из связанных между собой верхнего и нижнего слоев бетона, при этом верхний слой выполнен из напрягающего бетона.

Способ изготовления известного элемента включает последовательную укладку в опалубку слоев обычного и напрягающего бетона.

В известном техническом решении набор прочности обычным и напрягающим бетоном идет одновременно. Напрягающий бетон вместе с набором прочности претерпевает расширение. При таком техническом решении между монолитным (напрягающим) и сборным (обычным) бетоном формируется достаточно прочная связь. При последующем расширении напрягающего бетона (после распалубки сборно-монолитной балки) в элементе возникают выгодные преднапряжения. Однако из-за прочной связи по контакту между частями нижний слой из обычного бетона является достаточно мощным ограничением ( μ >>1% ) деформаций при расширении верхнего напрягающего бетона, в результате чего деформации расширения последнего невелики.

При незначительной усадке обычного бетона (когда величина деформаций усадки становится равной деформациям расширения монолитного слоя) преднапряжение в элементе исчезает, что приводит к снижению его эксплуатационных характеристик. С другой стороны при незначительных деформациях напрягающего бетона в элементе возникают высокие напряжения, способные в период набора прочности бетоном нижней части сечения привести к образованию трещин в последней, что также способствует снижению эксплуатационных характеристик неизвестного элемента.

Наиболее близким известным техническим решением к предлагаемому, выбранным в качестве прототипа, является сборно-монолитное преднапряжение перекрытия, содержащее один или несколько сборных элементов, являющихся стационарной опалубкой, монолитную часть из напрягающего бетона, выполненную на сборных элементах и окаймляющий рамный контур в монолитной части.

Известный способ возведения сборно-монолитного преднапряженного перекрытия включает изготовление и монтаж сборных элементов, служащих стационарной опалубкой, устройство на их поверхности монолитной части из напрягающего бетона с установкой до бетонирования окаймляющего рамного арматурного контура и последующее увлажнение напрягающего бетона.

В известном техническом решении сборные элементы и монолитная часть из-за отсутствия связи между ними работают раздельно, что для обеспечения требуемой несущей способности требует увеличения высоты сечения сборного элемента и определяет высокую материалоемкость известного перекрытия. Увеличению материалоемкости способствует так же наличие рамного контура, требующего значительного расхода арматуры. Применение напрягающего бетона в монолитной части создает в последней преднапряжение. Однако из-за восприятия деформаций расширения напрягающего бетона только рамным контуром (в силу отсутствия связи между сборным элементом и монолитным слоем) эффект преднапряжения проявляется в основном лишь в локальных зонах, близких к арматурному рамному контуру. По мере удаления от контура к центру плиты эффект преднапряжения снижается. В связи с этим повышается лишь плотность бетона (и, как следствие, его гидроизоляционные свойства и сопротивление истираемости), что не оказывает никакого положительного влияния на напряженно-деформированного состояния конструкции перекрытия в целом, в связи с чем последнее имеет низкие эксплуатационные характеристики. Кроме того, снижению уровня предварительного напряжения в монолитном напрягающем бетоне способствует и то обстоятельство, что увлажнение последнего с целью интенсификации процесса расширения производят после набора им прочности, превышающей R_ow = 10 мПа.

Целью изобретения является снижение материалоемкости и улучшение эксплуатационных характеристик перекрытия.

Это достигается тем, что в известном сборно-монолитном преднапряженном перекрытии, содержащем один или несколько сборных элементов, служащих стационарной опалубкой, и монолитную часть из напрягающего бетона, выполненную на сборных элементах, на поверхности последних, контактирующих с монолитной частью, выполнена шероховатость с размером выступов-впадин 0,5-2,5 см, а высота монолитной части определяется зависимостью: , где R_sA_s - соответственно расчетное сопротивление и площадь рабочей арматуры в сборном элементе; N_bp = σ_bpn ˙ A_bм - усилия самонапряжения в монолитном бетоне; σ_bpn- величина самонапряжения в монолитном бетоне, определяемая в зависимости от энергоактивности напрягающего бетона и условий внешнего ограничения; А_b.м - площадь сечения монолитной части; R_btc, R_bм - соответственно расчетные сопротивления растяжению бетона сборного элемента и сжатию бетона монолитной части; b - ширина сборно-монолитного элемента; W_pLc - момент сопротивления сечения сборного элемента; e_oN - эксцентриситет приложения усилия самонапряжения относительно центра тяжести приведенного сечения сборного элемента.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе возведения перекрытия, включающем изготовление и монтаж сборных элементов, служащих стационарной опалубкой, устройство на их поверхности монолитной части из напрягающего бетона и увлажнение последнего, при изготовлении сборных элементов или непосредственно перед устройством монолитной части на контактной поверхности сборных элементов выполняют шероховатость с размером выступов-впадин 0,5-2,5 см, а после устройства монолитной части напрягающий бетон увлажняют в период набора прочности на сжатие 1,5-7,5 мПа, чем создают упруго-податливую связь между сборными элементами и напрягающим бетоном.

Именно увлажнение напрягающего бетона монолитной части при наборе им прочности на сжатие 1,5-7,5 мПа и создание за счет этого упругоподатливой связи между сборными элементами и монолитным бетоном обеспечивает при выполнении на контактной поверхности сборных элементов шероховатости с размером выступов-впадин 0,5-2,5 см совместную работу сборных элементов и монолитной части, сохранение преднапряжения в них и создание тем самым выгодного напряженно-деформированного состояния в конструкции, обеспечивающего снижение материалоемкости и улучшение эксплуатационных характеристик перекрытия. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемые технические решения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Сравнительный анализ показывает, что заявляемые технические решения содержат отличительные по отношению к прототипу признаки, и поскольку на дату составления заявки неизвестны технические решения, содержащие всю совокупность предлагаемых признаков, соответствуют критерию "новизна".

Выполнение на контактирующей с монолитным слоем поверхности сборных элементов шероховатости позволяет : на стадии возведения при увлажнении напрягающего бетона (с целью интенсификации процесса расширения) создать упруго податливую связь между сборными элементами и напрягающим бетоном, что дает возможность получить значительные деформации расширения монолитного бетона на ранних стадиях его твердения без нарушения сплошности контакта, вовлечь в работу (в качестве ограничения) сборный элемент, не вызвав в его верхней зоне трещинообразования, тем самым не только создать, но и сохранить преднапряжение в конструкции перекрытия;
на стадии эксплуатации - обеспечить совместную работу монолитной части и сборных элементов, создать выгодное напряженно-деформированное состояние в конструкции перекрытия за счет расширения напрягающего бетона монолитной части, обеспечивая снижение материалоемкости, повышение несущей способности, трещиностойкости и уменьшение прогибов по сравнению с прототипом, т. е. достижение цели изобретения. При этом выполнение шероховатости с размером выступов-впадин меньше 0,5 см не позволяет, как показывают экспериментальные исследования авторов, обеспечить надежную связь между монолитным и сборным бетоном в первую очередь на стадии расширения. При высокой энергоактивности напрягающего бетона (S_p ≥ 2,0) и шероховатости менее 0,5 см монолитный слой в начальный период твердения (1 сут) расширяется относительно свободно и сдвигается по поверхности сборного элемента. При наборе монолитным бетоном прочности = 1,5-7,5 мПа в работу (в качестве ограничения) включается сборный элемент. Возникающие при этом по контакту сдвигающие напряжения превышают прочность контакта, и происходит расслоение конструкции (отрыв монолитного слоя). При размере выступов-впадин более 2,5 см, как показали экспериментальные исследования авторов, при включении в работу монолитного слоя (при прочности его на сжатие = 1,5-7,5 мПа) связь по контакту оказывается достаточно прочной, в результате чего резко ограничиваются деформации расширения монолитной части, что приводит к потере достигнутого самонапряжения при последующей усадке.

Пределы прочности бетона монолитной части, при которых его увлажняют с целью интенсификации процесса расширения, определены также экспериментальным путем и объясняются следующими причинами:
увлажнение напрягающего бетона до набора им прочности = 1,5 мПа нецелесообразно, так как расширение протекает за счет собственной воды затворения бетонной смеси, и прочность по контакту со сборным элементом практически полностью отсутствует;
после набора напрягающим бетоном монолитной части прочности на сжатие ≥ 7,5 мПа помимо сборного элемента, связанного с ней по контакту и сдерживающего деформации расширения, существенное влияние оказывает прочность собственной структуры монолитного бетона, что приводит к уменьшению деформаций всей конструкции перекрытия. При увлажнении монолитного бетона в пределах = 1,5-7,5 мПа и шероховатости, имеющей глубину выступов-впадин 0,5-2,5 см, на начальной стадии твердения (6-24 ч) монолитный бетон расширяется относительно свободно, сдвигаясь по поверхности сборного элемента. При прочности в пределах = 1,5-7 мПа прочность контакта оказывается достаточной для включения в работу сборного элемента.

Как показывают исследования, процесс расширения напрягающего бетона связан с разрушением и восстановлением структурных связей в бетоне. При шероховатости 0,5-2,5 см создаются условия, при которых с одной стороны деформации расширения ограничиваются сборным элементом, работающим совместно с монолитной частью, а с другой стороны существует сдвиг монолитного слоя относительно сборного элемента. Экспериментальные исследования авторов показали, что такой сдвиг составляет до 30% от общего сдвига. Постепенно, с ростом прочности монолитного бетона до 10 мПа сдвиг затухает, а сборно-монолитное сечение работает как сплошное.

При расширении монолитного напрягающего бетона в таких условиях ( = 1,5-7,5 мПа, h_bn = 0,5-2,5 см) появляются возможность получить значительные деформации в монолитном бетоне и постепенно, плавно включить в работу сборный элемент. Это обеспечивает сохранение уровня самонапряжения в монолитном бетоне при последующей усадке и позволяет исключить трещинообразование сборной части, т. е. достигнуть цели изобретения. После включения в работу сборного элемента (при прочности на сжатие монолитного бетона = 1,5-7,5 мПа) последний подвергается внецентренному растяжению сдвигающим усилием, возникающим в плоскости контакта. Это вызывает сжатие в нижней зоне сборного элемента (растянутой при эксплуатации) и растяжение в его верхней зоне. При высоте монолитной части
h_м > , где R_btc - расчетное сопротивление растяжению бетона сборной части;
W_pLc - момент сопротивления сечения сборной части;
σ_bpn- величина самонапряжения в монолитном бетоне;
e_oN - эксцентриситет приложения усилия самонапряжения относительно центра тяжести сборного элемента;
b - ширина сечения сборного элемента;
Возможно образование трещин в верхней зоне сборных элементов от действия сдвигающего усилия, действующего по контактной поверхности в период напряжения расширяющего бетона монолитной части.

При высоте монолитной части:
h_м< , где R_sA_s - соответственно расчетное сопротивление и площадь рабочей арматуры в сборном элементе;
N_bp = σ_bpn ˙ A_bм - усилие самонапряжения в монолитном напрягающем бетоне;
σ_bpn- величина самонапряжения в монолитном напрягающем бетоне, определяемая в зависимости от его энергоактивности и условий внешнего ограничения;
A_bм - площадь монолитного бетона;
b - ширина сечения;
R_bм - призменная прочность монолитного бетона, монолитная часть сечения полностью попадает в сжатую зону сечения. В результате этого эффект влияния самонапряжения на прочность сечения проявится не успевает, т. е. предельное состояние (разрушение) наступает в результате достижения текучести растянутой арматурой подобно тому, как и в конструкции с монолитным слоем из бетона на портландцементе. При обратном соотношении, когда
h_м > , растягивающие напряжения воспринимаются не только арматурой, но и монолитным сжатым бетоном. Экспериментально установлено, что в таких конструкциях трещина в сборном элементе развивается до монолитного слоя и останавливается на границе контакта. Это существенно снижает ширину раскрытия трещин. В монолитный бетон трещина проходит лишь после того, как будут погашены внешним воздействием сжимающие напряжения σ_bpn , вызванные самонапряжением. За счет такой компоновки сечения достигается выгодное напряженно-деформированное состояние конструкции, повышающее его несущую способность, жесткость и уменьшающее ширину раскрытия трещин.

Таким образом, все признаки отличительной части формулы предлагаемого изобретения являются необходимыми и достаточными для достижения цели изобретения, т. е. существенными по отношению к прототипу.

При сравнении предлагаемых технических решений с другими, известными в данной области техники, признаки, отличающие заявляемые изобретения от прототипа, не были выявлены, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "Существенные отличия".

На фиг. 1 а и б изображено предлагаемое сборно-монолитное перекрытие, общий вид; на фиг. 2 - вид сбоку при расширении напрягающего бетона (пунктиром показан контур перекрытия после завершения расширения напрягающего бетона монолитной части); на фиг. 3а изображено деформированное состояние сборно-монолитного элемента в зависимости от прочности монолитного бетона к моменту увлажнения (), на фиг. 3б - качественная картина напряженного состояния сборно-монолитного элемента после завершения расширения монолитного слоя из напрягающего бетона; на фиг. 4а показана схема расчетных усилий в предельном состоянии сборно-монолитного сечения с монолитным слоем из бетона на портландцементе. На фиг. 4б - то же сборно-монолитное сечение с монолитной частью из напрягающего бетона (х₁, х₂ - высота сжатой зоны бетона).

Перекрытие содержит сборные элемента 1, служащие стационарной опалубкой, и монолитную часть 2 из напрягающего бетона, выполненную на сборных элементах 1. На поверхности последних, контактирующих с монолитной частью, выполнена шероховатость с размером выступов-впадин 0,5-2,5 см. Высота сечения монолитной части определяется зависимостью
≅ h_м ≅ где R_s, A_s - соответственно расчетное сопротивление и площадь рабочей арматуры в сборном элементе;
N_bp = σ_bpn˙A_bм - усилие самонапряжения в монолитном бетоне;
σ_bpn - величина самонапряжения в монолитном бетоне, определяемая в зависимости от энергоактивности напрягающего цемента и условий внешнего ограничения;
A_bм - площадь сечения монолитной части;
R_btc, R_bм - соответственно расчетные сопротивления растяжению бетона сборного элемента и сжатию бетона монолитной части;
b - ширина сборно-монолитного сечения;
W_pLc - момент сопротивления сечения сборного элемента;
e_oN - эксцентриситет приложения усилия самонапряжения относительно центра тяжести приведенного сечения сборного элемента.

Возведение сборно-монолитного преднапряженного перекрытия осуществляется следующим образом. Известными методами, например, в заводских условиях, изготавливают сборные элементы. В процессе изготовления на верхней контактной поверхности сборных элементов устраивают шероховатость с размером выступов-впадин 0,5-2,5 см, что может осуществляться обнажением крупного заполнителя путем смыва водой цемента с мелким заполнителем после 5 ч твердения бетона.

Шероховатость может быть выполнена и непосредственно перед бетонированием монолитной части 2 путем скалывания и т. д. верхнего слоя бетона сборных элементов 1. Далее на образованном сборными элементами 1 настиле устраивают монолитную часть 2 из напрягающего бетона. При этом высоту монолитного слоя набетонки назначают из условия:
_≅ , где R_s, A_s - соответственно расчетное сопротивление и площадь рабочей арматуры в сборном элементе;
N_bp = σ_bpn˙A_bм - усилие самонапряжения в монолитном бетоне;
σ_bpn - величина самонапряжения в монолитном бетоне, определяемая в зависимости от энергоактивности напрягающего цемента и условий внешнего ограничения;
A_bм - площадь сечения монолитной части;
R_btc, R_bм - соответственно расчетные сопротивления растяжению бетона сборного элемента и сжатию бетона монолитной части;
b - ширина сборно-монолитного сечения;
R_pLc - момент сопротивления сечения сборного элемента;
e_oN - эксцентриситет приложения усилия самонапряжения относительно центра тяжести приведенного сечения сборного элемента.

После устройства монолитной части 2 напрягающий бетон увлажняют при наборе им прочности на сжатие 1,5-7,5 мПа и благодаря наличию на контактной поверхности сборных элементов 1 шероховатости с размерами выступов-впадин 0,5-2,5 см между монолитной частью и сборными элементами образуется упруго-податливая связь, которая с одной стороны ограничивает деформация свободного расширения напрягающего бетона монолитной части, включая в работу сборный элемент, а с другой стороны - позволяет последней смещаться относительно сборного элемента. В результате монолитный напрягающий бетон монолитной части 2 получает начальные деформации. Далее с набором прочности напрягающим бетоном более 7,5 мПа между сборными элементами 1 и монолитной частью 2 образуется прочная связь, исключающая смещение монолитной плиты, сборные элементы 1 сборного настила подвергаются внецентренному растяжению от усилия, возникающего по контакту, а монолитный бетон - внецентренному сжатию (самонапряжению), в сечениях конструкции возникает выгодное напряженно-деформированное состояние, благоприятно влияющее на последующую работу сборно-монолитного перекрытия под нагрузкой.

Перекрытие по предлагаемому техническому решению не требует устройства арматурного контура в монолитной части для восприятия деформаций расширения напрягающего бетона, имеет меньшую общую высоту сечения благодаря связи между монолитным бетоном и сборными элементами, что определяет снижение материалоемкости без снижения эксплуатационных характеристик.

Конкретный размер экономического эффекта трудно поддается экономической оценке из-за большого числа влияющих факторов (класса бетона, размеров ячейки и т. д. ), однако он вполне очевиден.

Формула изобретения

1. Сборно-монолитное преднапряженное перекрытие, содержащее один или несколько сборных элементов, с расположенными на них слоем напрягающего бетона, отличающееся тем, что поверхность сборных элементов, контактирующая с монолитной частью, имеет шероховатость с размером выступов-впадин 0,5 - 2,5 см, а высота h монолитной части определяется зависимостью
,
где R_s, A_s - расчетное сопротивление и площадь рабочей арматуры в сборном элементе соответственно;
N_вp = σ_вpn˙A_m - усилие самонапряжения в монолитном бетоне;
σ_вpn - величина самонапряжения в монолитном бетоне, определяемая в зависимости от энергоактивности напрягающего бетона и условий внешнего ограничения;
A_m - площадь сечения монолитной части;
R_btc, R_BM - расчетные сопротивления растяжению бетона сборного элемента и сжатию бетона монолитной части соответственно;
b - ширина сборно-монолитного элемента;
W_PLC - момент сопротивления сечения сборного элемента;
l_oN - эксцентриситет приложения усилия самонапряжения относительно ц. т. приведенного сечения сборного элемента.

2. Способ возведения сборно-монолитного преднапряженного перекрытия, включающий изготовление и монтаж сборных элементов, устройство на их поверхности монолитного слоя из напрягающего бетона и увлажнение последнего, отличающийся тем, что при изготовлении сборных элементов или непосредственно перед устройством монолитной части на контактирующей с последней поверхности сборных элементов выполняют шероховатости с размером выступов-впадин 0,5 - 2,5 см, а увлажнение осуществляют в период набора напрягающим бетоном прочности на сжатие 1,5 - 7,5 МПа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4