Н.Г.МАТКОВ, канд. техн. наук (НИИЖБ); Э.А.БАЛЮЧИК, канд. техн. наук (ЦНИИС); В.Н.ГУБИН, ген. директор фирмы “Спрут”; А.Е.РУДЕНКО, гл. инженер МО-90 Мостотреста; А.В.УЛЮТИНОВ, гл. инженер АООТ “Бетиар-22”, Несварные обжимные стыки арматуры в железобетонных конструкциях
Одной из перспективных научных разработок, предназначенных для соединения арматуры периодического профиля в сборных, монолитных и преднапряженных железобетонных конструкциях каркасов зданий и сооружений (мостах, тоннелях и др.), предложенной взамен трудоемких и дорогостоящих сварных и нахлесточных стыков, является несварной обжимной трубчатый стык. Так, во многих странах мира - США, ФРГ, Канаде, Китае, Великобритании и др. при возведении ответственных сооружений преимущественно применяют стыки такого типа [1,2].
В отечественном строительстве этот тип стыка был практически вытеснен повсеместным применением сварных стыков при массовом сборном строительстве с 1955 по 1995 г, Этим объясняется отсутствие исследований и опыта внедрения обжимных несварных стыков, и только с возрождением в последние годы монолитного домостроения, мостостроения и тоннелестроения возникла неотложная потребность в этих экономически и экологически целесообразных стыках. Помимо хороших экономических и технологических показателей, несварной стык исключает хрупкое разрушение за счет высокой пластичности и рекомендован для применения в сейсмических районах.
Конструкция обжимного стыка достаточно проста и состоит из соединительной муфты со вставленными в нее двумя выпусками стыкуемых арматурных стержней периодического профиля, (рис.1). Собранную систему "муфта-стержни” обжимали на переносных установках отечественных фирм “Спрут" (модель СН-1) и "Внииметмаш" (модель ЕЗН-1), а также фирмы “Бар- Сплайс" модели BG-750M последовательно повторяющимися жимами (п=4...17) по длине муфты с перехлестами. Направление жимов-от центра муфты к ее краям. Максимальные поперечные усилия в переносных установках достигали 80...85 тс - в зависимости от диаметра стержней. На заводах "Бети- ар-22” и №18 стыки арматуры (ds=18... 28 мм) обжимают на специальных прессах за один - два приема в сплошных штампах. Поперечное усилие достигает 300 тс (рис. 2).
Изучение поведения несварных обжимных трубчатых стыков выполняли в две стадии. На первой определяли длину зоны анкеровки арматуры в муфтах при растягивающих усилиях; на второй изучали напряженно-деформированное состояние в сжатых элементах. Призмы изготавливали в лабораторных и заводских условиях и испытывали на вне- центренное сжатие. Балки с пред- напряженной арматурой изготавливали в условиях завода “Бетиар-22” и испытывали на изгиб в Союздор- НИИ по утвержденной программе НИИЖБ и Регламенту, составленному для завода.
В стыках арматуры при растяжении и призмах при внецентренном сжатии применяли в основном горячекатаную арматуру периодического профиля класса А400 (А-Ill) из стали марок 35ГС и 25Г2С диаметром ds=18...36 мм, а в преднапря- женных балках - высокопрочную арматуру А800с (Ат-V) диаметром ds=18 мм по ГОСТ 10884-94. Средние механические характеристики примененной арматуры по прочности на растяжение: для класса А400 - стт(аО2)=410 МПа, стбЗО МПа, б5=10,ё %; для класса А800.
Соединительные муфты выполняли в виде отрезков “расчетной длины” из бесшовных цельнотянутых заводских труб. Материал труб -сталь группы “В” марок 10, 15, 20 или Ст.5 с нормированием механических свойств и химического состава по ГОСТ 1050,4543, 380 (СТО АСЧМ 7-93) и ГОСТ 19281. При изготовлении применяли горячедеформированные (ГОСТ 8731, 8732) и теплодеформированные (ГОСТ 8733, 8734) трубы. Для преднапряженной арматуры диаметром ds=18 мм применяли точеные муфты из круглой прутковой стали по ГОСТ 2590-71 (габариты муфт: L=80 мм, Дн=40 мм, Дв=22 мм, толщина стенки 9 мм). Нарезку используемых заводских труб выполняли только механическим инструментом. Торцы нарезанных муфт обрабатывали наждачным инструментом.
Испытания агрегатных образцов труб и стыков арматуры на растяжение выполняли на машине МФ- 150 по ГОСТ 1.497-84 с автоматической записью диаграмм деформирования (рис.З). Длина образцов L=700 мм, рабочая зона L=500 мм. Для обеспечения надежной анкеровки трубчатых образцов в захватах испытательной машины в трубки устанавливали стальные пробки длиной по 100 мм с каждой стороны.
Многочисленными исследованиями длина анкеровки для стержней крупных диаметров (ds=22..,36 мм) в муфтах установлена равной (с одного конца): 1_о6ж=3,5 х ds+ --1/2 ds для стержней класса A-III, а для A-IV (А600) и Ат (Ат800с) - -обж~4,5 х ds+1/2 ds (1/2 ds дается на неровность торцов стержней при их резке). При обжатии стержней разных диаметров применяли переходные муфты с теми же длинами анкеровки 4ds и 5ds, в зависимости от применяемых классов арматуры.
Стыкуемые стержни на длине обжатых муфт L0 и принятых диаметрах (наружном Дн и внутреннем Дв) с толщиной стенки t рассчитывали из условия равнопрочности (как при одном диаметре выпусков стержней, установленных в муфты, так и при разных их диаметрах в переходных муфтах). Стержни вводят в муфты на равные длины от середины, с зазором между торцами не более 1/10 их полного диаметра d1. Внутренний диаметр муфт должен обеспечивать свободный проход стыкуемых стержней с диаметральным (кольцевым) зазором по окружности ребер (рифов) арматуры 53<1,5 мм. Этот небольшой зазор определяет пластическое течение стали муфты, плотно охватывая стыкуемые стержни, заполняя выдавливаемым металлом промежутки между рифами арматуры. При этом на поверхностях муфт в поперечных сечениях на глубину, равную 0,11, от воздействия штампов обжимного силового устройства образуются по 6 диаметрально расположенных прямоугольных отпечатков шириной В.
Отпечатки располагаются равномерно на длине муфт, начиная от центра, где образуется площадка шириной d, с интервалом 3...4.5 мм при шаге 1/2 Lm, образуя на концах и середине муфт торцевые валики шириной т=1,5...2 мм.
Длины муфт после их совместного обжатия со стержнями возрастают на величины AL, составляющие не менее 10% от первоначальных длин L (муфт в заготовке). Эта величина совместного удлинения обжатой муфты со стержнями являлась основным критерием при производственном контроле прочности стыка арматуры, что подтверждено также опытами зарубежных фирм [1,2] и внесено в нормы многих стран.
Несварные обжимные стыки арматуры в бетонируемых конструкциях необходимо располагать в разбежку в плане или по вертикали для конструкций, работающих в растянутых, внецентренно сжатых и изгибаемых элементах. Число стыков в одном расчетном сечении элемента (в пределах участка длиной, равной 15 ds) не должно превышать 40% от общего количества арматуры в растянутой зоне сечения, обеспечивая при этом свободный доступ к стыкам силовой головки переносного обжимного устройства.
Исследования на конструкциях с несварными стыками выполняли в лабораторных условиях на внецентренно сжатых железобетонных призмах сечением 20x20 см, колоннах сечением 40x40 см и преднапряженных балках сечением 96x60 см. В производственных условиях исследования проводились при реконструкции Андреевского и Ульяновского мостов, строительстве Гагаринского тоннеля и путепровода на 24 км Ленинградского шоссе. Армирование призм, колонн и балок выполняли 4-мя, 12-ю и 18-ю стержнями ds=18...36 мм, классов A-III (А400) и AV (А800). Стыки рабочей арматуры выполняли с применением переносных и стационарных обжимных установок (в зависимости от расположения и густоты армирования конструкций).
На заводе Ъетиар-22” при изготовлении преднапряженных балок длиной 16 м для обжатия стыков была применена стационарная установка с неподвижными сплошными штампами. Балки выполнялись по проекту фирмы “Комплекс строй- услуг” и конструкторско-технологическому регламенту НИИЖБа. Они армировались 12-ю стержнями ds=18 мм в трех уровнях. В сборномонолитном варианте из верхнего пояса устраивали петлевые выпуски поперечной арматуры для обеспечения совместной работы балки и плиты перекрытия при полной нагрузке. Натяжение арматуры выполняли механическим способом с упором на спаренную форму для двух балок. Усилия натяжения дополнительно контролировали с помощью прибора ИНК-2. Контроль измерения напряжений при натяжении арматуры для каждой балки выполняли дважды. Контролируемое напряжение при натяжении арматуры перед бетонированием первой балки составляло 402 МПа, а для второй балки - 445 МПа. Замеры степени натяжения арматуры производили на упорах форм перед бетонированием балок, и к этому времени проявлялись потери напряжений от деформации форм и частично от релаксации. В расчете эти потери суммарно определены в пределах 94 МПа.
Перед отпуском арматуры было испытано 6 кубов; по результатам испытаний их средняя прочность составила 36 МПа.
Испытанные железобетонные призмы (RB=29 МПа) размером 20x20x80 см были армированы поперечными сетками и четырьмя продольными стержнями с обжимными стыками, расположенными в средней части. Загружение призм выполняли прессом по специально разработанной методике совместно с силовым устройством, оснащенным тарированными стойками из сплава (Д-16Т), упругие деформации которого значительно превышали деформации бетона призм [4,5,6]. Контроль за перераспределением величины нагрузки на призму производили динамометром. Подключение стоек в работу всей системы при загружении выполняли при уровнях нагрузки 0,85... 0,90 NTpa3e Призмы загружали по ступенчатой методике, принятой в НИИЖБе, до уровня 0,85 NTpa3J) с выдержкой на каждом этапе до 5 мин. При этом фиксировали упругие (еу) и пластические (епл) деформации.
Экспериментально-теоретические результаты исследований по деформациям и нагружениям призм представлены в виде диаграмм деформирования сжатия с нисходящим участком (рис.З). Диаграмма деформирования для бетонных призм на восходящей ветви имела относительно крутой уклон. Для призм с поперечным и продольным армированием диаграмма деформирования имела еще более крутой уклон на начальном участке и носила протяженный и плавный характер со значительно большими деформациями в конце (рис.З, б,в). Кроме нормативных расчетов по прочности элементов, предложен и диаграммный метод расчета с учетом [4].
Опытные диаграммы деформирования бетона (М300...М600) получены при испытании армированных призм на установке НИИЖБа [5,6], оснащенной дистанционной системой измерения деформаций и нагрузок во времени на всем диапазоне автоматической записи, посредством двух координатников с фиксацией напряжения в бетоне с помощью внутренних датчиков давления [3]. Получены также параметрические точки поперечной деформации о=е2/е1 и приращения ДиБз+Де которые находятся в пределах 0,25.. .0,45, а также основные параметры объемных изменений бетонных элементов в процессе их загружения.
С увеличением длительности приложения нагрузки в бетоне элементов развиваются деформации ползучести, которые приводят к увеличению полных деформаций, большая часть из которых - пластические.
Описывая опытные диаграммы деформирования с нисходящими ветвями по упрощенными зависимостями, нами рекомендован подход расчета с учетом работ [4,5,6].
После ряда математических преобразований удельная энергия разрушения элемента определится диаграммой деформирования и выразится зависимостью
В заключение отметим необходимость ограничения нисходящей ветви диаграммы бетона базовыми точками, фиксирующими расчетные значения с целью определения предельного усилия [4,6].
Бетон и железобетон, 2003 №4