Сталетрубобетонная колонна

010211 Изобретение относится к строительству, в частности, к конструктивным элементам каркасов высотных зданий и сооружений, к которым предъявляют требования повышенной несущей способности и надежности. Известна сборная трубобетонная колонна, включающая бетонное ядро и стальную трубчатую обойму, покрытую изнутри смазкой, предотвращающей ее сцепление с бетоном [1]. Известная колонна обладает высокой несущей способностью. Недостатком известной колонны является усложнение технологии, а также потребность в специальных смазках, не изменяющих своих свойств во времени. Известна колонна - строительный элемент, работающий на сжатие, включающий трубчатую обойму, выполненную из ориентированного стеклопластика и заполненную бетоном на расширяющемся бетоне [2]. Известная колонна обладает повышенной долговечностью и работает упруго под нагрузкой. Недостатком известной колонны является относительно невысокая несущая способность и наличие значительной продольной деформативности под нагрузкой. Известна колонна, включающая металлическую трубу, заполненную бетонным ядром, содержащим спиральную арматуру [3]. Известная колонна обладает высокой несущей способностью, если обеспечена требуемая точность установки и фиксации спиральной арматуры в бетонном ядре. Недостатком известной колонны является недостаточная надежность по величине ее несущей способности из-за неопределенности фиксации спиральной арматуры. Наиболее близкой к предлагаемой сталебетонной колонне является колонна, включающая металлическую трубу, заполненную бетоном, содержащим продольную стержневую арматуру [4]. Известное техническое решение выполняет задачу повышения несущей способности, однако, не в полной мере. Равномерно распределенные по периметру стержни продольной арматуры неэффективны по использованию их прочностных свойств вследствие их значительной гибкости и потери устойчивости при сжатии. Это особенно заметно при внецентренном приложении продольного усилия, когда в плоскости сечений колонн возникают изгибающие моменты. Поперечные деформации бетона ядра колонны способствуют потере местной устойчивости стенки трубы при ее продольном сжатии даже при сравнительно невысоком уровне нагружения. Все это может приводить к неполному использованию прочностных качеств арматуры и бетона и снижению надежности и несущей способности колонны. Техническим результатом изобретения является повышение несущей способности и надежности сталетрубобетонной колонны. Указанный технический результат достигается тем, что в сталетрубобетонной колонне, включающей металлическую трубу, заполненную бетоном, образующим в полости трубы железобетонное ядро,содержащее продольную стержневую арматуру, в железобетонном ядре по высоте колонны во взаимно перпендикулярном направлении вдоль главных осей поперечного сечения колонны, по всей его ширине размещены поперечные стержни с образованием в каждой плоскости решетки и с закреплением их по концам в стальной стенке трубы, стержни продольной арматуры железобетонного ядра объединены в пакеты в виде группы стержней, каждый пакет по его периметру охвачен хомутами или навивкой арматурной проволоки, а пакеты стержней продольной арматуры размещены в ячейках решеток, образованных поперечными стержнями. Сталетрубобетонная колонна может быть выполнена цилиндрической формы и может содержать стальные полосовые накладки дискретно в местах закрепления поперечных стержней. Сталетрубобетонная колонна может быть выполнена в виде призматического стержня прямоугольного сечения и содержать на боковых гранях сплошные стальные полосовые накладки, в которых закреплены концами поперечные стержни. Решетки, образованные в сталетрубобетонной колонне поперечными стержнями размещены в поперечных сечениях колонны с шагом по высоте не более 0,5 d, где d - размер поперечного сечениях колонны по наименьшей ее стороне. Сопоставление предлагаемого технического решения с прототипом позволяет отметить, что от известного оно отличается новыми признаками (1) в бетонном ядре по высоте колонны во взаимно перпендикулярных направлениях вдоль главных осей поперечного сечения колонны, по всей его ширине размещены поперечные стержни с (2) образованием в каждой плоскости решетки и (3) с закреплением их по концам в стальных стенках трубы, (4) стержни продольной арматуры объединены в пакеты в виде группы плотно расположенных стержней, и каждый пакет по его периметру охвачен хомутами или навивкой арматурной проволоки, а (5) в ячейках решеток, образованных поперечными стержнями, размещены пакеты стержней продольной арматуры. (6) Колонна выполнена цилиндрической формы и содержит дискретные стальные полосовые накладки в местах закрепления поперечных стержней. (7) Колонна выполнена в виде призматического стержня прямоугольного и поперечного сечения и содержит на боковых гранях стальные полосовые накладки в виде сплошных бандажей, в которых закреплены поперечные стержни. (8) Решетки, образованные поперечными стержнями, размещены в поперечных сечениях колонны с шагом по ее высоте не более 0,5 d, где d - размер поперечного сечения колонны по наименьшей-1 010211 ее стороне. Все перечисленные признаки позволяют реализовать предложенную колонну повышенной несущей способности и надежности, за счет четкого включения в работу под нагрузкой всех элементов сталебетонной колонны, обеспечив наиболее полное использование прочностных свойств арматуры, бетона и стали трубы. Все перечисленные признаки предлагаемого технического решения в приведенной сумме не известны, а достигаемый технический результат по предложенному решению превосходит известные, позволяя полностью решить поставленную задачу, и создает сверхсуммарный результат за счет взаимного усиления каждого признака друг на друга в принятом их сочетании. Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами. На фиг. 1 приведен характер деформирования и разрушения фрагмента сталетрубобетонной колонны при продольном сжатии; на фиг. 2 - фрагмент предлагаемой сталетрубобетонной колонны с поперечными стержнями, заанкеренными в стальных полосовых накладках, размещенных на наружной поверхности трубы, вид сбоку; на фиг. 3 - то же, фрагмент сталетрубобетонной колонны с поперечными стержнями и стержнями продольной арматуры, объединенными в пакеты; на фиг. 4 - то же, поперечный разрез А-А на фиг. 2 сталетрубобетонной колонны цилиндрической формы; на фиг. 5 - то же, поперечный разрез А-А на фиг. 2 колонны прямоугольного сечения; на фиг. 6 - то же, поперечный разрез Б-Б на фиг. 3 колонны цилиндрической формы с пакетами плотно расположенных продольных стержней в ячейках решетки, образованной поперечными стержнями; на фиг. 7 - то же, поперечный разрез Б-Б на фиг. 3 в случае колонны прямоугольного сечения. Предлагаемая сталетрубобетонная колонна (фиг. 2-7) включает стальную трубу прямоугольного или круглого сечения со стенками 1, полость которой заполнена бетоном 2. В бетоне 2 в сечениях колонны по ее высоте размещены поперечные стержни 3, образующие в каждой плоскости решетку с ячейками 4. Стержни 3 по концам закреплены анкерами 5 в стенках трубы и/или стальных полосовых накладках 6. Накладки по наружному периметру сечения колонны могут быть выполнены в виде сплошной полосы либо дискретно только под анкерами 5. Выбор типа накладки 6 осуществляют в зависимости от толщины стенки 1 трубы и размеров поперечного сечения колонны, а также величины продольного усилия, действующего в этих сечениях. В бетоне 2 вдоль колонны размещены и посредством решеток поперечных стержней 3 в их ячейках 4 зафиксированы пакеты 7 в виде плотно расположенных стержней продольной арматуры. Пакеты 7 могут располагаться в наиболее выгодном для восприятия внешних усилий положении в ячейках 4 адекватно их действию в сечении колонны. Бетон 2 совместно с поперечными стержнями 3 и продольной арматурой в виде пакетов 7 образуют железобетонное ядро колонны. Посредством выпусков пакетов 7 по торцам колонн может быть обеспечено жесткое объединение колонны с перекрытиями. Стыковка колонн может быть осуществлена в уровнях перекрытий со стыковкой или нахлестом пакетов 7 смежных по высоте колонн. В таком случае фланцевые или другие соединения труб 1 смежных колонн не требуется. При действии продольного усилия N на колонну в аналогах [1-3] и прототипе [4] разрушение их сопровождается развитием поперечных деформаций бетона 2 с образованием локального выпучивания 8 стенки трубы 1 по ряду поперечных сечений колонны (фиг. 1). Высокая несущая способность бетонного ядра 2 колонны достигается благодаря наличию реактивного бокового давления, возникающего по внутренней поверхности трубы при поперечных деформациях бетона ядра 2. После исчерпания способности стенки трубы 1 далее наращивать величину отпора вследствие ее выпучивания 8 и потери устойчивости происходит разрушение бетона ядра 2 и наблюдается исчерпание несущей способности всей колонны. Поэтому для дальнейшего, по сравнению с прототипом, повышения несущей способности колонны, кроме концентрированного размещения в пакетах 7 продольной арматуры, требуется предотвратить потерю устойчивости стенки трубы 1. Для повышения устойчивости стенки трубы 1 в колонне размещены поперечные стержни 3, закрепленные анкерами 5 в стальных полосовых накладках 6. Они предотвращают локальное выпучивание 8 стенки трубы 1 (см. фиг. 1) и падение из-за этого величины бокового давления. Перекрестное размещение поперечных стержней 3 примерно равномерно по ширине сечения колонны позволяет образовать в каждой плоскости их размещения ячейки 4, в которых с фиксацией может быть размещено требуемое продольное армирование в виде пакетов 7 из плотно уложенных арматурных стержней с увеличенной жесткостью на продольный изгиб, по сравнению с таким же количеством отдельно стоящих стержней. В результате несущая способность предлагаемой колонны по сравнению с аналогами [2, 3] возрастет в 4-5 раз и в 1,3-1,5 раза по сравнению с прототипом [4] при одинаковом продольном армировании. Фиксированное положение поперечных стержней 3 и продольных пакетов 7 из стержней арматуры,объединенных хомутами (не обозначены), позволяет существенно повысить надежность предложенной сталебетонной колонны, так как реактивное боковое давление на бетон по поверхности трубы 2 сохраняется на более высоких уровнях приложения нагрузок. Это давление не только задерживает возникнове-2 010211 ние продольных трещин в бетоне 2 ядра колонны, но и препятствует их развитию. Для получения колонн с особо высокой несущей способностью в таком случае могут быть применены бетоны обычной традиционной прочности, равной 30-40 МПа. При наличии эксцентриситетов в колонне пакеты 7 продольной арматуры размещают в ячейках 4 адекватно действующим усилиям. Размещение поперечных решеток,образованных стержнями 3, с шагом по высоте колонны не более 0,5 d, где d - меньший размер поперечного сечения колонны, позволяет предотвратить выпучивание стенок 1 трубы и обеспечить тем самым наиболее равномерный боковой отпор стенки 1 на бетон 2 железобетонного ядра по всей высоте колонны. При увеличении шага решеток из стержней 3 свыше 0,5 d снижается их эффективность, так как выпучивание 8 стенки 1 может происходить в сечениях колонны между решетками, образованными стержнями 3, и приводить к более раннему исчерпанию несущей способности колонны с недоиспользованием прочностных свойств стержней 3, стенок 1 трубы и бетона 2. В случае появления в сечениях колонны продольного растягивающего усилия, что может иметь место, например, при повышенных горизонтальных нагрузках на здание, а также при несанкционированных и аварийных воздействиях на каркас, в колонне вдоль ее продольной оси для восприятия указанного усилия может быть размещена сквозная по всей высоте здания арматура 9, заанкеренная по концам в фундаментной конструкции и покрытии здания. Эта арматура 9 при обычных режимах нагружения колонны вместе с бетоном 3, пакетами 7 и стенкой 1 трубы воспринимает продольное сжимающие усилиеN, а при указанном изменении режима нагружения должна быть способна воспринять растягивающие усилия. При наиболее ходовых размерах поперечного сечения в пределах до 50-60 см колонну можно изготавливать в горизонтальном положении, предварительно закрепив на трубе 1 поперечные стержни 3,разместив и зафиксировав в полости трубы пакеты 7 продольной арматуры. Подачу бетонной смеси можно осуществить, заглушив один конец трубы, закачкой смеси через другой торец в полость трубы бетононасосом до окончания ее заполнения. Контроль полного выхода воздуха и заполнения полости трубы 1 смесью осуществляют через смотровой люк 10 в трубе с обратной стороны от места закачки до вытеснения части смеси на наружную поверхность трубы. Затем смотровой люк 10 очищают от излишков раствора и закрывают задвижкой. После набора бетоном 2 требуемой прочности готовую колонну монтируют в проектное положение и омоноличивают в несущем каркасе. При больших поперечных сечениях колонны ее изготавливают по месту в составе каркаса. В этом случае трубу 1 также используют как опалубку, но устанавливают в вертикальное проектное положение с размещенным и закрепленным в полости армированием 3, 7 и 9. Подачу бетонной смеси выполняют бетононасосом через люки 10 в трубе 1, начиная с нижнего, поднимаясь кверху по мере заполнения полости трубы 1 бетонной смесью. Посредством этих люков 10 осуществляют и контроль заполнения трубы 1 смесью. В целом сказанное позволяет отметить, что при реализации признаков указанных в настоящем изобретении по сравнению с аналогами и прототипом [4] получено новое качество сталетрубобетонной колонны, выражающееся в повышении надежности и несущей способности. Предлагаемое техническое решение будет применено и наиболее целесообразно для зданий и сооружений с особо высокими нагрузками на колонны. Источники информации 1. ВНИИИС Госстроя СССР. Строительство и архитектура. Серия 8. Строительные конструкции и материалы. Экспресс информация, трубобетонные колонны без сцепления бетона со стальной обоймой. М.: ВНИИИС, 1986, вып. 17, с. 2-4, рис. 1. 2. Патент РФ 2169244, Кл. Е 04 С 3/36, БИ 17, 20.06.01. 3. Патент РФ 2121045, Кл. Е 04 С 3/32, БИ 30, 27.10.98. 4. Фонов В.М., Макаричева Н.В. Исследование узлов сопряжений армированных трубобетонных элементов. Бетон и железобетон, 1984,7, с. 22-24, рис. 1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Сталетрубобетонная колонна, включающая металлическую трубу, заполненную бетоном, образующим в полости трубы железобетонное ядро, содержащее продольную стержневую арматуру, отличающаяся тем, что в железобетонном ядре по высоте колонны во взаимно перпендикулярных направлениях вдоль главных осей поперечного сечения колонны, по всей его ширине размещены поперечные стержни с образованием в каждой плоскости сечения колонны решетки и с закреплением их по концам в стальной стенке трубы, стержни продольной арматуры железобетонного ядра объединены в пакеты в виде группы плотно расположенных стержней и каждый пакет по его периметру охвачен хомутами или навивкой арматурной проволоки, а пакеты стержней продольной арматуры размещены в ячейках решеток, образованных поперечными стержнями. 2. Сталетрубобетонная колонна по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена цилиндрической формы и содержит дискретные стальные полосовые накладки в местах закрепления поперечных стержней.-3 010211 3. Сталетрубобетонная колонна по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена в виде призмы прямоугольного поперечного сечения и содержит на боковых гранях в виде бандажей стальные полосовые накладки, в которых закреплены концами поперечные стержни. 4. Сталетрубобетонная колонна по пп.1-3, отличающаяся тем, что решетки, образованные поперечными стержнями, размещены в поперечных сечениях колонны с шагом по ее высоте не более 0,5d, где d размер поперечного сечения колонны по наименьшей ее стороне.