Цай Шаохуай, профессор Китайской академии строительства, Новейший опыт применения трубобетона в КНР

Трубобетон представляет собой бетон, заключенный в металлическую трубу круглого сечения. Благодаря трехосному сжатию бетона несущая способность и деформативность трубобетонных стержней при продольном сжатии значительно увеличивается, сопротивляемость сейсмическим воздействиям улучшается и хрупкость высокопрочного бетона в ядре трубы преодолевается.

По сравнению с металлическими конструкциями, при условии сохранения одинаковых несущей способности и собственного веса, расход металла для трубобетонных элементов сокращается примерно на 50%. По сравнению с железобетонными конструкциями, при условии сохранения одинаковых несущей способности и расхода металла, размер сечения трубобетонных элементов может быть уменьшен примерно на 50%.

Технологически стальная трубчатая оболочка играет роль несущего каркаса арматуры (как продольной, так и поперечной) и опалубки, сопротивляющейся давлению свежего бетона, что значительно упрощает монтаж и улучшает условия возведения сооружений, особенно высотных и большепролетных. Безусловно, круглая металлическая труба есть самый эффективный вид арматуры для сжатых бетонных элементов.

Идея армирования бетона стальной круглой трубой появилась сто лет назад, когда американский инженер John Lally использовал стальные трубы, заполненные бетоном, как несущие колонны для многоэтажных зданий (до 6 этажей). В 1930-х годах в России был построен железнодорожный трубобетонный арочный мост через р.Исеть пролетом 140 м и профессор А.А.Гвоздев впервые создал теорию расчета трубобетонных конструкций по методу предельного равновесия [1].

В 1960-х годах в ряде стран трубобетон находил применение в разных сооружениях. В КНР его тогда использовали в колоннах станций

Пекинского метрополитена. А в 1970-х годах в ряде одноэтажных промышленных зданий из трубобетона были построены решетчатые стойки рам, несущие тяжелую крановую нагрузку. С 1980 г., преимущественно в Академии строительных наук Китая, проводились большие экспериментально-теоретические исследования трубобетонных колонн из обычных и высокопрочных бетонов и совершенствовались методы их расчета [2, 3, 4]. На основе проведенных исследований и опыта строительства была составлена и в 1991 г. опубликована национальная "Инструкция по проектированию и возведению трубобетон ных конструкций (CECS 28:90)", из бетона прочностью на сжатие 30-60 МПа [5]. 8 1999 г. издана Техническая инструкция по высокопрочным бетонным конструкциям (CECS 104:99)", из бетона прочностью на сжатие до 80 МПа, в которую включена отдельная глава “Трубобетонные колонны". В период последних 10 лет трубобетон находит широкое применение при строительстве высотных зданий, метрополитена и большепролетных мостов.

В КНР высотные здания выполнены преимущественно из железобетона. Для зданий высотой 100 м и более размер сечения колонн из обычного железобетона часто достигает такой величины, что существенно мешает эффективной эксплуатации зданий. Изысканию способов уменьшения размера сечения сильно загруженных колонн уделяли и уделяют большое внимание. В конце 1980-х годов для колонн высотных зданий начали использовать высокопрочные бетоны {прочностью 50-60 МПа). А в провинции Фунцзянь были успешно построены три 15-28- этажных здания с трубобетонными колоннами из обычного бетона прочностью 30-40 МПа [6].

Эффективность трубобетона в уменьшении размера сечения сильно загруженных колонн и в преодолении хрупкости высокопрочного бетона постепенно получила всеобщее признание. В последние 10 лет трубобетонные колонны из преимущественно высокопрочных бетонов находят все более широкое применение в высотных зданиях. В ряде крупных городов, таких как Пекин, Тяньцзинь, Гуанчжоу, Шинциэн, Чунцин, Амой, Фучжоу, Нанкин, Шанхай, Куньмин и др., были построены и строятся более 30 высотных зданий с трубобетонными колоннами,

Так, в г.Гуанчжоу в 1995 г. было построено 33-этажное торгово-административное здание Peace World Plaza высотой 116,3 м (рис.1, 2). Здесь впервые применили трубобетон из высокопрочного бетона прочностью 60 МПа в колоннах нижних пяти этажей (в том числе три подземных этажа) взамен обычного железобетона. Максимальная нагрузка на одну колонну составляла 39 000 кН. Диаметр колонн изменялся от 0,7 м для пониженной части здания до 1,2 м для его главной башни. Толщина стенки стальной трубной оболочки составляла соответственно 10 и 20 мм. Нагрузки от железобетонных перекрытий трубобетонным колоннам с помощью пересекающих ядро стальных двутавров. На по- гесхности колонн наносили слой огнезащитной изоляции. Стальная трубчатая оболочка колонн с узловыми деталями в виде секций длиной до 13 м была изготовлена на местном кораблестроительном заводе.


Благодаря технической особенности трубобетона, у которого стальная трубчатая оболочка подземных колонн выполняет роль опалубки и арматуры, а также жесткого несущего упора, возведение фундамента и подземной части здания удалось производить методом обратного хода, без устройства открытого глубокого котлована. На первой стадии в стволы свайных шахт погружали заранее изготовленные стальные трубчатые оболочки подземной части колонн длиной 13 м и устанавливали их на сваях в проектное положение, а потом бетонировали подземные колонны и перекрытие первого этажа здания По мере бетонирования подземных колонн и перекрытия первого этажа начинали строить подземные перекрытия по этажам обратным ходом сверху вниз и одновременно возводить надземную часть здания. Общий срок строительства здания сократился на полгода.

Благодаря применению супер- пластификатора осадка конуса бетонной смеси для трубобетона составляла 16 см, что позволило подавать ее бетононасосами в трубную оболочку непрерывно сверху вниз. Вибрирование смеси не применяли для участков ниже 4 м от верхнего торца трубы. Уплотнение смеси в верхних участках колонн производили вибраторами. Опыт показывает, что стоимость колонны из трубобетона и из обычного железобетона почти одинакова.




В 1999 г. в г.Шинциэн завершилось строительство 72-этажного торгово-административного здания SEG Plaza высотой 291,6 м — самого высокого на сегодня в мире здания из трубобетона (рис.4). Основными вертикальными несущими конструкциями для главной башни здания являются 1§ больших трубобетонных колонн, размещенных по контуру башни, и 28 малых трубобетонных колонн, образующих центральный ствол. Максимальная нагрузка на одну колонну составляет 90000 кН. Сечение труб (диаметр и толщина оболочки) для контурных колонн изменяется по высоте от 1600x28 мм в нижней до 1300x18 мм в верхней части здания, а центрального ствола — 1100x14 мм и 800x12 мм. Для заполнения оболочек колонн применяли высокопрочный бетон прочностью на сжатие 60 МПа.

Конструкции перекрытия решены в виде стальных двутавровых балок, по которым уложены стальной профилированный настил и слой монолитного бетона. Стальные балки крепятся монтажными болтами к консолям,приваренным на заводе к трубам колонн. Во избежание отрыва трубных оболочек (для колонн диаметром больше 1 м) на уровне верхней полки консолей внутри трубы к ней приваривали металлическую кольцевую диафрагму. Для малых колонн внешний фланец расположен снаружи. Все стальные элементы, включая трубчатую оболочку колонн с узловыми деталями, были изготовлены на кораблестроительном заводе в г.Гуанчжоу.

Подземная часть здания была возведена методом обратного хода. Общий срок строительства здания удалось сократить на полгода.

В современных условиях строительства железобетонных мостов, когда усовершенствовали технологию высокопрочного бетона с добавкой сулерппастификзтора и технологию насосного бетонирования, а также отработали и широко применяют такие эффективные способы монтажа пролетных строений мостов, как навесная сборка и навесное бетонирование, метод поворота и пред- напряжения, способ конвейернотыловой сборки и цикличной продольной надвижки, применение несущей жесткой арматуры и др. [7], создались благоприятные условия для сочетания с ними технологии трубобетона. Последний стали широко и успешно использовать в мостостроении в КНР не только как средство повышения несущей способности конструкций, но и как эффективный способ возведения. В 1990 г. в г.Ванчан в провинции Сычуань впервые был построен трубобетонный арочный мост через р.Донхэ пролетом 115 м способом навесной сборки арочной стальной трубной оболочки с последующим заполнением ее бетоном без подмостей (рис.5). За последние 10 лет в КНР были построены и строятся более 120 мостов из трубобетона, преимущественно арочных, методом поворота и навесной сборки. Ниже приведем три типичных примера.


Ваньсянь — мост через р.Янцзы в гЧунцине представляет собой железобетонный арочный мост шириной 24 м, пролетом в свету 420 м, со стрелой подъема 84 м (рис.6, 7). Это самый большой по величине пролета арочный мост в мире из железобетона. Арка моста представляет собой железобетонную конструкцию с несущим арматурным каркасом из трубобетона и имеет постоянное коробчатое сечение размером 16x7 м. Несущий арматурный каркас имеет вид сквозной арки высотой6,45 м и шириной 15,2 м. Пояса арки выполнены из 10 бесшовных стальных труб диаметром 402 мм и с толщиной стенки 16 мм, заполненных бетоном прочностью на сжатие 60 МПа. Соединительные решетки между поясами изготовлены из металлических уголков. Весь арочный металлический каркас, разделенный на 36 секций длиной 13 м и весом 61 т, изготовляли на судостроительном заводе, находящемся на расстоянии 200 км от строительной площадки, и по реке доставляли на место строительства. В стыках секций устраивали фланцевые соединения на болтах. Монтаж арочного мере устройства трубобетонной арки осуществляли бетонирование коробчатой арки собственно моста в опалубках, подвешенных к трубобетонному несущему каркасу Ботони- рование коробчатой арки производили в 7 этапов частями длиной по 80 м. После затвердения бетона арки возводили надарочную конструкцию Особенности возведения данного моста заключалось в искусном сочетании технологии трубобе- тона с использованием жесткой ширину 3,45 м и переменную высоту от 4 м в ключе до 8,04 м в пятах. Стрела подъема арки составляет 76,45 м. Расстояние между поясами арки равно 35,95 м.



На первой стадии металлические сквозные фермы береговых пролетов и речного пролета по полуаркам изготовляли на берегу на подмостях. По мере готовности каждую полуарку главного пролета с помощью лебедок перемещали поворотом наверх вокруг горизонтальной оси, совмещенной с центром пяточного шарнира, з потом с помощью гидравлических домкратов поворачивали совместно с арочной фермой берегового пролета вокруг вертикальной оси, совмещенной с центром фундамента.

После поворота в проектное положение осуществляли замыкание металлического каркаса секциями с пят к ключу выполнен методом навесной сборки с помощью вантового деррик-крана грузоподъемностью 70 т, пересекающего реку.

По мере установки металлического каркаса арки в проектное положение производили бетонирование стальных трубных поясов ферм с помощью бетононасосов. Смесь подавали с обоих берегов симметрично от пят снизу вверх к ключу через отверстия в оболочках труб. Вибрирование смеси не применяли. Подготовка к бетонированию поясов заняла неделю, а собственно бетонирование каждого пояса длиной 470 м и емкостью 50 м3 было осуществлено в течение двух часов По сущей арматуры, что значительно уменьшало монтажную массу пролетного строения. Мост начали строить в мае 1994 г. и закончили в июне 1997 г.


Недавно, в июне 2000 г., в г.Гуанчжоу построен Яцэиша мост через р.Чжу {рис.8, 9). Он представляет собой трехпролетный неразрезной трубобетонный арочный мост с предварительно напряженными затяжками по схеме 76+360+76 м, построенный методом поворота. Главная арка является трубобетонной сквозной фермой, пояса которой составляются из 6 стальных труб диаметром 0,75 м, заполненных бетоном прочностью 50 МПа. Пояса главной арки имеют постоя н- полуарок моста в середине главного пролета. Масса повернутого участка моста составляла 13600 т. По мере замыкания производили бетонирование труб арок бетононасосами и устанавливали преднапряженные затяжки, состоявшие из 20 стальных тросов. Суммарное усилие предварительного натяжения достигало 100000 кН.

Вантовый мост изтрубобетона впервые был построен в июне 1996 г. в г.Нанхай (под г.Гуанчжоу) через р.Чжу. Мост с пролетами 69+140+69 м, шириной 25,5 м выполнен по двухлилонной схеме. Одноплоскостная система вант закреплена в балке жесткости по оси моста. Балка жесткости представляет собой трубобетонную сквозную пространственную ферму высотой 3 м и шириной 21 м. Шесть нижних поясов и соединительные решетки фермы выполнены из трубобетоных элементов диаметром 299 мм и 140 мм соответственно. Все трубы бесшовные из стали марки 16Мп. Верхние пояса фермы изготовлены из швеллеров, на которых уложено монолитное железобетонное покрытие толщиной 23 см с преднапряжением поперек. Пилоны высотой 36 м над уровнем проезжего полотна решены в виде трубобетона диаметром 1,84 м. Металлические трубчатые оболочки пилонов толщиной 25 мм изготовляли из стали марки 16Мп. Бетон для заполнения труб имел прочность на сжатие 50 МПа.

На первой стадии монтаж металлических конструкций пролетного строения, включая оболочки пилонов, производили на месте строительства на временных подмостях на обоих берегах путем конвейерно-тыловой сборки и цикличной продольной надвижки с помощью лебедок и гидравлических домкратов. Средняя скорость сборки и продольной надвижки металлических конструкций балки жесткости составляла 30 м за месяц. По мере замыкания металлических конструкций балки жесткости в середине главного пролета производили бетонирование стальных труб поясов и пилонов, а также монтаж и натяжение вант.

В последние годы в городах Пекине и Нанкине колонны из трубобетона применены на ряде метростанций, которые обычно находятся в центральных районах города и совмещают в себе подземные магазины. Конструкции решены в виде многоэтажных железобетонных каркасов с трубобетонными колоннами. Во избежание появления грязи и шума при устройстве открытого котлована, а также длительного перерыва в транспортном движении на поверхности земли возведение станции было выполнено способом обратного хода

Приведенные примеры строительства высотных зданий и большепролетных мостов подтверждают эффективность трубобетона. В современных технических условиях трубобетон представляет собой не только высококачественный конструктивный материал, но и эффективное средство возведения, Смело можно утверждать, что техника трубобетона в сочетании с технологией высокопрочных бетонов и насосного бетонирования будет оказывать глубокое влияние на дальнейшее развитие строительного производства.

Бетон и железобетон, 2001 №3